一種基于層疊三維人工手征超材料的多頻圓極化器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于多頻極化器技術領域，具體涉及一種基于層疊三維人工手征超材料的 多頻圓極化器。
【背景技術】
[0002] 所謂手征性是指類似于左右手之間無論經過平移還是旋轉都不能完全重合，互為 鏡像的一種性質。從這種意義上講，手征性描述的是一種幾何的概念。在電磁領域內，手征 性涉及到由這些奇異結構而引發的一些奇異電磁特性，如旋光性，圓極化二色性，光學特性 等。從幾何概念上講，自然界中很多分子均具有手征性，如DNA，葡萄糖和氨基酸等。由于這 些結構特征，自然界中的這些媒質均具有手征特性，但在只有光學頻段才能表現出，且旋光 強度很低，旋光頻率范圍固定。而人工手征超材料是指通過對亞波長人工電磁結構單元周 期排列或者按某種規律排列設計而成具有手征特性的人工電磁材料或電磁媒質。它能很好 地克服自然界手征材料存在的一些缺點，且厚度可以設計的很薄，因此具有重量輕等優點。 同時人們還可以通過合理設計和布局人工手征超結構單元實現對電磁波的極化控制和任 意操控手性媒質的工作頻段和帶寬。后續研究發現人工手征超材料還具有負折射和后向波 等特性。
[0003] 極化器是對手征超材料旋光性和圓極化二色性的一個重要應用，按照極化轉換方 式可以分為線極化器和圓極化器。其中線極化器又稱為極化旋轉器，按極化角度不同可以 實現不同的用途。圓極化器能將水平極化波轉成圓極化波，轉換后電磁信號同時被水平極 化和垂直極化的天線接受。由于其更強的穩定性和可靠性，圓極化器在無線通信系統中應 用很廣泛。但以往報道的超材料圓極化器中大多數是單頻工作。為了解決這一問題，研究人 員提出了不同形狀的人工電磁結構單元，如基于四個不同大小的U型諧振器，圓弧電磁結構 單元，車輪形電磁結構單元，開口環諧振器等，但以上大部分圓極化器是雙頻工作，且只能 單極化工作。圓弧電磁結構能在三個頻段實現線極化到圓極化的轉換，但部分頻段轉換效 率不高。最重要的是圓弧結構單元電尺寸大，遠超過超材料四分之一波長極限，使得等效媒 質理論失效，同時極化器的衍射效應得到增強。至今，還未有關于四波段，五波段甚至六波 段圓極化器的報道。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種結構尺寸小、頻段轉換效率高的多頻圓極化器。
[0005] 本發明設計的多頻圓極化器（圓極化平板），是基于層疊三維人工手征超材料的， 能在六個頻段同時工作，且能同時工作于兩個極化狀態，具體由人工手征電磁單元在二維 xoy平面上進行有限周期延拓得到，如圖1(c)所示;所述人工手征電磁單元，其結構由三層 (上層，中層，下層)金屬結構組成;每層金屬結構均有三個邊長大小漸變的L型（即正方形按 斜角方向對半分而成的形狀)金屬條帶組成;三層L形金屬條帶形狀和結構參數相同，且互 為180度旋轉，即中層金屬條帶與上、下層金屬條帶互為180度旋轉，如圖1(a)所示，使得整 個人工手征電磁單元結構的俯視圖（即在底部的投影)為三個完整的方形金屬環，如圖1(b) 所示，其中h是整個圓極化平板的總厚度。
[0006] 本發明設計的人工手征電磁單元，由于三層L形人工電磁結構單元的扭轉變換打 破了在Z方向上的鏡像對稱，因而具有手征特性。
[0007] 記外側、中間、內側的L形金屬條帶依次為U、L2、L3，其邊長分別為ai，a#Pa 3，寬度 均為d，U、L2之間距離為cU，L2、L3之間距離為d 2，這里選取didFcb;記上層和中層金屬結構之 間距離為出，中層和下層金屬結構之間距離為h2,這里選取出=1! 2;人工手征電磁單元的周期 長度為 P; ai，a2，a3，d，di，d2 之間滿足 ai=a2+2d+2di，a2=a3+2d+2d2; 為滿足有效媒質理論，單元的橫向尺寸和縱向尺寸均應小于 h2〈C/4f i，其中f :為圓極化平板最小工作頻率，C為真空中的光速。
[0008] 另外，為模擬無限大周期單元的響應，人工手征電磁單元二維延拓周期數應大于 5C/pfi。
[0009] 最后由于1^兒2兒3之間的相互耦合作用，使得工作頻率(模式）的放縮與結構尺寸 的放縮不成嚴格的線性比例關系，而是滿足。其中，a f2、f3、..+ f6依 次為圓極化器的6個工作頻率，且U的尺寸&1主要決定的大小，L 2的尺寸&2主要決定 f3、f4和f5的大小，L3的尺寸a3主要決定f6的大小。
[0010]本發明設計的多頻圓極化器，可在聚四氟乙烯玻璃布板(F4B)上具體實現。例如， 采用兩層厚度的F4B板層疊設計，其中一層F4B板的正面、反面刻互為180度的L形金屬條帶， 另一層F4B板的正面刻L形金屬條帶，反面金屬全腐蝕，構成人工手征電磁單元;通過在二維 xoy平面上對人工電磁結構單元進行有限周期延拓，得到合適尺寸的超材料多頻圓極化平 板，如圖1(c)所示。
[0011]工作時，電磁波沿上端口 1或者下端口 2垂直入射到超材料圓極化平板上(z方向）， 電場可以沿X方向極化或沿y方向極化，沿上端口 1入射時為后向入射，沿下端口 2入射時為 前向入射。由于本發明的人工電磁單元結構具有旋轉對稱性，因而基于該結構單元的圓極 化器具有極化不敏感等優良特性，即垂直入射的X極化波與垂直入射的y極化波會在極化器 平板中激發相同的極化特性。由于手征媒質提供的電場和磁場的交叉耦合，也即手征媒質 放在電磁場中會被同時磁化和極化。電感應強度矢量D，磁感應強度矢量B，電場強度矢量E， 磁場強度矢量Η滿足如下關系：
在笛卡爾坐標系統和線極化基準下，傳輸波的X極化分量:?:和y極化分量與入射 波X極化分量雞和7極化分量茍滿足如下關系：
其中，矩陣
％瓊斯矩陣，且^\4#4%4^分別為四個線極化波傳輸系數， 分別代表X極化入射波到X極化傳輸波的轉換系數，y極化入射波到X極化傳輸波的轉換系 數，X極化入射波到y極化傳輸波的轉換系數，y極化入射波到y極化傳輸波的轉換系數。且txx 和tyy體現了主極化的轉換效率，txy和tyx體現了交叉極化的轉換效率。
[0012]在圓極化基準下，傳輸波的右旋圓極化分量E+和左旋圓極化分量E-與入射波X極 化分量蹲和7極化分量與，滿足如下關系：
其中，矩P
中1^，1^，1^，1'1為線極化波到圓極化波的轉換系數，分別代表1 極化波到右旋圓極化波的轉換系數，X極化波到左旋圓極化波的轉換系數，y極化波到右旋 圓極化波的轉換系數，y極化波到左旋圓極化波的轉換系數。可以通過線極化波傳輸系數計 算得出。在這里定義極化方位旋轉角θ和橢圓率τι來描述出射波的極化特性和純度。當ri= ± 45°，出射波為純圓極化波；當n=〇°時，出射波為純線極化波；當〇°〈n〈45°，出射波為右旋橢圓 極化波；否則當-45°〈n〈〇°，出射波為左旋橢圓極化波。當n=〇°時，出射波為純線極化波，且θ 表示出射線極化波相對于入射線極化波的極化旋轉角度。
由于入射電磁波會在多層三環L形結構內形成多個局部諧振，產生多個磁耦極子，不同 磁耦極子之間的耦合會產生不同的主極化和交叉極化轉換效率。通過合理設計三個L形結 構的長度&1， &2和&3，寬帶(1以及周期？，可以使出射波的主極化和交叉分量在多個頻段內幅 度相等，相位相差90°，也即在多個頻段內將線極化波轉成圓極化波。
[0014] 本發明設計的基于層疊三維人工手征超材料的多頻圓極化器，結構尺寸小，頻段 轉換效率高。
【附圖說明】
[0015] 圖1為基于三層疊 L型金屬結構的三維人工手征電磁單元結構與圓極化器平板圖 不。
[0016] 圖2為線極化傳輸系數。其中，（a)、(b)分別為后向入射、前向入射情形。
[0017] 圖3為X極化波和y極化波后向入射情形下交叉極化傳輸與主極化傳輸系數的幅度 比值和相位差。
[0018] 圖4為x極化波和y極化波后向入射情形下左旋、右旋圓極化波轉換差異。
[0019] 圖5為X極化波和y極化波后向入射情形下左旋、右旋圓極化波轉換系數。
[0020 ]圖6為X極化波和y極化波后向入射情形下的(a)極化方位旋轉角和(b)橢圓率。
[0021] 圖7為圓極化器主極化交叉極化轉換差異隨(&)&1，（13)&2和((3) &3變化之間的關系。
[0022] 圖8為各個工作頻率處圓極化器L形金屬條上的電流分布。
【具體實施方式】
[0023] 下面通過具體實施例子，進一步描述本發明多頻超材料圓極化器的設計。
[0024]圖1為基于三層疊 L型金屬結構的三維人工手征電磁單元結構與圓極化器平板。六 波段圓極化器單元結構的幾何參數為:P=8mm，d=0.3mm，ai=6.8mm，a2=5.6mm，a3=4.4mm。
[0025] 將L形金屬條帶結構刻蝕在聚四氟乙烯玻璃布板(介質板)上，介質板的介電常數 為￡1^=2.65，厚度為11=2111111，電介質損耗正切為丨311〇=0.001，金屬銅箱厚度為0.0361111]1。實際設 計時，采用兩層厚度均為h=lmm的F4B板層疊實現，其中一層F4B板的正面、反面刻有互為180 度的L形銅箱金屬條帶，另一層F4B板的正面含有L形銅箱金屬條帶，反面銅箱全腐蝕。通過 在二維xoy平面上對人工電磁結構單元進行有限周期延拓，可以得到合適尺寸的超材料圓 極化平板，如圖1 (c )所不。
[0026] 圖2給出了后向入射和前向入射時的線極化傳輸系數，從圖中可以清楚地看到兩 種情形下主極化傳輸與交叉極化傳輸系數完全相同。本發明的人工手征結構單元的旋轉對 稱性使得交叉極化傳輸系數t xy=tyx和txx=tyy。因而由該人工手征結構單元構成的圓極化還 具有雙極化等優良特性，即X極化波與y極化波入射具有相同的電磁響應