CN104852156A

CN104852156A - 一种新型宽带电磁波极化调控电磁结构

Info

Publication number: CN104852156A
Application number: CN201510154660.XA
Authority: CN
Inventors: 邓龙江; 张林博; 周佩珩; 陈海燕; 陆海鹏; 谢建良
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2015-08-19

Abstract

本发明提供一种新型宽带电磁波极化调控电磁结构，用于解决现有极化调控电磁结构极化转换带宽较窄、极化转换效率低下以及结构厚度较大等问题，且当电磁波入射角度发生改变时，结构的极化调控能力变差和转换带宽变窄的问题。本发明新型宽带电磁波极化调控电磁结构，包括3层，底层为金属平板，中间层为介质基板，表层为一层周期性金属椭圆环；所述周期性金属椭圆环层的周期为7.0～11.0mm，金属椭圆环的尺寸为：外椭圆长半轴为3.5～6.5mm、短半轴为0.8～1.6mm，内椭圆长半轴为1.8～2.2mm、短半轴为0.3～0.6mm。本发明结构在厚度、转换带宽、转换效率和入射角度上都优于传统的极化调控电磁结构。

Description

一种新型宽带电磁波极化调控电磁结构

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，特别涉及电磁结构设计，具体为一种新型宽带电磁波极化调控电磁结构。

背景技术

极化状态是电磁波的一个非常重要的特征，应用电磁波的极化性能可对探测目标进行识别、编码和抽样，在通信、导航和雷达等高科技领域已经被逐渐得到应用。调控电磁波的极化状态一直是人们想要实现的重要目标，自然界中能够调控电磁波极化状态的媒质非常有限，且效率低下。因此，通过人工方法来控制电磁波的极化状态一直是人们想要实现的目标。

电磁超材料已经成为了一种可以调控电磁波极化特性的理想材料，通过电磁超材料基本单元结构的设计可以实现电磁波的极化调控。目前，利用电磁超材料控制电磁波极化特性的研究主要包含两个方面，即透射型和反射型极化特性的调控。传统的透射型电磁波极化状态调控的方法包括光栅调控、二色晶体调控以及通过双折射效应来实现。但是这一类型的极化调控电磁结构需要复杂的设计和较大的结构厚度来改变电磁波的相位以达到极化调控的目的。目前，反射型极化调控电磁结构的研究较少，国内主要以复旦大学、空军工程大学和华中师范大学等高校为代表。但是，反射型极化调控电磁结构依然存在极化转换带宽较窄、极化转换效率低下以及结构厚度较大等问题，尤其当电磁波入射角度发生改变时，结构的极化调控能力变差和转换带宽变窄。因此，减小结构厚度，开展多种结构形式综合的极化调控电磁结构，增大极化转换带宽、提高极化转换效率以及改善不同入射角度下的极化调控性能是亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种新型宽带电磁波极化调控电磁结构，该结构在厚度、转换带宽、转换效率和入射角度上都优于传统的极化调控电磁结构。

本发明的技术方案为：一种新型宽带电磁波极化调控电磁结构，包括3层，底层为金属平板，中间层为介质基板，表层为一层周期性金属椭圆环；其特征在于，所述周期性金属椭圆环层的周期为7.0～11.0mm，金属椭圆环的尺寸为：外椭圆长半轴为3.5～6.5mm、短半轴为0.8～1.6mm，内椭圆长半轴为1.8～2.2mm、短半轴为0.3～0.6mm。

优选的，所述新型宽带电磁波极化调控电磁结构的厚度为1.5～3.0mm。

优选的，所述介质基板材料的电磁参数变化范围为：相对介电常数实部范围3.2～4.6，虚部范围0～0.2。

本发明提供的新型宽带电磁波极化调控电磁结构为反射型极化调控电磁结构，该结构具有各向异性，当电磁波入射时，电场在该结构的正交方向经过反射后产生的相位会发生改变。当相位相差±180°，则反射出的电磁波具有线极化的电场分布；当相位相差±90°，且正交方向上的振幅相同，则反射出的电磁波具有圆极化的电场分布。其制备工艺采用PCB(PrintCircuit Board，印刷电路板)工艺将周期性金属椭圆环涂覆在介质基板上，基板背面粘贴一层金属膜。

本发明具有如下优点：

1.本发明极化调控电磁结构制作工艺简单成熟、可操作性强、制备成本低，有利于批量化生产；

2.本发明极化调控电磁结构厚度在给定参数范围内，都能够保持极化转换频段和极化转换效率；

3.入射角度在0°至30°范围内，本发明极化调控电磁结构的极化转换带宽和极化转换效率都能够保持一致；

4.通过合理调整周期性金属椭圆环的尺寸和结构厚度，该方法同样适合于其它类似的极化调控电磁结构。

附图说明

图1为本发明极化调控电磁结构单元结构示意图。

图2为本发明极化调控电磁结构周期分布示意图，其中p为周期性单元边长，t为结构的总厚度，椭圆环的参数为：外椭圆长半轴为a，短半轴为b；内椭圆长半轴为m，短半轴为n。

图3为本发明极化调控电磁结构在TE和TM极化下的反射率图。

图4为本发明极化调控电磁结构极化转换效率图。

图5为本发明极化调控电磁结构在入射角度从0°增大到45°条件下反射率图，其中(a)表示r_xy，(b)表示r_yy。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。作为更具体的实施示例，以设计中的几个主要参数为例，对本发明进行说明。

实施例1：

一种极化调控电磁结构，是在2.0mm厚的介质基板表面涂覆周期性金属铜椭圆环。其单元尺寸为：p＝7.0mm，a＝4.0mm，b＝1.0mm，m＝2.0mm，n＝0.5mm；介质基板的电磁参数范围为：相对介电常数实部范围为3.2～4.6，虚部范围为0～0.2。

通过所述方式设计得到的极化调控电磁结构，在电磁波垂直入射下，结构70％极化转换率带宽为8.0GHz到18.0GHz；当电磁波入射角度增大到30°时，结构70％极化转换率带宽可以保持与垂直入射一致；当入射角度增大到45°时，结构70％极化转换率带宽为8.3GHz到17.0GHz。结构在垂直入射和斜入射下的极化转换带宽和效率都得到加强。

实施例2：

一种极化调控电磁结构，是在3.0mm厚的介质基板表面涂覆周期性金属铜椭圆环。其单元尺寸为：p＝10.0mm，a＝6.0mm，b＝1.0mm，m＝2.0mm，n＝0.5mm；介质基板的电磁参数范围为：相对介电常数实部范围为3.2～4.6，虚部范围为0～0.2。

通过所述方式设计得到的极化调控电磁结构，在电磁波垂直入射下，结构70％极化转换率带宽为6.0GHz到12.9GHz；当电磁波入射角度增大到30°时，结构70％极化转换率带宽可以保持与垂直入射一致；当入射角度增大到45°时，结构70％极化转换率带宽为6.0GHz到12.3GHz。结构在垂直入射和斜入射下的极化转换带宽和效率都得到加强。

实施例3：

一种极化调控电磁结构，是在1.8mm厚的介质基板表面涂覆周期性金属铜椭圆环。七单元尺寸为：p＝8.0mm，a＝4.0mm，b＝1.0mm，m＝2.0mm，n＝0.5mm；介质基板的电磁参数范围为：相对介电常数实部范围为3.2～4.6，虚部范围为0～0.2。

通过所述方式设计得到的极化调控电磁结构，在电磁波垂直入射下，结构70％极化转换率带宽为8.7GHz到18.0GHz；当电磁波入射角度增大到30°时，结构70％极化转换率带宽可以保持与垂直入射一致；当入射角度增大到45°时，结构70％极化转换率带宽为8.9GHz到17.5GHz。结构在垂直入射和斜入射下的极化转换带宽和效率都得到加强。

实施例4：

一种极化调控电磁结构，是在2.4mm厚的介质基板表面涂覆周期性金属铜椭圆环。七单元尺寸为：p＝8.0mm，a＝4.0mm，b＝1.0mm，m＝3.0mm，n＝0.5mm；介质基板的电磁参数范围为：相对介电常数实部范围为3.2～4.6，虚部范围为0～0.2。

通过所述方式设计得到的极化调控电磁结构，在电磁波垂直入射下，结构70％极化转换率带宽为8.0GHz到18.0GHz；当电磁波入射角度增大到30°时，结构70％极化转换率带宽可以保持与垂直入射一致；当入射角度增大到45°时，结构70％极化转换率带宽为8.5GHz到17.3GHz。结构在垂直入射和斜入射下的极化转换带宽和效率都得到加强。

Claims

1.一种新型宽带电磁波极化调控电磁结构，包括3层，底层为金属平板，中间层为介质基板，表层为一层周期性金属椭圆环；其特征在于，所述周期性金属椭圆环层的周期为7.0～11.0mm，金属椭圆环的尺寸为：外椭圆长半轴为3.5～6.5mm、短半轴为0.8～1.6mm，内椭圆长半轴为1.8～2.2mm、短半轴为0.3～0.6mm。

2.按权利要求1所述新型宽带电磁波极化调控电磁结构，其特征在于，所述新型宽带电磁波极化调控电磁结构的厚度为1.5～3.0mm。

3.按权利要求1所述新型宽带电磁波极化调控电磁结构，其特征在于，所述介质基板材料的电磁参数为：相对介电常数实部范围3.2～4.6，虚部范围0～0.2。