CN110534915A - 一种动态极化调控器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态极化调控器，属于极化调控技术领域，解决了现有技术无法通过一个调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能的问题。该动态极化调控器包括m×n个周期性排列的原胞；其中，m表示行数，n表示列数，m,n≥2。每个原胞进一步包括：金属谐振单元，用于通电后，使通过其传输的电磁波发生耦合，获得偏振方向不发生变化的线极化波或偏振方向发生交叉极化转换的线极化波；介质单元，设置于金属谐振单元的各层金属层之间，用于为金属谐振单元提供支撑，并改变金属谐振结构的电磁极化能力；调控单元，用于控制金属谐振单元通电，以及通电方向。本发明能够进行宽频带、高效率的电磁波调控，结构简单，易于制作，成本低廉。

Description

一种动态极化调控器及其使用方法

技术领域

本发明涉及极化调控技术领域，尤其涉及一种动态极化调控器及其使用方法。

背景技术

极化是电磁波的一个重要的特征，在通信、导航、制导和雷达等高科技领域具有广泛的应用。传统的电磁波极化调控方法包括光栅调控、二色晶体调控以及基于双折射效应的调控。但是，上述调控方法对应的调控装置通常结构复杂、较大且较厚。

超表面结构由于设计灵活、结构简单、集成度高，目前已成为了调控电磁波极化特性的一种理想材料。对其电磁结构基本单元进行设计可以实现对电磁波的极化调控，由于其结构是固定的，功能和性能也固定不变，只能实现电磁波的一种极化方式，而这对于电磁波在非对称传输器件上的应用具有很大的限制。

为实现电磁波的动态调控，现有技术采用热开关来控制电磁波的极化，以实现太赫兹多频段的线极化到圆极化转换，但其转换效率较低和频率调谐范围较窄。为对超表面结构进行动态调控，现有技术在结构单元中加入半导体材料，或采用固态等离子体通过外加激励例(如电或光)构造基于固态等离子体的极化转换器。但上述方案仍无法通过一个调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种动态极化调控器及其使用方法，用以解决现有技术无法通过一个调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种动态极化调控器，包括m×n个周期性排列的原胞；其中，m表示行数，n表示列数，m,n≥2，每个原胞进一步包括：

金属谐振单元，由多层各向异性结构的金属层组成，用于通电后，使通过其传输的电磁波发生耦合，获得偏振方向不发生变化的线极化波或偏振方向发生交叉极化转换的线极化波；

介质单元，设置于金属谐振单元的各层金属层之间，用于为金属谐振单元提供支撑，并改变金属谐振结构的电磁极化能力；

调控单元，用于控制金属谐振单元通电，以及通电方向。

上述技术方案的有益效果如下：金属谐振单元的每一金属层都是各向异性结构的金属层，通过各向异性结构的旋转，实现了极化的偏转。通电用于对金属谐振单元的调控部分(可以是通电金属层)进行调控，使主轴发生旋转。相比现有技术，上述技术方案实现了通过一个动态极化调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能，具有突出的技术优势。

基于上述方法的进一步改进，所述金属谐振单元包括3～5层金属层；其中，

选择至少一层金属层作为调控层，该金属层采用金属镂空环孔结构，调控单元对称设置于环孔中，连接内、外金属；相对设置的一对调控单元的连线相当于该金属层的双开口劈裂连线；

其他金属层采用双开口劈裂环结构；

从底层金属层到顶层金属层，双开口劈裂连线依次改变相同的角度，直到顶层金属层与底层金属层双开口劈裂连线呈90°。

上述进一步改进方案的有益效果是：随着金属层结构的增加，极化偏转效果更好，在更宽的频带内实现更大的透过率。该结构可以增加适用电磁波的频带带宽，同时在其频带范围内可以提高透过率。

进一步，所述介质单元包括设置于金属谐振单元的各层金属层之间的介质层；所述介质层与金属层交替排列；

所述金属层厚度小于工作波长的1/3，所述介质层厚度小于工作波长的1/2。

上述进一步改进方案的有益效果是：金属层厚度和介质层厚度均较小，使得整体器件更易于实现微型化，能够满足现在科技发展对器件结构的需求。

进一步，所有金属层与所有介质层的总厚度不超过2个工作波长，所述原胞的周期尺寸小于1个工作波长。

上述进一步改进方案的有益效果是：相比传统极化调控器(转换装置)较厚的缺点，上述方案中设计的动态极化调控器结构厚度比较薄，能适用于更多的场合。

进一步，所述金属层采用铜、铝、钢铁、金或银中的至少一种；

所述介质层采用微波波段的印刷电路板、塑料、氧化硅、氧化铝陶瓷、铁氧体、铁电介质、铁磁介质或非线性介质材料中的至少一种。

上述进一步改进方案的有益效果是：上述金属层和介质层的材料选择是发明人经过大量试验总结出的，材料种类丰富，可根据不同调控需求进行设计，使得应用更加广泛。直接选用，能够缩短设计时间和设计成本，提高用户使用体验。

进一步，选择顶层金属层作为调控层，从底层金属层到次顶层金属层的每一金属层，分别采用相同劈裂形状的双开口劈裂环结构；

所述双开口劈裂环结构采用双开口劈裂方环结构，所述金属镂空环孔结构采用金属镂空方环孔结构；或者，

所述双开口劈裂环结构采用双开口劈裂圆环结构，所述金属镂空环孔结构采用金属镂空方环孔结构或金属镂空圆环孔结构。

上述进一步改进方案的有益效果是：对不同金属层各向异性结构的形状进行了限定，经大量试验证明，能够很好地实现本申请的电磁波极化调控效果。

进一步，所述调控单元包括开关二极管、变容二极管中的至少一种；

4个所述二极管，设置于顶层金属层镂空环孔结构的环孔之间，分别沿x轴正负向、y轴正负向对称排布，用于连接环孔内金属与外金属，并对环孔内金属与外金属进行单向导通控制；其中，

上述y轴定义为底层金属层开口劈裂连线平行的直线，上述x轴定义为底层金属层平面垂直于y轴的直线。

上述进一步改进方案的有益效果是：调控单元结构比较简单，成本较低。通过二极管的调控，可以很好地通过金属谐振单元的金属层结构控制电磁波的偏振方向。

进一步，所述金属谐振单元采用3层金属层；其中，中间金属层与底层金属层都采用开口劈裂圆环结构，二者开口劈裂连线角度呈45°；

所述动态极化调控器的工作频率为4.4～6.2GHz，工作波长为60mm。

上述进一步改进方案的有益效果是：通过金属谐振结构的上述45°设计，能够很好地实现线极化电磁波的偏振。

进一步，对于所述调控单元，顶层金属层开口的内圆尺寸r₃为6～6.3mm、外圆尺寸R₃为6.5～7mm；

中间金属层开口的内圆尺寸r₂为6.5～6.7mm，外圆尺寸R₂为7～7.3mm，断裂口宽度为0.1～0.5mm；

底层金属层开口的内圆尺寸r₁为6.7～6.9mm，外圆尺寸R₁为7.4mm，断裂口宽度为0.1～0.5mm。

上述进一步改进方案的有益效果是：对不同金属层的开口以及断裂口宽度进行了限定，上述限定是发明人经过大量试验总结出的规律。将不同金属层的内外半径设置上述范围内，动态极化调控器会产生较好的传输效果。

另一方面，本发明实施例提供了一种动态极化调控器的使用方法，包括如下步骤：

需要获得偏振方向不发生变化的线极化波时，将所述调控单元的x轴正向二极管截止、x轴负向二极管导通、y轴正向二极管导通、y轴负向二极管截止，用于保证沿z轴正向、负向传播的x极化波转不发生极化转换；所述z轴正向定义为底层金属层平面垂直向上的方向；xyz坐标系符合右手定则；

需要获得偏振方向发生交叉极化转换的线极化波时，将所述调控单元的x轴正向二极管导通、x轴负向二极管截止、y轴正向二极管截止、y轴负向二极管导通时，用于保证沿z轴正向传播的x极化波转换成y极化波，沿z轴负向传播的y极化波转换成x极化波。

采用上述方案的有益效果是：通过控制二极管的导通方向，可以快准确地控制极化的偏振方向。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1动态极化调控器结构图；

图2为本发明实施例2动态极化调控器原胞结构图；

图3为本发明实施例2金属谐振单元包括3层金属层的示意图；

图4为本发明实施例2调控单元的x轴正向导通、y轴负向导通时，电磁波沿z轴正向传播时的透过率；

图5为本发明实施例3调控单元的x轴正向导通、y轴负向导通时，电磁波沿z轴负向传播时的透过率；

图6为本发明实施例3调控单元的x轴负向导通、y轴正向导通时，电磁波沿z轴正向传播时的透过率；

图7为本发明实施例3调控单元的x轴负向导通、y轴正向导通时，电磁波沿z轴负向传播时的透过率；

图8为本发明实施例3调控单元的x轴正向导通、y轴负向导通时，电磁波沿z轴正向传播与沿z轴负向传播的透射能量差；

图9为本发明实施例3调控单元的x轴负向导通、y轴正向导通时，电磁波沿z轴正向传播与沿z轴负向传播的透射能量差。

附图标记：

1-金属层；2-介质层；3-金属化孔；4-y轴方向二极管；5-x轴方向二极管；element1，2，3，4-二极管；transmission-透过率；Frequency-电磁波频率；t-金属层厚度；h-介质层厚度；t_yx-x极化波到y极化波的透过系数；t_xy-y极化波到x极化波的透过系数；t_xx-y极化波到x极化波的透过系数；t_yy-y极化波到y极化波的透过系数；Asymm.Trans-非对称透射的能量差；Δx-x极化波透射的能量差；Δy-y极化波透射的能量差。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种动态极化调控器，如图1所示，包括m×n个周期性排列的原胞；其中，m表示行数，n表示列数，m,n≥2。

每个原胞进一步包括金属谐振单元、介质单元、调控单元。

金属谐振单元，由多层各向异性结构的金属层组成，用于通电后，使通过其传输的电磁波发生耦合，获得偏振方向不发生变化的线极化波或偏振方向发生交叉极化转换的线极化波。

介质单元，设置于金属谐振单元的各层金属层之间，用于为金属谐振单元提供支撑，并改变金属谐振结构的电磁极化能力。

调控单元，用于控制金属谐振单元通电，以及通电方向。

实施时，调控单元控制金属谐振单元的调控层带电，通过控制调控层带电方向实现多层各向异性结构的旋转，进而实现极化的偏转。

与现有技术相比，本实施例提供的金属谐振单元的每一金属层都是各向异性结构的金属层，通过各向异性结构的旋转，实现极化的偏转。通电用于对金属谐振单元的调控结构(例如通电金属层)进行调控，使主轴发生旋转。与现有技术相比，上述实施例实现了通过一个动态极化调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能，具有突出的技术优势。

实施例2

在实施例1的技术上进行优化，金属谐振单元可包括3～5层金属层。选择至少一层金属层作为调控层，该金属层采用金属镂空环孔结构，调控单元对称设置于环孔中，连接内、外金属。相对设置的一对调控单元的连线相当于该金属层的双开口劈裂连线。即调控单元除了通电控制外，部分结构相当于设置了双开口劈裂结构的双开口劈裂连线。其他金属层采用双开口劈裂环结构。从底层金属层到顶层金属层，双开口劈裂连线依次改变相同的角度，直到顶层金属层与底层金属层双开口劈裂连线呈90°。值得说明的是，如果金属层双开口劈裂环形状不一致，双开口劈裂连线改变的角度应根据实际情况设置，并非一定是线性关系。

举例说明，4层金属层的金属谐振单元，由下第二层金属层作为调控层，设置底层金属层双开口劈裂连线为基准，从底层金属层到顶层金属层双开口劈裂连线对应的角度依次是0°、a、60°、90°，a表示调控层。该调控层调控单元的部分结构必然使得双开口劈裂连线角度30°的开口处内外金属连接。

下面本实施例采用顶层金属层采用金属镂空环孔结构进行说明，如图2～图3所示。由于顶层金属层开口处设置了调控单元，该调控单元也作为调控层的一部分，以开口中心为原点建立的x₁y₁坐标系，调控单元的4个组件对称分布于该坐标系的x₁轴、y₁轴正负方向上，x₁轴可视为顶层金属层的双开口劈裂连线。x₁轴、y₁轴的方向见下文描述。

此时，从底层金属层到顶层金属层，双开口劈裂连线依次改变相同的角度，直到设置于顶层金属层开口处的调控单元调控方向x轴与底层金属层双开口劈裂连线呈90°。上述x轴定义为底层金属层平面内垂直于y轴的直线，y轴定义为底层金属层平面内双开口劈裂连线所在直线。需说明的是，上述x₁轴与x轴平行，上述y₁轴与y轴平行。

优选地，介质单元包括设置于金属谐振单元的各层金属层之间的介质层。所述介质层与金属层交替排列。

优选地，金属层厚度小于工作波长的1/3，所述介质层厚度小于工作波长的1/2。所有金属层与所有介质层的总厚度不超过2个工作波长，所述原胞的周期尺寸小于1个工作波长。

优选地，金属层可采用铜、铝、钢铁、金或银中的至少一种。介质层可采用微波波段的印刷电路板、塑料、氧化硅、氧化铝陶瓷、铁氧体、铁电介质、铁磁介质或非线性介质材料中的至少一种。

优选地，从底层金属层到次顶层金属层的每一金属层，分别采用相同劈裂形状的开口劈裂环结构。双开口劈裂环结构采用双开口劈裂方环结构，金属镂空环孔结构采用金属镂空方环孔结构；或者，双开口劈裂环结构采用双开口劈裂圆环结构，金属镂空环孔结构采用金属镂空方环孔结构或金属镂空圆环孔结构。上述环的形状也可以采用长方形、五角星等。

优选地，调控单元包括开关二极管、变容二极管中的至少一种。4个所述二极管，设置于顶层金属层镂空环孔结构的环孔之间，分别沿x轴正负向、y轴正负向对称排布，用于连接环孔内金属与外金属(直接接触连接)，并对环孔内金属与外金属进行单向导通控制。其中，上述y轴定义为底层金属层开口劈裂连线平行的直线，上述x轴定义为底层金属层平面垂直于y轴的直线。需说明的是，x轴正负向、y轴正负向实际上只是为本发明极化方向提供了一个参考，可根据需求设置，在此处不应过于限定。调控单元也可以采用液晶、MEMS、铁电等动态调控材料。

优选地，所述金属谐振单元采用3层金属层；其中，中间金属层与底层金属层都采用开口劈裂圆环结构，二者开口劈裂连线角度呈45°。动态极化调控器的工作频率为4.4～6.2GHz，工作波长为60mm。

优选地，对于所述调控单元，如图3所示，顶层金属层开口的内圆尺寸r₃为6～6.3mm、外圆尺寸R₃为6.5～7mm；中间金属层开口的内圆尺寸r₂为6.5～6.7mm，外圆尺寸R₂为7～7.3mm，断裂口宽度为0.1～0.5mm；底层金属层开口的内圆尺寸r₁为6.7～6.9mm，外圆尺寸R₁为7.4mm，断裂口宽度为0.1～0.5mm。

优选地，各金属层的开口宽度都是0.5mm。

实施时，在x轴方向二极管通正向电压、y轴方向二极管通反向电压时，图4为电磁波沿z轴正向传播时的透过率，图5为电磁波沿z轴负向传播时的透过率。正向传播为电磁波沿z轴正向入射，即从结构的底层入射，穿过结构，从顶层射出。负向传播为电磁波沿z轴负向入射，从结构的顶层入射，穿过结构，从底层射出。可以看到，正向传播时x极化波转化为y极化波，负向传播时y极化波转化为x极化波。透过系数在电磁波频率为5.3GHz时达到最大0.99，在4.6～6.2GHz时超过了0.8。图8为非对称传输结果，可以看到在5.3GHz时最大为0.98，在4～6.8GHz频段内显示出非对称传输特性。

在x轴方向二极管通反向电压、y轴方向二极管通正向电压时，图6为电磁波沿z轴正向传播时的透过率，图7为电磁波沿z轴负向传播时的透过率。可以看到，此时电磁波沿正向、负向传播时，几乎都只有x极化波透过，出射波仍然是x极化波，没有极化转换的发生。透过系数在5.4GHz时达到最大0.98，在4.4～5.9GHz时超过了0.8。图9为非对称传输结果，可以看到在5.9GHz时最大为0.016，在整个频段内没有非对称传输。

与实施例1相比，本实施例提供的动态极化调控器通过调节至少一层动态调控层的电压，实现电磁波的转换或者不转换，通过结构参数的设计可以增加带宽，同时在频带范围内提高电磁波透过率。

实施例3

本发明还公开了一种实施例2所述动态极化调控器的使用方法，具体包括如下步骤：

S1.需要获得偏振方向不发生变化的线极化波时，将所述调控单元的x轴正向二极管截止、x轴负向二极管导通、y轴正向二极管导通、y轴负向二极管截止，用于保证沿z轴正向、负向传播的x极化波转不发生极化转换。

所述z轴正向定义为底层金属层平面垂直向上的方向；xyz坐标系符合右手定则。

S2.需要获得偏振方向发生交叉极化转换的线极化波时，将所述调控单元的x轴正向二极管导通、x轴负向二极管截止、y轴正向二极管截止、y轴负向二极管导通时，用于保证沿z轴正向传播的x极化波转换成y极化波，沿z轴负向传播的y极化波转换成x极化波。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态极化调控器，其特征在于，包括m×n个周期性排列的原胞；其中，m表示行数，n表示列数，m,n≥2，每个原胞进一步包括：

金属谐振单元，由多层各向异性结构的金属层组成，用于通电后，使通过其传输的电磁波发生耦合，获得偏振方向不发生变化的线极化波或偏振方向发生交叉极化转换的线极化波；

介质单元，设置于金属谐振单元的各层金属层之间，用于为金属谐振单元提供支撑，并改变金属谐振结构的电磁极化能力；

调控单元，用于控制金属谐振单元通电，以及通电方向。

2.根据权利要求1所述的动态极化调控器，其特征在于，所述金属谐振单元包括3～5层金属层；其中，

选择至少一层金属层作为调控层，该金属层采用金属镂空环孔结构，调控单元对称设置于环孔中，连接内、外金属；相对设置的一对调控单元的连线相当于该金属层的双开口劈裂连线；

其他金属层采用双开口劈裂环结构；

从底层金属层到顶层金属层，双开口劈裂连线依次改变相同的角度，直到顶层金属层与底层金属层双开口劈裂连线呈90°。

3.根据权利要求2所述的动态极化调控器，其特征在于，所述介质单元包括设置于金属谐振单元的各层金属层之间的介质层；所述介质层与金属层交替排列；

所述金属层厚度小于工作波长的1/3，所述介质层厚度小于工作波长的1/2。

4.根据权利要求3所述的动态极化调控器，其特征在于，所有金属层与所有介质层的总厚度不超过2个工作波长，所述原胞的周期尺寸小于1个工作波长。

5.根据权利要求3或4所述的动态极化调控器，其特征在于，所述金属层采用铜、铝、钢铁、金或银中的至少一种；

所述介质层采用微波波段的印刷电路板、塑料、氧化硅、氧化铝陶瓷、铁氧体、铁电介质、铁磁介质或非线性介质材料中的至少一种。

6.根据权利要求2-4之一所述的动态极化调控器，其特征在于，选择顶层金属层作为调控层，从底层金属层到次顶层金属层的每一金属层，分别采用相同劈裂形状的双开口劈裂环结构；

所述双开口劈裂环结构采用双开口劈裂方环结构，所述金属镂空环孔结构采用金属镂空方环孔结构；或者，

所述双开口劈裂环结构采用双开口劈裂圆环结构，所述金属镂空环孔结构采用金属镂空方环孔结构或金属镂空圆环孔结构。

7.根据权利要求2-4之一所述的动态极化调控器，其特征在于，所述调控单元包括开关二极管、变容二极管中的至少一种；

4个所述二极管，设置于顶层金属层镂空环孔结构的环孔之间，分别沿x轴正负向、y轴正负向对称排布，用于连接环孔内金属与外金属，并对环孔内金属与外金属进行单向导通控制；其中，

上述y轴定义为底层金属层开口劈裂连线平行的直线，上述x轴定义为底层金属层平面垂直于y轴的直线。

8.根据权利要求7所述的动态极化调控器，其特征在于，所述金属谐振单元采用3层金属层；其中，中间金属层与底层金属层都采用开口劈裂圆环结构，二者开口劈裂连线角度呈45°；

所述动态极化调控器的工作频率为4.4～6.2GHz，工作波长为60mm。

9.根据权利要求8所述的动态极化调控器，其特征在于，对于所述调控单元，顶层金属层开口的内圆尺寸r₃为6～6.3mm、外圆尺寸R₃为6.5～7mm；

中间金属层开口的内圆尺寸r₂为6.5～6.7mm，外圆尺寸R₂为7～7.3mm，断裂口宽度为0.1～0.5mm；

底层金属层开口的内圆尺寸r₁为6.7～6.9mm，外圆尺寸R₁为7.4mm，断裂口宽度为0.1～0.5mm。

10.一种权利要求7～9之一所述动态极化调控器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

需要获得偏振方向不发生变化的线极化波时，将所述调控单元的x轴正向二极管截止、x轴负向二极管导通、y轴正向二极管导通、y轴负向二极管截止，用于保证沿z轴正向、负向传播的x极化波转不发生极化转换；所述z轴正向定义为底层金属层平面垂直向上的方向；xyz坐标系符合右手定则；

需要获得偏振方向发生交叉极化转换的线极化波时，将所述调控单元的x轴正向二极管导通、x轴负向二极管截止、y轴正向二极管截止、y轴负向二极管导通时，用于保证沿z轴正向传播的x极化波转换成y极化波，沿z轴负向传播的y极化波转换成x极化波。