CN102769191A - 一种实现极化转换的超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现极化转换的超材料，所述超材料包括基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述人造微结构能够影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得所述平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生的相位差Δφ＝(k1-k2)×d，

ω为所述电磁波的频率，ε为所述超材料的介电常数，d为所述超材料的厚度，μ₁、μ₂为所材料的磁导率。根据本发明的实现极化转换的超材料，可以轻易地实现平面电磁波极化方式的相互转换。

Description

一种实现极化转换的超材料

技术领域

本发明涉及用于平面电磁波极化转换的装置，具体地涉及一种实现极化转换的超材料。

背景技术

电磁波与光的极化状态在液晶显示、射频天线及各种辐射器件、卫星天线与光学器件等方面有广泛的应用。传统的极化转换器件通常限制一种极化波透射，将不需要的极化波反射；或者将波分为两束具有不同极化状态的波束，因此一种极化波只能携带不到一半的能量，并且工艺要求和成本高。此外，利用截面渐变的波导可以实现圆极化波与线极化波之间的转换。用来实现极化转换，前者具有较大的能量损耗，后者能量损耗小但所要得到极化隔离度好的出射波对加工精度要求相当高，实现难度较大。

现有的电磁波极化转换技术，下面以线极化波转换成其他极化方式的电磁波为例来说明现有的极化转换技术。

步骤一，将输入的线极化波进行功率分离，形成两路传输信号；

步骤二，通过两个可控相移的支路，使其中一路电磁信号的相位与另一路电磁信号的相位相差90度，来实现极化的转换；

步骤三，用功率合成器将两个具有不同幅相特性的电磁波进行合成，输出一个与输入不同极化方式的电磁波。

现有的极化转换技术实施很复杂，需要经过一系列器件，所以实施过程中就必须考虑各器件在不同频段的匹配问题，而且整个系统的失真很难消除，所得结果并不能很准确。

在各种天线及微波与光学的仪器设备中，经常需要实现不同极化状态之间的转换，以获得某种单极化波或双极化波。极化转换主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，接近所需要的极化状态。

2)低损耗。具有较高的能量转换效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，极化转换方法应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。

超材料由介质基材和设置上基材上的多个人造微结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人造微结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人造微结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人造微结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现极化转换提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种低成本、高效率、功能多样、便于控制和设计的实现极化转换的超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现极化转换的超材料，所述超材料包括基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述人造微结构能够影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得所述平面电磁波离开所述的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生的相位差Δφ＝(k1-k2)×d，从而实现上述电磁波极化方式的相互转换，其中，

$k1=\mathrm{\ω}\×\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}\×;$

$k2=\mathrm{\ω}\×\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}\×;$

ω为所述电磁波的频率；

ε为所述超材料的介电常数；

μ₁、μ₂为所材料的磁导率；

d为所述超材料的厚度。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均由所述基材以及附着有多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的相位差Δφ。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，若要实现水平极化与垂直极化的相互转换，需Δφ＝(2K+1)·π，其中K为整数。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，若要实现线极化与圆极化的相互转换，需Δφ＝(2K+1)·(π/2)，且所述平面电磁波离开实现所述的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量幅度相等，其中K为整数。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，若要实现线极化与椭圆极化的相互转换，需Δφ不等于(2K+1)·(π/2)且Δφ不等于(2K+1)·π且Δφ不等于2Kπ，且所述平面电磁波离开所述的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量幅度不相等，其中K为整数。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述入射的平面电磁波的电场矢量沿第一主线所在的直线有分量。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述入射的平面电磁波的电场矢量与第一主线呈45度夹角。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述金属线为铜线或银线。

根据本发明的实现极化转换的超材料，通过所述人造微结构影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得平面电磁波离开实现极化转换的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生相位差Δφ，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换。上述的实现极化转换的超材料，制造成本低、转换效率高、并且功能多样、便于控制和设计。

附图说明

图1是本发明实现极化转换的超材料一个实施例中人造微结构的

示意图；

图2是本发明实现极化转换的超材料一个实施例结构示意图；

图3是图2的另一视角图；

图4图1所示图案衍生得到的一个人造微结构的图案；

图5图1所示图案变形得到的一个人造微结构的图案；

图6图1所示图案变形得到的另一个人造微结构的图案。

具体实施方式

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，

而决定于其中的人工结构。

本发明利用超材料来构建一种极化转换器。具体如下：

如图1至图3所示，根据本发明的实现极化转换的超材料10，包括基材1以及设置在基材上的多个可以产生各向异性的等效介电常数的人造微结构2，所述人造微结构2能够影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得所述平面电磁波离开实现极化转换的超材料10时，所述电场矢量的两个正交分量产生的相位差Δφ＝(k1-k2)×d，从而实现上述电磁波极化方式的相互转换，其中，

$k1=\∞\×\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}\×;$

$k2=\mathrm{\ω}\×\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}\×;$

ω为所述电磁波的频率；

ε为超材料10单元的介电常数；

μ₁、μ₂材料10单元的磁导率；

d为超材料10的厚度。

电磁波的极化是指电场强度矢量随时间变化的轨迹。电场矢量可以分解成任意两个方向上的电场分量Ex和Ey的矢量和，当电场矢量方向确定的电磁波辐射到超材料10表面时，由于超材料10的各多个人造微结构电磁参数的各向异性，在不同的方向如×轴、Y轴上折射率是不同的，或者说，人造微结构两个方向上的电磁波分量在超材料10中传播的折射率有所不同。其中，折射率与介电常数以及磁导率之乘积有关，即：表现如公式中所述的是不同的，因此，两个不同方向的电磁波分量穿出超材料10时会出现相位差，其相位差为Δφ＝(k1-k2)×d。其中k1、k2分别代表两个不同方向上电场分量所对应的不同相位常数。相位常数

由公式可知：相位差与电磁参数、、ε₂、μ₂超材料10的厚度d有关。通过本发明的超材料10可以通过人造微结构的分布，控制各向异性的介电常数和磁导率μ的大小来达到调整电磁波极化转换的目的。即：因为电磁波的频率ω和超材料10的厚度d是固定的，所以可以通过超材料10的设计控制各人造微结构的两个方向上的折射率从而影响两个电场分量的相位差达到调整电磁波极化的目的。

图1只是示意性地画出了人造微结构4列6行排列情况，实际上根据需要人造微结构的数量可以上千，甚至是上万。

由天线辐射原理可知，自由空间电磁波通常以电场E的取向作为电波极化方向。E是随时间而变化的，如果E的矢量端点随时间变化的轨迹是一直线，则称此电磁波为线极化波。若E的大小不变而方向随时间而变，在观察点处与传播方向垂直的平面内，矢量端点的变化轨迹是一个圆，称为圆极化波。E的大小和方向都随时间变化，矢量端点的轨迹为椭圆的波则叫椭圆极化波。

作为本发明的一个实施例，所述超材料10由多个片状基板11堆叠形成，每个片状基板11均由基材1及附着有多个人造微结构2组成，所有的人造微结构2在空间中形成周期阵列。优选地，所述所有的人造微结构2在空间中呈均匀性的周期阵列。图2所示为实现极化转换的超材料一个实施例一侧结构示意图。图3为图2的另一视角图，我们可以清楚的看到超材料10是由多个片状基板11堆叠形成有一定厚度的方形物体。图中多个箭头表示的是入微的平面电磁波。实际做产品的时候，还可以对其进行封装，使得从外部看不到人造微结构2。图2中平面电磁波从实现极化转换的超材料10的左侧入射，根据平面电磁波的原理，其电场矢量方向是与传播方向垂直的。

我们可以将整个实现极化转换的超材料10分为多个单元，每个单元都具有一个人造微结构2，整个实现极化转换的超材料就是由这多个单元组成，每一个单元都会对通过其的电磁波产生响应，从而影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，而经过一特定时间t后，平面电磁波的电场矢量受到累加效应，从而使得所述平面电磁波经过t时间后离开实现极化转换的超材料时，将两个已经产生了相位差Δφ的正交分量合成后，即可得到平面电磁波离开实现极化转换的超材料后的电场矢量，实现了穿过所述实现极化转换的超材料后的平面电磁波极化方式的改变。

在基材1选定的情况下，通过改变人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构2在空间中的排布获得想要的相位差Δφ，这是因为，通过改变人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，即可改变实现极化转换的超材料10空间中每一单元的电磁参数ε和μ，从而改变相应单元的折射率n，实现极化转换的超材料10可以看成是由多个这样的单元组成的，因此通过合理计算可以得到想要的Δφ，从而实现极化转换。至于怎么得到人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构2在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，先确定Δφ的数值(即需要什么样的极化转换方式)，根据此数值去设计实现极化转换的超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一单元的电磁参数分布，根据这每一单元的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)。

作为公知常识，我们可知：

在三维空间，沿Z轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为：

若

且

与

的相位差为n∏(n＝1，2，3，...)，则合成矢量的模为：

这是一个随时间变化而变化的量，合成矢量的相位θ为：θ＝tg^-1(Ey/Ex)＝tg^-1(Exm/Exm)，合成矢量的相位为常数。可见合成矢量的端点的轨迹为一条直线。

与传播方向构成的平面称为极化面，当极化面与地面平行时，为水平极化；当极化面与地面垂直时，为垂直极化。

若

与

的幅度相等，相位差为(2n+1)∏/2时，则

是常数，而相位随时间t而变化：θ＝tg^-1(Ey/Ex)＝wt，故合成矢量端点的轨迹为一个圆，称为圆极化。

根据电场旋转方向不同，圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋转(满足右手定测)称右旋极化，逆时针方向旋转(满足左手定测)称左旋极化。因此，若

超前∏/2，则为右旋极化波，若落后

∏/2，则为左旋极化波。

若

与

的幅度和相位差均不满足上述条件时，即合成矢量的大小和方向都随时间变化(都不是常数)，则合成矢量端点的轨迹为一个椭圆，称为椭圆极化。

根据电场旋转方向不同，椭圆极化和圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋称右旋极化，逆时针方向旋转称左旋极化。

因此，本发明中，若要实现水平极化与垂直极化的相互转换，只

需Δφ＝(2K+1)·π，其中K为整数。

若要实现线极化与圆极化的相互转换，只需Δφ＝(2K+1)·(π/2)，且离开实现极化转换的超材料时电磁波电场矢量的两个分量的幅度相等，其中K为整数。在线极化转换为圆极化中，若

超前

∏/2，则为右旋圆极化波，若

落后

∏/2，则为左旋圆极化波。

若要实现线极化与椭圆极化的相互转换，只需Δφ不等于(2K+1)·(π/2)且Δφ不等于(2K+1)·π且Δφ不等于2Kπ，且离开实现极化转换的超材料时电磁波电场矢量的两个分量的幅度不相等，其中K为整数。在线极化转换为椭圆极化中，若

超前

则为右旋椭圆极化波，若

落后

则为左旋椭圆极化波。

作为一个实施例，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在基材1上的金属线。所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形，非旋转90度对称图形是旋转90度对称的相对概念，所谓旋转90度对称是指，一图形沿其对称中心向任意方向旋转90度后都与原图形重合，具有此图形的人造微结构构成的空间单元结构表现出各向异性(即空间单元结构每点的电磁参数不同)。反之，具有旋转90度对称的图形的人造微结构构成的空间单元结构则表现为各向同性(即空间单元结构每点的电磁参数相同)。人造微结构构成的空间单元结构若表现为各向异性，则会影响通过其中的电磁波的电场矢量，从而使得所述电场矢量的两个正交分量产生相位差Δφ，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材1上。

如图1所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。在这个实施例中，各向同性的情况为：

1)第一主线与第二主线长度相同；

2)第一分支与第二分支长度也相同；

因此，只要不同时满足上面的条件，则上述图案的人造微结构构成的空间单元结构表现为各向异性。

进一步地，所述入射的平面电磁波的电场矢量沿第一主线21所在的直线有分量。这样一来，平面电磁波的电场矢量的两个正交分量一个是在第一主线21的直线方向，另外一个则在第二主线22的直线方向，使得人造微结构2对电磁波的两个正交分量都有影响(电场响应)，这种影响经过一定时间叠加后，则会使平面电磁波的电场矢量的两个正交分量产生一个相位差(平面电磁波未进入实现极化转换的超材料之前的两个正交分量没有相位差)，从而改变出射平面电磁波的极性，实现了极化方式的转换。在由水平极化转换成垂直极化时，出射的平面电磁波的电场矢量的两个分量的幅度可以相等也可以不等。但是在由线极化转换为圆极化时，则需要出射的平面电磁波的电场矢量的两个分量的幅度相同，因此在设计由线极化转换为圆极化的实现极化转换的超材料时，第一主线21与入射的电磁波的电场矢量呈45度夹角，这样电场矢量沿第一主线21及第二主线22的两个分量幅度相等。当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线的图案还可以为其它的，如图3-图5所示。其中图3为上述图案的衍生，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；其中图4至图5为上述图案的变形；另外还有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举。

因为本超材料的微结构及其分布是可以控制设计的，所以在设计时可以设计出适合多频点的极化调制。即在多个频点内，设计出可控的相位差，实现电磁波的极化调制，即，同一人造微结构对不同的频率的电磁波表现不同的介电常数及磁导率，故可进行不同的响应。

本发明的基材1可以由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、使用寿命长，作为人造微结构附着的基材是很好的选择。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线，铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

根据本发明的实现极化转换的超材料，通过所述人造微结构影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得平面电磁波离开实现极化转换的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生相位差Δφ，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换。上述的实现极化转换的超材料，制造成本低，转换效率高，并且功能多样，便于控制和设计。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (15)

1.一种实现极化转换的超材料，其特征在于，所述超材料包括基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述人造微结构能够影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得所述平面电磁波离开所述的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生的相位差Δφ＝(k1-k2)×d，从而实现上述电磁波极化方式的相互转换，其中，

$k1=\mathrm{\ω}\×\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}\×;$

$k2=\mathrm{\ω}\×\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}\×;$

ω为所述电磁波的频率；

ε为所述超材料单元的介电常数；

μ₁、μ₂为所材料单元的磁导率；

d为所述超材料的厚度。

2.根据权利要求1所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均由所述基材以及附着有多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

3.根据权利要求2所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

4.根据权利要求2所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的相位差Δφ。

5.根据权利要求4所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，若要实现水平极化与垂直极化的相互转换，需Δφ＝(2K+1)·π，其中K为整数。

6.根据权利要求4所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，若要实现线极化与圆极化的相互转换，需Δφ＝(2K+1)·(π/2)，且所述平面电磁波离开所述的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量幅度相等，其中K为整数。

7.根据权利要求4所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，若要实现线极化与椭圆极化的相互转换，需Δφ不等于(2K+1)·(π/2)且Δφ不等于(2K+1)·π且Δφ不等于2Kπ，且所述平面电磁波离开所述的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量幅度不相等，其中K为整数。

8.根据权利要求2所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在基材上的金属线，所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形。

9.根据权利要求8所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

10.根据权利要求8所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。

11.根据权利要求10所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。

12.根据权利要求8或10或11所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述入射的平面电磁波的电场矢量沿第一主线所在的直线有分量。

13.根据权利要求12所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述入射的平面电磁波的电场矢量与第一主线呈45度夹角。

14.根据权利要求2所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

15.根据权利要求8所述的实现极化转换的超材料，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

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