CN107690734A

CN107690734A - 表面波偏振转换器

Info

Publication number: CN107690734A
Application number: CN201680030738.XA
Authority: CN
Inventors: 瑞安·G·科尔佛斯; 阿密特·M·帕特尔
Original assignee: HRL Laboratories LLC
Current assignee: HRL Laboratories LLC
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2018-02-13
Also published as: EP3326013A4; EP3326013A1; US20200328526A1; WO2017015308A1; US10749265B2; US20170025765A1

Abstract

用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或反之的方法和装置。包括具有各向异性阻抗张量的介电表面，该介电表面优选地通过设置在介电表面上并以单元格的二维阵列布置的多个导电单元格获得。大部分单元格被划分成至少两个部分，至少一个间隙将至少两个部分彼此分隔成两个或更多个片或板。单元阵列具有表面波输入端和表面波输出端，最靠近输入端布置的单元格中的间隙具有第一方向，在最靠近输出端设置的所述单元格中的间隙具有与所述第一方向不同的第二方向。所述电磁表面波的频率大于由所述介电表面的麦克斯韦方程的第二解决定的TE截止频率。

Description

表面波偏振转换器

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年7月20日递交的申请号为62/194,743的美国临时专利申请的优先权，其所披露的内容并入本申请作为参考。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

无。

技术领域

在此披露的是用于将电磁表面波在两个基本偏振之间转换的装置：横向磁(TM)和横向电(TE)。TM模式具有沿传播方向极化并垂直于表面的电场，以及横向方向的磁场。相反地，TE模式在传播方向和法线方向上具有磁场，在横向方向上具有电场。通过在接地的介电基底上图案化金属片而形成的阻抗表面，可以在TE偏振和TM偏振之间转换所述表面波的偏振。

背景技术

人造阻抗表面天线是通过在人造阻抗表面上发射表面波实现的，其阻抗在阻抗表面上被空间调制。人造阻抗表面天线操作的基本原理是利用被调制阻抗表面的网格动量，将激发的表面波前的波矢与所需的平面波相匹配。

阻抗表面可以支持表面波模式，即TM模式，TE模式或混合模式。张量阻抗表面(不是标量表面)支持混合模式，是TM模式和TE模式的组合。这些混合模式以前被归类为两种类型，由于它们与纯TM模式和纯TE模式的相似性，所以被称为“TM类”和“TE类”。TM模式具有沿传播方向极化并垂直于表面的电场，以及横向方向的磁场。TE模式相反地在传播方向和法线方向上具有磁场，在横向方向上具有电场。

在2010年天线应用研讨会论文集第二卷288页，由D.Gregoire和J.Colburn发表的“人造阻抗表面天线设计和模拟”一文中，作者报告了仿真人造阻抗表面天线的快速近似方法的发展，其可以快速计算平坦和弯曲的人造阻抗表面的辐射图案。作为开发过程的一部分，作者指出，虽然TM模式人造阻抗表面天线的角度范围受到限制，但TE模式人造阻抗表面天线可以在高仰角时非常有效地辐射，因为每个电流元件都垂直于表面波的传播，并没有依赖于角度的极化。这表示设计者至少有一个动机去获得转换TE模式极化和TM模式极化的手段。

电扫描天线，电磁散射，反射阵列，波导和其他电磁装置的设计者希望有这样的灵活性，使得可以在单个设计中实现在不同极化之间进行切换的。这些设计人员面临的一个典型挑战是将天线集成到复杂的金属形状上，同时保持所需的辐射特性。

在由D.Sievenpiper、J.Colburn、B.Fong、J.Ottusch和J.Vesher于第29届天线应用研讨会(2005年)发表的“用于共形天线的全息人造阻抗表面”一文中，披露了一种人造阻抗表面，其由接地的介电衬底上的亚波长金属贴片晶格组成。所公开结构的有效表面阻抗取决于贴片的尺寸，并且可以根据位置而变化。使用由金属条纹图案组成的全息图，表面阻抗被设计为由表面电流产生任何期望的辐射图案。然而，本文没有提及极化，也没有公开极化转换。

现有技术已经公开了TM，TE或类似TM的表面。由D.Sievenpiper、J.Schaffner、J.Lee和S.Liveston在IEEE天线和无线传播学报第1卷第1期(2002年)第179页发表的“使用可调谐阻抗接地层的可控漏波天线”一文中，公开了一种现有技术的可控泄漏波天线，其中水平极化天线将能量耦合到可调纹理接地平面上的泄漏横向电波。表面的调谐共振频率使频带结构在频率上变化而以固定的频率改变泄漏波的切向波矢量，并且使所产生的发射波束的仰角转向。尽管文章讨论了TM模式和TE模式，但是这种现有技术没有提出或公开一种转换入射波极化的方法。

由O.Lukkonen、C.Simovski、G.Granet、G.Goussetis、D.Lilipptchenko、A.Raisanen和S.Tretyakov在IEEE天线与传播，第56卷第6期，第1624页(2008年)发表的“平面栅格和包括金属带或贴片的高阻抗表面的简单及精确的分析模型”一文中，作者提出了一种能够预测人造表面大角度入射的平面波响应的分析模型，包括TE极化波和TM极化波。虽然作者讨论了在人工表面上的波传导，但他们没有论及偏振模式的转换或者采用机制来改变人造表面上的极化波。

在其他现有技术中，由J.Colburn、A.Li、D.Sievenpiper、A.Bekaryan、B.Fong、J.Ottusch和P.Tulythan在天线与传播国际协会研讨会(2009年)第1页发表的“自适应人工阻抗表面共形天线”一文中，公开了一种控制在自适应的阻抗表面上传播的表面波带来的辐射的方法，其中变容二极管被插入在小金属焊盘之间。通过改变金属焊盘之间的电压偏置，可以创建不同的阻抗图案，使得天线足够灵活以制造频率和辐射图案均可适应的共形天线。另外，使用期望边界TM表面波与期望出射平面波之间的干涉图案来创建微波全息图。文章没有建议或披露偏振转换。

由B.Fong、J.Colburn、J.Ottusch、J.Visher和D.Sievenpiper在IEEE天线与传播学报第58卷10期3212页(2010年)发表的“标量和张量全息人工阻抗表面”一文中，该现有技术公开了TM和TM类全息天线。在图1中，张量人造阻抗表面，由具有可变角度和间隙宽度的正方形切片贯穿金属贴片实现，可用于设计共形天线，以将给定表面波散射成期望的远场辐射图案并提供偏振控制。该现有技术公开了用于设计和构建以从线性偏振源产生圆偏振平面波的面的装置。然而，该现有技术没有披露用于在纯TE极化和纯TM极化之间转换表面波的极化的结构或方法。

由D.Gregoire和J.Colburn在2011年天线应用研讨会论文集(2011年)的第460页发表的“人造阻抗表面天线”一文中，现有技术识别出支持在横向电场(TE)模式和横向磁场(TM)模式其中之一极化的表面波的结构。在图2中，作者报告了一个正方形的小片，具有穿过其中的倾斜切片，已被用于形成张量表面波结构，以实现具有圆偏振辐射的全息漏波天线。

由A.Patel和AGrbic在IEEE天线与传播学报卷59第6期(2011年)2087页发表的“基于正弦调制电抗表面印刷的漏波天线”一文中，该现有技术用于设计电抗表面，该电抗表面以固定频率以期望的偏离宽边角度产生定向辐射。尤其是印制泄漏波，具有调制电抗表面的TM极化天线通过在接地介电基板上设计金属条阵列得到，其中，金属条之间的间隙被映射到期望的表面阻抗。这种现有技术的电抗表面设计既不使用TE偏振也不涉及TE和TM偏振之间的转换。

张量阻抗表面在表面上的电场和磁场之间具有张量关系。这个关系可由2×2表面阻抗张量定义：

阻抗表面通常是通过将亚波长金属夹杂物介电中周期性地图案化成而产生的。夹杂物的周期一般在λ/10的数量级上。对于较大的周期，表面支持可能产生干扰的多个表面波模式。TM类模式在最低TE模式的截止频率处崩溃。在这个截止频率以上，TM类模式不能再用于某些入射角。在现有技术设计中，天线在该TE截止频率以下工作。在本案公开的技术中，展示了可以通过在TE截止频率以上操作来创建偏振转换器。该模式不是TM类模式，而是真正的混合TM-TE模式。混合TM-TE模式没有被单个张量阻抗边界正确地建模。相反，在顶层上具有张量阻抗片的接地介电被用来对结构进行建模。接地介电衬底上的电容性阻抗片的提取方法已经开发出来了。

目前公开的技术的主要优点是它允许设计者在单个设计内实现极化的切换。如果需要，它也可以改变(增加或减少)天线之间或表面上的物体之间的耦合。

发明内容

在一个方面，本发明的技术提供了一种用于将施加的表面约束电磁波从表面约束电磁模式的一个线性组合转换为表面约束电磁模式的另一个不同线性组合的装置，该装置包括：介电表面，当所施加的表面约束电磁波的频率等于或大于TE模式截止频率时，所述介电表面具有的各向异性阻抗张量对应于所述介电表面的麦克斯韦方程式的第二解。

在另一方面，本发明的技术提供了一种用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或者从TM模式转换到TE模式的设备，包括：介电表面；以及设置在所述介电表面上并以单元格的二维阵列排布的多个导电单元格，所述阵列中的大部分单元格被分成至少两个部分，以及至少一个间隙将所述至少两个部分彼此分成两个或更多个片或板，单元格的阵列具有表面波输入端和表面波输出端，最靠近表面波输入端布置的单元格中的间隙具有第一方向，在最靠近表面波输出端设置的所述单元格中的间隙具有与所述第一方向不同的第二方向。

在另一方面，本发明提供了一种用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或从TM模式转换到TE模式，或者从TE和TM模式的一个线性组合转换到TE和TM模式的另一个线性组合的设备。所述设备包括：具有各向异性阻抗表面的介电表面，所述介电表面的操作频率大于对应于所述介电表面的麦克斯韦方程的第二解的TE截止频率。

在又一方面，本发明的技术提供了一种将表面约束电磁波从第一表面约束模式转换为第二表面约束模式的方法，包括：将表面约束电磁波电磁耦合到电磁传输介质的输入端，所述电磁传输介质包括设置在格阵列中的多个单元格，大部分单元格被分成一对片或板，所述一对片或板通过对于每个所述单元格具有预定方向的线性片或间隙而彼此分离；以及将所述单元格布置在所述阵列中，使得当所述表面约束电磁波朝向电磁传输介质的输出从单元格移动到单元格时，设置在所述输入电磁传输介质和所述输出电磁传输介质之间的单元格的线性切片或缝隙的方向从单元格到单元格产生变化。

附图说明

图1a示出了可以用作本发明所揭露技术的一部分的正方形贴片单元格的透视图。

图1b示出了本发明公开技术的矩阵内的单元的切片旋转；而图1c示出了沿着图1b所示1c-1c线截取的截面图。

图2a是用于多切片旋转的单元格的分散图，其中每条曲线表示不同的切片角度，并且通过单元格针对每个切片角度绘制两个模式，其中单元格的大小可使得截止频率对应于波数k大约为300。

图2b和2c类似于图2a，但是单元格的大小使得截止频率对应于大约150(参见图2b)或600(参见图2c)的波数k。

图3a和3b示出了电磁传输介质的正方形块的矩阵的不同实施例，其中，当表面束缚TM波或TE波遇到正方形块的矩阵而改变偏振使表面束缚的TM波变化为表面束缚的TE波或者改变偏振使表面束缚的TE波变化为表面束缚的TM波时，通过正方形块矩阵的切片从第一方向逐渐旋转到第二方向。图3a按比例绘制，正方形贴片矩阵的大小沿着垂直轴(数值从5mm到30mm)和水平轴(数值从10mm到70mm)以mm为单位表示。

图3c示出了电磁传输介质的正方形贴片的矩阵，其中通过正方形贴片的矩阵的切片保持指向第一方向，因此这是均匀表面而不用于偏振转换，而是用于比较的目的，图3c的阻抗张量在空间上是均匀的而不是如图3a和3b的实施例中所描绘的各向异性。

图4-1至图4-4可以按照图4所示重新组合以作为较大的绘图，该图是所绘制的偏振转换器(参见附录A的照片)的图示，该偏振转换器具有60行×100列单元格。

图4-5描述了图4-1至图4-4及附录A所制偏振转换器的一部分。

图5示出了单元格和使用张量阻抗片代替导电片的单元格近似物。

图5a、5b和5c分别是用于说明入射到矩阵的正向一侧、矩阵的反向一侧和均匀情况下的TM模式电磁波的转换结果的模拟图。

图6示出了在矩阵的正向方向上正向入射的TM模式电磁波的测得的TM场。

图7a和图7b分别示出了测得的TM场与在17GHz的位置的对比图(参见图4)和测得的TM场与测得的TM场与频率的比对图。

图8a、8b、8c、8d、8e、8f和8g分别是张量阻抗单元的变形实施例的图示。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节以清楚地描述在此公开的各种具体实施例。然而，本领域技术人员将会理解，可以在没有下面讨论的所有具体细节的情况下实施本发明。在其它情况下，众所周知的特征没有被描述以免混淆当前要求保护的发明。

本发明提供了例如可以在纯TE和TM偏振之间转换表面约束波的偏振的电磁传输介质或表面。电磁传输介质或表面通过图案化布置在电介质衬底12的一个主表面上的金属片或金属板10而形成。在优选实施例中，介质衬底具有设置在其另一(相对)主表面上的接地平面14。

片或板10优选地使用由B.Fong，J.Colburn，J.Ottusch，J.Visher和D.Sievenpiper在IEEE天线学报(2010)第58卷第10期第3212页中的“标量和张量全息人造阻抗表面”中首次披露的切片单元格布置。图1a是单元格8的图示。单元格8的结构最好是由印刷电路材料12而形成，如Rogers 5880，其具有介电常数εr＝2.2ε₀这也对应于它的相对介电常数。电介质衬底12在其一个主表面上具有金属，其优选地形成接地平面14，而印刷电路材料的相对表面上的金属被图案化以形成多个单元格8(也参见图3a和/或图3b和附录A)。当感兴趣的频率在13.5至20GHz范围内时，每个单元格8优选地具有约4mm的侧向尺寸(沿着图1a所示的x和y轴)的正方形(但不一定如此，参见图8a-8g)，并且单元格8的金属片或金属板10之间的切片的间隙16可以是例如大约0.3mm。单元格8的尺寸可以放大或缩小以允许当前公开的技术在其他频率范围中操作，如参照图2b和图2c讨论的。而且，如随后将参考图8a-8g所讨论的，单元格8不一定必须是正方形形状，因为其他几何形状也可以起作用。

印刷电路板(见图1c)的高度h由图1a中的z轴表示。可以在图1a所示的两个片或板10之间限定的间隙16中看到电介质衬底12。许多单元格8被一起使用，并且相邻单元格8之间的间隔17可以方便地与单元格8的片或板10之间的切片中的间隙16的宽度相同，但是间隔17的尺寸并不必须与间隙16的尺寸相同。

类似于TM的模式在较低的频率上受到这种结构的支持。在TE截止频率以上，不再支持TM类模式，而是支持混合TM-TE模式。

图2a是用于具有根据所述优选实施方案而定的尺寸的单元格的散布图，其中单元格尺寸在一侧上大约为1/5波长(给定衬底材料12的介电常数为2.2)，其中波长是支持的表面约束混合TM-TE模式波的波长。因此，在该实施例中，如上所述，在利用具有2.2的相对介电常数或介电常数的衬底12的情况下，单元尺寸在其一侧上等于4mm。感兴趣的频率在13.5到20GHz范围内，如图2a所示。光之线对应于真空中的光速。

图2b是用于具有最佳实施例一半大的单元格的一个实施例的分散图，从而该实施例具有其一边长为2mm的单元格大小，而其一边长又大约为本实施例的兴趣波长的1/5(对于衬底12，假定相对介电常数或介电常数为2.2)，其对应于具有落入27至>40GHz范围内的频率的表面约束混合TM-TE模式波。所以本实施例中上述的TE截止频率约为27GHz。

图2c是用于具有尺寸为最佳实施例中的两倍的单元格的一个实施例的分散图，并且该实施例因此具有单元格大小为一侧长度为8mm，再次等于一侧长度为该实施例的兴趣波长的1/5，(当然假设对于衬底12，相对介电常数或介电常数为2.2)，该实施例对应于频率落入范围7至>10GHz的表面约束混合TM-TE模式波。所以本实施例中上述的TE截止频率约为7GHz。

图2b和2c都假定衬底的介电常数与图2a的相同。一般来说，如果衬底的介电常数发生变化，应该注意到TM类的模式与期望的混合TM-TE之间的截止频率与介质衬底12的相对介电常数或介电常数的平方根有关。并且使用具有与优选的衬底材料相关的相对介电常数或介电常数2.2本质上不同的相对介电常数或介电常数的材料会造成单元格的尺寸不同于这里讨论的实施例中使用的波长的1/5。

图2a-2c清楚地表明，可以调整单元格的大小以固定TE截止频率，从而不再支持TM类模式，而在一些期望的频率范围内支持混合TM-TE模式。

此时还应该注意，TE截止频率是不再支持TM类模式的频率，并且混合TM-TE模式开始得到支持。因此，对于其分散图对应于图2a的实施例，当混合TM-TE模式在大约13.5GHz开始受到支持，对于混合TM-TE模式电磁波的最佳支持似乎发生在大约17GHz(这是根据麦克斯韦方程的二次解，比TE截止频率高大约20％)。

图1b示出了在此被标识为单元81至84的四个单元格8。每个单元81-84的切片16都是线性的，并且以不同角度与单元格81-84设置在一起使得切片16的角度有效地变化或从单元81的一个水平位置旋转(如图所示)到单元82的一个稍稍逆时针旋转的位置。在单元83中，切片16进一步转动，然后切片16在单元84处到达垂直方向(同样如图中看到的)。所以在图1b中，切片16经过在四个阶段从0度(单元81)旋转到90度(单元84)。在实际的实施例中，切片旋转典型地发生在多个更多的阶段(单元格8)，并且单元格8通常彼此间隔更近。图1b的单元格81至84被描绘以更宽的间隔或者分开以便于说明，并且为了便于说明仅示出了几个单元格8。而且，如将会看到的，单元格8通常被布置成行和列，并且切片旋转角度连续变化，而同一列中的所有单元格通常具有相同的切片旋转量。

为多个切片角度进行了本征模式单元格模拟。本征模拟假设一个单元格8的无限晶格。如图2a-2c所示，光之线(如虚线所示)上方的模式是从片或板12的表面泄露或辐射出去，而在光之线下方的模式保持约束于该表面。对于选择的单元格尺寸(由图2a表示)和衬底介电常数，TE截止频率约为13.5GHz，低于此频率TM类模式得到支持。高于截止频率则支持混合TM-TE模式。

所有已知的现有技术结构都使用TM类的模式(低于截止频率)。TM类的模式(对应于麦克斯韦方程的一次解)被定义为从零频率(DC)直到TE截止频率中的最低频率模式，用于具有金属片包裹体或在其顶层上的片(单元)的接地介电衬底。请注意，这种模式(解之一)也可能也可以被命名为其他名称。然而，电磁结构支持多种模式，因为对于一组给定的边界条件，麦克斯韦方程可以有多个解(导致多种操作模式)。这些不同的模式在其有效和不同的场偏振下具有不同的频率带宽。截止频率是有效带宽边缘的频率。在这里公开的优选实施例中(其分散图由图2a表示)，TM类模式(模式1)在0-13.5GHz处得到支持并且13.5GHz是截止频率。然而，当前公开的技术优选地不将对应于0-13.5GHz频率范围的这种模式(对应于麦克斯韦方程的解一)用于优选实施例(其分散图由图2a表示)。本发明感兴趣的是与麦克斯韦方程式的解二相对应的下一个模式(在此提到的称为混合TM-TE模式)，并且其发生于在13.5GHz至至少20GHz用于本发明目前公开的优选实施例(其分散图由图2a表示)。

图2a-2c是基于表面的数学模拟。由于用于验证本发明的测试设备的极限限制在20GHz，因此当制备图2a时，仿真仅进行到20GHz。在大于20GHz的某个频率下，将会遇到下一个截止频率(可能在30GHz左右)。对于图2a的实施例，存在从30GHz到截止频率的三分之一(更高)的第三模式。第三种模式和更高的模式尚未被研究，但它们也可能被证明对本发明有用。图2b和2c基于图2a数据的外推，因为对于光速c的给定值，频率和波数之间存在线性关系。

13.5GHz的近似值是针对此处公开的优选实施例(对应于图2a的分散图)的麦克斯韦方程的第二解产生的TE截止频率。麦克斯韦方程的解取决于多个因素，包括片的周期尺寸(波数)，衬底的材料属性(主要是介电常数)以及片的几何形状(比刚刚提到的其他两个因素的程度要小)。缩放单元格8(对应于片)的尺寸影响片的周期大小(并且因此影响波数)，并且因此截止频率可以位于这种缩放所期望的任何频率处(注意，改变衬底介电常数也对TE截止频率有影响)。

在本文公开的优选实施例(对应于图2a的分散图)中，如图2a所示，从大约13.5到>20GHz支持混合TM-TE模式(麦克斯韦方程式的解二)。导电片的各向异性建立混合TM-TE模式，不同于各向同性导电片，其将支持两个独立模式(一个TE和一个TM)。发明人所了解的现有技术没有使用这种混合TM-TE模式(麦克斯韦方程的解二)，并且这种模式允许本发明的表面约束波的偏振转换。

本发明公开的新型表面波偏振转换器利用了在此讨论的混合TM-TE模式。但是，应该指出的是，有两套由图2a-2c描述的混合TM-TE模式。这两组在图2a中具体标识为“上集合”和“下集合”。在上集合和下集合中的分离也可以在图2b和2c中看出。尽管它们在这些图上没有特别标注。理论上，任何一组都可以用于偏振转换。但是，较高的一组导致了泄漏波而不是表面波束，所以在实践中，如果所公开的装置在该区域内使用(对应于上集合)，则该装置将充当天线而不是表面波偏振转换器，表面波偏振转换器是本发明期望的最终结果。为了保持电磁波表面的界限，下集合被使用，但上集合仍然进行从TM到TE的转换。高阶模式(由对应于麦克斯韦方程的三阶和更高解对应的截止频率定义)也可能被使用，但是这些高阶模式尚未被研究。

图2a-2c所示的模式的下集合在具有0度的切片角度的约束TM模式与具有90度的切片角度的约束TE模式之间进行转换。如图3a所示。如果具有高于TE截止频率的频率的表面约束的TM模式电磁波被施加到图3a的表面的正端(在图的左手侧切片角度为0度的位置)，则相同频率的表面约束TE模式电磁发生在图3a的切片角为90度的表面的相反端。该转换是通过将切片16从0到90度逐渐从左到右通过一系列单元格8旋转超过距离A而发生的。图3a的实施例具有0.4mm大小的单元格8，并且假定表面具有介电常数为2.2，所以本实施例的TE截止频率为13.5GHz。(i)改变电介质材料12以具有与2.2不同的介电常数和/或(ii)从0.4mm改变单元格8的间距尺寸。

图3a的实施例将把施加于图3a的表面的反向端的表面约束TE模式电磁波转换成将出现在图3a的表面的正端处的表面约束TM模式波，假设对于这个特定的实施例，施加的表面约束TE模式电磁波的频率大于13.5GHz的TE截止频率。图3a的表面具有0.4mm大小的单元格8，并且表面被假定为具有2.2的介电常数，所以对于该实施例TE截止频率是13.5GHz。(i)改变电介质材料12以具有与2.2不同的介电常数和/或(ii)将单元格8的间距尺寸从0.4mm改变。

当TM模式电磁波遇到90度切片而不是0度切片时，发生TM-TE模式的上集合，所以TM模式电磁波被施加到图3a所示的反向端而不是正向端。在这种情况下，电磁波立即开始泄漏。然后该表面起到天线的作用，这对于本发明来说不是期望的。类似地，当TE模式电磁波遇到0度的切片而不是90度的切片时，由于TE模式电磁波被施加到图3a所示的正端而不是反向端，所施加的电磁波立即开始泄漏。然后该表面再次充当天线，这不是本发明所期望的。

本发明公开的技术的示例性结构在图3a和3b中示出。图3a和3b是两个不同的单元格8阵列的平面图，每个单元格8具有片16，其中片的角度从0度(这些平面图中的水平)经过单元格8阵列逐渐变为90度(在这些平面图中为垂直)。在图3a的实施例中，描绘了单元格8的20×8矩阵，其中每个单元具有单个切片16。切片16的角度在14个单位单元8或级的长度(或系列)A上从0度逐渐过渡到90度。在图3b的实施例中，描绘了单元格8的18×8矩阵，其中每个单元具有单个切片16。在图12的实施例中，切片16的角度在12个单元8或阶段的长度A上从0度逐渐过渡到90度。因此，在图3b的实施例中切片16从0度到90度的转变发生得比在图3a的实施例中稍快。

图3a和图3b的示例性结构或实施例的目的在于示出切片16的角度如何在长度A或一系列单元格8或阶段上从0度逐渐过渡到90度。但是实际的实施例通常可以具有更多的单元格8。参见图4-1至图4-4，当它们如图4所示排列时，形成设置在电介质表面12(为表示清楚起见，未在图4-1至图4-4中示出)上的60×100单元格8的矩阵图。在该实施例中，切片16以相等的增量(在该实施例中每单元格8为三度)在三十个单元格8的转换区域上旋转。切片16的旋转也可以使用不均匀的增量来执行。TM和TE模式之间可以转换的功率量通过增加转换区域A中的单元格8或级的数量来改善。使用图2a-2c的下集合TM-TE模式，功率转换效率可以达到90％或更高。偏振转换器优选地采用大约0.5个波长或更大长度的转换区域A(参见图3a和3b)来操作。在图4-1至图4-4中的偏振转换器的实施例中，转换区域优选为六个波长。

将阻抗张量的主轴旋转90度即是在纯TM表面约束模式和纯TE表面约束模式之间转换(或者反之亦然根据表面约束波的应用方向参照图3a所描述的转换)。但旋转也可能发生在90度以外的角度，而这些其他角度将代表TM和TE表面约束模式的线性组合。因此，转换不需要在纯粹的TM表面约束模式或纯粹的TE表面约束模式之间，并且可以在TM和TE表面约束模式的任何线性组合与TM和TE表面约束模式的不同组合之间。在这种情况下，任何旋转角度都可能是合适的。TM和TE模式是极端情况，但是本文公开的应用TM-TE混合模式的技术可以在这些极端之间的任何地方进行转换。如果转换不在纯TM或纯TE表面约束模式之间，图3a和3b所示的切片可以方便的旋转小于90°(但大于零度)的某个角度。

再次考虑图4-1到4-4中的实施例。图4-3和4-4显示了切片具有0度角的“正”端(如参考图3a所定义的)。回想一下在本实施例中不同角度为3度的第一片。如果所有单元格的切片在图4-3和4-4所示的区域B内从0度改变到3度，则在正端施加的表面约束电磁波(见图4)可以是97％TM和3％TE表面约束电磁波的线性组合。离开反面的表面约束电磁波(见图4)应该是0％TM和100％TE(或纯TE)表面约束电磁波的线性组合。

在这种改进的实施例中在反向端施加纯TE波应该在表面的正端产生97％TM和3％TE表面约束电磁波的线性组合。

附录A是具有60行×100列单元格8的组装完成的偏振转换器的照片，图4-1至4-4(当如图4所示布置时)更详细地提供了本发明的优选实施例的附图(也由附录A的照片示出)。图1和图2的单元格4-1至4-4的每一个都具有0.4mm的尺寸，使得当介电衬底具有大约2.2的介电常数并且单元格是金属时，麦克斯韦方程的第一和第二解之间的截止频率大约为13.5GHz。标准的印刷电路板制造技术可以用来制造图4-1至图4-4所示的偏振转换器。例如，使用Rogers 5880作为衬底材料12。

表面波可以在任一方向入射，并且这些被标记为“正向”和“反向”，如图3a和3b所示。正向和反向的表面波分别入射到切片旋转角度分别为0和90度的小片上。在这两个入射区域之间，切片角度逐渐旋转。取决于方向(如图3a和3b所示的正向或反向)和入射波的偏振，表面具有不同的性质，其在下表1中标识：

表I	正向	反向
			TM入射	转换为表面约束TE波	辐射泄漏波
TE入射	辐射泄漏波	转换为表面约束TM波

沿图3a或3b的正向入射的TE模式表面波不转换，因为表面在该方向上不支持约束TE模式并且它立即泄漏(参见图2a-2c的模式的上集合)。但是，另一方面，反向入射的TE模式表面波转换，因为表面在该方向上支持约束TE模式(参见图2a-2c的模式的下集合)，并且图3a或3b中的表面将其转换成具有与在“反向”端施加的表面约束的TE波相同的传播方向的离开“正向”端的阵列的表面约束TM模式波。所以在这种情况下，“正向”端充当电磁传输介质的输出，而“反向”端则充当电磁传输介质的输入。需要说明的是，对于输入表面约束电磁波仍然是表面约束的入射，输入端面的表面约束电磁波的传播方向与输出端面电磁波的传播方向平行且相同。

沿图3a或3b的相反向入射的TM模式表面约束波不转换，因为该表面在该方向上不支持表面约束的TM模式，并立即泄漏(参见图2a-2c的模式中的上集合)。但是，另一方面，正向入射的TM模式表面波确实转换了，因为该表面在该方向上支持约束的TM模式(参见图2a-2c的下面一组模式)，而图3a或3b的表面将其转换成在偏振转换器的反向端处从阵列出射的表面约束TE模式波，其中表面约束TE模式波具有与施加的表面约束TM波相同的传播方向。所以在这种情况下，“正向”端充当电磁传输介质的输入，而“反”端充当电磁传输介质的输出。所以输入端表面约束电磁波的传播方向与输出端表面约束电磁波的传播方向平行且相同，并且在输出端处输入的表面约束电磁波保持表面约束。

附录A和图4所示的结构太大，无法用现成的计算硬件来模拟。模拟较大主要是由于在表面上形成单元格8的复杂的金属图案造成。为了在简化模拟的同时仍然获得精确结果，可以使用张量阻抗边界条件对金属片10进行建模。通过使用整个单元格8执行模拟来确定边界条件的参数。基于该结果，可以提取等效表面阻抗，然后用其代替单元格8的金属片10。如图5所示，使用数学模拟单元格8'的简化结构可以更高效地用于具有大量单元格8的计算机模拟中。使用该方法来模拟附录A和图4的完整的60×100单元格结构，其中每个单元格8被替换为使用张量阻抗边界条件代替金属片10的等效版本8'。图5a、5b和5c示出了模拟的偏振转换结果。在附录A和图4的偏振转换器的正反两个方向上都发射TM表面电磁波。当以正确的方向施加时，超过99％的TM波被转换为TE。在正向上，如图5a所示，TM模式表面约束电磁波转换为TE模式表面约束电磁波，并且总功率几乎保持恒定。在图5b中，示出了反向此时TM模式(理论上)转换为TE电磁波，并且由于泄漏而发生辐射。所以正端总功率下降了20dB。将偏振转换器与空间均匀的张量阻抗表面进行比较，图3c中示出了其全部由单个单元8组成(因此间隙16不改变方向)的示例。均匀表面不转换模式偏振，其目的是量化表面波模损耗和光束发散的影响。在均匀情况下，如图3c，波不被转换，TE功率保持在本底噪声。TM功率和总功率的轻微下降是由于光束的散射和损耗。

图6示出了附录A和图4的偏振转换器的实施例在17GHz下的测量的场图。表面波从底部入射并以正向进给(见图4)。在转换器开始之前场强度是相对恒定的(对于这个实施例，切片开始以3度增量旋转)。当波从TM转换到TE时，由于探测器只测量TM场，所以测量场下降。沿着光束的中心取一维场图来测量TM波的衰减。这些一维曲线是在正向和反向以及均匀表面(在两个测量中，TM电磁波被施加到附录A以及图4的偏振转换器的“正向”端)获得的。图7a示出了偏振转换器中的结果与位置的关系，而图7b示出了结果与频率的关系。注意，尽管本实施例(如图2a所示)的TE截止频率大约为13.5GHz，但是实际上，当所施加的电磁波的频率比TE截止频率高大约25％至50％时，本发明将获得更好的性能。

在正向和反向测量了一个均质板。在每种情况下，TM波被激发入射到60×100单元格表面。对于均质板，测得的TM表面波功率相对恒定。由于偏振转换(和图5c的相反情况下的TE功率辐射)，正向和反向方向都显示TM表面波功率的显着下降。板端部的功率比最初的功率降低了大约13分贝。这是一个95％的转换率。在图7b中，绘制了转换器正面和背面之间TM波表面波功率的差异。这个转换器工作在15.5-20GHz，峰值转换在17GHz左右测得。单元格8的尺寸和布置有金属片10的电介质的介电常数设定了表面的带宽。表面的功率转换效率由表面上设置的单元格8的数量控制。

优选的实施方式包括具有带有两个金属部分或片10的切片的方形单元格。单元格可以采取多种额外的形式，其中一些在图8A-8G中示出。图8a示出具有单个切片或间隙16的正方形单元格8。图8b示出了具有多个切片或间隙16的正方形单元格8。图8c示出了具有单个切片16的圆形金属片的正方形单元格8。图8d示出了具有六边形片和单格切片16的六边形单元格8。图8e示出了具有单个切片16的圆形片的六边形单元格8。图8f示出了具有矩形片的矩形单元格8。图8g示出了具有椭圆形片的矩形单元格8。单元格8可以是矩形、六边形或可以排列成二维点阵或矩阵的任何形状。优选实施例中的导电片10通过切割或限定穿过方形金属片的切片或间隙16而形成，由此形成两个部分。然而，任何形成可用于偏振转换的各向异性阻抗的片形状的各向异性，所以切片16在方便设计时是不需要的。所以片可以由任何封闭形状的一个或多个部分组成。单元格的形状应该在空间上变化，只要获得正确的色散和模式特性，以产生所需的各向异性。

在优选实施例中，单元格8(优选地由至少一个切片16分开的金属片)具有1/5波长的尺寸(假定衬底12具有2.2的介电常数)。可以使用小于1/2波长的任何单元格尺寸，假定衬底12的介电常数相应地进行调整。重要的是TE截止频率是由上述麦克斯韦方程组的解二确定的。但一般而言，操作频率随单位格大小(当衬底材料12的介电常数保持固定时)成反比变化。偏振转换器工作的方法适用于包括RF、微波、THz、红外和光学的电磁频谱中的任何区域。

单元格8中的间隙16是不必要的，图8f和8g示出了没有间隙16的实施例。单元格8的基本方面是，当它们排列在电介质衬底上时，它们限定各向异性衬底，并且重要的是它们的尺寸被设计成利用混合TM-TE模式(对应于麦克斯韦方程的解二)。单元格8的阵列表现出单元格8或其切片的逐渐旋转，这导致阻抗张量在电介质衬底上的逐渐旋转，以便提供期望的各向异性，使得所施加的表面约束波的偏振如本文所描述的那样转换。

使用间隙16(其角度变化-缓慢地旋转-穿过介质衬底)是在空间上旋转的(优选地，缓慢地)介电衬底中产生阻抗张量的便利方式。

将阻抗张量的主轴旋转90度是在纯TM和纯TE模式之间转换的。在实践中，如果它接近，比如从5-85度，那么可能与从0-90难以区分(从测试观点来看)。

转换不一定需要在纯粹的TM或纯TE模式之间，而是可以在TM和TE的任何线性组合到TM和TE模式的不同组合。因此，可以选择所公开的偏振转换器上的阻抗张量的任何旋转角度。

现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将会理解如何对当前公开的技术进行改变和修改以满足其特定要求或条件。可以做出这样的改变和修改而不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的范围和精神。

上述给出了示例性和优选实施例的详细描述是为了根据法律的要求进行说明和公开。这既不是穷尽也不是为了将本发明限制在所描述的确切形式，而仅仅是为了使本领域的其他技术人员能够理解本发明如何适用于特定的使用或实施。修改和变化的可能性对于本领域技术人员是显而易见的。对示例性实施例的描述可能没有限制，这些示例性实施例可能包括公差、特征尺寸、特定操作条件、工程规范等，并且其可以在不同的实施方式之间变化或者随着现有技术状态的改变而变化。

申请人已经就本领域的当前状态做出了本公开，但是也考虑到了思想进步和将来对这些进步可以考虑的适配，名义上根据当时的现有技术。本发明的范围由所附的权利要求和适用的等同物来限定。

除非明确说明，否则以单数形式提及的权利要求要素并非意在表示“一个且只有一个”。而且，本公开内容中的元件、组件或方法或处理步骤不旨在贡献于公众，而不管该元素、组件或步骤是否在权利要求中明确记载。

本文中的权利要求元素不应根据美国法典第35卷第112节第6段来解释，除非使用短语“用于......的装置”来明确叙述该要素。并且除非这些步骤或多个步骤使用短语“包括......的步骤”来明确地叙述，否则这里的方法或过程步骤不应根据那些条款来解释。

在此总结了依据当前揭示的技术的实施例的说明。显而易见的是，本发明与下述特征和概念有关：

概念1：一种改变电磁表面波的偏振的方法，其是通过将电磁表面波引导到包括一贴片矩阵的金属表面上，每个贴片包括至少一个通过去除材料而形成的单个切片，其中所述矩阵包括相对设置的正向侧和反向侧，所述电磁波表面波被导向在所述正向方向或所述反向方向上传播，位于所述矩阵一侧的最靠近所述正向侧的贴片的切片的方向与所述正向平行，所述切片的方向从与所述矩阵的正向侧平行逐渐旋转为与所述矩阵的反向侧垂直，使得所述电磁表面波在所述元表面上传播时随着切片方向的逐渐旋转而逐渐改变偏振。

概念2：如概念1所述的方法，其中，所述方形切片包括印制在接地介电衬底上的金属贴片。

概念3：如概念2所述的方法，其中，所述介电衬底不具有接地平面。

概念4：如概念1-3所述的方法，其中，TM模式被引导在矩阵的正向侧入射并转换为TE模式。

概念5：如概念1-3所述的方法，其中，TM模式被引导在矩阵的反向侧入射并转换为TE模式。

概念6：如概念1-3所述的方法，其中，TE模式被引导在矩阵的反向侧入射并转换为TM模式。

概念7：如概念1-3所述的方法，其中，所述元表面由具有通孔的多层印刷电路板组成。

概念8：一种装置，用于将电磁表面约束波的偏振(i)从纯TE模式转换为纯TM模式，或(ii)从纯TM模式转换为纯TE模式，或(iii)从TE模式与TM模式的一个线性组合转换为TE模式与TM模式的另一个不同的线性组合，所述装置包括：

a.介电衬底；

b.设置在所述介电衬底上并排列成单元格阵列的多个导电单元格，选择所述单元格的尺寸和所述介电表面的材料，使得麦克斯韦方程的解导致TE截止频率在麦克斯韦方程的第一解与其第二解之间确定，所述多个导电单元格和所述介电衬底的介电常数定义所述介电衬底中的各向异性阻抗张量。

概念9：如概念8所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格被分割成两个或以上部分，在每个单元格的所述多个部分之间具有一个或者多个间隙，以使得每个单元格包括被所述一个或多个间隙隔开的多个片或板。

概念10：概念8所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格被分割成两个部分，在每个单元格的所述多个部分之间具有单一的一个间隙，以使得每个单元格包括被所述单一间隙隔开的一对片或板。

概念11：如概念8-10所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格与其相邻的单元格以第一距离相隔，每个单元格的一对片或板以第二距离相互隔开。

概念12：如概念11所述的装置，其中，所述第一距离和所述第二距离相等。

概念13：如概念11所述的装置，进一步包括一接地平面，其设置于所述介电衬底的一侧，所述介电衬底的另一侧与其相对，所述多个导电单元格设置于所述介电衬底的另一侧。

概念14：如概念13所述的装置，其中，所述接地平面由金属材料形成，所述每个单元格的一对片或板也是由金属材料形成。

概念15：如概念8至14任意一项所述的装置，其中，所述阵列包括多行和多列所述的单元格，所述单元格设置在位于一表面波输入端和一表面波输出端之间的相同单元格行。

概念16：如概念15所述的装置，其中，所述阵列中位于相同单元格行的单元格的间隙在列方向上变化。

概念17：如概念8至16任意一项所述的装置，其中，所述TE截止频率低于待被所述装置转换的电磁表面波的频率。

概念18：一种用于将表面约束电磁波从第一表面约束模式转换为第二表面约束模式的方法，包括：

将表面约束电磁波电磁耦合到电磁传输介质的输入端，所述电磁传输介质包括设置在格阵列中的多个单元格，大部分单元格被分成一对片或板，所述一对片或板通过对于每个所述单元格具有预定方向的线性片或间隙而彼此分离；以及

将所述单元格布置在所述阵列中，使得当所述表面约束电磁波朝向电磁传输介质的输出从单元格移动到单元格时，设置在所述输入电磁传输介质和所述输出电磁传输介质之间的单元格的线性切片或缝隙的方向从单元格到单元格产生变化。

概念19：一种用于转换电磁表面波偏振的装置，包括：介电表面；和设置在所述介电表面上并以单元格的二维阵列排布的多个导电单元格，所述阵列中的大部分单元格被分成至少两个部分，以及至少一个间隙将所述至少两个部分彼此分成两个或更多个片或板，单元格的阵列具有表面波输入端和表面波输出端，最靠近表面波输入端布置的单元格中的间隙具有第一方向，在最靠近表面波输出端设置的所述单元格中的间隙具有与所述第一方向不同的第二方向。

概念20：一种用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或从TM模式转换到TE模式，或者从TE和TM模式的一个线性组合转换到TE和TM模式的另一个不同线性组合的装置，包括：具有各向异性阻抗张量的介电表面，所述介电表面具有从所述介电表面的麦克斯韦方程式的第二解决定的TE模式截止频率，其中施加到其上的表面约束电磁表面波的频率大于所述TE模式。

概念21：如概念20所述的装置，其中，当所述电磁表面波以第一方向施加到所述装置的介电衬底时，所述装置将所述电磁表面约束波从表面约束TE模式转换为表面约束TM模式；当当所述电磁表面波以与第一方向相对的第二方向施加到所述装置的介电衬底时，所述装置将所述电磁表面约束波从表面约束TM模式转换为表面约束TE模式。

概念22：一种用于将施加的表面约束电磁波从表面约束电磁模式的一个线性组合转换为表面约束电磁模式的另一个线性组合的装置，包括：具有各向异性阻抗张量的介电表面，所述介电表面被配置为使得所施加的表面约束电磁波的频率等于或大于对应于所述介电表面的麦克斯韦方程的第二解的TE模式截止频率。

概念23：如概念22所述的装置，其中，所述介电表面具有设置于其上的金属贴片阵列，每个贴片对应于一个单元格，其具有基本为所述表面约束电磁表面波频率的五分之一波长。

概念24：如概念22所述的装置，其中，每个单元格的每个金属贴片被其间的一个或者多个间隙分为至少两部分，所述间隙在所述金属贴片的二维阵列中沿预定方向设置以形成所述各向异性阻抗张量。

概念25：如概念23所述的装置，其中，每个间隙为线性间隙。

概念26：一种用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或从TM模式转换到TE模式，或者从TE和TM模式的一个线性组合转换到TE和TM模式的另一个不同线性组合的装置，包括：具有各向异性阻抗表面的介电表面，所述介电表面的操作频率大于对应于所述介电表面的麦克斯韦方程的第二解的TE截止频率。

概念27：如概念26所述的装置，其中，所述有各向异性阻抗表面的介电表面包括多个设置在一个介电衬底并排布成单元格阵列的导电单元格，所述单元格的尺寸和所述介电表面的材料被选择，以使得麦克斯韦方程的解导致TE截止频率在麦克斯韦方程的第一解与其第二解之间确定。

概念28：如概念27所述的装置，其中，所述阵列包括多行和多列所述的单元格，所述单元格设置在位于一表面波输入端和一表面波输出端之间的相同单元格行。

优选用语

本文描述的所有材料、元件、部件和步骤是优选地包括在内。应该理解的是，对于相关领域并且熟悉本文技术的本领域技术人员言显而易见的是，这些材料、元件、部件和步骤可以用其他材料、元件、部件和步骤替换或者完全删除。

简要概述

作为简要概述，本文公开了用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或从TM模式转换到TE模式的至少一种方法和装置。该装置包括具有各向异性阻抗张量的介电表面，该介电表面优选地通过设置在介电表面上并以单元格的二维阵列布置的多个导电单元格获得，所述阵列中的大部分单元格被分隔成至少两个部分，至少一个间隙将至少两个部分彼此分隔成两个或更多个片或板，单元阵列具有表面波输入端和表面波输出端，最靠近表面波输入端布置的单元格中的间隙具有第一方向，在最靠近表面波输出端设置的所述单元格中的间隙具有与所述第一方向不同的第二方向。所述电磁表面波的频率大于由所述介电表面的麦克斯韦方程的第二解决定的TE截止频率。

Claims

1.一种改变电磁表面波的偏振的方法，其是通过将电磁表面波引导到包括一贴片矩阵的金属表面上，每个贴片包括至少一个通过去除材料而形成的单个切片，其中所述矩阵包括相对设置的正向侧和反向侧，所述电磁波表面波被导向在所述正向方向或所述反向方向上传播，位于所述矩阵一侧的最靠近所述正向侧的贴片的切片的方向与所述正向平行，所述切片的方向从与所述矩阵的正向侧平行逐渐旋转为与所述矩阵的反向侧垂直，使得所述电磁表面波在所述元表面上传播时随着切片方向的逐渐旋转而逐渐改变偏振。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方形切片包括印制在接地介电衬底上的金属贴片。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述介电衬底不具有接地平面。

4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，TM模式被引导在矩阵的正向侧入射并转换为TE模式。

5.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，TM模式被引导在矩阵的反向侧入射并转换为TE模式。

6.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，TE模式被引导在矩阵的反向侧入射并转换为TM模式。

7.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，所述元表面由具有通孔的多层印刷电路板组成。

8.一种装置，用于将电磁表面约束波的偏振（i）从纯TE模式转换为纯TM模式，或（ii）从纯TM模式转换为纯TE模式，或（iii）从TE模式与TM模式的一个线性组合转换为TE模式与TM模式的另一个不同的线性组合，所述装置包括：

a. 介电衬底；

b. 设置在所述介电衬底上并排列成单元格阵列的多个导电单元格，选择所述单元格的尺寸和所述介电表面的材料，使得麦克斯韦方程的解导致TE截止频率在麦克斯韦方程的第一解与其第二解之间确定，所述多个导电单元格和所述介电衬底的介电常数定义所述介电衬底中的各向异性阻抗张量。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格被分割成两个或以上部分，在每个单元格的所述多个部分之间具有一个或者多个间隙，以使得每个单元格包括被所述一个或多个间隙隔开的多个片或板。

10.如权利要求8所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格被分割成两个部分，在每个单元格的所述多个部分之间具有单一的一个间隙，以使得每个单元格包括被所述单一间隙隔开的一对片或板。

11.如权利要求8-10任意一项所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格与其相邻的单元格以第一距离相隔，每个单元格的一对片或板以第二距离相互隔开。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述第一距离和所述第二距离相等。

13.如权利要求11所述的装置，进一步包括一接地平面，其设置于所述介电衬底的一侧，所述介电衬底的另一侧与其相对，所述多个导电单元格设置于所述介电衬底的另一侧。

14.如权利要求13所述的装置，其中，所述接地平面由金属材料形成，所述每个单元格的一对片或板也是由金属材料形成。

15.如权利要求8所述的装置，其中，所述阵列包括多行和多列所述的单元格，所述单元格设置在位于一表面波输入端和一表面波输出端之间的相同单元格行。

16.如权利要求15所述的装置，其中，所述阵列中位于相同单元格行的单元格的间隙在列方向上变化。

17.如权利要求8所述的装置，其中，所述TE截止频率低于待被所述装置转换的电磁表面波的频率。

18.一种用于将表面约束电磁波从第一表面约束模式转换为第二表面约束模式的方法，包括：

19.一种用于转换电磁表面波偏振的装置，包括：介电表面；和设置在所述介电表面上并以单元格的二维阵列排布的多个导电单元格，所述阵列中的大部分单元格被分成至少两个部分，以及至少一个间隙将所述至少两个部分彼此分成两个或更多个片或板，单元格的阵列具有表面波输入端和表面波输出端，最靠近表面波输入端布置的单元格中的间隙具有第一方向，在最靠近表面波输出端设置的所述单元格中的间隙具有与所述第一方向不同的第二方向。

20.一种用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或从TM模式转换到TE模式，或者从TE和TM模式的一个线性组合转换到TE和TM模式的另一个不同线性组合的装置，包括：具有各向异性阻抗张量的介电表面，所述介电表面具有从所述介电表面的麦克斯韦方程式的第二解决定的TE模式截止频率，其中施加到其上的表面约束电磁表面波的频率大于所述TE模式。

21.如权利要求20所述的装置，其中，当所述电磁表面波以第一方向施加到所述装置的介电衬底时，所述装置将所述电磁表面约束波从表面约束TE模式转换为表面约束TM模式；当当所述电磁表面波以与第一方向相对的第二方向施加到所述装置的介电衬底时，所述装置将所述电磁表面约束波从表面约束TM模式转换为表面约束TE模式。

22.一种用于将施加的表面约束电磁波从表面约束电磁模式的一个线性组合转换为表面约束电磁模式的另一个线性组合的装置，包括：具有各向异性阻抗张量的介电表面，所述介电表面被配置为使得所施加的表面约束电磁波的频率等于或大于对应于所述介电表面的麦克斯韦方程的第二解的TE模式截止频率。

23.如权利要求22所述的装置，其中，所述介电表面具有设置于其上的金属贴片阵列，每个贴片对应于一个单元格，其具有基本为所述表面约束电磁表面波频率的五分之一波长。

24.如权利要求22所述的装置，其中，每个单元格的每个金属贴片被其间的一个或者多个间隙分为至少两部分，所述间隙在所述金属贴片的二维阵列中沿预定方向设置以形成所述各向异性阻抗张量。

25.如权利要求23所述的装置，其中，每个间隙为线性间隙。

26.一种用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或从TM模式转换到TE模式，或者从TE和TM模式的一个线性组合转换到TE和TM模式的另一个不同线性组合的装置，包括：具有各向异性阻抗表面的介电表面，所述介电表面的操作频率大于对应于所述介电表面的麦克斯韦方程的第二解的TE截止频率。

27.如权利要求26所述的装置，其中，所述有各向异性阻抗表面的介电表面包括多个设置在一个介电衬底并排布成单元格阵列的导电单元格，所述单元格的尺寸和所述介电表面的材料被选择，以使得麦克斯韦方程的解导致TE截止频率在麦克斯韦方程的第一解与其第二解之间确定。

28.如权利要求27所述的装置，其中，所述阵列包括多行和多列所述的单元格，所述单元格设置在位于一表面波输入端和一表面波输出端之间的相同单元格行。