CN110492249A - 一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，包括超表面结构、介质衬底和金属底板，超表面结构放置在介质衬底上端面，金属底板放置在介质衬底下端面，单一配合的超表面结构、介质衬底和金属底板为一组单元结构，多组单元结构沿x‑y方向呈正方形阵列分布，超表面结构为正方形金属贴片，排列周期(边长)小于工作频带中心频率波长的一半，超表面结构的厚度为工作频带中心频率波长的百分之一至千分之一之间，超表面结构上开设有沿正方形金属贴片对角线倾斜对称分布的上开口弧形槽和下开口弧形槽，本发明具有结构紧凑、小型化、宽带、全极化和大入射角度高效率极化转换的优点。

Description

一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器
技术领域
本发明涉及超材料和超表面技术领域，尤其涉及一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器。
背景技术
近年来，平面超材料(超表面)因其独特的电磁特性和平面易共形的优势得到了大量研究，如平面光子学，异常折射，极化转换等等。超表面独特的电磁传输或者反射依赖于单元结构等效电磁参数的合理设计，因为很多电磁现象是对电磁波的极化很敏感，因此通过超表面结构控制和操控电磁波的极化也得到了大量研究。
传统控制电磁波极化的方法是通过光学各项异性晶体或者基于法拉第效应，但是需要的结构尺寸很大，并且带宽很窄。而通过超表面实现极化转换具有结构紧凑、宽带宽、频率可搬移性和易平面设计的特点。基于超表面的平面转换器在光波(Y.Zhao and A.Alù,Nano Lett.13(3),1086–1091(2013).)，太赫兹(L.Wu,M.Zhang,B.Zhu,J.Zhao,T.Jiang,and Y.Feng,Appl.Phys.B 117(2),527–531(2014).)和微波波段(H.Chen,J.Wang,H.Ma,S.Qu,Z.Xu,A.Zhang,M.Yan,and Y.Li,J.Appl.Phys.115(15),154504(2014).)都得到大量研究。其主要采用各向异性超表面结构或者手性超表面结构，有的也采用多层结构实现不同极化电磁波的转换。大部分研究基于线极化转换器，而且能实现宽带或者超宽带极化转换，比如基于三层各项异性超材料能在5.8～11.8内实现90％极化转换率(X.Huang,B.Xiao,D.Yang,H.Yang,Optics Communications,338,416-421(2015)),基于双“I”的各项异性超表面结构的宽带线极化和圆极化宽带转换器(H.Ma,G.Wang,G.Kong,T.Cui,OpticsExpress,4(8),1717-1724,(2014)),其他复杂结构的超宽带极化转换器也得到了研究，比如多谐振超表面结构(G.Dong,H.Shi,S.Xia,A.Zhang,Z.Xu,X.Wei,OpticsCommunications,365,108-112(2016))。这些超宽带极化转换器大多数工作在单波段，也有通过设计超表面结构工作在多波段，比如基于金属弧形谐振环的双波段极化转换器(Z.Wei,J.Huang,J.Li,G.Xu,Z.Ju,Opt.Quant.Electron 49,298(2017))。
但是以上宽带和高效的极化转换器大部分都是在垂直入射的条件小实现的，没有研究斜入射情况下的极化转换，有的也只能在很小的斜入射角度下实现宽带极化转换，对于斜入射或者宽角度斜入射的极化转换能够极大拓展极化转换器的实际应用范围，具有很强的工程价值和现实意义。基于双开口不对称的谐振环结构的宽带和大入射角度极化转换器也得到了研究(M.Khan,Q.Fraz,F.Tahir,J.Appl.Phys.121(4),045103(2017).),在5-10.8GHz范围内能实现x(y)极化入射到y(x)极化的反射转换，并且在大入射角度下能够实现3dB的高效转换，在入射角度超过45度3-dB带宽也有所下降，其结构采用双开口不对称结构，结构设计相对复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，包括超表面结构、介质衬底和金属底板，超表面结构放置在介质衬底上端面，金属底板放置在介质衬底下端面，单一配合的超表面结构、介质衬底和金属底板为一组单元结构，其排列周期(边长)小于工作频带中心频率波长的一半，多组所述单元结构沿x-y方向呈正方形阵列分布，其中，超表面结构为正方形金属贴片，超表面结构的厚度为工作频带中心频率波长的百分之一至千分之一之间，超表面结构上开设有沿正方形金属贴片对角线倾斜对称分布的上开口弧形槽和下开口弧形槽，以使斜入射角度范围在0°～45°的电磁波实现x和y向极化入射波的转换。
作为对本发明的进一步说明，优选地，超表面结构、介质衬底和金属底板总厚度不超过3mm。
作为对本发明的进一步说明，优选地，上开口弧形槽和下开口弧形槽内圆弧半径为工作频带中心频率波长的九分之一至二分之一之间。
作为对本发明的进一步说明，优选地，上开口弧形槽和下开口弧形槽的弧形槽宽度大小为工作频带中心频率波长的0.2倍。
作为对本发明的进一步说明，优选地，当进行透射极化转换时，将上开口弧形槽和下开口弧形槽沿x-y平面排列成大于等于10×10的正方形阵列；当进行反射模式极化转换时，将超表面结构沿x-y平面排列成大于等于10×10的正方形阵列放置在介质衬底上，并在介质衬底位于超表面结构的对侧面放置金属底板。
作为对本发明的进一步说明，优选地，超表面结构、介质衬底和金属底板组成的单元结构沿x-y平面的排列周期(边长)为工作频带中心频率波长的0.35倍。
作为对本发明的进一步说明，优选地，介质衬底的厚度为工作频带中心频率波长的0.15倍。
作为对本发明的进一步说明，优选地，超表面结构和金属底板由铜或铁制成。
作为对本发明的进一步说明，优选地，介质衬底采用玻璃或特氟龙制成。
实施本发明的，具有以下有益效果：
1、本发明通过设置上下对称的开口谐振环且厚度小的超表面结构，相比于之前的双开口不对称结构和多层超表面结构，具有结构简单、能够实现全极化转换、高效率和宽带宽极化转换的特点；
2、通过只使用超表面结构或者使用超表面结构、介质衬底和金属底板组合的结构，实现既可以工作于透射传输模式的极化转换，也可以实现工作于反射模式的极化转换；
3、本发明的超宽带极化转换器对入射电磁波的角度不敏感，能够对斜入射角度范围0°～45°范围内的入射波进行极化转换，大角度斜入射转换效率保持在3dB以内，能同时实现x和y向极化入射波的转换。
附图说明
图1为本发明的超宽带极化转换超表面单元结构图；
图2是本发明的以x向极化为例的宽角度入射反射极化转换器示意图；
图3是本发明的电磁波沿x方向极化的超表面结构反射系数随频率的变化线性图；
图4是本发明的电磁波沿y方向极化的超表面结构反射系数随频率的变化线性图；
图5是本发明的斜入射电磁波沿x方向极化反射系数随频率的变化线性图；
图6是本发明的斜入射电磁波沿y方向极化反射系数随频率的变化线性图。
附图标记说明：
1、超表面结构；11、上开口弧形槽；12、下开口弧形槽；2、介质衬底；3、金属底板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，结合图1、图2，包括超表面结构1、介质衬底2和金属底板3，超表面结构1和金属底板3均由铜或铁等金属材料制成的正方形金属贴片，介质衬底2采用玻璃或特氟龙等常规介质制成的正方形板，在微波波段可以近似等效于理想导体；超表面结构1放置在介质衬底2上端面，金属底板3放置在介质衬底下端面；且以单一配合的超表面结构1、介质衬底2和金属底板3为一组单元结构，且所述单元结构厚度不超过3mm，具有结构紧凑、小型化的优点；多组所述单元结构沿x-y方向呈正方形阵列分布以形成平面极化转换器，即所述单元结构在x-y方向的数量相同。
结合图1、图2，超表面结构1上开设有沿正方形金属贴片对角线对称分布的上开口弧形槽11和下开口弧形槽12，上开口弧形槽11和下开口弧形槽12规格相同且均为圆弧状，上开口弧形槽11和下开口弧形槽12为谐振环；上开口弧形槽11和下开口弧形槽12贯穿超表面结构1，上开口弧形槽11和下开口弧形槽12的圆心重合且位于超表面结构1的重心上；设上、下两段开口弧形槽的开口弧度分别为α和β，上、下两段开口弧形槽的宽度为w1和w2，上、下两段开口弧形槽内圆弧的半径为r；同时设工作频带中心频率波长为λ，所述单元结构的排列周期(即边长)为p，则上、下两段开口弧形槽的规格满足以下条件：
Ⅰ、p≈0.35λ，即所述单元结构沿x-y平面的总排列周期约等于工作频带中心频率波长的0.35倍，具有排列周期亚波长和结构紧凑的特点；
Ⅱ、0°<α＝β<180°，即上、下两段开口弧形槽的开口弧度角范围在0°～180°之间；
Ⅲ、r<λ/2，即上、下两段开口弧形槽的内圆弧半径小于工作频带中心频率波长的一半，优选地，内圆弧半径也大于工作频带中心频率波长的九分之一；
Ⅳ、0<w1＝w2<r、w1＝w2≈0.2p，即上、下两段开口弧形槽的宽度小于弧形槽的内圆弧半径且弧形槽宽度大小约等于工作频带中心频率波长的0.2倍；
并且设超表面结构1的厚度为h，介质衬底2的厚度为g，则满足0.01λ<h<0.001λ，g＝0.15λ；即超表面结构1的厚度为工作频带中心频率波长的百分之一至千分之一之间，介质衬底的厚度为波长的0.15倍，其中，优选地，h＝0.005λ，即超表面结构1的厚度为工作频带中心频率波长的两百分之一，超薄的结构具有平面易共形的优势。
通过上述方式，本发明的极化转换器超表面结构1采用上下对称的开口谐振环结构，相比于之前的双开口不对称结构和多层超表面结构，具有结构简单和易加工的特点；且上开口弧形槽11和下开口弧形槽12的规格相同，因此能够实现全极化转换，即能够实现x方向入射电磁波转换为y方向，或者y方向入射电磁波转换为x方向，同时上开口弧形槽11和下开口弧形槽12的规格相同的宽度较小，具有高效率和宽带宽极化转换的特点。
本发明的极化转换超表面结构1既可以工作于透射传输模式的极化转换，也可以工作于反射模式的极化转换。其中，
1、对于透射的极化转换，上开口弧形槽11和下开口弧形槽12组成的对称单开口谐振环沿x-y平面排列成10×10(或者更大阵列)的阵列，排列周期和单元结构参数完全一样，能将沿z向(或者沿-z向)传输的x方向极化电磁波转换为沿y方向极化的电磁波，或者沿z向(或者沿-z向)传输的y方向极化电磁波转换为沿x方向极化电磁波，即具有前向波和后向波同时全极化转换的优势。
2、对于反射模式的极化转换，一般需要将极化转换超表面结构1沿x-y平面排列成10×10(或者更大阵列)的阵列放置在一定厚度的介质衬底2上，背面附一层金属底板3；透射极化转换可同时工作于前向波(z向)和反向波(-z)传输模式，对于反射极化转换，入射方向仅可工作于-z向，以保证金属底板的较大反射。
本发明提供了以Ku波段反射极化转换为实施例的数据，其中超表面结构1参数包括：周期p＝7mm，厚度h＝0.1mm；开口槽宽度w1＝w2＝1.5mm，开口槽的弧度α＝β＝5/6π，开口槽的半径r＝2mm，金属材料以理想导体替代，在实际应用中以铜和铁为主；介质衬底2为特氟龙，介电常数为ε＝4.4，反射极化转换结构所用的介质衬底2的厚度g＝2.5mm。
电磁波沿x向极化的垂直入射电磁波的极化转换结果，通过有限积分算法仿真计算，如图3所示，交叉极化转换在11.85GHz～18.42GHz的超宽带内实现了y向的极化转换，3dB相对带宽达到50％，带内同极化反射率高于3dB。
电磁波沿y向极化的垂直入射电磁波的极化转换结果，通过有限积分算法仿真计算，如图4所示，交叉极化转换在11.85GHz～18.42GHz的超宽带内实现了x向的极化转换，3dB相对带宽达到50％，带内同极化反射率低于3dB。
综上所述，本发明提供的平面极化转换器结构对称，能够同时工作于前向波和反向波的透射极化转换，将超表面结构1放置于金属和介质结构2衬底上也能工作于反射模式的极化转换，能够将沿x(y向)向极化的-z轴入射的电磁波转换成沿y(x向)向极化的z轴反射波。通过有限积分算法仿真计算显示能够将11.85GHz～18.42GHz频带内的入射波极化旋转90°，且对x和y向极化转换具有相同的效果，3dB相对带宽达到50％，能够实现高效率和超宽带的全极化转换。
结合图2、图5和图6，本实施例还给出了在电磁波斜入射情况下沿x和y向极化电磁波的反射极化转换结果；其中，分别测定了斜入射角度θi＝0°、θi＝10°、θi＝35°和θi＝45°时的电磁波反射极化转换结果，由图可得，本发明提供的平面极化转换器对入射电磁波的角度不敏感，能够对斜入射角度范围0°～45°范围内的入射波进行极化转换，大角度斜入射转换效率保持在3dB以内，能同时实现x和y向极化入射波的转换，并且极化转换相对带宽随着入射角度的增大有所增大，大入射角度、宽带、高效率的全极化转换器能极大拓展当前超表面极化转换器的应用范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，包括超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)，超表面结构(1)放置在介质衬底(2)上端面，金属底板(3)放置在介质衬底(2)下端面，单一配合的超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)为一组单元结构，其排列周期(边长)小于工作频带中心频率波长的一半，多组所述单元结构沿x-y方向呈正方形阵列分布，其中，
超表面结构(1)为正方形金属贴片，超表面结构(1)的厚度为工作频带中心频率波长的百分之一至千分之一之间，超表面结构(1)上开设有沿正方形金属贴片对角线倾斜对称分布的上开口弧形槽(11)和下开口弧形槽(12)，以使斜入射角度范围在0°～45°的电磁波实现x和y向极化入射波的转换。
2.根据权利要求1所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)总厚度不超过3mm。
3.根据权利要求1所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，上开口弧形槽(11)和下开口弧形槽(12)内圆弧半径为工作频带中心频率波长的九分之一至二分之一之间。
4.根据权利要求3所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，上开口弧形槽(11)和下开口弧形槽(12)的弧形槽宽度大小为工作频带中心频率波长的0.2倍。
5.根据权利要求1所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，当进行透射极化转换时，将上开口弧形槽(11)和下开口弧形槽(12)沿x-y平面排列成大于等于10×10的正方形阵列；当进行反射模式极化转换时，将超表面结构(1)沿x-y平面排列成大于等于10×10的正方形阵列放置在介质衬底(2)上，并在介质衬底(2)位于超表面结构(1)的对侧面放置金属底板(3)。
6.根据权利要求5所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)组成的单元结构沿x-y平面的排列周期(边长)为工作频带中心频率波长的0.35倍。
7.根据权利要求6所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，介质衬底(2)的厚度为工作频带中心频率波长的0.15倍。
8.根据权利要求7所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，超表面结构(1)和金属底板(3)由铜或铁制成。
9.根据权利要求8所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，介质衬底(2)采用玻璃或特氟龙制成。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191122

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