CN115877490A - 一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，包括介质衬底，所述介质衬底上蚀刻金属光栅，所述金属光栅由若干超级单元组成，超级单元中包括若干十字形金属光栅，十字形金属光栅在超级单元的单个周期中沿正交方向上设置的数量相等，所述十字形金属光栅具有沿正交方向上的的对称轴，能够对应于两个正交线偏振态的共振。通过十字形金属光栅结构能够对横向电和横向磁极化波具有独立的响应，并且金属光栅包括若干超级单元组成，沿正交方向具有不同的周期结构，能够实现两个正交平面内多个传播衍射级之间的能量分配，实现两个垂直面上的波束能量分配。
Description
技术领域
本发明属于电磁波技术领域，涉及一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅。
背景技术
超构光栅是一种具有稀疏分布周期结构，能够控制反常光束衍射的装置。然而，目前现有技术中的大多数超构光栅是仅支持特定单极化激发的偏振敏感结构。为了实现极化控制，无源和可调超表面先后被提出。其中，大多数无源超表面都是由左右圆偏振相位变化相等和相反的亚波长移相器组成，因此无法独立控制每个极化状态。由于在通信系统中，每一个极化状态都可以看作是一个独立的信息通道，各向异性编码超表面已被报道。尽管各向异性超表面已经取得了很大的进展，但被动各向异性编码超表面的设计需要对复杂的单元进行紧密而具体的周期排列，这无疑增加了设计难度和制作挑战。因此，可调超表面被提出可以任意独立地调整正交极化状态。这些可调超表面能够单独改变正交极化波的相位分布，但不能实现正交平面的能量分布。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的可调超表面能够单独改变正交极化波的相位分布，但是不能实现正交平面的能量分布的问题，提供一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，包括介质衬底，所述介质衬底上蚀刻金属光栅，所述金属光栅由若干超级单元组成，超级单元中包括若干十字形金属光栅，十字形金属光栅在超级单元的单个周期中沿正交方向上设置的数量相等，所述十字形金属光栅具有沿正交方向上的对称轴，能够对应于两个正交线偏振态的共振。
本发明的进一步改进在于：
所述介质衬底为F4BM350基板材料制成，介质衬底的相对介电常数为3.5，损耗为0.0007。
所述介质衬底的厚度为3mm。
所述超级单元的周期大于工作波长，超级单元的周期L＝60mm。
所述十字形金属光栅在超级单元中占据单个十字形单元格，所述十字形单元格在水平方向和竖直方向上的长度均为15mm。
所述十字形金属光栅在蚀刻时的线宽设置为1.1mm。
所述超级单元中包括4*4个十字形金属光栅。
所述十字形金属光栅的材质为铜。
所述介质衬底的尺寸为360*360mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，通过十字形金属光栅结构能够对横向电和横向磁极化波具有独立的响应，并且金属光栅包括若干超级单元组成，沿正交方向具有不同的周期结构，能够实现两个正交平面内多个传播衍射级之间的能量分配，实现两个垂直面上的波束能量分配。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中控制正交平面衍射图样的双极化超光栅单元结构分解示意图；
图2为正常入射双线性偏振波下两个双极化超构光栅的波前控制示意图。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
超构光栅是由周期性的、通常稀疏的可极化粒子排列组成。到目前为止，超构光栅已经证明了使用相对简单的结构和半解析设计程序可以有效实现各种光束操作功能。本发明提出了一种能独立控制x极化波和y极化波的双极化超光栅，所提出的双极化超光栅工作在10GHz，可以同时独立地响应两个平面上的x和y极化波，克服了传统的PCB超构光栅只能控制单个平面上的极化波的限制。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，为本发明中控制正交平面衍射图样的双极化超光栅单元结构分解示意图；双极化超光栅包括介质衬底，介质衬底为F4BM350基板材料制成，介质衬底的相对介电常数为3.5，损耗为0.0007，介质衬底的厚度为3mm；所述介质衬底上蚀刻金属光栅，所述金属光栅由若干超级单元组成，超级单元中包括若干十字形金属光栅，十字形金属光栅的材质为铜，十字形金属光栅在超级单元的单个周期中沿正交方向上设置的数量相等，十字形金属光栅在蚀刻时的线宽设置为1.1mm，根据光栅理论，为了衍射多个光束，所设计的超构光栅的周期L必须大于一个工作波长。由于工作频率为10GHz，波长λ＝30mm，为了控制三个衍射阶次，将超级单元的周期L设为2λ，即L＝60mm，超级单元中包括4*4个十字形金属光栅；所述十字形金属光栅具有沿正交方向上的对称轴，能够对应于两个正交线偏振态的共振。
为了证明本发明中所提出的双极化超构光栅的性能，使用ANSYS HFSS电磁软件进行数值模拟，并在暗室中进行实验测量。双极化超构光栅的实验装置包括发射和接收喇叭天线、矢量网络分析仪(VNA)和被测样品。发射和接收喇叭天线安装在半径2.6米的圆轨道波臂上。在固定的正常入射准平面波照度下，通过旋转接收机臂来测量远场辐射图。两种双极化光栅的制备样品的横向尺寸均为360*360mm。第一双极化光栅在x偏振和y偏振入射下，在两个垂直平面yoz和xoz上实现30°的异常反射。在主瓣方向和波束宽度方面观察到很好的一致性。在x偏振入射下，模拟中反射主光束的总能量为91.23％，实验中为90.22％。与第一双极化光栅不同的是，第二双极化光栅在yoz平面实现+1衍射阶中最大功率，并在xoz平面的-1和+1衍射阶中实现功率平分。
参见图2，为正常入射双线性偏振波下两个双极化超构光栅的波前控制示意图。第一个超构光栅可以实现在xoz面和yoz面以相等的功率分布反射+1衍射阶入射波。第二个超构光栅可以实现50％的入射功率在yoz平面的+1衍射阶上，其余50％平均分布在xoz平面的+1和-1衍射阶上。
本发明为能够独立控制x极化和y极化两种偏振波的双极化超构光栅装置，该超构光栅工作在10GHz，可以同时独立响应两个平面的极化波，克服了传统PCB超构光栅只能控制单个平面的极化波的限制。为了设计超构光栅，需要计算所需的阻抗密度分布，并设计单元以匹配负载阻抗密度。采用PSO算法优化出相应的阻抗密度，并与结构进行对应，进而提出了能实现该功能的双极化超构光栅。通过十字形金属光栅结构能够对x和y极化波具有独立的响应，并且金属光栅包括若干超级单元组成，沿正交方向具有不同的周期结构，能够实现两个正交平面内多个传播衍射级之间的能量分配，实现两个垂直面上的波束能量分配。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，包括介质衬底，所述介质衬底上蚀刻金属光栅，所述金属光栅由若干超级单元组成，超级单元中包括若干十字形金属光栅，十字形金属光栅在超级单元的单个周期中沿正交方向上设置的数量相等，所述十字形金属光栅具有沿正交方向上的对称轴，能够对应于两个正交线偏振态的共振。
2.如权利要求1所述的一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，所述介质衬底为F4BM350基板材料制成，介质衬底的相对介电常数为3.5，损耗为0.0007。
3.如权利要求1所述的一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，所述介质衬底的厚度为3mm。
4.如权利要求1所述的一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，所述超级单元的周期大于工作波长，超级单元的周期L＝60mm。
5.如权利要求1所述的一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，所述十字形金属光栅在超级单元中占据单个十字形单元格，所述十字形单元格在水平方向和竖直方向上的长度均为15mm。
6.如权利要求1所述的一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，所述十字形金属光栅在蚀刻时的线宽设置为1.1mm。
7.如权利要求1所述的一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，所述超级单元中包括4*4个十字形金属光栅。
8.如权利要求1所述的一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，所述十字形金属光栅的材质为铜。
9.如权利要求1所述的一种控制正交平面衍射图样的双极化超光栅，其特征在于，所述介质衬底的尺寸为360*360mm。
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