一种宽带选择性透波极化调控电磁结构

摘要

本发明属于电子材料技术领域，提供一种宽带选择性透波极化调控电磁结构，该结构共包含5层，表层和底层为相同尺寸的金属开口谐振环、且开口方向相互垂直，中间层为金属偶极子，金属偶极子与谐振环之间均为介质基板；所述金属开口谐振环开口方向沿对角线方向，所述金属偶极子长轴方向与谐振环开口方向呈45°夹角。本发明电磁结构具有非对称传输特性和非对称透波功能，且制备工艺简单成熟、可操作性强、成本较低；同时该结构在入射角度为0°至30°范围内，均能保持较高的极化转换率、较宽的极化转换频带以及稳定的选择性透波工作频段。

权利要求

1.一种宽带选择性透波极化调控电磁结构，其特征在于，该电磁结构共包含5层，表层和底层为相同尺寸的金属开口谐振环、且开口方向相互垂直，中间层为金属偶极子，金属偶极子与谐振环之间均为介质基板；所述金属开口谐振环开口方向沿对角线方向，所述金属偶极子长轴方向与谐振环开口方向呈45°夹角。

2.按权利要求1所述宽带选择性透波极化调控电磁结构，其特征在于，所述金属开口谐振环的外边长为：3.5～6.5mm，内边长为：0.8～2.0mm，开口缝隙间距为：0.8～1.6mm。

3.按权利要求1所述宽带选择性透波极化调控电磁结构，其特征在于，所述金属偶极子的长度为：5.0～7.5mm，宽度为：1.5～4.5mm。

4.按权利要求1所述宽带选择性透波极化调控电磁结构，其特征在于，所述介质基板的电磁参数为：相对介电常数实部范围为3.2～4.6，虚部范围为0～0.2。

5.按权利要求1所述宽带选择性透波极化调控电磁结构，其特征在于，所述极化调控电磁结构的周期为：6.5～8.5mm，结构厚度为：3.0～6.0mm。

说明书

一种宽带选择性透波极化调控电磁结构

技术领域

[0001] 本发明属于电子材料技术领域，涉及电磁结构设计，具体为一种宽带选择性透波极化调控电磁结构。

背景技术

[0002] 极化状态是电磁波的一个非常重要的特征，应用电磁波的极化性能可对探测目标进行识别、编码和抽样；电磁波的极化调控在通信、导航和雷达等高科技领域已经获得广泛的应用。调控电磁波的极化状态一直是人们想要实现的重要目标，自然界中能够调控电磁波极化状态的媒质非常有限，且效率低下。因此，通过人工方法来控制电磁波的极化状态一直是人们想要实现的目标。

[0003] 人工电磁结构已经成为了一种可以调控电磁波极化特性的理想材料，通过人工电磁结构基本单元结构的设计可以实现对电磁波的极化调控。传统的透射型电磁波极化状态调控的方法包括光栅调控、二色晶体调控以及通过双折射效应来实现；但是这一类型的极化调控电磁结构需要复杂的设计和较大的结构厚度来改变电磁波的相位以达到极化调控的目的。目前，现有极化调控电磁结构普遍存在极化调控带宽窄、极化调控效率低下及结构厚度较大等问题，尤其当电磁波的入射角度发生改变时，电磁结构对电磁波的极化调控性能极度恶化。因此，减小结构厚度，开展多种结构形式综合的极化调控电磁结构，增大极化调控带宽、提高极化调控效率及改善不同入射角度下的极化调控性能是亟需解决的技术问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种宽带选择性透波极化调控电磁结构；该结构具有非对称传输特性，即当一种极化电磁波正向入射通过该结构时，透射电磁波发生极化转换；而当相同极化电磁波从反向入射通过该结构时，则不能通过该结构，发生全反射的现象。同时，该结构具有非对称透波功能，即当两种极化波入射通过该结构时，透射的两种电磁波在不同频段发生极化转换；该功能可被应用作为极化控制开关—当入射波极化状态变为正交偏振态时，开关就被打开或者关闭。此外，本发明提供极化调控电磁结构在极化调控带宽、极化调控效率及入射角度等方面均优于现有极化调控电磁结构。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种宽带选择性透波极化调控电磁结构，其特征在于，该结构共包含5层，表层和底层为相同尺寸的金属开口谐振环、且开口方向相互垂直，中间层为金属偶极子，金属偶极子与谐振环之间均为介质基板；所述金属开口谐振环开口方向沿对角线方向，所述金属偶极子长轴方向与谐振环开口方向呈45°夹角。

[0007] 进一步的，所述介质基板的电磁参数为：相对介电常数实部范围为3.2～4.6，虚部范围为0～0.2。

[0008] 所述金属开口谐振环的外边长为：3.5～6.5mm，内边长为：0.8～2.0mm，开口缝隙间距为：0.8～1.6mm。

[0009] 所述金属偶极子的长度为：5.0～7.5mm，宽度为：1.5～4.5mm。

[0010] 所述极化调控电磁结构的周期为：6.5～8.5mm，结构厚度为：3.0～6.0mm。

[0011] 本发明提供极化调控电磁结构采用PCB(Print Circuit Board，印刷电路板)工艺将周期性金属图形阵列分别涂覆在所述介质基板表面和背面形成。

[0012] 本发明的有益效果在于：

[0013] 1.本发明极化调控电磁结构制作工艺简单成熟、可操作性强、成本较低；

[0014] 2.本发明极化调控电磁结构具有非对称极化传输功能，即同一极化波从正方向(-z方向)入射，通过该结构后发生极化转换，当该极化波从负方向(z方向)入射时，则发生全反射的现象；

[0015] 3.本发明极化调控电磁结构具有较宽的极化转换频带和较高的极化转换率；

[0016] 4.本发明极化调控电磁结构具有选择性透波功能；

[0017] 5.本发明极化调控电磁结构在入射角度为0°至30°范围内，均能保持较高的极化转换率、较宽的极化转换频带以及稳定的选择性透波工作频段；

[0018] 6.通过合理调整周期性金属图形的尺寸和结构厚度，本发明同样适合于其它类似的电磁调控结构。

附图说明

[0019] 图1为本发明宽带选择性透波极化调控电磁结构示意图；其中，(a)为单元结构示意图，(b)为表层谐振环，(c)为中间层偶极子，(d)为底层谐振环；p为周期性单元边长，2t为结构的总厚度；谐振环的参数为：外边长为a、内边长b、开口缝隙间距为g；偶极子长度为l，宽度为w。

[0020] 图2为实施例1极化调控电磁结构当电磁波沿-z方向(正方向)入射时，电磁结构的传输系数曲线；其中，传输系数tij的下标i和j分别对应传输和入射电磁波的极化状态(i，j＝u，v)，同极化传输系数tvv和tuu重合。

[0021] 图3为实施例1极化调控电磁结构当电磁波沿z方向(反方向)入射时，电磁结构的传输系数曲线；其中，同极化传输系数tvv和tuu重合。

[0022] 图4为实施例1极化调控电磁结构在入射角度从0°增大到30°条件下，电磁波沿-z方向入射时的交叉极化反射系数tvu曲线。

[0023] 图5为实施例1极化调控电磁结构在入射角度从0°增大到30°条件下，电磁波沿-z方向入射时的交叉极化反射系数tuv曲线。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0025] 实施例1

[0026] 本实施例提供一种宽带选择性透波极化调控电磁结构，该结构共包含5层，表层和底层为相同尺寸的金属开口谐振环、且开口方向相互垂直，中间层为金属偶极子，金属偶极子与谐振环之间均为介质基板；所述金属开口谐振环开口方向沿对角线方向，所述金属偶极子长轴方向与谐振环开口方向呈45°夹角。本实施例是在t＝2.0mm的介质基板表面涂覆周期性金属图案实现，其单元尺寸为：p＝7.5mm，a＝5.0mm，b＝1.4mm，g＝1.0mm，l＝7.0mm，w＝3.0mm；介质基板的电磁参数范围为：相对介电常数实部范围为2.0～4.6，虚部范围为0～0.1。

[0027] 对上述极化调控电磁结构进行仿真，其结果如图2至图5所示，其在u极化电磁波垂直入射下，极化转换效率大于86％的频带宽度为10.0GHz～12.3GHz；在v极化电磁波垂直入射下，极化转换效率大于86％频带宽度为16.6GHz～22.3GHz；当电磁波入射角度增大至30°时，u极化波入射下，极化转换效率大于76％的频带宽度为9.8GHz～12.2GHz；v极化波入射下，极化转换效率大于76％的频带宽度为15.3GHz～21.2GHz。电磁结构在两种极化波入射下产生了不同的极化转换频带，具有选择滤波特性，且极化转换效率和频带宽度都能得到加强。

[0028] 实施例2

[0029] 本实施例宽带选择性透波极化调控电磁结构是在t＝2.5mm的介质基板表面涂覆周期性金属图案实现，其单元尺寸为：p＝7.5mm，a＝5.0mm，b＝1.4mm，g＝1.0mm，l＝7.0mm，w＝3.0mm；介质基板的电磁参数范围为：相对介电常数实部范围为2.0～4.6，虚部范围为0～0.1。

[0030] 上述极化调控电磁结构，在u极化电磁波垂直入射下，极化转换效率大于90％的频带宽度为9.8GHz～11.0GHz；在v极化电磁波垂直入射下，极化转换效率大于90％频带宽度为15.7GHz～20.0GHz；当电磁波入射角度增大至30°时，u极化波入射下，极化转换效率大于88％的频带宽度为9.9GHz～11.3GHz；v极化波入射下，极化转换效率大于88％的频带宽度为16.0GHz～20.1GHz。电磁结构在两种极化波入射下产生了不同的极化转换频带，具有选择滤波特性，且极化转换效率和频带宽度都能得到加强。

[0031] 实施例3

[0032] 本实施例宽带选择性透波极化调控电磁结构是在t＝2.5mm的介质基板表面涂覆周期性金属图案实现，其单元尺寸为：p＝8.0mm，a＝4.8mm，b＝1.6mm，g＝1.0mm，l＝7.0mm，w＝3.0mm；介质基板的电磁参数范围为：相对介电常数实部范围为2.0～4.6，虚部范围为0～0.1。

[0033] 上述极化调控电磁结构，在u极化电磁波垂直入射下，极化转换效率大于87％的频带宽度为9.8GHz～11.6GHz；在v极化电磁波垂直入射下，极化转换效率大于87％频带宽度为15.8GHz～20.3GHz；当电磁波入射角度增大至30°时，u极化波入射下，极化转换效率大于86％的频带宽度为9.8GHz～12.0GHz；v极化波入射下，极化转换效率大于86％的频带宽度为16.4GHz～20.5GHz。电磁结构在两种极化波入射下产生了不同的极化转换频带，具有选择滤波特性，且极化转换效率和频带宽度都能得到加强。

[0034] 实施例4

[0035] 本实施例宽带选择性透波极化调控电磁结构是在t＝2.3mm的介质基板表面涂覆周期性金属图案实现，其单元尺寸为：p＝7.5mm，a＝4.8mm，b＝1.6mm，g＝1.0mm，l＝7.0mm，w＝3.0mm；介质基板的电磁参数范围为：相对介电常数实部范围为2.0～4.6，虚部范围为0～0.1。

[0036] 上述极化调控电磁结构，在u极化电磁波垂直入射下，极化转换效率大于83％的频带宽度为9.8GHz～12.1GHz；在v极化电磁波垂直入射下，极化转换效率大于83％频带宽度为16.1GHz～20.5GHz；当电磁波入射角度增大至30°时，u极化波入射下，极化转换效率大于76％的频带宽度为9.7GHz～12.9GHz；v极化波入射下，极化转换效率大于76％的频带宽度为16.1GHz～21.0GHz。电磁结构在两种极化波入射下产生了不同的极化转换频带，具有选择滤波特性，且极化转换效率和频带宽度都能得到加强。

[0037] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。