CN108134210A - 基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器 - Google Patents

基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器 Download PDF

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宋争勇
王凯
柳清伙
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters

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Abstract

基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器，涉及交叉极化转变器。由3层光学材料组成，依次为一维金属光栅、印刷电路板和金属膜。所述方法包括如下步骤：(1)入射波：频率在8.7～13.2GHz范围内的线极化波，正入射或斜入射到金属光栅上。(2)反射波：从交叉极化转变器的反射的波既是所需的反射极化波。基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器的各向异性反射在较高的入射角下也能产生，并且可以通过改变几何尺寸进行调整。此外，所提出的交叉极化转变器在微波仪器，波前处理和偏振分量等许多潜在应用中具有带宽较宽、效率高等优点。

Description

基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器
技术领域
本发明涉及交叉极化转变器，尤其是涉及基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器。
背景技术
交叉极化转变器，即改变入射波的极化方向。控制从微波到可见光频率的极化状态的各种物理机制包括波片，双色晶体，布鲁斯特效应，法拉第材料和各向异性材料的双折射等。传统的极化控制材料的一些问题，如结构体积大，带宽窄，材料选择有限，价格昂贵等，而人工电磁微结构材料可以通过结构设计使之实现自然材料所不具备的物理性质，为交叉极化转变器件的设计提供了一个崭新的方向。一种各向异性反射型电磁超表面([1]齐美清.超材料透镜和超表面对电磁波的调控及应用[D].东南大学，2016)结构的宽带交叉极化转变器及其工作原理，交叉极化转变器在微波仪器，波前处理和偏振分量中有很多潜在应用。目前，人工电磁微结构的交叉极化转变器主要有：
一种基于反射超材料的微波交叉极化转变器([2]Hao J,Yuan Y,Ran L,etal.Manipulating electromagnetic wave polarizations by anisotropicmetamaterials[J].Physical Review Letters,2007,99(6):063908.)，采用双层结构，其原理是所设计的超材料的各向异性反射，不同极化方向的电磁波经结构反射后相位变化不一样。
一种基于透明超材料的交叉极化转变器，其原理是所设计的超材料是透明的，且介电常数是各向异性的，不同极化方向的电磁波通过结构后相位变化不一样。
然而这些极化转变器，对入射角度要求很高，结构复杂，对制造技术要求高，而且工作频带太窄。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有极化转变器的不足之处，提供一种能在大的入射角范围内工作的且基于各向异性反射型电磁超表面结构的极化转变器，并详述了该各向异性反射型电磁超表面结构的极化转变器工作原理的基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器。
本发明的另一目的在于提供基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器的工作方法。
本发明由3层光学材料组成，依次为一维金属光栅、印刷电路板和金属膜。
所述一维金属光栅为金属铜，其宽度为2.0mm，周期为10mm，厚度为0.035mm。
所述印刷电路板为采用介电材料制备的平整均匀薄膜，其厚度为4.0mm。
所述金属膜为金属薄膜，厚度为0.035mm，金属膜为铜。
本发明基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器的工作方法，其所述方法包括如下步骤：
(1)入射波：频率在8.7～13.2GHz范围内的线极化波，正入射或斜入射到金属光栅上。
(2)反射波：从交叉极化转变器的反射的波既是所需的反射极化波。
本发明的工作原理是：可以假设偏振角的线性极化入射波垂直照射表面，可以分解成x(平行于金属光栅)和y(垂直于金属光栅)方向的两个正交电场矢量。反射波的电场同样可以分解成x和y方向的两个正交电场矢量，并且对于沿x和y方向极化的正常入射波的反射幅值(相位)定义为rx和ry(和)。若对于沿x和y方向偏振的反射波的反射系数的大小相同，并且这两个极化的反射相位差为～180°，则可以实现极化转变。由于背面厚度为0.035mm的连续金属薄膜，整个结构对于电磁波是全反射的，与它们的入射角和极化无关，所以很容易得到rx＝ry。反射光x和y方向电场之间的相对相位差在8.7～13.2GHz的频率范围内为～180°，在此频段内可以实现极化转变。
本发明基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器的各向异性反射在较高的入射角下也能产生，并且可以通过改变几何尺寸进行调整。此外，所提出的交叉极化转变器在微波仪器，波前处理和偏振分量等许多潜在应用中具有带宽较宽、效率高等优点。
本发明所述交叉极化转变器通过在放置在印刷电路板顶部的一维金属光栅，以及底部金属平面来构成；所述原理是结构的各向异性反射，使得反射光的偏振方向和和入射光垂直。该器件结构简单，实用范围广，对角度不敏感，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的反射-频率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，本发明实施例共有3层，包括金属光栅1、印刷电路板2、金属薄膜3，光从真空入射到交叉极化转变器，产生各向异性反射。
利用本发明的一种具体实施方式为：设金属光栅的材料为铜，宽度为2.0mm，周期为10mm，厚度为0.035mm；中间印刷电路板为电介质材料，厚度为4.0mm；接地金属薄膜的材料为铜，厚度为0.035mm；
本发明工作时，源处的电磁波正入射或以一定角度斜入射到结构上，经过交叉极化转变器作用后，不同方向的反射电场的相位不同，垂直反射波既是所需的极化波。
图2表面所述交叉极化转变器的工作频率在8.7～13.2GHz左右，在图1的实施方式下，极化角为4°的线偏振入射波反射后，极化方向旋转9°。本发明基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器在8.7～13.2GHz左右都能取得不错的工作效果。

Claims (8)

1.基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器，其特征在于由3层光学材料组成，依次为一维金属光栅、印刷电路板和金属膜。
2.如权利要求1所述基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器，其特征在于所述一维金属光栅为金属铜。
3.如权利要求2所述基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器，其特征在于所述一维金属光栅的宽度为2.0mm，周期为10mm，厚度为0.035mm。
4.如权利要求1所述基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器，其特征在于所述印刷电路板为采用介电材料制备的平整均匀薄膜。
5.如权利要求4所述基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器，其特征在于所述印刷电路板的厚度为4.0mm。
6.如权利要求1所述基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器，其特征在于所述金属膜为金属薄膜，厚度为0.035mm。
7.如权利要求1所述基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器，其特征在于所述金属膜为铜。
8.基于各向异性反射型电磁超表面的宽带交叉极化转变器的工作方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
(1)入射波：频率在8.7～13.2GHz范围内的线极化波，正入射或斜入射到金属光栅上。
(2)反射波：从交叉极化转变器的反射的波既是所需的反射极化波。
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