專利名稱：一種極化分波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁波通訊領(lǐng)域，涉及一種電磁波極化分離與合并的裝置，尤其涉及一種應(yīng)用超材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)電磁波極化分離與合并的裝置。
背景技術(shù)：
在電磁應(yīng)用領(lǐng)域，常常需要把某一種任意極化的電磁波(例如角度任意的線極化波，某種軸比任意的橢圓極化波)分解為兩路正交的線極化波。目前存在一種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)兩個正交線極化波之間的分離或者合并，該技術(shù)是利用圓波導(dǎo)，在該圓波導(dǎo)上面街上兩個垂直的同軸線，再利用電磁場的邊界條件，實(shí)現(xiàn)兩個正交線極化波之間的分離或者合并。專利申請?zhí)枮镃N87215865. 9的中國專利提供了一種毫米波極化分離器，該極化分離器是由一個圓形主波導(dǎo)，兩個匹配調(diào)節(jié)器，兩個耦合窗口，兩個隔離柵網(wǎng)組為一體，兩匹配調(diào)節(jié)器、兩隔離柵網(wǎng)位置為90°正交，通過極化分離器實(shí)現(xiàn)電磁波的極化分離。以上技術(shù)方案中 的極化分離裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且占用的空間較大。超材料是由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內(nèi)部的多個人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。人造微結(jié)構(gòu)是至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。每個人造微結(jié)構(gòu)及其附著的部分基板構(gòu)成一個超材料單元，整個超材料即是由數(shù)十萬、百萬甚至上億的這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的，每個晶格即相當(dāng)于上述的人造微結(jié)構(gòu)及基板構(gòu)成的超材料單元。由于人造微結(jié)構(gòu)的存在，每個上述單元整體具有一個等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，因此所有的單元構(gòu)成的超材料對電場和磁場呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；同時(shí)，對人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的具體結(jié)構(gòu)和尺寸，可改變其單元的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，進(jìn)而改變整個超材料的響應(yīng)特性。將超材料技術(shù)應(yīng)用到電磁波的極化分離與合并中將會改變傳統(tǒng)的極化分離與合并的設(shè)計(jì)理念，而這方面的研究在目前還未見披露。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種應(yīng)用超材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)電磁波極化分離與合并的分波裝置，使用該分波裝置可以很容易的實(shí)現(xiàn)極化電磁波的分離與合并。具體，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種極化分波裝置包括一主波導(dǎo)，可傳播任意極化的電磁波；第一、第二方波導(dǎo)，處于同一平面且與所述主波導(dǎo)開口朝向相同，分別傳播具有第一電場方向的線極化波及具有與第一電場方向正交的第二電場方向的線極化波；以及，位于所述主波導(dǎo)與所述第一方波導(dǎo)、第二方波導(dǎo)之間的由至少一超材料片層構(gòu)成的超材料板，所述超材料片層包括基板、陣列設(shè)置在所述基板上的第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)，每個第一人造微結(jié)構(gòu)的光學(xué)主軸方向與所述第一電場方向平行，每個第二人造微結(jié)構(gòu)的光學(xué)主軸方向與所述第二電場方向平行，所述超材料包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，在所述第一區(qū)域內(nèi)的第一人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸最大且其他各處的第一人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸向第一區(qū)域方向逐漸增大，在所述第二區(qū)域內(nèi)的第二人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸最大且其他各處的第二人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸向第二區(qū)域方向逐漸增大。進(jìn)一步地，所述主波導(dǎo)為圓波導(dǎo)；所述兩個方波導(dǎo)的寬壁所在的平面正交。進(jìn)一步地，所述第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)分別陣列設(shè)置在所述基板的兩相對表面上。進(jìn)一步地，所述超材料板包括多個介電常數(shù)非均勻分布、沿垂直于所述超材料板表面方向堆疊的超材料片層。 進(jìn)一步地,所述基板的制備材料包括高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。進(jìn)一步地，每個所述第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)均為由至少一根金屬絲組 成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)；所述金屬絲為銅絲或銀絲。進(jìn)一步地，所述第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)軸對稱結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述第一人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形或“王”字形；所述第二人造微結(jié)構(gòu)為“H，，形。上述技術(shù)方案至少具有如下有益效果本發(fā)明的極化分波裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用的超材料板是根據(jù)人造微結(jié)構(gòu)對電場的響應(yīng)與其結(jié)構(gòu)有關(guān)的原理以及非均勻超材料偏折電磁波的原理，可使入射電磁波分離、可靈活控制分離后電磁波束的出射角度并且可實(shí)現(xiàn)大面積電磁波束的分離；使得進(jìn)入主波導(dǎo)的電磁波只需通過超材料板即實(shí)現(xiàn)電磁波的分離并由第一、第二方波導(dǎo)輸出，進(jìn)入第一、第二方波導(dǎo)的正交的電磁波只需通過超材料即可實(shí)現(xiàn)電磁波的合并并由主波導(dǎo)輸出。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例極化分波裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I極化分波裝置改變第一、第二方波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后的右視圖；圖3是本發(fā)明極化分波裝置中的超材料板的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明極化分波裝置中的超材料板的第二實(shí)施例的超材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是由多個圖4所示超材料單元陣列構(gòu)成的分離波束的超材料板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是圖4所示的分離波束的超材料板的正視圖；圖7是圖4所示的分離波束的超材料板的后視圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明的極化分波裝置包括主波導(dǎo)I、超材料板2和第一方波導(dǎo)31、第二方波導(dǎo)32，從主波導(dǎo)I射入的極化電磁波g經(jīng)過超材料板2，超材料板2通過其上設(shè)置的分別對電磁波互兩正交電場具有響應(yīng)的兩種人造微結(jié)構(gòu)的排布設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)極化電磁波g的分離并得到正交的具有第一電場方向的線極化波互i和具有第二電場方向的線極化波云2，線極化波云i和云2分別經(jīng)第一方波導(dǎo)31、第二方波導(dǎo)32射出。主波導(dǎo)I可以傳播任意極化的電磁波，其中，本實(shí)施例中主波導(dǎo)I采用了圓波導(dǎo)方式，設(shè)置于超材料板2的一側(cè)，第一方波導(dǎo)31、第二方波導(dǎo)32處于同一平面,它們的開口朝向與主波導(dǎo)I相同,設(shè)置在超材料板2的另一側(cè)；為了達(dá)到更好的分離效果，可以采用圖2所示的極化分波裝置，該極化分波裝置與圖I實(shí)施例只在方波導(dǎo)設(shè)置上存在差異，圖2所示的第一方波導(dǎo)31、第二方波導(dǎo)32寬壁所在的平面正交，即使得第一方波導(dǎo)31、第二方波導(dǎo)32正交，經(jīng)超材料板2分離得到的正交線極化波互i和互2分別經(jīng)第一方波導(dǎo)31、第二方波導(dǎo)32射出，能夠獲取更好的隔離度。本發(fā)明極化分波裝置中的超材料板2用于將入射的極化電磁波分離，圖3所示即為該超材料板2的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。超材料板2包括至少一個超材料片層23，這些超材料片層23之間等間距排列地組裝，或兩兩片層之間直接前、后表面相接觸堆疊成一體。每個超材料片層23進(jìn)一步包括前后表面平行的片狀基板21、陣列設(shè)置在基板I上的第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222。
第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu) 或立體結(jié)構(gòu)，第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222分別與其所附著的基板21所占部分一起構(gòu)成一個超材料單元24。基板21可為任何與第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222不同的材料，這兩種材料的疊加使每個超材料單元24產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，這兩個物理參數(shù)分別對應(yīng)了超材料單元24的電場響應(yīng)與磁場響應(yīng)，因此可對電磁場產(chǎn)生不同的響應(yīng)。要使極化電磁波分離，必須具備兩個條件，其一是超材料板2附著有分別對兩正交電場具有響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)。人造微結(jié)構(gòu)對電場有響應(yīng)，則要求人造微結(jié)構(gòu)的光學(xué)主軸方向與電場方向平行，即人造微結(jié)構(gòu)的在電場方向上必須有投影且投影不是點(diǎn)，是具有長度的一線段。例如當(dāng)電場為豎直方向時(shí)，若人造微結(jié)構(gòu)為水平方向上的一條平直金屬絲，則該人造微結(jié)構(gòu)在豎直方向上的投影不是一具有長度的線段，因而不能對電場產(chǎn)生響應(yīng)；若人造微結(jié)構(gòu)為豎直方向上的金屬絲，則該人造微結(jié)構(gòu)能對電場產(chǎn)生響應(yīng)。本實(shí)施例中超材料板2所附著的每個第一人造微結(jié)構(gòu)221的光學(xué)主軸方向?yàn)樨Q直方向與豎直的第一電場互向平行，每個第二人造微結(jié)構(gòu)222的光學(xué)主軸方向?yàn)樗椒较蚺c水平的第二電場五2方向平行。所以第一人造微結(jié)構(gòu)221對第一電場五i有響應(yīng)，第二人造微結(jié)構(gòu)222對第二電場互2有響應(yīng)。使具有正交電場的兩種電磁波分離的另一必要條件是超材料板2可以使射入的兩種電磁波向不同方向偏折。當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，電磁波會發(fā)生折射，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時(shí)，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，電磁波的折射率與成正比關(guān)系，因而通過改變介電常數(shù)e和/或磁導(dǎo)率y在材料中的分布，就可達(dá)到改變電磁波的傳播路徑的目的。超材料板對電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬絲的圖案所具有的拓?fù)涮卣骱推鋷缀纬叽?。根?jù)上述原理設(shè)計(jì)超材料板空間中排列的每個第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222的圖案和幾何尺寸，就可對超材料板中每一點(diǎn)的電磁參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)入射的極化電磁波分離。滿足上述兩個必備條件的第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222有很多種可實(shí)現(xiàn)方式。圖3所示的第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222為非90度旋轉(zhuǎn)軸對稱結(jié)構(gòu)。第一人造微結(jié)構(gòu)221為“工”字形，包括豎直的第一金屬絲和分別連接在第一金屬絲兩端且垂直于第一金屬絲的第二金屬絲，第一金屬絲的長度為LI，第二金屬絲的長度為L2且滿足LI >> L2,第一人造微結(jié)構(gòu)221的光學(xué)主軸與豎直的第一電場五向平行，所以對豎直方向的電場有響應(yīng)。第二人造微結(jié)構(gòu)為“H”形，包括水平的第三金屬絲和分別連接在第三金屬絲兩端且垂直于第三金屬絲的第四金屬絲，第三金屬絲的長度為L3，第四金屬絲的長度為L4且滿足L3 >>L4，第二人造微結(jié)構(gòu)222的光學(xué)主軸與水平的第二電場互2方向平行，所以對水平方向的電場有響應(yīng)。如圖3所示超材料板2包括第一區(qū)域25和第二區(qū)域26，在第一區(qū)域25內(nèi)的第一人造微結(jié)構(gòu)221的幾何尺寸最大，其他各處的第一人造微結(jié)構(gòu)221的幾何尺寸向第一區(qū)域25方向連續(xù)增大。在第二區(qū)域26內(nèi)的第二人造微結(jié)構(gòu)222的幾何尺寸最大，其他各處的第二人造微結(jié)構(gòu)222的幾何尺寸向第二區(qū)域26方向連續(xù)增大。當(dāng)一束具有正交電場的兩種電磁波經(jīng)過該超材料板2時(shí),第一人造微結(jié)構(gòu)221對豎直電場具有響應(yīng),具有豎直電場方向的電磁波向第一區(qū)域25方向偏折出射；第二人造微結(jié)構(gòu)222對水平電場具有響應(yīng)，具有水平電場方向的電磁波向第二區(qū)域26方向偏折出射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了兩種電磁波的分離。通過不 同尺寸大小的第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222的不同排布可實(shí)現(xiàn)不同的出射效果。圖4是本發(fā)明的超材料板2的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例中超材料板2由多個超材料單元24陣列形成，圖4所示為該超材料板2的超材料單元24的一實(shí)施例的示意圖。在本實(shí)施例中第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222分別陣列設(shè)置在基板21的兩相對側(cè)表面上。在圖5所示實(shí)施例中除了第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222分別設(shè)置在相對側(cè)面上與圖3所示實(shí)施例中第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222設(shè)置在基板I同一側(cè)面上這一點(diǎn)不同之外，第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222的排布規(guī)律等均與之相同。圖6和圖7分別是圖5所示的超材料板2的正視圖和后視圖。本實(shí)施例中超材料板2包括第一區(qū)域25和第二區(qū)域26,在第一區(qū)域25內(nèi)的第一人造微結(jié)構(gòu)221的幾何尺寸最大，其他各處的第一人造微結(jié)構(gòu)221的幾何尺寸向第一區(qū)域25方向連續(xù)增大。在第二區(qū)域26內(nèi)的第二人造微結(jié)構(gòu)222的幾何尺寸最大，其他各處的第二人造微結(jié)構(gòu)222的幾何尺寸向第二區(qū)域26方向連續(xù)增大。當(dāng)一束極化電磁波經(jīng)過該超材料板2時(shí)，第一人造微結(jié)構(gòu)221對豎直電場具有響應(yīng),具有豎直電場方向的電磁波向第一區(qū)域25方向偏折出射；第二人造微結(jié)構(gòu)222對水平電場具有響應(yīng)，具有水平電場方向的電磁波向第二區(qū)域26方向偏折出射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了兩種電磁波的分離。通過不同尺寸大小的第一人造微結(jié)構(gòu)221和第二人造微結(jié)構(gòu)222的不同排布可實(shí)現(xiàn)不同的出射效果。具體實(shí)施時(shí)，人造微結(jié)構(gòu)由至少一根銅絲或者銀絲等金屬絲構(gòu)成，具有特定圖形。金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等多種方法附著在基板21上。其中蝕刻是較優(yōu)的制造工藝，其步驟是在設(shè)計(jì)好合適的人造微結(jié)構(gòu)的平面圖案后，先將一張金屬箔片整體地附著在基板21上，然后通過蝕刻設(shè)備，利用溶劑與金屬的化學(xué)反應(yīng)去除掉人造微結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)圖案以外的箔片部分，余下的即可得到陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)?；?1的制備材料包括高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料，高分子材料可采用聚四氟乙烯、Fr4或F4b等。由于超材料具有能夠使得極化電磁波分離的特性，使得本發(fā)明極化分波裝置得以實(shí)施。在應(yīng)用時(shí)，兩種正交的電磁波分別經(jīng)第一、第二方波導(dǎo)入射，經(jīng)過超材料后即可實(shí)現(xiàn)兩種正交的電磁波的合并，得到一種極化電磁波，從主波導(dǎo)中射出；因此，本發(fā)明的極化分波裝置亦可用于正交電磁波的合并，即為極化合波裝置。以上所述是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員
來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種極化分波裝置，其特征在于，所述極化分波裝置包括 一主波導(dǎo)，可傳播任意極化的電磁波； 第一、第二方波導(dǎo)，處于同一平面且與所述主波導(dǎo)開口朝向相同，分別傳播具有第一電場方向的線極化波及具有與第一電場方向正交的第二電場方向的線極化波；以及， 位于所述主波導(dǎo)與所述第一、第二方波導(dǎo)之間的由至少一超材料片層構(gòu)成的超材料板，所述超材料片層包括基板、陣列設(shè)置在所述基板上的第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)，每個第一人造微結(jié)構(gòu)的光學(xué)主軸方向與所述第一電場方向平行，每個第二人造微結(jié)構(gòu)的光學(xué)主軸方向與所述第二電場方向平行，所述超材料片層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，在所述第一區(qū)域內(nèi)的第一人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸最大且其他各處的第一人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸向第一區(qū)域方向逐漸增大，在所述第二區(qū)域內(nèi)的第二人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸最大且其他各處的第二人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸向第二區(qū)域方向逐漸增大。
2.如權(quán)利要求I所述的極化分波裝置，其特征在于，所述主波導(dǎo)為圓波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求I所述的極化分波裝置，其特征在于，所述兩個方波導(dǎo)的寬壁所在的平面正交。
4.如權(quán)利要求I或2或3所述的極化分波裝置，其特征在于，所述第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)分別陣列設(shè)置在所述基板的兩相對表面上。
5.如權(quán)利要求4所述的極化分波裝置，其特征在于，所述超材料板包括多個介電常數(shù)非均勻分布、沿垂直于所述超材料板表面方向堆疊的超材料片層。
6.如權(quán)利要求4所述的極化分波裝置，其特征在于，所述基板的制備材料包括高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。
7.如權(quán)利要求I所述的極化分波裝置，其特征在于，每個所述第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)均為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的極化分波裝置，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
9.如權(quán)利要求I所述的極化分波裝置，其特征在于，所述第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)軸對稱結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的極化分波裝置，其特征在于，所述第一人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形或“王”字形；所述第二人造微結(jié)構(gòu)為“H”形。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種極化分波裝置，該分波裝置包括一主波導(dǎo)、第一及第二方波導(dǎo)和位于主波導(dǎo)與方波導(dǎo)之間的至少包括一超材料片層的超材料板，超材料片層包括基板、陣列設(shè)置在基板上的第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)。超材料片層包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域內(nèi)的第一人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸最大且其他各處的第一人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸向第一區(qū)域方向逐漸增大，第二區(qū)域內(nèi)第二人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸最大且其他各處的第二人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸向第二區(qū)域方向逐漸增大。本發(fā)明極化分波裝置利用超材料板對電場的響應(yīng)以及其能夠偏折電磁波，實(shí)現(xiàn)極化電磁波的分離和正交電場線極化波的合并。
文檔編號H01Q15/24GK102800990SQ20111017865
公開日2012年11月28日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司