CN107404008A - 高效圆极化波束分离器设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效圆极化波束分离器，该圆极化波束分离器的一具体实施方式包括：基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数；设计满足矩阵系数的单元，单元由三层金属层和两层介质构成，第一金属层和第三金属层是I型结构的四分之一波片，且互为共轭，第二金属层是线极化转化器；当右旋圆极化波入射所述单元时，反射波携带PB算符，可以旋转所述单元用以调控反射波的相位；基于单元设计圆极化波束分离器对左旋圆极化波实现高效透射，对右旋圆极化波实现高效奇异反射。该圆极化波束分离器对于左旋圆极化波和右旋圆极化波均有很高的工作效率，均超过了90％。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种基于PB超表面的圆极化波束分离器设计。
背景技术
电磁超表面对于调控电磁波的幅度、相位和极化特性具有独特优势，已广泛应用于电磁器件的设计和提升电磁器件的性能。极化分离器作为电磁波极化控制的重要器件，在通讯工程、雷达系统和波前控制系统等领域具有重要应用前景。
对于极化分离器的实现主要有5种。传统技术上主要采用天然的双折射晶体来实现，基于晶体的双折射特性，对于不同极化的电磁波可以形成不同的电磁响应；上世纪末，随着超材料发现并被广泛用于微波器件设计，采用二维光子晶体结构使得极化分离器的设计摆脱了对自然材料的依赖，从而可以根据科学家的意愿来进行不同功能的设计；有源器件的引入，如半导体器件、光子集成电路的使用，大大减小了极化分离器的尺寸；近年来，随着超材料技术的发展，尤其是渐变折射率超材料的提出，采用各向异性超材料、二维渐变折射率超材料设计的极化分离器实现了对不同极化电磁波的独立操控。
以上极化分离器存在如下缺陷：采用双折射晶体设计的极化分离器必须依赖自然的双折射晶体来实现，且对于电磁波入射角度及其敏感；采用光子晶体设计的极化分离器结构复杂，电磁能量损耗较大，同时极化分离角度受限；采用半导体器件、集成电路设计的极化分离器引入了有源元件，价格昂贵，同时有源元件破坏了两个维度的极化独立特性，使得极化分离程度有所降低；采用各向异性超材料和二维渐变折射率超材料设计的极化分离器，主要基于光程差来实现波束控制，器件比较笨重，同时极化分离程度不高。并且，以上报道的极化分离器均是工作于线极化状态，目前对于圆极化波实现极化分离还未见报道。
发明内容
本申请的目的在于提出高效圆极化波束分离器设计，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
本申请提出的高效圆极化波束分离器设计，包括：基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数；设计满足所述矩阵系数的单元，所述单元由三层金属层和两层介质构成，所述三层金属层中第一金属层和第三金属层是I型结构的四分之一波片，且互为共轭，第二金属层是线极化转化器，所述第一金属层和所述第三金属层分别是所述单元的上层和下层，所述第一金属层和所述第二金属层之间设有第一介质层，所述第二金属层和所述第三金属层之间设有第二介质层；当右旋圆极化波入射所述单元时，反射波携带PB(Pancharatnam-Berry)算符，即所述反射波的相位与所述单元的旋转角度θ存在的关系，因此，可以旋转所述单元用以调控所述反射波的相位；基于所述单元设计圆极化波分离器，所述圆极化波分离器对左旋圆极化波实现高效透射，对右旋圆极化波实现高效奇异反射。
在一些实施例中，所述基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数，包括：基于琼斯矩阵理论分析，当两个琼斯矩阵分别满足和时，其对应的圆极化基下的矩阵系数为和此时，反射波、透射波与入射电磁波具有相同的极化，可同时实现高效透射和高效反射。
本发明的有益效果如下：设计的圆极化波束分离器实现了对左旋圆极化波(LCP，Left-Hand Circular Polarization)的透射传输和右旋圆极化波(RCP，Right-HandCircular Polarization)的奇异反射，其对左旋圆极化波和右旋圆极化波具有独立调控特性，且相位可由结构旋转角度决定，同时，极化分离器具有高达90％以上工作效率，且不依赖于器件的厚度。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本申请的高速圆极化波束分离器的一个实施例的流程图；
图2为手性依赖的PB(Pancharatnam-Berry)双功能超表面的工作原理示意图，其中，图2(a)为传统的反射PB超表面(Reflective MS)示意图，图2(b)为传统透射PB超表面(Transmissive MS)示意图，图2(c)为新型PB双功能超表面I(Bifunctional MS I)反射右旋圆极化波和传输左旋圆极化波，但反射波具有相反的旋向的示意图，图2(d)为新型PB双功能超表面II(Bifunctional MS II)反射右旋圆极化波和传输左旋圆极化波，透射波和反射波均可以保持旋向不变的示意图，图2(c)与图2(d)提出的新型PB双功能超表面，可以同时调控透射波和反射波；
图3为单元结构与单元在不同旋向电磁波下的电磁响应的示意图，其中，图3(a)为单元结构示意图，图3(b)为单元在右旋圆极化波激励时的电磁响应的示意图，图3(c)为单元在左旋圆极化波激励时的电磁响应的示意图，在图3(b)和图3(c)中Frequency表征频率，Amplitude表征幅度；
图4为单元电磁响应与旋转角度的关系的示意图，其中，图4(a)为右旋圆极化波激励时，反射幅度|rRR|与反射相位随旋转角度θ变化时的电磁频谱，图4(b)为左旋圆极化波激励时，透射幅度|tLL|与透射相位随旋转角度θ变化时的电磁频谱，在图4(a)和图4(b)中Amplitude表征幅度，phase表征相位，Rotation Angleθ表征旋转角度θ；
图5为设计和加工的圆极化波束分离器的原理说明示意图，其中，图5(a)为圆极化波束分离器对于左旋圆极化入射波可以实现高效透射，且具有极化保持功能的示意图，图5(b)为圆极化波束分离器对于右旋圆极化入射波，实现反射奇异偏折的示意图，图5(c)为加工的圆极化波束分离器的实验样品示意图，图5(d)为圆极化波束分离器的测试示意图，图5(e)为左旋圆极化波激励时，工作频率处FDTD(Finite-difference-time-domain，有限时域差分)仿真(Simulation)的透射幅度|tLL(x)|和透射相位的示意图，图5(f)为右旋圆极化波激励时，工作频率处FDTD仿真的反射幅度|rRR(x)|和反射相位的示意图，图5(e)和5(f)中的理论曲线(Theory)的计算公式为和
图6为左旋圆极化波激励时透射旋向保持器特性的示意图，其中，图6(a)为采用左旋圆极化喇叭激励超表面时，采用左旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面测试(Experiment)的散射场强度分布图，图6(b)为采用左旋圆极化喇叭激励超表面时，采用右旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面测试的散射场强度分布图，图6(c)为采用单极子天线测试的透射部分xoz面上的Re(Ex)分布图，图6(d)为采用左旋圆极化喇叭激励超表面时，采用左旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面FDTD仿真(Simulation)的散射场强度分布图，图6(e)为采用左旋圆极化喇叭激励超表面时，采用右旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面FDTD仿真的散射场强度分布图，图6(f)为FDTD仿真和测试的透射旋向保持器的工作效率的示意图，这里所有的频谱均与最大值进行了归一化处理；
图7为右旋圆极化波激励时奇异反射器特性的示意图，其中，图7(a)为采用右旋圆极化喇叭激励超表面时，采用右旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面测试的散射场强度分布图，图7(b)为采用右旋圆极化喇叭激励超表面时，采用左旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面测试的散射场强度分布图，图7(c)为采用单极子天线测试的反射部分xoz面上的Re(Ex)分布图，图7(d)为采用右旋圆极化喇叭激励超表面时，采用右旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面FDTD仿真的散射场强度分布图，图7(e)为采用右旋圆极化喇叭激励超表面时，采用左旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面FDTD仿真的散射场强度分布图，图7(f)为FDTD仿真和测试的奇异反射器的工作效率的示意图，这里所有的频谱均与最大值进行了归一化处理。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参考图1，示出了根据本申请的高效圆极化波束分离器的一个实施例的流程图100。高效圆极化波束分离器设计，包括以下步骤：
步骤101，基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数。
在本实施例中，对于一个超表面单元，其电磁特性可以由两个琼斯矩阵和表征，其中，rxx,rxy,ryx和ryy为极化晶轴分别沿和方向时的反射系数，txx,txy,tyx和tyy为极化晶轴分别沿和方向时的传输系数。在圆极化基下，其反射和传输矩阵可以表征为和其中，Λ-1为矩阵Λ的逆矩阵，r++、r+-、r-+、r--为在圆极化基下的反射系数，t++、t+-、t-+、t--为在圆极化基下的传输系数，+和–的下标分别表示沿传输方向观测时顺时针极化波和逆时针极化波，当电磁波沿-z向传输时，+表示右旋圆极化波，-表示左旋圆极化波。在一个无耗的体系中，基于能量守恒原理，可以得到|r++|2+|r-+|2+|t++|2+|t-+|2＝1和|r-- 2|+|r+- 2|+|t-- 2|+|t+- 2|＝1。对于一个全反射系统，我们可以调节其反射幅度为|r++|2＝1、|r--|2＝1或|r-+|2＝1、|r+-|2＝1，如图2所示，很多的超材料器件，例如，手性独立的全息表面，多焦点透镜等均是基于这些矩阵设计的。对于一个无反射体系，其透射幅度可以调整为|t++|2＝1、|t--|2＝1或|t+-|2＝1、|t-+|2＝1，很多高效透射器件是基于该原理设计的。要实现对透射电磁波和反射电磁波的全空间调控，如对“+”旋向的电磁波全透射并且对“-”旋向的电磁波全反射，这时需要其琼斯矩阵满足和其相应的圆极化基下的矩阵系数为和该机理已被用于控制光的非对称传输，但是经过简单分析可以证明，其透射波的极化与原入射波相反，因而不利于设计和实现圆极化波束分离器。当琼斯矩阵满足和其对应的圆极化基下的矩阵系数和这种情况下，反射波和透射波与入射电磁波具有相同的极化，非常适合设计圆极化波束分离器，并且其反射波携带PB相位，也就是说反射波的相位与单元的旋转角度θ相关并存在的关系，这有利于我们调控反射波的反射方向。
步骤102，设计满足矩阵的单元，单元由三层金属层和两层介质构成，三层金属层中第一金属层和第三金属层是I型结构的四分之一波片，且互为共轭，第二金属层是线极化转化器，第一金属层和第三金属层分别是单元的上层和下层，第一金属层和第二金属层之间设有第一介质层，第二金属层和第三金属层之间设有第二介质层。
在本实施例中，要实现如上所述的圆极化波束分离器，最重要的步骤就是设计满足琼斯矩阵及上述矩阵系数的单元和超单元，超单元是由不同旋转角度的单元构成，根据PB理论，单元的相移与旋转角度相关，因此，这里我们首先只关注其幅度信息。如图3(a)所示，单元由三层金属结构和两层中间介质层构成，介质层采用厚度为2mm的F4B介质板，设置单元工作的中心频率为f0＝11GHz。根据所需的琼斯矩阵和矩阵系数要求，设计的单元由三部分结构复合而成，上层(第一金属层)为四分之一波片，我们通过精心优化的“I”型结构来实现，中间金属层(第二金属层)为线极化转化器，由倾斜45°的金属贴片实现，同时该结构可以控制不同电磁波的传输与反射特性，底层(第三金属层)为另一四分之一波片，与上层波片互为共轭，因此可将最上层结构通过旋转45°来实现。单元结构见图3(a)。
步骤103，当右旋圆极化波入射单元时，反射波携带PB算符，即反射波的相位与单元的旋转角度存在关系，因此，可以旋转单元用以调控反射波的相位。
在本实施例中，当右旋圆极化波入射单元时，反射波携带PB算符，即反射波的相位与单元的旋转角度θ存在的关系，因此，可以旋转所述单元用以调控所述反射波的相位。
在本实施例中，首先，我们通过FDTD仿真的方法来验证单元特性。采用右旋圆极化波垂直入射到由周期单元构成的超表面上，图3(b)给出了随频率变化的传输(透射)和反射频谱(|tLR|、|tRR|表示右旋圆极化波激励时，左旋/右旋圆极化波的透射幅度，|rLR|、|rRR|表示右旋圆极化波激励时，左旋/右旋圆极化波的反射幅度)，可以清楚的看出，右旋圆极化波在目标频率处被完全反射。但采用左旋圆极化波激励时，电磁波实现完全透射(|tLL|≈1，|tLL|表示左旋圆极化波激励时，左旋圆极化波的透射幅度)，其他模式如|tRL|,|rLL|和|rRL|(分别表示左旋圆极化波激励时，右旋圆极化波的透射幅度，左旋/右旋圆极化波的反射幅度)几乎被完全抑制，见图3(c)。更为有趣的是，反射右旋圆极化波和透射左旋圆极化波的旋向均与入射波保持一致。该单元令人满意的电磁响应与琼斯矩阵吻合良好。
然后，我们探讨单元随旋转角度θ变化时的幅度频谱和相位频谱。当右旋圆极化波入射时，单元反射幅度几乎不变，而反射相位与旋转角度θ有的关系，反射相位携带PB运算符，这与PB理论相一致。当采用左旋圆极化波入射时，随着θ变化，透射相位保持不变，因为没有携带PB运算符，透射幅度|tLL|均大于0.92，这与之前琼斯矩阵预测相一致。
步骤104，基于单元设计圆极化波束分离器，圆极化波分离器对左旋圆极化波实现高效透射，对右旋圆极化波实现高效奇异反射。
在本实施例中，由上面分析可知，设计的单元非常适合设计圆极化波束分离器。这里，我们设计的圆极化波束分离器可以将左旋圆极化波和右旋圆极化波分散到透射空间和反射空间，并且其分离角度可以任意控制，这与报道的极化分离器相比，增加了更多自由度，其设计模型如图5(a)和图5(b)所示。这里，我们要求透射相位和反射相位分别满足其中，C1和C2为常数，ξ为相位梯度，依据广义Snell定律θr＝sin-1(ξ/k0)，其中，k0为传播常数，θr为反射波的偏折角度，ξ决定了反射波束的偏折角度。设置工作频率为11GHz，并且ξ＝0.41k0。因此，可以计算每个超单元由6个具有不同相位信息的单元构成，6个单元的旋转角度分别为其中，表示左旋圆极化波激励时单元的旋转角度，表示右旋圆极化波激励时单元的旋转角度。进而我们加工了一块由30×30个单元构成的分离器样品，尺寸为330×330×4mm3。图5(e)为左旋圆极化波激励时，工作频率处FDTD仿真的透射幅度|tLL(x)|和透射相位的示意图，图5(f)为右旋圆极化波激励时，工作频率处FDTD仿真的反射幅度|rRR(x)|和反射相位的示意图，由图5(e)和图5(f)可以看出，每个单元透射幅度和反射幅度均保持了很高的水平(|tLL|>0.93,|rRR|>0.95)，且其相位信息与我们设计值完全一致，这保证极化分离器工作的高效性。
接下来，我们分别从仿真和实验角度验证圆极化波束分离器的性能。首先，我们考虑左旋圆极化波激励时的透射特性。由图5(d)可以，采用圆极化喇叭垂直照射一束平面波在我们的超表面上，采用另外的圆极化喇叭(分别为左旋圆极化喇叭和右旋圆极化喇叭)在距离为1.2米的圆周上测试各个角度上的散射能量分布，结果见图6(a)和6(b)，其中，图6(a)为采用左旋圆极化喇叭激励超表面时，采用左旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面测试的散射场强度分布图，图6(b)为采用左旋圆极化喇叭激励超表面时，采用右旋圆极化喇叭接收在透射面和反射面测试的散射场强度分布图。可以发现几乎所有的左旋圆极化波在较宽频率范围内(10-12.4GHz)均直接透过超表面，而在频率范围外，其他散射模式会增大，透射效率会降低。测试(Experiment)结果与仿真(Simulation)结果具有一致性，仿真结果如图6(d)和6(e)所示。然后我们通过积分透射波束的能量占总入射能量的比例来计算超表面的效率，结果见图6(f)，最大测试(Exp)效率出现在11GHz附近，达到了90％左右，仿真(Sim)效率更是超过了92％。损失的能量部分被反射(测试和仿真比例分别为7％和5％)，部分转化为了交叉极化(大约2％能量)。实验和仿真的些许误差主要由加工误差以及非完美的入射波前造成。图6(c)绘制了测试的透射面上11GHz时的Re(Ex)分布图，进一步验证了超表面对左旋圆极化波的高透特性。
第二，我们测试了超器件在右旋圆极化波激励下的性能。除了将发射电磁波的右旋圆极化喇叭换成左旋圆极化喇叭，实验装置与之前完全一致。图7(a)和图7(b)给出了散射能量随观测角度以及频率的变化图谱，仿真结果如图7(d)和图7(e)所示，仿真和测试结果吻合良好。可以看出在11GHz时，除了奇异反射模式外，其余所有的电磁模式，如镜像反射、零阶透射、奇异透射模式均被完全抑制，更为重要的是奇异偏折角度与Snell定律θr＝sin-1(ξ1/k0)预测的完全一致，如图中实心星型标注所示。同样的，积分奇异偏折波束能量可以计算超表面的绝对工作效率，见图7(f)。最大的测试和仿真效率均出现在11GHz附近，分别达到了91％和93％，进一步验证了超表面工作的高效性。最后，我们测试了工作频率处的Re(Ex)分布，为了清晰的表面超表面对散射波的影响，我们将入射波扣除，结果如图7(c)所示，入射波的确发生了波束偏折，且偏折角度与理论计算完全一致。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (2)
1.高效圆极化波束分离器设计，其特征在于，包括：
基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数；
设计满足所述矩阵系数的单元，所述单元由三层金属层和两层介质构成，所述三层金属层中第一金属层和第三金属层是I型结构的四分之一波片，且互为共轭，第二金属层是线极化转化器，所述第一金属层和所述第三金属层分别是所述单元的上层和下层，所述第一金属层和所述第二金属层之间设有第一介质层，所述第二金属层和所述第三金属层之间设有第二介质层；
当右旋圆极化波入射所述单元时，反射波携带PB算符，即所述反射波的相位与所述单元的旋转角度θ存在的关系，因此，可以旋转所述单元用以调控所述反射波的相位；
基于所述单元设计圆极化波束分离器，所述圆极化波分离器对左旋圆极化波实现高效透射，对右旋圆极化波实现高效奇异反射。
2.根据权利要求1所述的高效圆极化波束分离器设计，其特征在于，所述基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数，包括：
基于琼斯矩阵理论分析，当两个琼斯矩阵分别满足和时，其对应的圆极化基下的矩阵系数为和此时，反射波、透射波与入射电磁波具有相同的极化，可同时实现高效透射和高效反射。
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