CN211507909U - 具有非对称超表面结构的k波段极化调控器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，属于电磁超表面的技术领域，其包括沿电磁波入射方向依次叠加设置的共振体层、介质基板和金属层，所述共振体层包括若干个卍形金属共振体，所述若干个卍形金属共振体在所述介质基板上呈周期性排列，每个所述卍形金属共振体均包括第一直角Z形结构和第二直角Z性结构，所述第一直角Z形结构与所述第二直角Z形结构垂直连接，所述第一直角Z形结构与所述第二直角Z形结构以垂直连接点为对称中心呈中心对称；解决了如何设计超薄、极化控制效率高的极化调控器件的问题；本实用新型具有极化控制效率高、超薄的效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及电磁超表面的技术领域，尤其是涉及一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件。
背景技术
极化是电磁波（EM）的最基本特征之一，它在现代光学和无线通信或量子光学中有多种应用。因此，有效地控制光的偏振一直是光学研究人员关注的热点。
传统上，偏振操作主要是通过各向异性晶体来实现的，利用两种不同的线偏振光之间的折射率差异，使得不同偏振的电磁波产生相位差，最终引出出射光偏振性质的改变。但是，这样的折射率差通常很细微，始终需要厚的材料（厚度比光的波长大得多）才能提供足够的相位差，而对于低频电磁波的应用，这种厚度的材料几乎是无法实现的。此外，当厚度严格固定时，这种材料还限制了其工作频带，是非常狭窄的。这些限制阻碍了极化调控器件（例如偏振镜、波片）的发展，因此，如何设计超薄、极化控制效率高的极化调控器件成为本领域亟需解决的问题。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其具有超薄、极化控制效率高的效果。
本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，包括沿电磁波入射方向依次叠加设置的共振体层、介质基板和金属层，所述共振体层包括若干个卍形金属共振体，所述若干个卍形金属共振体在所述介质基板上呈周期性排列，每个所述卍形金属共振体均包括第一直角Z形结构和第二直角Z性结构，所述第一直角Z形结构与所述第二直角Z形结构垂直连接，所述第一直角Z形结构与所述第二直角Z形结构以垂直连接点为对称中心呈中心对称。
通过采用上述技术方案，利用人造亚波长微结构组成的非对称超表面结构设计极化调控器件，可以使极化调控器件具有极化控制效率高、超薄的优点。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一直角Z形结构包括第一一字形结构，所述第一一字形结构的两端各垂直连接有第二一字形结构，所述第二直角Z形结构包括第三一字形结构，所述第三一字形结构的两端各垂直连接有第四一字形结构，所述第一一字形结构与所述第三一字形结构的长度相同，所述第二一字形结构与所述第四一字形结构的长度不同。
通过采用上述技术方案，通过改变第二一字形结构与第四一字形结构的长度大小而增加卍形金属共振体的不对称度，进而提高co-CP反射率，实现高极化控制效率。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一一字形结构、所述第三一字形结构的长度均为1.65mm，所述第二一字形结构的长度为0.7mm，所述第四一字形结构的长度为1.25mm。
通过采用上述技术方案，将第二一字形结构、第四一字形结构的长度分别设置为0.7mm、1.25mm，可以使极化调控器件表现出完美的极化控制效率。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述介质基板采用介电常数为4.3、厚度为0.95mm的FR4介质基板。
通过采用上述技术方案，将介质基板厚度设置在0.95mm，可以使极化调控器件具有极化控制的最小宽带。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述共振体层的周期为3.5mm。
一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，包括沿电磁波入射方向依次叠加设置的共振体层、介质基板和金属层，所述共振体层包括若干个卐形金属共振体，所述若干个卐形金属共振体在所述介质基板上呈周期性排列，每个所述卐形金属共振体均包括第一反直角Z形结构和第二反直角Z性结构，所述第一反直角Z形结构与所述第二反直角Z形结构垂直连接，所述第一反直角Z形结构与所述第二反直角Z形结构以垂直连接点为对称中心呈中心对称。
通过采用上述技术方案，利用人造亚波长微结构组成的非对称超表面结构设计极化调控器件，可以使极化调控器件具有极化控制效率高、超薄的优点。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一反直角Z形结构包括第五一字形结构，所述第五一字形结构的两端各垂直连接有第六一字形结构，所述第二反直角Z形结构包括第七一字形结构，所述第七一字形结构的两端各垂直连接有第八一字形结构，所述第五一字形结构与所述第七一字形结构的长度相同，所述第六一字形结构与所述第八一字形结构的长度不同。
通过采用上述技术方案，通过改变第六一字形结构与第八一字形结构的长度大小而增加卐形金属共振体的不对称度，进而提高co-CP反射率，实现高极化控制效率。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第五一字形结构、所述第七一字形结构的长度均为1.65mm，所述第六一字形结构的长度为0.7mm，所述第八一字形结构的长度为1.25mm。
通过采用上述技术方案，将第六一字形结构、第八一字形结构的长度分别设置为0.7mm、1.25mm，可以使极化调控器件表现出完美的极化控制效率。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述介质基板采用介电常数为4.3、厚度为0.95mm的FR4介质基板。
通过采用上述技术方案，将介质基板厚度设置在0.95mm，可以使极化调控器件具有极化控制的最小宽带。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述共振体层的周期为3.5mm。
综上所述，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：
1.利用人造亚波长微结构组成的非对称超表面结构设计极化调控器件，可以使极化调控器件具有极化控制效率高、超薄的优点；
2.将第二一字形结构、第四一字形结构的长度分别设置为0.7mm、1.25mm，或者将第六一字形结构、第八一字形结构的长度分别设置为0.7mm、1.25mm，可以使极化调控器件表现出完美的极化控制效率；
3.将介质基板厚度设置在0.95mm，可以使极化调控器件具有极化控制的最小宽带。
附图说明
图1是本实用新型实施例一的xz平面结构示意图。
图2是本实用新型实施例一的xy平面结构示意图。
图3是本实用新型实施例一中单个卍形金属共振体的xy平面结构示意图。
图4是本实用新型实施例二的xz平面结构示意图。
图5是本实用新型实施例二的xy平面结构示意图。
图6是本实用新型实施例二中单个卐形金属共振体的xy平面结构示意图。
图7是co-CP反射率的测量和模拟谱线图。
图8是不同非对称结构的co-CP反射率模拟谱线图。
图9是co-CP反射率随介质基板厚度和频率变化的相位图。
图中，1、卍形金属共振体，11、第一直角Z形结构，12、第二直角Z形结构，2、介质基板，3、金属层，4、卐形金属共振体，41、第一反直角Z形结构，42、第二反直角Z形结构。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
实施例一：
参照图1，为本实用新型实施例公开的一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，包括沿电磁波入射方向A依次叠加设置的共振体层、介质基板2和金属层3，共振体层包括若干个卍形金属共振体1；若干个卍形金属共振体1在介质基板2上沿x轴和y轴呈周期性排列，图2示出了25个卍形金属共振体1在介质基板2上呈周期性排列的示意图。
每个卍形金属共振体1均包括第一直角Z形结构11和第二直角Z性结构12，第一直角Z形结构11与第二直角Z形结构12垂直连接，第一直角Z形结构11与第二直角Z形结构12以垂直连接点为对称中心呈中心对称。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图2所示，第一直角Z形结构11包括第一一字形结构，第一一字形结构的两端各垂直连接有第二一字形结构，第二直角Z形结构12包括第三一字形结构，第三一字形结构的两端各垂直连接有第四一字形结构；如图3所示，第一一字形结构的长度b1与第三一字形结构的长度a1相同，a1=b1=1.65mm，第二一字形结构的长度c1与第四一字形结构的长度d1不同，c1=0.7mm，d1=1.25mm。
可选的，如图2所示，任意相邻两个卍形金属共振体1之间的间距m1为3.5mm。如图1、图3所示，介质基板2采用介电常数为4.3、厚度g为0.95mm的FR4介质基板；金属层3的材质可选用铜，金属层3的厚度h为35μm；卍形金属共振体1的厚度f1为0.05mm、宽度e1为0.25mm；介质基板2和金属层3的形状与大小相同。
实施例二：
参照图4，为本实用新型实施例公开的一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，包括沿电磁波入射方向A依次叠加设置的共振体层、介质基板2和金属层3，共振体层包括若干个卐形金属共振体；若干个卐形金属共振体4在介质基板2上沿x轴和y轴呈周期性排列，图5示出了25个卐形金属共振体1在介质基板2上呈周期性排列的示意图。
每个卐形金属共振体4均包括第一反直角Z形结构41和第二反直角Z性结构42，第一反直角Z形结构41与第二反直角Z形结构42垂直连接，第一反直角Z形结构41与第二反直角Z形结构42以垂直连接点为对称中心呈中心对称。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图5所示，第一反直角Z形结构41包括第五一字形结构，第五一字形结构的两端各垂直连接有第六一字形结构，第二反直角Z形结构42包括第七一字形结构，第七一字形结构的两端各垂直连接有第八一字形结构；如图6所示，第五一字形结构的长度b2与第七一字形结构的长度a2相同，a2=b2=1.65mm，第六一字形结构的长度c2与第八一字形结构的长度d2不同，c2= 0.7mm，d2=1.25mm。
可选的，如图5所示，任意相邻两个卍形金属共振体4之间的间距m2为3.5mm。如图4、图6所示，介质基板2采用介电常数为4.3、厚度g为0.95mm的FR4介质基板；金属层3的材质可选用铜，金属层3的厚度h为35μm；卍形金属共振体4的厚度f2为0.05mm、宽度e2为0.25mm。介质基板2和金属层3的形状与大小相同。
需要注意的是，图1和图4中电磁波入射方向A仅是一个示例，电磁波入射角度并不仅限于这一种情况。
由于实施例一与实施例二的区别仅在于：共振体的旋向不同，一个是左旋、一个是右旋，因此，二者特性是相同的，下面以实施例二为例，对非对称超表面结构的偏振调控下的偏振效率进行分析。
从分析通用超表面的电磁（EM）属性开始，该超表面由具有任意对称性的相同平面人工原子的2D阵列组成。由于金属层3会阻止所有通过超表面的透射波，因此仅考虑全反射情况。
图5示出了由图6所示的非对称超表面结构（周期尺寸为3.5×3.5mm）阵列形成的样品，其中，a2=b2=1.65mm，c2=0.7mm，d2=1.25mm，卐形金属共振体4的厚度f2和宽度e2分别为0.05 mm和0.25 mm。
图7示出了由图6所示的非对称超表面结构组成平板的co-CP反射率的测量和模拟谱线图，图中的圆点表示co-CP反射率的实验数据，曲线表示CST模拟结果，可见，实验数据与模拟结果完美吻合。这种体系的co-CP反射率在宽频带（22–30 GHz）几乎接近1，这种效果需要仔细优化参数得到。
为了找到具有理想偏振控制效率的不对称结构，对d2进行扫描，从具有四重对称结构开始，反射系数为rxx=ryy，rxy=ryx=0，导致极化转换速率为零,通过有限元时域模拟计算得出的co-CP反射率的模拟结果如图8中g=0.5mm对应曲线所示。然后，通过扩大d2来增加不对称度。图8清楚地说明了co-CP反射率随d2的增加而显著增加。此外，当c2=0.7mm，d2=1.25mm时，超表面表现出完美的极化控制效率。
在上述参数的优化中，还发现介质基板2的厚度g2会影响理想的极化调控效率的带宽，这也是超表面设计中必不可少会遇到的问题。将介质基板2的厚度g作为变量，将其他参数作为常数。如图9所示，当厚度g远小于波长时，两个峰在两个单独的频率处以极高的Q因子（带宽较窄）升高；当增加厚度g时，这两个频率将逐渐接近，并在一定厚度处合并为一个相同的峰值，这样的厚度是具有极化控制的最小带宽的最优设计。在“临界值”之后，一般的偏振转换条件将不再理想匹配，因此，在该区域开始衰减。极化调控与介质基板2的厚度g之间的关系为极化调控器的设计提供了标准。
本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，包括沿电磁波入射方向依次叠加设置的共振体层、介质基板（2）和金属层（3），所述共振体层包括若干个卍形金属共振体（1），所述若干个卍形金属共振体（1）在所述介质基板（2）上呈周期性排列，每个所述卍形金属共振体（1）均包括第一直角Z形结构（11）和第二直角Z形结构（12），所述第一直角Z形结构（11）与所述第二直角Z形结构（12）垂直连接，所述第一直角Z形结构（11）与所述第二直角Z形结构（12）以垂直连接点为对称中心呈中心对称。
2.根据权利要求1所述的具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，所述第一直角Z形结构（11）包括第一一字形结构，所述第一一字形结构的两端各垂直连接有第二一字形结构，所述第二直角Z形结构（12）包括第三一字形结构，所述第三一字形结构的两端各垂直连接有第四一字形结构，所述第一一字形结构与所述第三一字形结构的长度相同，所述第二一字形结构与所述第四一字形结构的长度不同。
3.根据权利要求2所述的具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，所述第一一字形结构、所述第三一字形结构的长度均为1.65mm，所述第二一字形结构的长度为0.7mm，所述第四一字形结构的长度为1.25mm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，所述介质基板（2）采用介电常数为4.3、厚度为0.95mm的FR4介质基板。
5.根据权利要求4所述的具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，所述共振体层的周期为3.5mm。
6.一种具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，包括沿电磁波入射方向依次叠加设置的共振体层、介质基板（2）和金属层（3），所述共振体层包括若干个卐形金属共振体（4），所述若干个卐形金属共振体（4）在所述介质基板（2）上呈周期性排列，每个所述卐形金属共振体（4）均包括第一反直角Z形结构（41）和第二反直角Z形结构（42），所述第一反直角Z形结构（41）与所述第二反直角Z形结构（42）垂直连接，所述第一反直角Z形结构（41）与所述第二反直角Z形结构（42）以垂直连接点为对称中心呈中心对称。
7.根据权利要求6所述的具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，所述第一反直角Z形结构（41）包括第五一字形结构，所述第五一字形结构的两端各垂直连接有第六一字形结构，所述第二反直角Z形结构（42）包括第七一字形结构，所述第七一字形结构的两端各垂直连接有第八一字形结构，所述第五一字形结构与所述第七一字形结构的长度相同，所述第六一字形结构与所述第八一字形结构的长度不同。
8.根据权利要求7所述的具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，所述第五一字形结构、所述第七一字形结构的长度均为1.65mm，所述第六一字形结构的长度为0.7mm，所述第八一字形结构的长度为1.25mm。
9.根据权利要求6至8任一项所述的具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，所述介质基板（2）采用介电常数为4.3、厚度为0.95mm的FR4介质基板。
10.根据权利要求9所述的具有非对称超表面结构的K波段极化调控器件，其特征在于，所述共振体层的周期为3.5mm。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113097734A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-07-09 | 中国人民解放军空军工程大学 | 不对称电磁波传播的多功能手征超构表面 |
| CN113839216A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-24 | 山西大学 | 一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线 |
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|---|---|---|---|---|
| CN113097734A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-07-09 | 中国人民解放军空军工程大学 | 不对称电磁波传播的多功能手征超构表面 |
| CN113839216A (zh) * | 2021-09-24 | 2021-12-24 | 山西大学 | 一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线 |
| CN113839216B (zh) * | 2021-09-24 | 2023-11-14 | 山西大学 | 一种基于超表面的低剖面宽带圆极化天线 |
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