本發(fā)明屬于微波毫米波極化轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，具體涉及一種基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

極化是電磁波最重要的性質(zhì)之一，如何精確調(diào)控電磁波的極化狀態(tài)一直以來都是研究人員關(guān)注的焦點。傳統(tǒng)的調(diào)控電磁波極化狀態(tài)的方法主要基于光柵、雙色晶體或利用雙折射效應(yīng)及法諾效應(yīng)等，這些方法主要通過改變電磁波兩個交叉極化分量的相位差來實現(xiàn)對極化狀態(tài)的調(diào)控。然而電磁波的極化狀態(tài)隨著這個相位差改變的速度非常緩慢，因此在工程應(yīng)用中通常需要較大的電磁波傳輸距離來獲得足夠多的相位延遲，這就導(dǎo)致了使用這些方法制成的極化轉(zhuǎn)換器尺寸普遍較大，嚴重限制了它們在實際工程中的應(yīng)用范圍。

近年來新興起的各向異性超表面被認為是一種能精確控制電磁波極化狀態(tài)的新途徑，通過改變各向異性超表面單元結(jié)構(gòu)在各個方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以有效改變不同極化方向上電磁波的幅度與相位，進而達到調(diào)控電磁波極化狀態(tài)的目的。此外，基于各向異性超表面的極化轉(zhuǎn)換器相較于傳統(tǒng)極化轉(zhuǎn)換器還具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計靈活，可調(diào)控性高等優(yōu)點。目前研究人員已設(shè)計出各種結(jié)構(gòu)的各向異性超表面極化轉(zhuǎn)換器。但從目前的文獻及報道來看，現(xiàn)有的極化轉(zhuǎn)換器依然存在頻帶范圍窄，工作頻段單一，轉(zhuǎn)換效率低下等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器，目的是解決現(xiàn)有極化轉(zhuǎn)換器頻帶范圍窄、工作頻段單一、轉(zhuǎn)換效率低的技術(shù)問題。該極化轉(zhuǎn)換器可以在兩個極寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)垂直極化波與水平極化波的相互轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換效率接近100％。此外，該極化轉(zhuǎn)換器還具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易于制造與集成的優(yōu)點。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器，包括在同一平面內(nèi)周期性矩陣排列的多個極化單元。

每個極化單元包括一層介質(zhì)基板、位于介質(zhì)基板正面的正面諧振結(jié)構(gòu)及位于介質(zhì)基板背面的金屬背板。

所述正面諧振結(jié)構(gòu)包括兩條對稱布置的金屬弧形線，使所形成的極化單元具有沿著對角線的兩條對稱軸。這兩條金屬弧形線的圓心相同，且具有相同的尺寸參數(shù)。同樣地，所述兩條金屬弧形線中的圓弧形凹槽也具有相同的圓心和尺寸參數(shù)。

兩條金屬弧形線呈對稱分布，目的是為了使所形成的極化單元具有沿著對角線的兩條對稱軸，這樣入射的x方向或y方向的電場即可分解為沿著對稱軸方向的兩個等幅正交極化分量。由于所設(shè)計的極化單元具有各向異性，其在這兩個沿著對稱軸的方向上具有不同的相對磁導(dǎo)率，當入射電場經(jīng)由該極化轉(zhuǎn)換器反射后，這兩個正交方向上的等幅電場分量將會產(chǎn)生180°的相位差，此時電場極化方向?qū)l(fā)生轉(zhuǎn)變，即x極化方向的入射波轉(zhuǎn)換為y極化方向的反射波或y極化方向的入射波轉(zhuǎn)換為x極化方向的反射波。

通過將圓弧形凹槽刻蝕在金屬弧形線的中心，可以改變金屬弧形線在電磁波垂直入射下的表面電流分布，在多個工作頻點激發(fā)強烈的電諧振和磁諧振。通過合理設(shè)計圓弧形凹槽的尺寸參數(shù)即可使得這些工作頻點分布在特定位置，從而形成兩個極寬的極化轉(zhuǎn)換頻帶。

金屬背板的面積與所述介質(zhì)基板相同，目的是為了將入射電磁波完全反射，通過合理設(shè)計介質(zhì)基板的厚度，可以使正面諧振結(jié)構(gòu)與金屬背板之間產(chǎn)生干涉效應(yīng)，從而使得電磁波在正面諧振結(jié)構(gòu)與金屬背板間多次反射，直到其極化方向完全改變，最終實現(xiàn)接近100％的轉(zhuǎn)換效率。

通過改變所述正面諧振結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)可以有效調(diào)整極化轉(zhuǎn)換器兩個工作頻帶的范圍，這些尺寸參數(shù)包括所述金屬弧形線及圓弧形凹槽的圓心角、寬度及半徑。

具體地，兩條金屬弧形線對應(yīng)的圓心角θ1取值范圍為0°<θ1<180°，圓弧形凹槽對應(yīng)的圓心角θ2取值范圍為0°<θ2<θ1。

進一步，所述介質(zhì)基板包括聚四氟乙烯高頻板、fr-4玻璃布基板、羅杰斯系列、taconic系列介質(zhì)基板材料。

優(yōu)選的，介質(zhì)基板采用聚四氟乙烯高頻板，其介電常數(shù)為2.65，磁導(dǎo)率為1.0，損耗正切角為0.001。正面諧振結(jié)構(gòu)和金屬背板均為銅箔。

進一步，極化單元在進行周期延拓時，橫向和縱向上所重復(fù)的單元個數(shù)相同，即所形成的周期陣列結(jié)構(gòu)為正方形陣列。為實現(xiàn)周期陣列響應(yīng)，所重復(fù)的極化單元個數(shù)不少于400個(20×20)。

本發(fā)明的有益效果具體如下：

1.本發(fā)明可以在兩個極寬的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)垂直極化波與水平極化波的相互轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換效率接近100％，與現(xiàn)有極化轉(zhuǎn)換器相比，本發(fā)明轉(zhuǎn)換效率更高，工作頻段更多樣。

2.本發(fā)明通過改變設(shè)計結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)可以在極大范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)兩個工作頻帶的位置及范圍，可控性強，在實際工程中更具應(yīng)用性。

3.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，利用現(xiàn)已非常成熟的標準印制電路板工藝或光刻工藝即可加工制造，同時也易于與其他器件集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提出的基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明提出的基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器的正面諧振結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(a)為本發(fā)明提出的基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器的反射系數(shù)曲線圖；

圖4(b)為本發(fā)明提出的基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器的極化轉(zhuǎn)換比曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1所示，本發(fā)明提出的基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器由同一平面內(nèi)的多個極化單元(1)周期性矩陣排列組成，圖中虛線框出的為一個極化單元，注意極化單元(1)在橫向和縱向上周期延拓的重復(fù)個數(shù)相同，且重復(fù)的單元數(shù)不少于400個，在本實施例中重復(fù)的單元數(shù)即為400個(20個×20個)。

參見圖2，極化單元(1)包括介質(zhì)基板(1-1)、位于介質(zhì)基板正面的正面諧振結(jié)構(gòu)(1-2)以及位于介質(zhì)基板背面的金屬背板(1-3)。從垂直于介質(zhì)基板所在平面的方向看，所述極化單元(1)的橫向長度與縱向長度相同，其長度p定義為周期長度，且具有沿著對角線的兩個對稱面。

所述介質(zhì)基板(1-1)為f4b-2聚四氟乙烯高頻板，其介電常數(shù)為2.65，磁導(dǎo)率為1.0，損耗正切角為0.001。所述正面諧振結(jié)構(gòu)(1-2)與金屬背板(1-3)均為銅箔。

作為優(yōu)選，所述極化單元(1)的周期長度p為10mm。所述介質(zhì)基板(1-1)的厚度t為3mm，正面諧振結(jié)構(gòu)(1-2)及金屬背板(1-3)的厚度均為0.035mm。

如圖3所示，正面諧振結(jié)構(gòu)由兩條帶有圓弧形凹槽(1-2-2)的金屬弧形線(1-2-1)組成，兩條金屬弧形線的圓心位于同一點，且二者具有完全相同的尺寸參數(shù)。圓弧形凹槽位于金屬弧形線的中心，且與金屬弧形線具有相同的圓心。圓弧形凹槽的圓心角及寬度均小于金屬弧形線。在本發(fā)明中，通過改變金屬弧形線的圓心角、半徑及寬度可以有效調(diào)節(jié)極化轉(zhuǎn)換器工作頻帶的范圍。

作為優(yōu)選，所述金屬弧形線(1-2-1)的半徑r為3.5mm，寬度w1為0.8mm，對應(yīng)的圓心角θ1為120°。所述圓弧形凹槽(1-2-2)的寬度w2為0.43mm，對應(yīng)的圓心角θ2為110°。

圖4(a)所示為本發(fā)明的基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器在x極化入射波及y極化入射波下對應(yīng)的反射系數(shù)仿真結(jié)果圖，該仿真結(jié)果由有限積分法計算得到。如圖4(a)所示，其橫坐標為頻率，單位為ghz；縱坐標為反射系數(shù)，單位為db。從圖中可以看出所設(shè)計的極化轉(zhuǎn)換器對x極化入射波與y極化入射波具有相同的電磁響應(yīng)，即rxx＝ryy,rxy＝ryx。圖中可以明顯觀測到兩個工作頻帶，其分別為9.5ghz到12.9ghz以及16.1ghz到20.2ghz。在9.5ghz到12.9ghz的頻率范圍內(nèi)，共面極化反射系數(shù)rxx和ryy處于較低水平，其值均小于0.14，而對應(yīng)的交叉極化反射系數(shù)ryx和rxy則接近于1。同樣地，在16.1ghz到20.2ghz的頻率范圍內(nèi)，共面極化反射系數(shù)rxx和ryy基本接近于0，而交叉極化反射系數(shù)ryx和rxy則基本接近于1。這說明在這兩個頻率范圍內(nèi)，入射的x極化波經(jīng)該極化轉(zhuǎn)換器反射后幾乎被完全轉(zhuǎn)換成y極化波，而入射的y極化波則幾乎被完全轉(zhuǎn)換成了x極化反射波。

圖4(b)所示為相應(yīng)的極化轉(zhuǎn)換比，用以表征該極化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，其計算公式為pcr＝rxy²/(rxy²+ryy²)。從圖中可以看出，在所述第一個工作頻帶內(nèi)，其轉(zhuǎn)換效率大于98％，在所述第二個工作頻帶內(nèi)，其轉(zhuǎn)換效率大于99％。

上述仿真數(shù)據(jù)表明本發(fā)明的基于各向異性超表面的雙寬頻極化轉(zhuǎn)換器可以在兩個極寬的頻帶范圍內(nèi)將x極化方向的線極化入射波轉(zhuǎn)換為y極化方向的反射波或y極化方向的線極化入射波轉(zhuǎn)換為x極化方向的反射波，且轉(zhuǎn)換效率均接近100％。

本發(fā)明并不局限于上述實施方式，如果對發(fā)明的各種改動或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變形。