表面波偏振转换器制造技术

用于将电磁表面波从TE模式转换到TM模式或反之的方法和装置。包括具有各向异性阻抗张量的介电表面，该介电表面优选地通过设置在介电表面上并以单元格的二维阵列布置的多个导电单元格获得。大部分单元格被划分成至少两个部分，至少一个间隙将至少两个部分彼此分隔成两个或更多个片或板。单元阵列具有表面波输入端和表面波输出端，最靠近输入端布置的单元格中的间隙具有第一方向，在最靠近输出端设置的所述单元格中的间隙具有与所述第一方向不同的第二方向。所述电磁表面波的频率大于由所述介电表面的麦克斯韦方程的第二解决定的TE截止频率。

Surface wave polarization converter

A method and device for converting electromagnetic surface waves from TE mode to TM mode or vice versa. A dielectric surface including an anisotropic impedance tensor is obtained, preferably through a plurality of conductive cells arranged on the dielectric surface and arranged in a two-dimensional array of cells. Most of the cells are divided into at least two parts, and at least one gap separates at least two parts into two or more pieces or plates. The cell array has surface wave input and surface wave output terminals. The gap in the cell closest to the input terminal has the first direction. The gap in the cell near the output terminal has second directions different from the first direction. The frequency of the electromagnetic surface wave is larger than the TE cut-off frequency determined by the second solution of the Maxwell equation on the dielectric surface.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】表面波偏振转换器相关申请的交叉引用本申请要求2015年7月20日递交的申请号为62/194,743的美国临时专利申请的优先权，其所披露的内容并入本申请作为参考。关于联邦政府赞助的研究或开发的声明无。
在此披露的是用于将电磁表面波在两个基本偏振之间转换的装置：横向磁(TM)和横向电(TE)。TM模式具有沿传播方向极化并垂直于表面的电场，以及横向方向的磁场。相反地，TE模式在传播方向和法线方向上具有磁场，在横向方向上具有电场。通过在接地的介电基底上图案化金属片而形成的阻抗表面，可以在TE偏振和TM偏振之间转换所述表面波的偏振。
技术介绍
人造阻抗表面天线是通过在人造阻抗表面上发射表面波实现的，其阻抗在阻抗表面上被空间调制。人造阻抗表面天线操作的基本原理是利用被调制阻抗表面的网格动量，将激发的表面波前的波矢与所需的平面波相匹配。阻抗表面可以支持表面波模式，即TM模式，TE模式或混合模式。张量阻抗表面(不是标量表面)支持混合模式，是TM模式和TE模式的组合。这些混合模式以前被归类为两种类型，由于它们与纯TM模式和纯TE模式的相似性，所以被称为“TM类”和“TE类”。TM模式具有沿传播方向极化并垂直于表面的电场，以及横向方向的磁场。TE模式相反地在传播方向和法线方向上具有磁场，在横向方向上具有电场。在2010年天线应用研讨会论文集第二卷288页，由D.Gregoire和J.Colburn发表的“人造阻抗表面天线设计和模拟”一文中，作者报告了仿真人造阻抗表面天线的快速近似方法的发展，其可以快速计算平坦和弯曲的人造阻抗表面的辐射图案。作为开发过程的一部分，作者指出，虽然TM模式人造阻抗表面天线的角度范围受到限制，但TE模式人造阻抗表面天线可以在高仰角时非常有效地辐射，因为每个电流元件都垂直于表面波的传播，并没有依赖于角度的极化。这表示设计者至少有一个动机去获得转换TE模式极化和TM模式极化的手段。电扫描天线，电磁散射，反射阵列，波导和其他电磁装置的设计者希望有这样的灵活性，使得可以在单个设计中实现在不同极化之间进行切换的。这些设计人员面临的一个典型挑战是将天线集成到复杂的金属形状上，同时保持所需的辐射特性。在由D.Sievenpiper、J.Colburn、B.Fong、J.Ottusch和J.Vesher于第29届天线应用研讨会(2005年)发表的“用于共形天线的全息人造阻抗表面”一文中，披露了一种人造阻抗表面，其由接地的介电衬底上的亚波长金属贴片晶格组成。所公开结构的有效表面阻抗取决于贴片的尺寸，并且可以根据位置而变化。使用由金属条纹图案组成的全息图，表面阻抗被设计为由表面电流产生任何期望的辐射图案。然而，本文没有提及极化，也没有公开极化转换。现有技术已经公开了TM，TE或类似TM的表面。由D.Sievenpiper、J.Schaffner、J.Lee和S.Liveston在IEEE天线和无线传播学报第1卷第1期(2002年)第179页发表的“使用可调谐阻抗接地层的可控漏波天线”一文中，公开了一种现有技术的可控泄漏波天线，其中水平极化天线将能量耦合到可调纹理接地平面上的泄漏横向电波。表面的调谐共振频率使频带结构在频率上变化而以固定的频率改变泄漏波的切向波矢量，并且使所产生的发射波束的仰角转向。尽管文章讨论了TM模式和TE模式，但是这种现有技术没有提出或公开一种转换入射波极化的方法。由O.Lukkonen、C.Simovski、G.Granet、G.Goussetis、D.Lilipptchenko、A.Raisanen和S.Tretyakov在IEEE天线与传播，第56卷第6期，第1624页(2008年)发表的“平面栅格和包括金属带或贴片的高阻抗表面的简单及精确的分析模型”一文中，作者提出了一种能够预测人造表面大角度入射的平面波响应的分析模型，包括TE极化波和TM极化波。虽然作者讨论了在人工表面上的波传导，但他们没有论及偏振模式的转换或者采用机制来改变人造表面上的极化波。在其他现有技术中，由J.Colburn、A.Li、D.Sievenpiper、A.Bekaryan、B.Fong、J.Ottusch和P.Tulythan在天线与传播国际协会研讨会(2009年)第1页发表的“自适应人工阻抗表面共形天线”一文中，公开了一种控制在自适应的阻抗表面上传播的表面波带来的辐射的方法，其中变容二极管被插入在小金属焊盘之间。通过改变金属焊盘之间的电压偏置，可以创建不同的阻抗图案，使得天线足够灵活以制造频率和辐射图案均可适应的共形天线。另外，使用期望边界TM表面波与期望出射平面波之间的干涉图案来创建微波全息图。文章没有建议或披露偏振转换。由B.Fong、J.Colburn、J.Ottusch、J.Visher和D.Sievenpiper在IEEE天线与传播学报第58卷10期3212页(2010年)发表的“标量和张量全息人工阻抗表面”一文中，该现有技术公开了TM和TM类全息天线。在图1中，张量人造阻抗表面，由具有可变角度和间隙宽度的正方形切片贯穿金属贴片实现，可用于设计共形天线，以将给定表面波散射成期望的远场辐射图案并提供偏振控制。该现有技术公开了用于设计和构建以从线性偏振源产生圆偏振平面波的面的装置。然而，该现有技术没有披露用于在纯TE极化和纯TM极化之间转换表面波的极化的结构或方法。由D.Gregoire和J.Colburn在2011年天线应用研讨会论文集(2011年)的第460页发表的“人造阻抗表面天线”一文中，现有技术识别出支持在横向电场(TE)模式和横向磁场(TM)模式其中之一极化的表面波的结构。在图2中，作者报告了一个正方形的小片，具有穿过其中的倾斜切片，已被用于形成张量表面波结构，以实现具有圆偏振辐射的全息漏波天线。由A.Patel和AGrbic在IEEE天线与传播学报卷59第6期(2011年)2087页发表的“基于正弦调制电抗表面印刷的漏波天线”一文中，该现有技术用于设计电抗表面，该电抗表面以固定频率以期望的偏离宽边角度产生定向辐射。尤其是印制泄漏波，具有调制电抗表面的TM极化天线通过在接地介电基板上设计金属条阵列得到，其中，金属条之间的间隙被映射到期望的表面阻抗。这种现有技术的电抗表面设计既不使用TE偏振也不涉及TE和TM偏振之间的转换。张量阻抗表面在表面上的电场和磁场之间具有张量关系。这个关系可由2×2表面阻抗张量定义：阻抗表面通常是通过将亚波长金属夹杂物介电中周期性地图案化成而产生的。夹杂物的周期一般在λ/10的数量级上。对于较大的周期，表面支持可能产生干扰的多个表面波模式。TM类模式在最低TE模式的截止频率处崩溃。在这个截止频率以上，TM类模式不能再用于某些入射角。在现有技术设计中，天线在该TE截止频率以下工作。在本案公开的技术中，展示了可以通过在TE截止频率以上操作来创建偏振转换器。该模式不是TM类模式，而是真正的混合TM-TE模式。混合TM-TE模式没有被单个张量阻抗边界正确地建模。相反，在顶层上具有张量阻抗片的接地介电被用来对结构进行建模。接地介电衬底上的电容性阻抗片的提取方法已经开发出来了。目前公开的技术的主要优点是它允许设计者在单个设计内实现极化的切换。如果需要，它也可以改变(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改变电磁表面波的偏振的方法，其是通过将电磁表面波引导到包括一贴片矩阵的金属表面上，每个贴片包括至少一个通过去除材料而形成的单个切片，其中所述矩阵包括相对设置的正向侧和反向侧，所述电磁波表面波被导向在所述正向方向或所述反向方向上传播，位于所述矩阵一侧的最靠近所述正向侧的贴片的切片的方向与所述正向平行，所述切片的方向从与所述矩阵的正向侧平行逐渐旋转为与所述矩阵的反向侧垂直，使得所述电磁表面波在所述元表面上传播时随着切片方向的逐渐旋转而逐渐改变偏振。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.20 US 62/1947431.一种改变电磁表面波的偏振的方法，其是通过将电磁表面波引导到包括一贴片矩阵的金属表面上，每个贴片包括至少一个通过去除材料而形成的单个切片，其中所述矩阵包括相对设置的正向侧和反向侧，所述电磁波表面波被导向在所述正向方向或所述反向方向上传播，位于所述矩阵一侧的最靠近所述正向侧的贴片的切片的方向与所述正向平行，所述切片的方向从与所述矩阵的正向侧平行逐渐旋转为与所述矩阵的反向侧垂直，使得所述电磁表面波在所述元表面上传播时随着切片方向的逐渐旋转而逐渐改变偏振。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方形切片包括印制在接地介电衬底上的金属贴片。3.如权利要求2所述的方法，其中，所述介电衬底不具有接地平面。4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，TM模式被引导在矩阵的正向侧入射并转换为TE模式。5.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，TM模式被引导在矩阵的反向侧入射并转换为TE模式。6.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，TE模式被引导在矩阵的反向侧入射并转换为TM模式。7.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其中，所述元表面由具有通孔的多层印刷电路板组成。8.一种装置，用于将电磁表面约束波的偏振（i）从纯TE模式转换为纯TM模式，或（ii）从纯TM模式转换为纯TE模式，或（iii）从TE模式与TM模式的一个线性组合转换为TE模式与TM模式的另一个不同的线性组合，所述装置包括：a.介电衬底；b.设置在所述介电衬底上并排列成单元格阵列的多个导电单元格，选择所述单元格的尺寸和所述介电表面的材料，使得麦克斯韦方程的解导致TE截止频率在麦克斯韦方程的第一解与其第二解之间确定，所述多个导电单元格和所述介电衬底的介电常数定义所述介电衬底中的各向异性阻抗张量。9.如权利要求8所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格被分割成两个或以上部分，在每个单元格的所述多个部分之间具有一个或者多个间隙，以使得每个单元格包括被所述一个或多个间隙隔开的多个片或板。10.如权利要求8所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格被分割成两个部分，在每个单元格的所述多个部分之间具有单一的一个间隙，以使得每个单元格包括被所述单一间隙隔开的一对片或板。11.如权利要求8-10任意一项所述的装置，其中，所述阵列中的每个单元格与其相邻的单元格以第一距离相隔，每个单元格的一对片或板以第二距离相互隔开。12.如权利要求11所述的装置，其中，所述第一距离和所述第二距离相等。13.如权利要求11所述的装置，进一步包括一接地平面，其设置于所述介电衬底的一侧，所述介电衬底的另一侧与其相对，所述多个导电单元格设置于所述介电衬底的另一侧。14.如权利要求13所述的装置，其中，所述接地平面由金属材料形成，所述每个单元格的一对片或板也是由金属材料形成。15.如权利要求8所述的装置，其中，所述阵列包括多行和多列所述的单元格，所述单元格设置在位于一表面波输入端和一表面波输出端之间的相同单元格行。16.如权利要求15所述的装置，其中，所述阵列中位于相同单元格行的单元格的间隙在列方向上变化。17.如权利要求8所述的装置，其中，所述TE截止频率低于待被所述装置转换的电磁表面波的频率。18.一种用于将表面约束电磁波从第一表面约束模式转换为第二表面约束...

【专利技术属性】
技术研发人员：瑞安·G·科尔佛斯，阿密特·M·帕特尔，
申请(专利权)人：美国休斯研究所，
类型：发明
国别省市：美国,US