CN102800990A - 一种极化分波装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种极化分波装置，该分波装置包括：一主波导、第一及第二方波导和位于主波导与方波导之间的至少包括一超材料片层的超材料板，超材料片层包括基板、阵列设置在基板上的第一人造微结构和第二人造微结构。超材料片层包括第一区域和第二区域，第一区域内的第一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第一人造微结构的几何尺寸向第一区域方向逐渐增大，第二区域内第二人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二区域方向逐渐增大。本发明极化分波装置利用超材料板对电场的响应以及其能够偏折电磁波，实现极化电磁波的分离和正交电场线极化波的合并。

Description

一种极化分波装置

技术领域

本发明属于电磁波通讯领域，涉及一种电磁波极化分离与合并的装置，尤其涉及一种应用超材料技术实现电磁波极化分离与合并的装置。

背景技术

在电磁应用领域，常常需要把某一种任意极化的电磁波(例如角度任意的线极化波，某种轴比任意的椭圆极化波)分解为两路正交的线极化波。目前存在一种技术可以实现两个正交线极化波之间的分离或者合并，该技术是利用圆波导，在该圆波导上面街上两个垂直的同轴线，再利用电磁场的边界条件，实现两个正交线极化波之间的分离或者合并。专利申请号为CN87215865.9的中国专利提供了一种毫米波极化分离器，该极化分离器是由一个圆形主波导，两个匹配调节器，两个耦合窗口，两个隔离栅网组为一体，两匹配调节器、两隔离栅网位置为90°正交，通过极化分离器实现电磁波的极化分离。以上技术方案中的极化分离装置结构较为复杂，且占用的空间较大。

超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。人造微结构是至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。每个人造微结构及其附着的部分基板构成一个超材料单元，整个超材料即是由数十万、百万甚至上亿的这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的，每个晶格即相当于上述的人造微结构及基板构成的超材料单元。由于人造微结构的存在，每个上述单元整体具有一个等效的介电常数和磁导率，因此所有的单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；同时，对人造微结构设计不同的具体结构和尺寸，可改变其单元的介电常数和磁导率，进而改变整个超材料的响应特性。

将超材料技术应用到电磁波的极化分离与合并中将会改变传统的极化分离与合并的设计理念，而这方面的研究在目前还未见披露。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种应用超材料技术实现电磁波极化分离与合并的分波装置，使用该分波装置可以很容易的实现极化电磁波的分离与合并。具体，本发明采用以下技术方案：

一种极化分波装置包括：一主波导，可传播任意极化的电磁波；第一、第二方波导，处于同一平面且与所述主波导开口朝向相同，分别传播具有第一电场方向的线极化波及具有与第一电场方向正交的第二电场方向的线极化波；以及，

位于所述主波导与所述第一方波导、第二方波导之间的由至少一超材料片层构成的超材料板，所述超材料片层包括基板、阵列设置在所述基板上的第一人造微结构和第二人造微结构，每个第一人造微结构的光学主轴方向与所述第一电场方向平行，每个第二人造微结构的光学主轴方向与所述第二电场方向平行，所述超材料包括第一区域和第二区域，在所述第一区域内的第一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第一人造微结构的几何尺寸向第一区域方向逐渐增大，在所述第二区域内的第二人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二区域方向逐渐增大。

进一步地，所述主波导为圆波导；所述两个方波导的宽壁所在的平面正交。

进一步地，所述第一人造微结构和第二人造微结构分别阵列设置在所述基板的两相对表面上。

进一步地，所述超材料板包括多个介电常数非均匀分布、沿垂直于所述超材料板表面方向堆叠的超材料片层。

进一步地，所述基板的制备材料包括高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

进一步地，每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构；所述金属丝为铜丝或银丝。

进一步地，所述第一人造微结构和第二人造微结构为非90度旋转轴对称结构。

进一步地，所述第一人造微结构为“工”字形或“王”字形；所述第二人造微结构为“H”形。

上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的极化分波装置结构简单，使用的超材料板是根据人造微结构对电场的响应与其结构有关的原理以及非均匀超材料偏折电磁波的原理，可使入射电磁波分离、可灵活控制分离后电磁波束的出射角度并且可实现大面积电磁波束的分离；使得进入主波导的电磁波只需通过超材料板即实现电磁波的分离并由第一、第二方波导输出，进入第一、第二方波导的正交的电磁波只需通过超材料即可实现电磁波的合并并由主波导输出。

附图说明

图1是本发明实施例极化分波装置结构示意图；

图2是图1极化分波装置改变第一、第二方波导结构后的右视图；

图3是本发明极化分波装置中的超材料板的第一实施例的结构示意图；

图4是本发明极化分波装置中的超材料板的第二实施例的超材料单元的结构示意图；

图5是由多个图4所示超材料单元阵列构成的分离波束的超材料板的结构示意图；

图6是图4所示的分离波束的超材料板的正视图；

图7是图4所示的分离波束的超材料板的后视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的极化分波装置包括主波导1、超材料板2和第一方波导31、第二方波导32，从主波导1射入的极化电磁波

经过超材料板2，超材料板2通过其上设置的分别对电磁波两正交电场具有响应的两种人造微结构的排布设计，实现极化电磁波的分离并得到正交的具有第一电场方向的线极化波和具有第二电场方向的线极化波

线极化波和

分别经第一方波导31、第二方波导32射出。主波导1可以传播任意极化的电磁波，其中，本实施例中主波导1采用了圆波导方式，设置于超材料板2的一侧，第一方波导31、第二方波导32处于同一平面，它们的开口朝向与主波导1相同，设置在超材料板2的另一侧；为了达到更好的分离效果，可以采用图2所示的极化分波装置，该极化分波装置与图1实施例只在方波导设置上存在差异，图2所示的第一方波导31、第二方波导32宽壁所在的平面正交，即使得第一方波导31、第二方波导32正交，经超材料板2分离得到的正交线极化波

和

分别经第一方波导31、第二方波导32射出，能够获取更好的隔离度。

本发明极化分波装置中的超材料板2用于将入射的极化电磁波分离，图3所示即为该超材料板2的第一实施例的结构示意图。超材料板2包括至少一个超材料片层23，这些超材料片层23之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相接触堆叠成一体。每个超材料片层23进一步包括前后表面平行的片状基板21、阵列设置在基板1上的第一人造微结构221和第二人造微结构222。

第一人造微结构221和第二人造微结构222为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，第一人造微结构221和第二人造微结构222分别与其所附着的基板21所占部分一起构成一个超材料单元24。基板21可为任何与第一人造微结构221和第二人造微结构222不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元24产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元24的电场响应与磁场响应，因此可对电磁场产生不同的响应。

要使极化电磁波分离，必须具备两个条件，其一是超材料板2附着有分别对两正交电场具有响应的人造微结构。人造微结构对电场有响应，则要求人造微结构的光学主轴方向与电场方向平行，即人造微结构的在电场方向上必须有投影且投影不是点，是具有长度的一线段。例如当电场为竖直方向时，若人造微结构为水平方向上的一条平直金属丝，则该人造微结构在竖直方向上的投影不是一具有长度的线段，因而不能对电场产生响应；若人造微结构为竖直方向上的金属丝，则该人造微结构能对电场产生响应。

本实施例中超材料板2所附着的每个第一人造微结构221的光学主轴方向为竖直方向与竖直的第一电场

方向平行，每个第二人造微结构222的光学主轴方向为水平方向与水平的第二电场方向平行。所以第一人造微结构221对第一电场

有响应，第二人造微结构222对第二电场

有响应。

使具有正交电场的两种电磁波分离的另一必要条件是超材料板2可以使射入的两种电磁波向不同方向偏折。当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，电磁波的折射率与成正比关系，因而通过改变介电常数ε和/或磁导率μ在材料中的分布，就可达到改变电磁波的传播路径的目的。

超材料板对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料板空间中排列的每个第一人造微结构221和第二人造微结构222的图案和几何尺寸，就可对超材料板中每一点的电磁参数，进而实现入射的极化电磁波分离。

满足上述两个必备条件的第一人造微结构221和第二人造微结构222有很多种可实现方式。图3所示的第一人造微结构221和第二人造微结构222为非90度旋转轴对称结构。第一人造微结构221为“工”字形，包括竖直的第一金属丝和分别连接在第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝，第一金属丝的长度为L1，第二金属丝的长度为L2且满足L1＞＞L2，第一人造微结构221的光学主轴与竖直的第一电场

方向平行，所以对竖直方向的电场有响应。第二人造微结构为“H”形，包括水平的第三金属丝和分别连接在第三金属丝两端且垂直于第三金属丝的第四金属丝，第三金属丝的长度为L3，第四金属丝的长度为L4且满足L3＞＞L4，第二人造微结构222的光学主轴与水平的第二电场

方向平行，所以对水平方向的电场有响应。

如图3所示超材料板2包括第一区域25和第二区域26，在第一区域25内的第一人造微结构221的几何尺寸最大，其他各处的第一人造微结构221的几何尺寸向第一区域25方向连续增大。在第二区域26内的第二人造微结构222的几何尺寸最大，其他各处的第二人造微结构222的几何尺寸向第二区域26方向连续增大。当一束具有正交电场的两种电磁波经过该超材料板2时，第一人造微结构221对竖直电场具有响应，具有竖直电场方向的电磁波向第一区域25方向偏折出射；第二人造微结构222对水平电场具有响应，具有水平电场方向的电磁波向第二区域26方向偏折出射，进而实现了两种电磁波的分离。通过不同尺寸大小的第一人造微结构221和第二人造微结构222的不同排布可实现不同的出射效果。

图4是本发明的超材料板2的第二实施例的结构示意图，本实施例中超材料板2由多个超材料单元24阵列形成，图4所示为该超材料板2的超材料单元24的一实施例的示意图。在本实施例中第一人造微结构221和第二人造微结构222分别阵列设置在基板21的两相对侧表面上。在图5所示实施例中除了第一人造微结构221和第二人造微结构222分别设置在相对侧面上与图3所示实施例中第一人造微结构221和第二人造微结构222设置在基板1同一侧面上这一点不同之外，第一人造微结构221和第二人造微结构222的排布规律等均与之相同。图6和图7分别是图5所示的超材料板2的正视图和后视图。本实施例中超材料板2包括第一区域25和第二区域26，在第一区域25内的第一人造微结构221的几何尺寸最大，其他各处的第一人造微结构221的几何尺寸向第一区域25方向连续增大。在第二区域26内的第二人造微结构222的几何尺寸最大，其他各处的第二人造微结构222的几何尺寸向第二区域26方向连续增大。当一束极化电磁波经过该超材料板2时，第一人造微结构221对竖直电场具有响应，具有竖直电场方向的电磁波向第一区域25方向偏折出射；第二人造微结构222对水平电场具有响应，具有水平电场方向的电磁波向第二区域26方向偏折出射，进而实现了两种电磁波的分离。通过不同尺寸大小的第一人造微结构221和第二人造微结构222的不同排布可实现不同的出射效果。

具体实施时，人造微结构由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等多种方法附着在基板21上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板21上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构。基板21的制备材料包括高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料，高分子材料可采用聚四氟乙烯、Fr4或F4b等。

由于超材料具有能够使得极化电磁波分离的特性，使得本发明极化分波装置得以实施。在应用时，两种正交的电磁波分别经第一、第二方波导入射，经过超材料后即可实现两种正交的电磁波的合并，得到一种极化电磁波，从主波导中射出；因此，本发明的极化分波装置亦可用于正交电磁波的合并，即为极化合波装置。

以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种极化分波装置，其特征在于，所述极化分波装置包括：

一主波导，可传播任意极化的电磁波；

第一、第二方波导，处于同一平面且与所述主波导开口朝向相同，分别传播具有第一电场方向的线极化波及具有与第一电场方向正交的第二电场方向的线极化波；以及，

位于所述主波导与所述第一、第二方波导之间的由至少一超材料片层构成的超材料板，所述超材料片层包括基板、阵列设置在所述基板上的第一人造微结构和第二人造微结构，每个第一人造微结构的光学主轴方向与所述第一电场方向平行，每个第二人造微结构的光学主轴方向与所述第二电场方向平行，所述超材料片层包括第一区域和第二区域，在所述第一区域内的第一人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第一人造微结构的几何尺寸向第一区域方向逐渐增大，在所述第二区域内的第二人造微结构的几何尺寸最大且其他各处的第二人造微结构的几何尺寸向第二区域方向逐渐增大。

2.如权利要求1所述的极化分波装置，其特征在于，所述主波导为圆波导。

3.如权利要求1所述的极化分波装置，其特征在于，所述两个方波导的宽壁所在的平面正交。

4.如权利要求1或2或3所述的极化分波装置，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构分别阵列设置在所述基板的两相对表面上。

5.如权利要求4所述的极化分波装置，其特征在于，所述超材料板包括多个介电常数非均匀分布、沿垂直于所述超材料板表面方向堆叠的超材料片层。

6.如权利要求4所述的极化分波装置，其特征在于，所述基板的制备材料包括高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。

7.如权利要求1所述的极化分波装置，其特征在于，每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

8.如权利要求7所述的极化分波装置，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

9.如权利要求1所述的极化分波装置，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构为非90度旋转轴对称结构。

10.如权利要求9所述的极化分波装置，其特征在于，所述第一人造微结构为“工”字形或“王”字形；所述第二人造微结构为“H”形。

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