CN105511097A - 一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器，包括基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，基本单元呈周期性阵列排列，之间无缝连接；基本单元包括金属图案层、介质基板和金属背板，金属图案层是具有厚度的对称图形，对称图形的对称轴与水平方向夹角为45°；线偏振转换器可应用于多种波段，其结构尺寸依据工作波段而设计。本发明提出的基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器，可实现反射模式宽频带线偏振的转换，提高相对带宽，增强效率，在工艺上容易实现，降低制作成本。

Description

一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器

技术领域

本发明属于超材料及电磁功能材料技术领域，涉及一种线偏振转换器，特别涉及一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器。

背景技术

电磁波的偏振(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以及电磁隐身技术等方面具有广泛的应用。传统转换电磁波偏振特性的材料或方法主要依赖于材料的本征属性，常常表现出电磁波偏振转换频带窄、效率低、体积大以及不易与其它器件集成等问题。超材料是一种新型亚波长周期性人工结构材料，具有可设计性和可调控性的特点，可以通过改变其微结构的形状、尺寸和排列方式等来调控它对电磁波的响应强度和频谱范围。

国内外研究的透射模式偏振转换器一般为“金属膜-介质层-金属膜”结构，其工作原理是对入射电磁波的电和磁响应的微结构单元进行独立设计，产生局域的电磁耦合共振，入射的电磁波通过设计的超材料后，不同方向上的波矢量产生相位差，从而使透射波的偏振态相对于入射波发生了改变。这种透射模式的偏振转换器可实现线偏振到圆偏振的转换，也可以实现水平线偏振到垂直线偏振的转变，但工作频带窄。目前实现多频偏振转换的方法主要有两种，一种是在厚度方向上多层金属嵌套实现多频偏振转换；另一种是在平面内将不同尺寸金属单元组合排列在一起构成超单元来实现宽多频带偏振转换。第一种方法虽然可以设计成多频带偏振转换器，但工艺要求高，制备过程复杂，加工成本高；第二种方法仅设计为三层结构，在工艺上容易实现，成本低，但是难以实现宽频带偏振转换。

发明内容

针对现有技术的缺陷和需求，本发明提出了一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器，其目的在于解决传统材料或器件电磁波偏转换振器带宽不足和效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，包括依次设置的图案层、基板和背板，图案层是具有厚度的对称图形，对称图形的对称轴与水平方向夹角为45°。

进一步地，对称图形是长方锯齿形、椭圆形、三角形或者长方形。

进一步地，对称图形的宽度a小于等于长度l的一半；

对称图形的长度l为50nm-51mm、宽度a为15nm-25.5mm。

更进一步地，长方锯齿形的线宽w为2nm-1mm、缝隙宽g为1nm-0.5mm。

进一步地，基本单元的水平周期性长度p_x等于垂直周期性长度p_y，基本单元的水平周期性长度p_x和垂直周期性长度p_y为50nm-50mm。

进一步地，图案层厚度t₁小于所述基板厚度t₂，背板厚度t₃小于等于所述基板厚度t₂；

图案层厚度t₁为5nm-0.01mm，基板厚度t₂为50nm-15mm，背板厚度t₃为50nm-0.1mm。

进一步地，长方锯齿形的长度l为5.1mm-51mm、宽度a为5mm-50mm、线宽w为0.1mm-1mm、缝隙宽g为0.05mm-0.5mm；

基本单元的水平周期性长度p_x和垂直周期性长度p_y为5mm-50mm；

图案层厚度t₁为0.01mm-0.1mm，基板厚度t₂为1mm-15mm，背板厚度t₃为0.01mm-0.1mm。

进一步地，长方锯齿形的长度l为50nm-2000nm、宽度a为15nm-800nm、线宽w为2nm-100nm、缝隙宽g为1nm-50nm；

基本单元的水平周期性长度p_x和垂直周期性长度p_y为50nm-2000nm；

图案层厚度t₁为5nm-200nm，基板厚度t₂为50nm-500nm，背板厚度t₃为50nm-500nm。

进一步地，图案层的材料是金属；

基板的材料是介电材料，介电材料的相对介电常数实部为1-10；

背板的材料是金属。

一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器，包括上述基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，基本单元呈周期性阵列排列，基本单元之间无缝连接。

本发明提出的基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器，可实现反射模式宽频带线偏振的转换，提高相对带宽，增强效率，可广泛应用于液晶显示、射频天线相关的各种辐射器件、光学器件、抗电磁干扰以及雷达隐身技术。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的主视图；

图2是本发明提出的长方锯齿型基本单元的仰视图；

图3是本发明提出的长方锯齿型基本单元的立体图；

图4是本发明提出的长方锯齿型基本单元的主视图；

图5是实施例1提出的线偏振转换器的仿真实验偏振反射系数图；

图6是实施例1提出的线偏振转换器的仿真实验线偏振转换率图；

图7是实施例2提出的线偏振转换器的仿真实验偏振反射系数图；

图8是实施例2提出的线偏振转换器的仿真实验线偏振转换率图。

图中标号说明：

1-图案层；

2-基板；

3-背板。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种应用于雷达波段(2-18GHz)的基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器，包括呈周期性阵列排列的基本单元，基本单元之间无缝连接。

如图2所示，基本单元包括依次设置的图案层1、基板2和背板3。

如图3所示，图案层1是长方锯齿形。

可选的，图案层1还可以是椭圆形、三角形、长方形或者其他对称图形，对称图形的对称轴与水平方向夹角为45°。

长方锯齿形的长度l＝5.1mm-51mm、宽度a＝1mm-25.5mm、线宽w＝0.1mm-1mm、缝隙宽g＝0.05mm-0.5mm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝5mm-50mm。

优选的，长方锯齿形的长度l＝10.2mm、宽度a＝2mm、线宽w＝0.2mm、缝隙宽g＝0.1mm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝10mm。

可选的，长方锯齿形的长度l＝5.1mm、宽度a＝2.5mm、线宽w＝0.1mm、缝隙宽g＝0.05mm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝5mm。

可选的，长方锯齿形的长度l＝51mm、宽度a＝25.5mm、线宽w＝1mm、缝隙宽g＝0.5mm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝50mm。

可选的，长方锯齿形的长度l＝30.2mm、宽度a＝10mm、线宽w＝0.5mm、缝隙宽g＝0.3mm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝30mm。

如图4所示，图案层厚度t₁小于基板厚度t₂，即t₁＜t₂；背板厚度t₃小于等于基板厚度t₂，即t₃≤t₂。

图案层厚度t₁＝0.01-0.1mm，基板厚度t₂＝1-15mm，背板厚度t₃＝0.01-0.1mm。

优选的，图案层厚度t₁＝0.015mm，基板厚度t₂＝3mm，背板厚度t₃＝0.03mm。

可选的，图案层厚度t₁＝0.01mm，基板厚度t₂＝1mm，背板厚度t₃＝0.01mm。

可选的，图案层厚度t₁＝0.1mm，基板厚度t₂＝15mm，背板厚度t₃＝0.1mm。

可选的，图案层厚度t₁＝0.018mm，基板厚度t₂＝10mm，背板厚度t₃＝0.08mm。

图案层1的材料是铜。可选的，图案层1的材料还可以是金、银、铝或者其他金属。

基板2的材料是聚四氟乙烯FR-4，聚四氟乙烯FR-4的介电常数为4.1。可选的，基板2的材料还可以是光学薄膜MgF₂或者其他介电材料，介电材料的相对介电常数实部为1-10。

背板3的材料是铜。可选的，背板3的材料还可以是金、银、铝或者其他金属。

本实施例提出的基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的其中一种制备方法是采用印刷电路板工艺进行制备。

通过时域有限差分(FDTD)算法对本实施例提出的线偏振转换器进行数值模拟仿真实验，垂直入射电磁波电场沿x(y)轴正向，在x和y方向采用周期性边界条件，在电磁波传播的z方向采用吸收性边界条件。当x轴方向和y轴方向偏振电磁波正向入射到设计到超材料表面时，共同偏振反射系数的计算公式为 $r_{\mathrm{xx}}=\left|E_x^r\right|/\left|E_x^i\right|,r_{\mathrm{yy}}=\left|E_y^r\right|/\left|E_y^i\right|,$ 交叉偏振反射系数的计算公式为 $r_{\mathrm{yx}}=|E_y^r/E_x^i|,$ 其中和分别为电磁波偏振沿x轴(y轴)方向的入射波和反射波的电场。在x轴方向和y轴方向偏振电磁波垂直入射条件下，上述线偏振转换器的两个共同偏振反射系数相等、两个交叉偏振反射系数相等，即r_xx＝r_yy和r_xy＝r_yx。另外，线偏振转换率的计算公式为PCR＝|r_yx|²/(|r_yx|²+|r_xx|²)。

仿真实验得到的共同偏振反射系数和交叉偏振反射系数如图5所示、线偏振转换率如图6所示，相对带宽为78.9％(频段为7.4GHz-15.1GHz)范围内，平均线偏振转换效率大于90％。

实施例2

本发明提出的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的结构尺寸决定了工作频带。

本实施例提出一种应用于光波段(150-550THz)的基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器，线偏振转换器的结构与实施例1的相同，区别仅在于线偏振转换器的材料和尺寸与实施例1的不同。

本实施例提出的线偏振转换器中，长方锯齿形的长度l＝50nm-2000nm、宽度a＝15nm-800nm、线宽w＝2nm-100nm、缝隙宽g＝1nm-50nm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝50nm-2000nm。

优选的，长方锯齿形的长度l＝180nm、宽度a＝70nm、线宽w＝10nm、缝隙宽g＝5nm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝200nm。

可选的，长方锯齿形的长度l＝50nm、宽度a＝15nm、线宽w＝2nm、缝隙宽g＝1nm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝50nm。

可选的，长方锯齿形的长度l＝2000nm、宽度a＝800nm、线宽w＝100nm、缝隙宽g＝50nm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝2000nm。

可选的，长方锯齿形的长度l＝1000nm、宽度a＝400nm、线宽w＝50nm、缝隙宽g＝25nm，基本单元的周期性长度p_x＝p_y＝1000nm。

图案层厚度t₁＝5-200nm，基板厚度t₂＝50-500nm，背板厚度t₃＝50-450nm。

优选的，图案层厚度t₁＝20nm，基板厚度t₂＝120nm，背板厚度t₃＝120nm。

可选的，图案层厚度t₁＝5nm，基板厚度t₂＝50nm，背板厚度t₃＝50nm。

可选的，图案层厚度t₁＝200nm，基板厚度t₂＝500nm，背板厚度t₃＝450nm。

可选的，图案层厚度t₁＝100nm，基板厚度t₂＝250nm，背板厚度t₃＝250nm。

图案层1的材料是金。可选的，图案层1的材料还可以是铜、银、铝或者其他金属。

基板2的材料是光学薄膜MgF₂，光学薄膜MgF₂的介电常数为1.9。可选的，基板2的材料还可以是聚四氟乙烯FR-4或者其他介电材料，介电材料的相对介电常数实部为1-10。

背板3的材料是金。可选的，背板3的材料还可以是铜、银、铝或者其他金属。

本实施例提出的基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的其中一种制备方法是采用印激光直写工艺进行制备，

本实施例进行仿真实验得到的共同偏振反射系数和交叉偏振反射系数如图7所示、线偏振转换率如图8所示，相对带宽为94.9％(频段为181THz-508THz范围)范围内，平均线偏振转换效率大于90％。

Claims (10)

1.一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，包括依次设置的图案层、基板和背板，所述图案层是具有厚度的对称图形，所述对称图形的对称轴与水平方向夹角为45°。

2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，所述对称图形是长方锯齿形、椭圆形、三角形或者长方形。

3.根据权利要求1所述的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，所述对称图形的宽度(a)小于等于长度(l)的一半；

所述对称图形的长度(l)为50nm-51mm、宽度(a)为15nm-25.5mm。

4.根据权利要求2所述的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，所述长方锯齿形的线宽(w)为2nm-1mm、缝隙宽(g)为1nm-0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，所述基本单元的水平周期性长度(p_x)等于垂直周期性长度(p_y)，所述基本单元的水平周期性长度(p_x)和垂直周期性长度(p_y)为50nm-50mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，所述图案层厚度(t₁)小于所述基板厚度(t₂)，所述背板厚度(t₃)小于等于所述基板厚度(t₂)；

所述图案层厚度(t₁)为5nm-0.01mm，所述基板厚度(t₂)为50nm-15mm，所述背板厚度(t₃)为50nm-0.1mm。

7.根据权利要求2所述的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，所述长方锯齿形的长度(l)为5.1mm-51mm、宽度(a)为5mm-25.5mm、线宽(w)为0.1mm-1mm、缝隙宽(g)为0.05mm-0.5mm；

所述基本单元的水平周期性长度(p_x)和垂直周期性长度(p_y)为5mm-50mm；

所述图案层厚度(t₁)为0.01mm-0.1mm，所述基板厚度(t₂)为1mm-15mm，所述背板厚度(t₃)为0.01mm-0.1mm。

8.根据权利要求2所述的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，所述长方锯齿形的长度(l)为50nm-2000nm、宽度(a)为15nm-800nm、线宽(w)为2nm-100nm、缝隙宽(g)为1nm-50nm；

所述基本单元的水平周期性长度(p_x)和垂直周期性长度(p_y)为50nm-2000nm；

所述图案层厚度(t₁)为5nm-200nm，所述基板厚度(t₂)为50nm-500nm，所述背板厚度(t₃)为50nm-500nm。

9.根据权利要求1所述的一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，其特征在于，所述图案层的材料是金属；

所述基板的材料是介电材料，所述介电材料的相对介电常数实部为1-10；

所述背板的材料是金属。

10.一种基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器，其特征在于，包括如权利要求1-9所述的基于超材料的反射模式宽频带线偏振转换器的基本单元，所述基本单元呈周期性阵列排列，所述基本单元之间无缝连接。