CN109473785A - 一种偶极子共振超表面窄带极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明中的偶极子共振超表面窄带极化转换器能产生线宽较窄且峰值较高的透射峰，单层三孔缝超表面包括三个偶极子共振器，由巴比涅效应，在前向传播时，入射于下层超表面的第二矩形孔缝的电磁波为x线极化波，才会激发基于明暗两种模式干涉的法诺共振，法诺共振具体上由偶极子的同相振荡与失相振荡的干涉引起，偶极子的振荡经中层超表面的旋转孔缝的旋转作用后，与上层超表面的第一矩形孔缝进行互作用，从而产生沿y方向极化的线极化波，由此产生了非对称传输现象，这类非对称传输现象可以用于滤波器、极化开关、波分复用器中。

Description

一种偶极子共振超表面窄带极化转换器
技术领域
本发明涉及电磁波极化转换技术领域，尤其涉及一种偶极子共振超表面窄带极化转换器。
背景技术
电磁超材料已成为国内外学术界的一个很重要的研究方向。超材料的特点是通过调节周期结构的几何参数来实现对其等效介电常数与磁导率的控制。电磁波的极化是空间中任意位置上的电磁波电场矢量随时间和空间变化的方式。极化转换是非对称传输现象的一种，其具有较高透射系数。极化转换是超材料中的重要电磁特性，具有特殊结构的超材料在入射极化波激励下会引起偶极子之间的互作用，进而引起极化转换，但现有的极化转换效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种偶极子共振超表面窄带极化转换器，其工作频带较窄，可增强极化转换的效率，可实现调谐、滤波、波分复用等功能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种偶极子共振超表面窄带极化转换器，包括若干阵列分布的极化单元，每个所述极化单元包括由上至下设置的上层超表面、中层超表面及下层超表面，所述上层超表面上具有三个沿x方向分布的第一矩形孔缝，所述中层超表面的左下侧与右上侧具有对称设置的旋转孔缝，所述下层超表面具有三个沿y方向分布的第二矩形孔缝。
进一步，所述极化单元还包括位于所述上层超表面及所述中层超表面之间的第一空气层及位于所述中层超表面与所述下层超表面之间的第二空气层。
进一步，三个所述第一矩形孔缝沿x方向的缝长与三个所述第二矩形孔缝沿y方向的缝长相等，三个所述第一矩形孔缝沿y方向的缝宽与三个所述第二矩形孔缝沿x方向的缝宽相等。
进一步，相邻所述第一矩形孔缝之间的间隔尺寸与相邻所述第二矩形孔缝之间的间隔尺寸相等。
进一步，所述旋转孔缝为L型孔缝或圆心角为一设定度数的圆环形孔缝。
进一步，所述旋转孔缝的缝宽与所述第一矩形孔缝的缝宽及所述第二矩形孔缝的缝宽均相等。
进一步，所述旋转孔缝为L型孔缝时，所述旋转孔缝的单侧缝长与所述第一矩形孔缝的缝长之比m的取值范围为0.51≤m≤0.54。
进一步，所述上层超表面、中层超表面及下层超表面的材料包括金、银及铜中的一种或多种。
进一步，所述上层超表面、中层超表面及下层超表面的形状包括正六边形、正方形、三角形或矩形中的任一种。
在本发明提供的偶极子共振超表面窄带极化转换器能产生线宽较窄且峰值较高的透射峰，单层三孔缝超表面包括三个偶极子共振器，由巴比涅效应，在前向传播时，入射于下层超表面的第二矩形孔缝的电磁波为x线极化波，才会激发基于明暗两种模式干涉的法诺共振，法诺共振具体上由偶极子的同相振荡与失相振荡的干涉引起，偶极子的振荡经中层超表面的旋转孔缝的旋转作用后，与上层超表面的第一矩形孔缝进行互作用，从而产生沿y方向极化的线极化波，由此产生了非对称传输现象，这类非对称传输现象可以用于滤波器、极化开关、波分复用器中。
附图说明
图1为本发明实施例提供的偶极子共振超表面窄带极化转换器的示意图；
图2为本发明实施例提供的偶极子共振超表面窄带极化转换器的极化单元的示意图；
图3a为本发明实施例提供的偶极子共振超表面窄带极化转换器的上层超表面的示意图；
图3b为本发明实施例提供的偶极子共振超表面窄带极化转换器的中层超表面的示意图；
图3c为本发明实施例提供的偶极子共振超表面窄带极化转换器的下层超表面的示意图；
图4为本发明实施例提供的比例系数m变化时的测试结果示意图透射谱
图5为本发明实施例提供的比例系数m变化时的测试结果示意图x方向上的极化转换差Δx以及y方向上的极化转换差Δy。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1及图2所示，本实施例提供了一种偶极子共振超表面窄带极化转换器，包括若干阵列分布的极化单元，每个所述极化单元包括由上至下设置的上层超表面11、中层超表面12及下层超表面13，所述上层超表面11上具有三个沿x方向分布的第一矩形孔缝111，所述中层超表面12的左下侧与右上侧具有对称设置的旋转孔缝121，所述下层超表面13具有三个沿y方向分布的第二矩形孔缝131。
进一步，所述极化单元还包括位于所述上层超表面11及所述中层超表面12之间的第一空气层及位于所述中层超表面12与所述下层超表面13之间的第二空气层。所述上层超表面11、中层超表面12及下层超表面13的材料包括金、银及铜中的一种或多种。所述上层超表面11、中层超表面12及下层超表面13的形状包括正六边形、正方形、三角形或矩形中的任一种，本实施例以正方形为例进行说明。
所述旋转孔缝121为L型孔缝或圆心角为一设定度数的圆环形孔缝，本实施例以所述旋转孔缝121为L型孔缝进行说明，可以理解的是，在其他实施例中，所述旋转孔缝121还可以是其他形状的方形孔缝，或者是圆心角的设定度数为70°-90°之间的圆环形孔缝。
上层超表面11分布着沿x方向的三条相同规格的第一矩形孔缝111，中层超表面12的左下侧与右上侧分布着两个同规格的旋转孔缝121，下层超表面13则分布着沿y方向的三条同规格的第二矩形孔缝131。三个所述第一矩形孔缝111沿x方向的缝长与三个所述第二矩形孔缝131沿y方向的缝长相等，三个所述第一矩形孔缝111沿方向的缝宽与三个所述第二矩形孔缝131沿x方向的缝宽相等，相邻所述第一矩形孔缝111之间的间隔尺寸与相邻所述第二矩形孔缝131之间的间隔尺寸相等，所述旋转孔缝121的缝宽与所述第一矩形孔缝111的缝宽及所述第二矩形孔缝131的缝宽均相等，所述旋转孔缝121的单侧缝长与所述第一矩形孔缝111的缝长之比为m，所述m的取值范围为0.51≤m≤0.54。
如图3a-图3c所示，所述第一矩形孔缝111与所述第二矩形孔缝131的缝长为h，缝宽为w，孔缝之间的间隔尺寸为d，每个所述极化单元的边长为p，上层超表面11与中层超表面12之间、中层超表面12与下层超表面13之间均分布着厚度为t的空气层，电磁波入射波矢k沿-z方向。电磁波沿波矢k入射，电场E沿x轴方向，磁场H位于yoz面且与波矢k、电场E均垂直。定义电磁波沿+z方向传播为前向(以f标注于透射系数符号的上标处)，则沿-z方向传播为后向(以b标注于透射系数符号的上标处)。
具体地，建立参数为w＝1.8mm，t＝2mm，h＝9mm，d＝1.2mm，p＝15mm的偶极子共振超表面窄带极化转换器模型，同时对比例系数m进行步进仿真。使用基于有限元法的仿真软件进行数值解析计算，结果如图4所示，为透射系数与频率的关系图。这里的表示前向传播时由x极化波入射转换器模型之后以y极化波透射出去的透射系数。从图4可以看出，随着比例系数m以步长0.01从0.51增加至0.54，透射系数均保持稳定的增大趋势，且透射峰的位置均位于14.3GHz附近。
进一步，如图5所示，不同比例系数m的x方向上极化转换差Δx以及y方向上的极化转换差Δy， 从图5可以看出，在前向传播的过程中，x极化波到y极化波的转换只在频率14.3GHz附近才发生，在其余频率处则未发生极化转换，这说明该结构只在频率14.3GHz附近才有非对称传输现象。以及在后向传播的过程中，只在频率14.3GHz附近才发生y极化波到x极化波的转换的反方向转换，即在前向传播的过程中，x极化波到y极化波的转换只在频率14.3GHz附近才发生。这进一步说明，两种极化转换差互为相反数。当然，可修改偶极子共振超表面窄带极化转换器的结构参数，从而可以调节工作频率。
综上，本发明实施例提供的偶极子共振超表面窄带极化转换器能产生线宽较窄且峰值较高的透射峰，单层三孔缝超表面包括三个偶极子共振器，由巴比涅效应，在前向传播时，入射于下层超表面的第二矩形孔缝的电磁波为x线极化波，才会激发基于明暗两种模式干涉的法诺共振，法诺共振具体上由偶极子的同相振荡与失相振荡的干涉引起，偶极子的振荡经中层超表面的旋转孔缝的旋转作用后，与上层超表面的第一矩形孔缝进行互作用，从而产生沿y方向极化的线极化波，由此产生了非对称传输现象，这类非对称传输现象可以用于滤波器、极化开关、波分复用器中。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，包括若干阵列分布的极化单元，每个所述极化单元包括由上至下设置的上层超表面、中层超表面及下层超表面，所述上层超表面上具有三个沿x方向分布的第一矩形孔缝，所述中层超表面的左下侧与右上侧具有对称设置的旋转孔缝，所述下层超表面具有三个沿y方向分布的第二矩形孔缝。
2.如权利要求1所述的偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，所述极化单元还包括位于所述上层超表面及所述中层超表面之间的第一空气层及位于所述中层超表面与所述下层超表面之间的第二空气层。
3.如权利要求1所述的偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，三个所述第一矩形孔缝沿x方向的缝长与三个所述第二矩形孔缝沿y方向的缝长相等，三个所述第一矩形孔缝沿y方向的缝宽与三个所述第二矩形孔缝沿x方向的缝宽相等。
4.如权利要求3所述的偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，相邻所述第一矩形孔缝之间的间隔尺寸与相邻所述第二矩形孔缝之间的间隔尺寸相等。
5.如权利要求4所述的偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，所述旋转孔缝为L型孔缝或圆心角为一设定度数的圆环形孔缝。
6.如权利要求5所述的偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，所述旋转孔缝的缝宽与所述第一矩形孔缝的缝宽及所述第二矩形孔缝的缝宽均相等。
7.如权利要求5所述的偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，所述旋转孔缝为L型孔缝时，所述旋转孔缝的单侧缝长与所述第一矩形孔缝的缝长之比m的取值范围为0.51≤m≤0.54。
8.如权利要求1-7中任一项所述的偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，所述上层超表面、中层超表面及下层超表面的材料包括金、银及铜中的一种或多种。
9.如权利要求1-7中任一项所述的偶极子共振超表面窄带极化转换器，其特征在于，所述上层超表面、中层超表面及下层超表面的形状包括正六边形、正方形、三角形或矩形中的任一种。
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