CN110797662A - 一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超薄的、具有宽带特性的反射型极化旋转超表面，由表层金属谐振结构、中间层介质基板和底层金属背板组成。所述表层金属谐振结构为一个内部扣除正方形结构的椭圆金属板；所述椭圆金属板的长轴沿超表面单元的对角线方向，即相对于水平方向逆时针旋转了45度。本发明的极化旋转超表面可以在超宽的频带内实现对垂直入射线极化波到交叉极化反射波的极化旋转。仿真结果表明，该超表面的交叉极化反射系数在大于0.9时的工作带宽可达至14GHz左右。另外，在7.86‑21.98GHz的频率范围内，该超表面的极化转换率最小值为90%左右，实现了高效的极化旋转。
Description
技术领域
本发明涉及极化调控技术领域。更确切地说，涉及到运用超表面来实现电磁波的极化调控。
背景技术
电磁波的极化表征在空间某点上电场强度矢量E的取向随时间变化的特性。电磁波的极化特性作为一个关键的研究参数在卫星通信、遥感以及雷达抗干扰等实际应用中具有极其重要的研究价值。传统的极化调控方法有光栅调控、二色晶体调控和双折射调控等，由于这些方法具有大尺寸和大体积的缺点，从而不利于在工程中的应用，尤其是对于集成度要求高的系统。因此，研制出一种体积小、超薄并且性能优良的新型极化调控器件对极化调控领域尤为重要。
超表面是一种二维的超材料结构，它由亚波长尺寸的单元结构构成，通过对超表面单元结构的排列和调节，可以实现很多自然界中的材料所没有的超常电磁特性，如负折射效应、完美透镜等。不仅如此，超表面对电磁波还具有很强的调控能力，可以实现对电磁波的极化偏转功能，研究发现，运用超表面可以完美地实现对反射波或透射波极化特性的人工调制，并且与传统的极化调控方法相比具有低损耗、易于集成等优势。
发明内容
鉴于传统的极化调控器件中出现的工作频带窄、尺寸大等问题，本发明提出的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面克服了传统极化调控器件的缺陷，具有超宽的工作频带、小尺寸和较高的极化转换率等优势。仿真结果表明，本发明的超表面可以通过反射完美地实现入射线极化波到交叉极化反射波的极化转换。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面的超表面单元由三层结构组成，表层为金属谐振结构，中间层为介质基板，底层为金属背板。所述表层金属谐振结构为一个中间扣除正方形结构的椭圆金属板，椭圆金属板的长轴沿着超表面单元的对角线方向，即椭圆金属板相对于水平方向逆时针旋转了45度。
上述方案中，所述介质基板、表层金属谐振结构及底层金属背板的中心位于同一条垂直线上，且中间介质基板与底层金属背板的结构周期相同。
上述方案中，表层椭圆金属板长轴的长度大于或等于短轴长度的2倍。
上述方案中，正方形结构在椭圆金属板的正中间扣除，且正方形结构的边长小于椭圆金属板的短轴。
上述方案中，所述介质基板可以选择FR-4玻璃布基板、聚四氟乙烯高频板、Taconic系列介质基板材料。优选Taconic TLY-5。
上述方案中，所述表层和底层金属结构的材料可以选择铜、金、银、铝，优选铜。
本发明的有益效果具体如下：1. 本发明可以在超宽的频带内通过反射实现对垂直入射线极化波到交叉极化反射波的极化旋转，仿真结果表明，在工作带宽7.86-21.98GHz的频率范围内，该超表面的交叉极化反射率的最小值在0.9左右。
2. 本发明的宽带反射型电磁波极化旋转超表面简单紧凑，厚度薄，易于加工和实现，便于集成。
3.通过增大或减小超表面单元的结构参数，本发明可以使得极化转换频段的低频部分发生移动，本发明的宽带反射型电磁波极化旋转超表面的这种频率易调特性在遥感及雷达技术等方面有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面的立体结构示意图。
图2为图1的一个超表面单元的整体结构示意图。
图3为本发明超表面的中间介质层厚度h在不同取值时的交叉极化反射率曲线比较图。
图4为本发明超表面的表层椭圆金属板内扣除正方形结构的边长c取不同长度时的交叉极化反射率曲线比较图。
图5为本发明超表面的表层椭圆金属板的半长轴a取不同长度时的交叉极化反射率曲线比较图。
图6为本发明超表面取最优结构参数时的同极化反射率与交叉极化反射率曲线图。
图7为本发明超表面取最优结构参数时的极化转换率曲线图。
具体实施方式
下面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。
一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，如图1和图2所示，表层是金属谐振结构，中间层是介质基板，底层是金属背板。在本发明实施例中，表层金属谐振结构和底层金属背板的材料和厚度完全相同，材料均为铜箔。中间层的介质基板材料为Taconic TLY-5，其介电常数为2.2，磁导率为1，损耗角正切为0.0009。
本发明优选实施例中，所述介质基板、表层金属谐振结构以及底层金属背板的中心位于同一条垂直线上。所述超表面单元的x方向与y方向周期相同，定义p为超表面单元的结构周期。
作为优选，所述表层金属谐振结构及底层金属背板的厚度t的取值范围是0.02mm≤t≤0.1mm，所述超表面单元的周期p的取值范围是8mm≤p≤12mm，所述中间介质基板的厚度的取值范围是3.0mm≤h≤3.4mm。
作为优选，所述表层椭圆金属板的半长轴和半短轴的取值范围分别是4mm≤a≤6mm，1.8mm≤b≤2.5mm。所述表层椭圆金属板内扣除正方形结构的边长的取值范围是3.0mm≤c≤3.6mm。
本发明设计的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，当入射波为y极化波时，定义同极化反射系数和交叉极化反射系数的大小分别为
= |/
|和
= |
/|，定义同极化反射率和交叉极化反射率分别为ryy 2和rxy 2，定义极化转换率PCR= /( + 
)。图3-图7所示的横坐标均为频率，频率范围为4-24GHz。其中，图3-图6的纵坐标为交叉极化反射率，图7的纵坐标为极化转换率。
图3所示为本发明超表面的中间介质层取不同厚度时的交叉极化反射率曲线比较图。从图3可以看出，当中间介质层的厚度取 3-3.3mm时，本发明极化旋转超表面的工作带宽范围均在14GHz左右。其中，当厚度为3mm时，交叉极化反射率在低频部分较差；当厚度为3.3mm时，交叉极化反射率在高频部分较差；当厚度为3.1mm时，交叉极化反射率在整个工作带宽范围内较好，其交叉极化反射率在大于0.9时的工作带宽范围为14GHz左右。
图4所示为本发明超表面的表层椭圆金属板内扣除的正方形结构的边长取不同长度时的仿真结果曲线比较图。从图4可以看出，当扣除的正方形结构的边长c的取值范围是3.3-3.6mm时，本发明极化旋转超表面的交叉极化反射率大于0.86的工作带宽范围均在14GHz左右。因此可以得出，当椭圆金属板内扣除正方形结构的边长的取值范围为3.3-3.6mm时，本发明均能达到比较理想的工作带宽范围和交叉极化反射率。
图5所示为本发明超表面的表层椭圆金属板的半长轴取不同长度时的交叉极化反射率曲线比较图。从图5可以看出，当椭圆金属板的半长轴的长度a从4.5变化到5.5的过程中，本发明超表面的工作带宽范围越来越窄，但交叉极化反射率的最小值越来越大。因此，通过综合考虑交叉极化反射率的最小值和工作带宽的范围，可以得出椭圆金属板长轴的最优取值。
图6和图7分别为本发明超表面取最优结构参数时的极化反射率曲线图和极化转换率曲线图。从图6可以看出，在7.86-21.98GHz的频率范围内，同极化反射率的最大值在0.09左右，交叉极化反射率的最小值在0.90左右。从图7可以看出，在带宽范围内，极化转换率PCR的最小值为90%左右。因此可以得出，本发明的极化旋转超表面可以在超宽的频带内实现线极化入射波到交叉极化反射波的高效的极化转换效果。
本发明设计的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，能够实现宽频带内线极化入射电磁波到交叉极化反射波的转换，并在整个频带内都有很好的极化转换性能。除此之外，还具有结构简单轻薄、易于加工实现和转换效率高等优势，在实际应用中具有广阔的前景。
Claims (10)
1.一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：
所述极化旋转超表面的一个超表面单元由三层结构组成，表层的金属谐振结构，中间层的介质基板和底层的金属背板；所述表层金属谐振结构为一个内部扣除正方形结构的椭圆金属板，椭圆金属板的长轴沿超表面单元的对角线方向，表层金属谐振结构相对于水平方向逆时针旋转了45度；所述极化旋转超表面由上述超表面单元沿x方向和y方向周期性排列组成。
2.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述超表面单元其表层金属谐振结构为内部扣除正方形结构的椭圆金属板，且扣除正方形结构的中心、椭圆金属板的中心和中间介质层的中心重合。
3.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述椭圆金属板长轴的长度大于或等于短轴长度的2倍。
4.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述椭圆金属板内扣除正方形结构的边长小于椭圆金属板短轴的长度。
5.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述表层金属谐振结构和底层金属背板的材料完全相同，材料可选择金、银、铜或铝。
6.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述表层金属谐振结构和底层金属背板的厚度完全相同。
7.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述中间介质基板的材料可选择FR-4玻璃布基板、聚四氟乙烯高频板或Taconic系列介质基板材料。
8.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述超表面单元的中间介质基板和底层金属背板在x方向和y方向上的周期相同。
9.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述表层金属谐振结构关于超表面单元的对角线对称。
10.如权利要求1所述的一种宽带反射型电磁波极化旋转超表面，其特征在于：所述超表面单元的几何参数要求如下：
8mm≤ p≤ 12mm，0.02mm≤t≤0.1mm，3.0mm≤h≤3.4mm，4mm≤a≤6mm，1.8mm≤b≤2.5mm，3.0mm≤c≤3.6mm; 其中p表示为超表面单元的周期，t表示为表层金属谐振结构和底层金属背板的厚度，h表示为中间介质基板的厚度，a表示为表层椭圆金属板的半长轴，b表示为椭圆金属板的半短轴，c为椭圆内部扣除正方形结构的边长。
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