一種利用場變換理論對自由空間電磁波進行極化轉換的方法和半波片與流程

本發明設計一種利用場變換理論對入射的自由空間電磁波進行極化轉換的方法、實現了一種寬頻帶廣角度的半波片，屬于微波器件領域。核心部分是通過場變換理論設計空氣與介質層高度，并使空氣與介質層的周期性排布形成一種新的等效介電常數各向異性的介質。利用等效介電常數各向異性的特性實現電場與磁場的相互轉化，從而實現電磁波的極化轉換。本發明結構簡單，利用3D打印技術極易制備，并且能實現廣角度、超寬頻帶的極化轉換。

背景技術：
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半波片是能使電磁波的極化方向發生改變的一種器件，在微波器件中有著重要的應用價值。半波片對入射電磁波的極化方向進行調控，使出射電磁波或反射電磁波的極化方向發生改變。傳統的半波片制作工藝復雜，不易實現。另外由于傳統波片工作在高階模式，所以可實現的轉換帶寬較窄，較難達到寬角度入射的要求。所以，傳統波片在微波器件中的應用范圍受到了很大的限制。本專利提出的利用場變換設計的半波片工作于零階模式，故可以實現極化轉換的超寬帶。另外場變換設計方法與入射角無關，所以不受入射角的限制，可以實現入射波在廣角度入射的情況下依然有很好的極化轉換效果。本專利結構簡單，結合3D打印技術后能夠快速制備實現。

技術實現要素：
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發明目的：本發明設計一種利用場變換理論對入射的自由空間電磁波進行極化轉換的方法實現了一種寬頻帶廣角度的半波片。傳統半波片在轉換頻率與入射角度兩個方面很難同時達到令人滿意的效果。利用場變換理論所設計的半波片可以在入射波入射角度很大的情況下可轉換的頻帶依然寬，并且結合3D打印技術容易制備，可以實現在復雜情況下的極化轉換。

技術方案：本發明所述的對電磁波進行極化轉換的半波片有兩種介質組成：空氣、介質層。根據場變換理論，我們在自由空間中引入一種新的電場和磁場，分別用E₍₀₎、H₍₀₎表示，并假設新引入的電場與磁場與原電場E與磁場H的關系為：

當φ＝π/2時，我們可以得到如下關系：

E＝-iH₍₀₎

iH＝E₍₀₎

我們可以設材料的磁導率μ為1，那么材料的的介電常數ε可以表示為：

其中

當介電常數只在y方向上變化時，

k₀為真空中的波數。h為半波片厚度。

由上式可知，介電常數為各向異性且各個方向上的介電常數符合一定規律的材料能夠實現極化轉換。當電磁波入射到這種材料中時，電場與磁場會發生相互轉換，由此我們便可以進行電磁場的極化轉換。

我們根據等效介質理論利用空氣與一種介質實現場變換中的各向異性材料。根據等效介質理論，若兩種介質介電常數分別為ε₁、ε₂，高度分別為d₁、d₂，那么我們可以將這兩種介質按周期性排布。這樣我們就可以得到一種各向異性的介質。這種各向異性的介質各個方向上的介電常數為：

其中η＝d₁/d₂。

然后將這種介質再旋轉45度后，此時各個方向上的介電常數為：

根據場變換理論與等效介質理論，2Ay＝εxz。當兩種介質介電常數確定時，我們可以通過控制兩種介質高度的比例與整個半波片的厚度來控制半波片作用的頻率范圍，并以此為依據制造半波片。

有益效果：1、可以通過實際情況和要求來控制兩種介質的介電常數與厚度之比來制作半波片；2、結合3D打印機能更容易的制備出半波片；3、本發明能實現廣角度、寬頻帶的極化轉換。

附圖說明：

圖1是本發明半波片實現極化轉換的示意圖。

圖2是本發明的整體示意圖。

圖3是本發明半波片的主視圖。

圖4是本發明半波片的俯視圖，θ為電磁波的入射角。

圖5是入射角θ為0°時，出射TM波和TE波與入射TE波的比值。

圖6是入射角θ分別為0°-60°時，出射TE波與入射TE波的比值

圖7是入射角θ分別為0°-60°時，出射TM波與入射TE波的比值

圖8是入射角θ為0°時，出射LCP波和RCP波與入射LCP波的比值。

圖9是入射角θ分別為0°-60°時，出射LCP波與入射RCP波的比值

圖10是入射角θ分別為0°-60°時，出射RCP波與入射LCP波的比值

在所有的上述附圖中，相同的標號表示具有相同、相似或相應的特征或功能。

具體實施方式：

下面結合附圖，通過具體的實施例詳細說明本發明的技術方案。

實施例：參考圖1-4描述的本發明的應用場景圖、半波片的整體示意圖、半波片的主視圖、半波片的俯視圖。

本發明所設計的半波片是由3D打印材料1、空氣2和介電常數為10的介質層3構成。其中空氣層2的高度為5mm，介質層3的高度為0.68mm，整個半波片的厚度為5.5mm。

我們首先用3D打印機打印出半波片的框架，框架四周有凹槽，方便將介質層插入。每個凹槽之間的距離為5mm，即空氣層的高度為5mm。將框架打印成如圖2和圖3所示的八邊形，以某一窄邊作為半波片的底邊。然后將厚度為5.5mm、高度為0.68mm、介電常數為10的介質板插入3D打印材料中，即可得到我們所設計的半波片。

電磁波入射到半波片中，由于半波片介電常數的各向異性，入射的電磁波將會發生極化轉換。具體來說，即TE(TM)波轉化為TM(TE)波，右(左)旋極化波轉化為左(右)旋極化波。

圖5是入射角θ為0°時，出射TM波和TE波與入射TE波的比值。虛線是出射的TM波與入射TE波的比值，實線是出射TE波與入射TE波的比值。由圖我們可以看到，在入射角為0時，半波片TE波轉化為TM波的-3dB轉換頻帶在22G到37G左右。

圖6是入射角θ分別為0°-60°時，出射TE波與入射TE波的比值，圖7是入射角θ分別為0°-60°時，出射TM波與入射TE波的比值。圖6、圖7顯示出半波片可實現廣角度的極化轉換。

圖8是入射角θ為0°時，出射LCP波和RCP波與入射LCP波的比值。虛線是出射的RCP波與入射LCP波的比值，實線是出射LCP波與入射LCP波的比值。由圖我們可以看到，在入射角為0時，半波片LCP波轉化為RCP波的轉換頻帶在23G到38G左右。

圖9是入射角θ分別為0°-60°時，出射TE波與入射TE波的比值，圖10是入射角θ分別為0°-60°時，出射RCP波與入射LCP波的比值。圖9、圖10顯示出半波片可實現廣角度的極化轉換。

以上所述，僅為本發明的優選實施例，并不能以此限定本發明實施的范圍，即凡依本發明權利要求及發明說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬于本發明專利覆蓋的范圍。