一种利用场变换理论对自由空间电磁波进行极化转换的方法和半波片

摘要

本发明公开了利用场变换理论并结合3D打印技术实现对入射的自由空间电磁波进行极化转换的超宽频带广角度的波片，属于微波器件领域。该波片利用场变换理论以及等效介质理论对入射电磁波进行极化转换，使得反射电磁波的极化方向改变。本发明可用于微波器件的制作，利用3D打印机易于制备。该波片由空气与介质层构成。将介质层按理论计算值按一定间隔横向排布，中间填充空气，然后将其旋转45度，即可得到可以实现极化转换的波片。本发明的优点是：结构简单，采用3D打印的方法可以快速制备实现，并且能实现广角度、宽频带的极化转换。

权利要求

1.一种利用场变换理论对自由空间电磁波进行极化转换的方法，其特征是采用一种利用场变换理论并结合3D打印技术实现对入射的自由空间电磁波进行极化转换的超宽频带广角度波片；所述波片对入射电磁波进行极化转换，使得出射电磁波的极化方向发生变化，从而实现极化转换；极化转换的所述波片是由空气及一种介质层构成；将介质层按理论计算值按一定间隔横向排布，中间填充空气，然后将其旋转45度，即得到实现极化转换的波片；

所述波片用空气与介质层的周期性排布并旋转一定角度形成一种等效介电常数各向异性的介质；利用各向异性介电常数的的特性实现电场与磁场的相互转化，从而实现电磁波的极化转换；

所述的对电磁波进行极化转换的波片为半波片，所述半波片有两种介质组成：空气、介质层；根据场变换理论，在自由空间中引入一种新的电场和磁场，分别用E(0)、H(0)表示，并假设新引入的电场与磁场与原电场E与磁场H的关系为：当φ＝π/2时，得到如下关系：

E＝-iH(0)

iH＝E(0)

设材料的磁导率μ为1，那么材料的的介电常数ε表示为：

其中

当介电常数只在y方向上变化时，

k0为真空中的波数；h为半波片厚度；

由上式可知，介电常数为各向异性且各个方向上的介电常数符合一定规律的材料能够实现极化转换；当电磁波入射到这种材料中时，电场与磁场会发生相互转换，由此进行电磁场的极化转换；

根据等效介质理论，利用空气与一种介质实现场变换中的各向异性材料，根据等效介质理论，若两种介质介电常数分别为ε1、ε2，高度分别为d1、d2，那么将这两种介质按周期性排布，得到一种各向异性的介质；这种各向异性的介质各个方向上的介电常数为：其中η＝d1/d2；

然后将这种介质再旋转45度后，此时各个方向上的介电常数为：根据场变换理论与等效介质理论，2Ay＝εxz；当两种介质介电常数确定时，通过控制两种介质高度的比例与整个半波片的厚度来控制半波片作用的频率范围，并以此为依据制造半波片。

说明书

一种利用场变换理论对自由空间电磁波进行极化转换的方法

和半波片

技术领域：

[0001] 本发明设计一种利用场变换理论对入射的自由空间电磁波进行极化转换的方法、实现了一种宽频带广角度的半波片，属于微波器件领域。核心部分是通过场变换理论设计空气与介质层高度，并使空气与介质层的周期性排布形成一种新的等效介电常数各向异性的介质。利用等效介电常数各向异性的特性实现电场与磁场的相互转化，从而实现电磁波的极化转换。本发明结构简单，利用3D打印技术极易制备，并且能实现广角度、超宽频带的极化转换。背景技术：

[0002] 半波片是能使电磁波的极化方向发生改变的一种器件，在微波器件中有着重要的应用价值。半波片对入射电磁波的极化方向进行调控，使出射电磁波或反射电磁波的极化方向发生改变。传统的半波片制作工艺复杂，不易实现。另外由于传统波片工作在高阶模式，所以可实现的转换带宽较窄，较难达到宽角度入射的要求。所以，传统波片在微波器件中的应用范围受到了很大的限制。本专利提出的利用场变换设计的半波片工作于零阶模式，故可以实现极化转换的超宽带。另外场变换设计方法与入射角无关，所以不受入射角的限制，可以实现入射波在广角度入射的情况下依然有很好的极化转换效果。本专利结构简单，结合3D打印技术后能够快速制备实现。发明内容：

[0003] 发明目的：本发明设计一种利用场变换理论对入射的自由空间电磁波进行极化转换的方法实现了一种宽频带广角度的半波片。传统半波片在转换频率与入射角度两个方面很难同时达到令人满意的效果。利用场变换理论所设计的半波片可以在入射波入射角度很大的情况下可转换的频带依然宽，并且结合3D打印技术容易制备，可以实现在复杂情况下的极化转换。

[0004] 技术方案：本发明所述的对电磁波进行极化转换的半波片有两种介质组成：空气、介质层。根据场变换理论，我们在自由空间中引入一种新的电场和磁场，分别用E(0)、H(0)表示，并假设新引入的电场与磁场与原电场E与磁场H的关系为：

[0005]

[0006] 当φ＝π/2时，我们可以得到如下关系：

[0007] E＝-iH(0)

[0008] iH＝E(0)

[0009] 我们可以设材料的磁导率μ为1，那么材料的的介电常数ε可以表示为：

[0010]

[0011] 其中

[0012]

[0013]

[0014] 当介电常数只在y方向上变化时，

[0015] k0为真空中的波数。h为半波片厚度。

[0016] 由上式可知，介电常数为各向异性且各个方向上的介电常数符合一定规律的材料能够实现极化转换。当电磁波入射到这种材料中时，电场与磁场会发生相互转换，由此我们便可以进行电磁场的极化转换。

[0017] 我们根据等效介质理论利用空气与一种介质实现场变换中的各向异性材料。根据等效介质理论，若两种介质介电常数分别为ε1、ε2，高度分别为d1、d2，那么我们可以将这两种介质按周期性排布。这样我们就可以得到一种各向异性的介质。这种各向异性的介质各个方向上的介电常数为：

[0018]

[0019]

[0020] 其中η＝d1/d2。

[0021] 然后将这种介质再旋转45度后，此时各个方向上的介电常数为：

[0022]

[0023]

[0024]

[0025] 根据场变换理论与等效介质理论，2Ay＝εxz。当两种介质介电常数确定时，我们可以通过控制两种介质高度的比例与整个半波片的厚度来控制半波片作用的频率范围，并以此为依据制造半波片。

[0026] 有益效果：1、可以通过实际情况和要求来控制两种介质的介电常数与厚度之比来制作半波片；2、结合3D打印机能更容易的制备出半波片；3、本发明能实现广角度、宽频带的极化转换。附图说明：

[0027] 图1是本发明半波片实现极化转换的示意图。

[0028] 图2是本发明的整体示意图。

[0029] 图3是本发明半波片的主视图。

[0030] 图4是本发明半波片的俯视图，θ为电磁波的入射角。

[0031] 图5是入射角θ为0°时，出射TM波和TE波与入射TE波的比值。

[0032] 图6是入射角θ分别为0°-60°时，出射TE波与入射TE波的比值

[0033] 图7是入射角θ分别为0°-60°时，出射TM波与入射TE波的比值

[0034] 图8是入射角θ为0°时，出射LCP波和RCP波与入射LCP波的比值。

[0035] 图9是入射角θ分别为0°-60°时，出射LCP波与入射RCP波的比值

[0036] 图10是入射角θ分别为0°-60°时，出射RCP波与入射LCP波的比值

[0037] 在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。具体实施方式：

[0038] 下面结合附图，通过具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

[0039] 实施例：参考图1-4描述的本发明的应用场景图、半波片的整体示意图、半波片的主视图、半波片的俯视图。

[0040] 本发明所设计的半波片是由3D打印材料1、空气2和介电常数为10的介质层3构成。其中空气层2的高度为5mm，介质层3的高度为0.68mm，整个半波片的厚度为5.5mm。

[0041] 我们首先用3D打印机打印出半波片的框架，框架四周有凹槽，方便将介质层插入。每个凹槽之间的距离为5mm，即空气层的高度为5mm。将框架打印成如图2和图3所示的八边形，以某一窄边作为半波片的底边。然后将厚度为5.5mm、高度为0.68mm、介电常数为10的介质板插入3D打印材料中，即可得到我们所设计的半波片。

[0042] 电磁波入射到半波片中，由于半波片介电常数的各向异性，入射的电磁波将会发生极化转换。具体来说，即TE(TM)波转化为TM(TE)波，右(左)旋极化波转化为左(右)旋极化波。

[0043] 图5是入射角θ为0°时，出射TM波和TE波与入射TE波的比值。虚线是出射的TM波与入射TE波的比值，实线是出射TE波与入射TE波的比值。由图我们可以看到，在入射角为0时，半波片TE波转化为TM波的-3dB转换频带在22G到37G左右。

[0044] 图6是入射角θ分别为0°-60°时，出射TE波与入射TE波的比值，图7是入射角θ分别为0°-60°时，出射TM波与入射TE波的比值。图6、图7显示出半波片可实现广角度的极化转换。

[0045] 图8是入射角θ为0°时，出射LCP波和RCP波与入射LCP波的比值。虚线是出射的RCP波与入射LCP波的比值，实线是出射LCP波与入射LCP波的比值。由图我们可以看到，在入射角为0时，半波片LCP波转化为RCP波的转换频带在23G到38G左右。

[0046] 图9是入射角θ分别为0°-60°时，出射TE波与入射TE波的比值，图10是入射角θ分别为0°-60°时，出射RCP波与入射LCP波的比值。图9、图10显示出半波片可实现广角度的极化转换。

[0047] 以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属于本发明专利覆盖的范围。