CN112490683B - 一种机械可调的电磁偏折器及其电磁波反射角度调控方法 - Google Patents

一种机械可调的电磁偏折器及其电磁波反射角度调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械可调的电磁偏折器及其电磁波反射角度调控方法，偏折器包括介质柱阵列、平行板波导和吸波材料，其中，介质柱阵列为由介质柱正方点阵组成的准二维结构，介质柱阵列的一面为电磁波入射平面，另外三面设有吸波材料；介质柱阵列和吸波材料均设置于两个平行板波导之间。该电磁偏折器无需改变周期性排列的介质柱的点阵结构和谐振频率以及整个结构的几何尺寸，而是通过介质柱的位移和对最外层介质柱的切割形成线性相位梯度表面来实现电磁偏折的特性。本发明的电磁偏折器具有机械可调、结构简单、电磁损耗少、几何尺寸小、可通过尺度不变性改变几何尺寸移植到光波段等优点。

Description

一种机械可调的电磁偏折器及其电磁波反射角度调控方法
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术，涉及一种线性相位梯度表面的光子晶体周期性阵列结构，具体涉及一种机械可调的电磁偏折器结构，可实现对电磁波反射角度的调控。
背景技术
通过电磁波的相位调控从而实现对电磁波反射的调节是近年来的研究热点之一。目前的电磁偏折器通常利用超表面(metasurface)来实现，通过改变谐振频率或超表面结构来实现对电磁波波束的调控。这种电场偏折器的缺点是结构较复杂且很难移植到光波段。而采用线性相位梯度表面光子晶体周期结构的电磁偏折器，有机械可调、结构简单、电磁损耗少、几何尺寸小，可通过尺度不变性改变几何尺寸移植到光波段等优势。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种机械可调、结构简单、几何尺寸小、可通过尺度不变性改变几何尺寸移植到光波段的电磁偏折器。
技术方案：本发明的一种机械可调的电磁偏折器，包括介质柱阵列、平行板波导和吸波材料，其中，介质柱阵列为由介质柱正方点阵组成的准二维结构，介质柱阵列的一面为电磁波入射平面，另外三面设有吸波材料；介质柱阵列和吸波材料均设置于两个平行板波导之间。
优选的，该电磁偏折器基于二维正方点阵光子晶体结构，将每一行介质柱沿电磁波入射方向位移不同的距离d，在d＝0mm的平面切割介质柱，并将切下的部分移动到对应行最后一个周期的相应位置使其在该方向重新形成完整的周期结构，因此从电磁波入射方向看去形成一个线性相位梯度表面结构。
优选的，介质柱为陶瓷圆柱材料。
优选的，介质柱阵列结构的晶格常数a＝10mm，高度h＝5mm，介质柱的半径r＝2mm。
优选的，该电磁偏折器的结构在电磁波入射方向的周期数能够减少至1。
本发明的一种基于所述电磁偏折器的电磁波反射角度调控方法，通过改变电磁偏折器的介质柱在晶格内相对位置，即改变介质柱相对初始位置的位移d的大小来改变电磁波的偏折角度，实现电磁波偏折角度的机械可调，其中，0mm＜d≤10mm；对于x轴方向单独某行介质柱来说，d的取值为0mm＜d＜4mm时，对应整行介质柱沿x轴正方向位移d后，沿d＝0mm的平面对首个介质柱进行切割，该介质柱切割后的形状为“半圆柱”；同时为了保持光子晶体在x轴方向周期的完整性，在x轴方向的最后一个周期需要补充一个“半圆柱”，且首尾两个“半圆柱”合起来拼成一个完整的介质柱；d的取值为4mm≤d≤10mm时对应整行介质柱沿x轴正方向位移d。
根据所述的电磁波反射角度调控方法制作的一种焦距可调的平板凹面镜，由公式
Figure BDA0002811600330000021
计算出凹面镜实现聚焦功能时电磁波在y＝na处的相位，其中，n＝±1，±2……，a为晶格常数，F为凹面镜焦距，λ为工作波长，y为垂直于电磁波入射方向距入射中心点的距离，根据电磁波反射系数相位与相对位移d、工作频率的关系，根据y＝na时对应的电磁波相位
Figure BDA0002811600330000022
得出每一列对应的d值，进而通过所述的电磁波反射角度调控方法构建相位梯度表面，最终实现焦距的机械可调。
本发明的一种焦距机械可调的平板凹面镜，该凹面镜把平行入射的电磁波汇聚到焦点上，同时通过相位梯度表面的构建实现焦距的机械可调。
电磁偏折器是一种实现电磁波偏折光学功能的器件，在军事、航海等领域有重要的作用。本发明在微波段下利用陶瓷材料设计了一种机械可调的电磁偏折器。该电磁偏折器无需改变周期性排列的介质柱的点阵结构和谐振频率以及整个结构的几何尺寸，而是通过介质柱的位移和对最外层介质柱的切割形成线性相位梯度表面来实现电磁偏折的特性。电磁偏折器的结构基于二维正方点阵光子晶体结构，将每一行介质柱沿特定方向位移不同的距离，在特定平面切割陶瓷柱，并将切下的部分移动到对应行最后一个周期的相应位置使其在该方向重新形成完整的周期结构，因此从电磁波入射方向看去为一个线性相位梯度表面结构。这个准二维结构整体被置于平行板波导中，平行板为金属铝板，介质柱阵列的一面为电磁波入射平面，另外三面设有吸波材料。本发明的电磁偏折器具有机械可调、结构简单、电磁损耗少、几何尺寸小、可通过尺度不变性改变几何尺寸移植到光波段等优点。
有益效果：与现有技术相比，本发明提出的一种电磁偏折器，可以通过介质柱的位移和对最外层介质柱的切割实现机械可调，无需改变周期性排列的介质柱的点阵结构和谐振频率以及整个结构的几何尺寸、因该电磁偏折器的结构在电磁波入射方向的周期数能够减少至1，故有结构简单、几何尺寸小的优势、由于光子晶体具有尺度不变性，可通过直接改变几何尺寸将该电磁偏折器的工作频率移植到光波段。
附图说明
图1是本发明的电磁偏折器结构示意图；
图2是本发明
Figure BDA0002811600330000031
线性相位梯度表面的三维模型结构示意图；
图3是相位梯度表面原理的结构参数示意图；其中(a)是d＝0的平面切割陶瓷柱示意图，(b)是d的取值为0mm＜d＜4mm时平面切割陶瓷柱示意图，(c)是d的取值为4mm≤d≤10mm时平面切割陶瓷柱示意图；
图4是图2所示结构的反射系数相位随频率和陶瓷柱在晶格内相对位移d变化的图像；
图5是频率F＝12GHz的电磁波从x方向垂直入射到
Figure BDA0002811600330000032
线性相位梯度表面的电场分布图；
图6是频率F＝12GHz的电磁波从x方向垂直入射到
Figure BDA0002811600330000033
线性相位梯度表面的电场分布图；
图7是该电磁偏折器在x方向的周期数减少至1时，频率F＝12GHz的电磁波垂直入射到y方向相位梯度为
Figure BDA0002811600330000034
的电场分布图；
图8是该电磁偏折器在x方向的周期数减少至1时，频率F＝12GHz的电磁波垂直入射到y方向相位梯度为
Figure BDA0002811600330000035
的电场分布图；
图9是电磁波入射到凹面镜上时的电场分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明的电磁偏折器，包括介质柱阵列、平行板波导和吸波材料，其中，介质柱阵列为由介质柱正方点阵组成的准二维结构，介质柱阵列的一面为电磁波入射平面，另外三面设有吸波材料；介质柱阵列和吸波材料均设置于两个平行板波导之间。
该电磁偏折器的结构基于二维正方点阵光子晶体结构，将每一行介质柱沿电磁波入射方向位移不同的距离d，在d＝0mm的平面切割介质柱，并将切下的部分移动到对应行最后一个周期的相应位置使其在该方向重新形成完整的周期结构，因此从电磁波入射方向看去形成一个线性相位梯度表面结构。该电磁偏折器无需改变周期性排列的介质柱的结构和谐振频率以及整个结构的几何尺寸，而是通过介质柱的位移和对最外层介质柱的切割构建线性相位梯度表面来实现电磁偏折的特性。可以通过只改变介质柱在晶格内的相对位置调控电磁波的反射角度，实现电磁波反射角度的机械可调。这个准二维结构整体被置于平行板波导中，平行板波导为金属铝板，介质柱为陶瓷柱，介质柱点阵除电磁波入射平面外，其余三面为吸波材料。
图1中1为周期性排列的具有线性相位梯度表面的相对介电常数为8.9的陶瓷柱，高度h＝5mm。由正方点阵组成的准二维结构整体被置于上下两个厚度为D1的金属铝板构成的平行板波导2中，D1为1.5mm～3mm。3为介质柱(陶瓷柱)点阵周围厚度为D的吸波材料，D为10mm～20mm。除电磁波入射平面外，其余三面都为吸波材料。图1所示结构相邻两列表面层陶瓷柱之间的相位差为一个固定值
Figure BDA0002811600330000041
如图2所示，11所指的部分是通过对最外层陶瓷柱的切割构建相位梯度表面，12所指的部分是通过陶瓷柱的位移构建相位梯度表面。
图3为相位梯度表面原理的结构参数示意图。图3中(a)至(c)用x方向周期排列的1维光子晶体结构说明了介质柱切割和位移的原理。如图3中(a)所示，陶瓷柱为正方点阵结构，x方向的周期数为7。晶格常数a＝10mm，陶瓷柱的半径r＝2mm，d为陶瓷柱在晶格内的相对位移，d＝0mm对应陶瓷柱在晶格的最右端。图3中(b)展示了d的取值为0mm＜d＜4mm时，对应整行介质柱沿x轴正方向位移d后，沿d＝0mm的平面对首个陶瓷柱进行切割，该陶瓷柱切割后的形状为“半圆柱”。同时为了保持光子晶体在x方向周期的完整性，在x方向的最后一个周期需要补充一个“半圆柱”，且首尾两个“半圆柱”合起来可以拼成一个完整的陶瓷柱；图3中(c)展示了d的取值为4mm≤d≤10mm时，对应整行介质柱沿x轴正方向位移d。上述说明的切割和位移是本电磁偏折器实现机械可调的基本原理。当d＝10mm时，由于光子晶体点阵结构的周期性，陶瓷柱在晶格内的位置与d＝0mm时相同，对反射电磁波的相位调控作用也与d＝0mm时相同。
图4展示了图3所示结构的反射系数相位(arg[S(1,1)])随频率和陶瓷柱在晶格内相对位移d变化的图像。所选频率为10GHz、10.5GHz、11GHz、11.5GHz、12GHz，d的取值范围为0＜d≤10mm。从图像中可以看出，随着d在0＜d≤10mm范围内改变，反射电磁波的相位可以覆盖[-Π,Π]整个区间，因此可以只通过用图3中(b)和(c)所示方法改变陶瓷柱在晶格中的相对位置来实现对电磁波的相位调控，而无需改变其晶格结构、谐振频率以及整个结构的几何尺寸。
下面选取频率12GHz对本发明进行进一步的阐述。用图3中(b)和(c)所示的方法，根据图4的反射电磁波相位随d变化的曲线图，在二维正方点阵结构的基础上确定每一行陶瓷柱d的取值，使得相邻两列表面层陶瓷柱之间的相位差为一个固定值
Figure BDA0002811600330000051
从而构建线性相位梯度表面。因此，本发明的几何结构即在二维正方点阵光子晶体结构的基础上根据图4将每一行陶瓷柱向x轴正方向位移不同的距离，从图3中(a)所示d＝0的平面切割陶瓷柱，并将切下的部分移动到对应行最后一个周期的相应位置使其在x方向重新形成完整的周期结构，因此从电磁波入射方向看去形成一个相位梯度表面结构。下面选取
Figure BDA0002811600330000052
和
Figure BDA0002811600330000053
两种情形进一步分析，图5和图6分别是频率F＝12GHz的电磁波从x方向垂直入射到y方向相位梯度分别为
Figure BDA0002811600330000054
和
Figure BDA0002811600330000055
两种线性相位梯度表面的电场分布图。由图中电磁波的偏折方向可以看出，通过改变相邻两列表面层陶瓷柱的相位差，可以构造出不同的线性相位梯度表面，从而实现对电磁波偏折角度的调控。该模型在电磁波入射方向(x方向)的周期数为7，用来在x方向模拟无限尺寸光子晶体的能带特性。为了使上述电磁偏折器具有体积小的优势，可以通过减少陶瓷柱x方向的周期数来减小本发明的体积。图7和图8分别是该电磁偏折器在x方向的周期数减少至1时，频率F＝12GHz的电磁波垂直入射到y方向相位梯度分别为
Figure BDA0002811600330000056
和
Figure BDA0002811600330000057
两种线性相位梯度表面的电场分布图。从图7和图8中可以看出，周期数减少至1时，该电磁偏折器对电磁波的偏折性能与无限尺寸光子晶体大致相同。
基于相同的原理，本发明实施例还提供了一种焦距机械可调的平板凹面镜。实现焦距可调的平板凹面镜的原理如下：由公式
Figure BDA0002811600330000058
可以计算出凹面镜实现聚焦功能时电磁波在y＝na(n＝±1，±2……，a为晶格常数)处的相位，其中，F为凹面镜焦距，λ为工作波长，y为垂直于电磁波入射方向距中心点的距离。根据图4所示电磁波反射系数相位与相对位移d、工作频率的关系，从曲线中根据y＝na时对应的电磁波相位
Figure BDA0002811600330000059
得出每一列对应的d值，进而通过构建相位梯度表面。因此，通过介质柱的位移和对最外层介质柱的切割可以实现焦距的机械可调。这个结构在x方向的周期数最少可以为1。图9展示了电磁波入射到x方向周期数为1的凹面镜上时的电场分布图，凹面镜的焦平面在图中用白色虚线标注出来。

Claims (6)

1.一种机械可调的电磁偏折器，其特征在于，包括介质柱阵列、平行板波导和吸波材料，其中，介质柱阵列为由介质柱正方点阵组成的准二维结构，介质柱阵列的一面为电磁波入射平面，另外三面设有吸波材料；介质柱阵列和吸波材料均设置于两个平行板波导之间；
该电磁偏折器基于二维正方点阵光子晶体结构，将每一行介质柱沿电磁波入射方向位移不同的距离d，在d＝0mm的平面切割介质柱，并将切下的部分移动到对应行最后一个周期的相应位置使其在该方向重新形成完整的周期结构，因此从电磁波入射方向看去形成一个线性相位梯度表面结构。
2.根据权利要求1所述的机械可调的电磁偏折器，其特征在于，介质柱为陶瓷圆柱材料。
3.根据权利要求1所述的机械可调的电磁偏折器，其特征在于，介质柱阵列结构的晶格常数a＝10mm，高度h＝5mm，介质柱的半径r＝2mm。
4.根据权利要求1所述的机械可调的电磁偏折器，其特征在于，该电磁偏折器的结构在电磁波入射方向的周期数能够减少至1。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述电磁偏折器的电磁波反射角度调控方法，其特征在于，通过改变电磁偏折器的介质柱在晶格内相对位置，即改变介质柱相对初始位置的位移d的大小来改变电磁波的偏折角度，实现电磁波偏折角度的机械可调，其中，0mm＜d≤10mm；对于沿电磁波入射方向单独某行介质柱来说，d的取值为0mm＜d＜4mm时，对应整行介质柱沿电磁波入射方向位移d后，沿d＝0mm的平面对首个介质柱进行切割，该介质柱切割后的形状为“半圆柱”；同时为了保持光子晶体在沿电磁波入射方向周期的完整性，在沿电磁波入射方向的最后一个周期需要补充一个“半圆柱”，且首尾两个“半圆柱”合起来拼成一个完整的介质柱；d的取值为4mm≤d≤10mm时对应整行介质柱沿电磁波入射方向位移d。
6.根据权利要求5所述的电磁波反射角度调控方法制作的一种焦距可调的平板凹面镜，其特征在于，由公式
Figure FDA0003170862910000011
计算出凹面镜实现聚焦功能时电磁波在y＝na处的相位，其中，n＝±1，±2……，a为晶格常数，F为凹面镜焦距，λ为工作波长，y为垂直于电磁波入射方向距入射中心点的距离，根据电磁波反射系数相位与相对位移d、工作频率的关系，根据y＝na时对应的电磁波相位
Figure FDA0003170862910000012
得出每一列对应的d值，进而通过权利要求5所述的电磁波反射角度调控方法构建相位梯度表面，最终实现焦距的机械可调。
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