CN106654597B - 一种超薄超宽带线极化电磁波极化转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超薄超宽带线极化电磁波极化转换单元结构，由三层结构组成，包括最上层的人工表面电磁结构，中间层的介质，和底层的金属板。通过设计人工表面电磁结构，实现多个等离子谐振腔，能够高效率的将入射电磁波的极化转换为其交叉极化的反射波。本发明的单元具有周期结构性质、尺寸紧凑、宽频带、高转换效率、结构简单，厚度较薄，易于传统器件结合，应用广泛等一系列优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种极化转换器结构，尤其涉及一种超薄宽带线极化电磁波极化转换器结构。
背景技术
极化是电磁波的重要特征，由电磁波传播时电场矢量的振荡行为来描述。当电磁波沿着波矢
的方向向前传播时，随着时间的变化，电场矢量
的末端所走过的轨迹为直线、圆、椭圆时，其对应的极化状态分别为线极化、圆极化、椭圆极化。在实际工作中，根据需要人们经常会改变电磁波的极化状态。因此，电磁波的极化在天线、通信系统、液晶显示系统等领域有许多重要的应用。
当电磁波入射到无限大均匀的各向同性介质的界面时，根据极化守恒，在一定厚度下其反射波/透射波的极化将会与入射波极化完全相同。但是，若其入射到各向异性的界面，其回波的极化状态将不再守恒，实现这种极化转换的器件叫做极化转换器。
新型人工电磁材料的电磁参数可以任意设计，从而获得许多自然界材料所不具备的性质，例如上文所述的各向异性。各向异性材料是指材料的折射率或电磁参数在不同方向具有不同的取值，人们可以根据需要任意改变介电常数和磁导率等物理参数，使得电磁波沿不同方向具有不同的传播速度，在一定厚度和频率下产生合适的相位差，从而控制电磁波的极化状态。
2007年，复旦大学采用各向异性的“工”字形结构单元，首次提出了一种反射性新型人工电磁材料极化转换器。由于在x和y方向等效阻抗不同，电磁波传输之后对应的相位差也会发生改变，表现为折射率的高度各向异性，因此能够在远小于工作波长的厚度下实现高效的线极化转换。人们可以利用亚波长新型人工电磁材料来设计线-线极化转换器和线-圆极化转换器等控制电磁波极化的器件。某些特殊结构的极化转换器如L形结构、开口环结构等，已被人们设计出来用以实现特定的极化控制。J.Y.Chen等人通过改变入射波的极化角来实现对回波不同极化方向的振幅调控。随后，人们利用了两个新型人工电磁材料单元相对位置的错排，在特定频率下完成了完美的圆极化转换。Yang等人通过不对称双开口环不对称度的调节，在谐振频率处得到了一种极化振幅一定范围可调的新型人工电磁材料线极化转换器。
但是，上述基于新型人工电磁材料的极化转换器的各向异性是由特定频点处的电磁共振而产生的，有很强的频率依赖性，因而其工作带宽窄，限制了其实际应用。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中涉及的亚波长结构单元不能实现宽带的缺陷，通过多个等离子谐振实现宽带范围内对线极化波的极化转换。提供一种结构简单对称、尺寸紧凑、性能好的超薄宽带线极化电磁波极化转换器，以实现空间线极化电磁波的高效和宽频带极化转换。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种超薄超宽带线极化电磁波极化转换单元结构，其特征在于由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成，所述底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形，所述人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V型谐振器、一个切割线谐振器和两个V型金属线结构，所述两个V型谐振器位于介质层表面同一对角线上且对称于介质层表面中心分布，开口相对；所述切割线谐振器位于V型谐振器所在对角线上且连结在两个V型谐振器之间；所述两个V型金属线结构位于介质层表面另一对角线上且对称于介质层表面中心分布，开口相对。
本发明还提供了由上述单元结构周期排列组成的超薄超宽带线极化电磁波极化转换器
本发明在深入研究多个等离子谐振的物理原理的基础上，借鉴单个谐振到多个谐振拓展的思想，根据单元谐振器结构的类型，选用V型谐振器、切割线谐振器以及短V型金属线结构组成组合结构，最终实现多等离子谐振，延拓转换工作带宽。
本发明可以根据应用频段来调节单元结构尺寸，进而实现微波段、太赫兹波段乃至光波段的线转换，进一步丰富线极化转换器的类型和方式，实现多等离子谐振超材料在微波器件中更为广泛的应用。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明主要提出一种超薄宽带线极化电磁波极化转换的高效转换结构，尤其是V型谐振器、切割线谐振器和短V型金属线的组合结构，为实现宽带下的线极化电磁波的极化转换解决了关键性的难题，从而拓展了超薄平面式宽带高效极化转换器件的应用范围，为其开拓了一种新的应用前景。
2.本发明具有多个电场或磁场激发的等离子谐振，支持双极化的线极化电磁波的结构设计，该组合结构上包含左右两侧对称的V型谐振器，中间连接的切割线谐振器以及两侧短V型金属线结构。这种组合结构通过实现多个等离子谐振的设计思想，提出了利用电场和磁场激发的谐振拓展了工作带宽的。这种超薄的平面式结构能实现对双极化线极化电磁波的高效率极化转换特性以及其在微波器件和集成电路结构的设计中具有更大的灵活性。
3.创新性强，技术前瞻性好：该超薄宽带线极化电磁波极化转换器，在微波频段实现了线极化电磁波的高效反射率及高效的极化转换率，创新性强，国内外未见此类转换结构；其可以很好的与传统微波器件配合使用，并可应用于太赫兹波段，拓展了平面式极化转换器的应用范围，具有很好的技术前瞻性。
4.效率高、频带宽；本发明最终可以实现反射线极化电磁波的高效和宽频带极化转换。在17.6～42.2GHz范围内，线极化电磁波的交叉极化反射系数S21在较宽频带内效果理想。在17.6～42.2GHz的范围内线极化电磁波的同极化反射系数S11均在-10dB以下，在20～27和37～39GHz范围内线极化电磁波的交叉极化反射系数S21均小于-20dB，在宽频范围内实现了线极化电磁波的高效极化转换特性。
附图说明：
图1是实施例一的单元结构立体图；
图2是实施例一的极化转换原理图；
图3是实施例二的单元结构立体图(省略底层金属板)；
图4是实施例一的单元结构周期排列立体图(省略底层金属板)；
图5是实施例一线极化反射电磁波的反射率曲线图；
图6是实施例一的极化转换率曲线图。
具体实施方案：
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
如图1所示，本发明的超薄超宽带线极化电磁波极化转换单元结构由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成。底层的金属板和中间层的介质层为长方体结构，其横截面为正方形。底层的金属板和人工表面电磁结构的厚度一致。
人工表面电磁结构由等宽的金属线构成，包括两个V型谐振器、连结在两个V型谐振器之间的一个切割线谐振器和对称分布在切割线谐振器两侧的两个V型金属线结构。为了方便描述，如图2所示，定义v轴与y轴呈45°与介质层表面的一对角线重合，u轴垂直于v轴与介质层表面的另一对角线重合。两个V型谐振器分布在v轴上且对称于介质层表面的中心，“V”字型的开口相对。切割线谐振器分布在v轴上，连结在两个V型谐振器之间。两个V型金属线结构分布在u轴上且对称于介质层表面的中心，“V”字型的开口相对。V型金属线结构的夹角为90°，V型谐振器的夹角小于180°。V型金属线结构的单边长度小于V型谐振器的单边长度。
单元结构两端的V型谐振器可以支持“对称”和“反对称”模式的谐振，由沿v轴和u轴分布的电场分量激发。切割线谐振器支持多阶偶极谐振，由沿v轴分布的电场分量激发。对于它们组合的结构，v、u轴两个方向均会产生本征模式的电场或磁场激发，具有多个等离子谐振。具体的，假设一个电场沿x轴的波从单元结构的正前方打到单元结构上，这个沿x轴的电场可以在u轴，v轴上分解成沿着u轴和v轴的两个电场分量，这些电场分量流经介质上面的V型谐振器和连接V型谐振器的切割线谐振器后，在V型谐振器上，产生了“对称”和“反对称”模式的谐振，在切割线谐振器上激发了多阶偶极谐振。
实施例一
如图1、2所示，两端V型谐振器的单边尺寸b＝1.5毫米，与长度为l＝2.6毫米的切割线谐振器夹角α＝85°，两侧短V型金属线结构单边长度c＝0.45毫米，夹角β＝90°，距切割线谐振器的距离h＝0.6毫米。整体单元边长a＝3毫米，介质层选用F4B，介电常数εr＝2.65，损耗角正切为0.001。人工表面电磁结构的金属结构线宽均为w＝0.2毫米，所有金属厚度为0.035毫米。
以如图2所示入射电磁波
的极化为垂直极化为例，设v轴与y轴呈45°，u轴垂直于v轴。入射的垂直极化电磁波可在v、u两轴分解成
和由于电谐振和磁谐振会导致正和负的有效电导率或磁导率，通过组合结构引起的电谐振和磁谐振后，在切割线谐振器上产生的表面电流呈相反反向，即
而在u轴方向的金属底板产生的表面电流呈相同方向，即
组合两个电场分量后，反射的电磁波的总电场沿水平方向。从而实现了整个垂直极化的线极化电磁波到水平极化的线极化电磁波的极化转换过程。
根据实施例一，利用电磁仿真软件可得到如图5所示的宽带线极化电磁波的反射系数，在17.6～42.2GHz范围内，S11和S21在较宽频带内效果理想。在17.6～42.2GHz的范围内线极化电磁波的同极化反射系数S11均在-10dB以下，在20～27和37～39GHz范围内线极化电磁波的交叉极化反射系数S21均小于-20dB，如图6所示，本发明单元结构在宽频范围内实现了线极化电磁波的高效极化转换特性。
实施例二
如图3所示，与实施例一单元结构基本类似，不同在于v轴和u轴的位置进行了互换。
实施例三
如图4所示，由超薄超宽带线极化电磁波极化转换单元结构沿长度、宽度方向分别周期排列形成超薄超宽带线极化电磁波极化转换器件。
Claims (5)
1.一种超薄超宽带线极化电磁波极化转换单元结构，其特征在于由底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成，所述底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形，所述人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V型谐振器、一个切割线谐振器和两个V型金属线结构，所述两个V型谐振器位于介质层表面同一对角线上且对称于介质层表面中心分布，开口相对；所述切割线谐振器位于V型谐振器所在对角线上且连结在两个V型谐振器之间；所述两个V型金属线结构位于介质层表面另一对角线上且对称于介质层表面中心分布，开口相对；单元结构在沿不同对角线分布的电场分量激发下产生多个等离子谐振，在两个V型谐振器上激发了对称和反对称模式的谐振，在切割线谐振器上激发了多阶偶极谐振；所述V型谐振器的夹角不为90°。
2.如权利要求1所述的超薄超宽带线极化电磁波极化转换单元结构，其特征在于所述V型金属线结构的夹角为90°，所述V型谐振器的夹角小于180°。
3.如权利要求1所述的超薄超宽带线极化电磁波极化转换单元结构，其特征在于所述V型金属线结构的单边长度小于所述V型谐振器的单边长度。
4.如权利要求1所述的超薄超宽带线极化电磁波极化转换单元结构，其特征在于底层的金属板和人工表面电磁结构的厚度一致。
5.一种超薄超宽带线极化电磁波极化转换器，其特征在于由权利要求1所述的单元结构周期排列组成。
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