一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器制造技术

本发明专利技术涉及一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，包括超表面结构、介质衬底和金属底板，超表面结构放置在介质衬底上端面，金属底板放置在介质衬底下端面，单一配合的超表面结构、介质衬底和金属底板为一组单元结构，多组单元结构沿x‑y方向呈正方形阵列分布，超表面结构为正方形金属贴片，排列周期(边长)小于工作频带中心频率波长的一半，超表面结构的厚度为工作频带中心频率波长的百分之一至千分之一之间，超表面结构上开设有沿正方形金属贴片对角线倾斜对称分布的上开口弧形槽和下开口弧形槽，本发明专利技术具有结构紧凑、小型化、宽带、全极化和大入射角度高效率极化转换的优点。

A planar polarization converter for detecting UWB and wide angle oblique incidence

The invention relates to a plane polarization converter for detecting ultra wide band and wide angle oblique incidence, which includes a super surface structure, a medium substrate and a metal bottom plate, the super surface structure is placed on the upper end face of the medium substrate, the metal bottom plate is placed on the lower end face of the medium substrate, the single matched super surface structure, the medium substrate and the metal bottom plate are a group of unit structures, and the multi group of unit structures are along the X \u2011 Y direction It is distributed in a square array. The super surface structure is a square metal patch. The arrangement period (side length) is less than half of the central frequency wavelength of the working frequency band. The thickness of the super surface structure is between one percent and one thousandth of the central frequency wavelength of the working frequency band. The super surface structure is provided with an upper opening arc groove and a lower opening arc which are inclined and symmetrically distributed along the diagonal of the square metal patch The invention has the advantages of compact structure, miniaturization, wide band, full polarization and high efficiency polarization conversion with large incidence angle.

【技术实现步骤摘要】
一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器
本专利技术涉及超材料和超表面
，尤其涉及一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器。
技术介绍
近年来，平面超材料(超表面)因其独特的电磁特性和平面易共形的优势得到了大量研究，如平面光子学，异常折射，极化转换等等。超表面独特的电磁传输或者反射依赖于单元结构等效电磁参数的合理设计，因为很多电磁现象是对电磁波的极化很敏感，因此通过超表面结构控制和操控电磁波的极化也得到了大量研究。传统控制电磁波极化的方法是通过光学各项异性晶体或者基于法拉第效应，但是需要的结构尺寸很大，并且带宽很窄。而通过超表面实现极化转换具有结构紧凑、宽带宽、频率可搬移性和易平面设计的特点。基于超表面的平面转换器在光波(Y.ZhaoandA.Alù,NanoLett.13(3),1086–1091(2013).)，太赫兹(L.Wu,M.Zhang,B.Zhu,J.Zhao,T.Jiang,andY.Feng,Appl.Phys.B117(2),527–531(2014).)和微波波段(H.Chen,J.Wang,H.Ma,S.Qu,Z.Xu,A.Zhang,M.Yan,andY.Li,J.Appl.Phys.115(15),154504(2014).)都得到大量研究。其主要采用各向异性超表面结构或者手性超表面结构，有的也采用多层结构实现不同极化电磁波的转换。大部分研究基于线极化转换器，而且能实现宽带或者超宽带极化转换，比如基于三层各项异性超材料能在5.8～11.8内实现90％极化转换率(X.Huang,B.Xiao,D.Yang,H.Yang,OpticsCommunications,338,416-421(2015)),基于双“I”的各项异性超表面结构的宽带线极化和圆极化宽带转换器(H.Ma,G.Wang,G.Kong,T.Cui,OpticsExpress,4(8),1717-1724,(2014)),其他复杂结构的超宽带极化转换器也得到了研究，比如多谐振超表面结构(G.Dong,H.Shi,S.Xia,A.Zhang,Z.Xu,X.Wei,OpticsCommunications,365,108-112(2016))。这些超宽带极化转换器大多数工作在单波段，也有通过设计超表面结构工作在多波段，比如基于金属弧形谐振环的双波段极化转换器(Z.Wei,J.Huang,J.Li,G.Xu,Z.Ju,Opt.Quant.Electron49,298(2017))。但是以上宽带和高效的极化转换器大部分都是在垂直入射的条件小实现的，没有研究斜入射情况下的极化转换，有的也只能在很小的斜入射角度下实现宽带极化转换，对于斜入射或者宽角度斜入射的极化转换能够极大拓展极化转换器的实际应用范围，具有很强的工程价值和现实意义。基于双开口不对称的谐振环结构的宽带和大入射角度极化转换器也得到了研究(M.Khan,Q.Fraz,F.Tahir,J.Appl.Phys.121(4),045103(2017).),在5-10.8GHz范围内能实现x(y)极化入射到y(x)极化的反射转换，并且在大入射角度下能够实现3dB的高效转换，在入射角度超过45度3-dB带宽也有所下降，其结构采用双开口不对称结构，结构设计相对复杂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供了一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，包括超表面结构、介质衬底和金属底板，超表面结构放置在介质衬底上端面，金属底板放置在介质衬底下端面，单一配合的超表面结构、介质衬底和金属底板为一组单元结构，其排列周期(边长)小于工作频带中心频率波长的一半，多组所述单元结构沿x-y方向呈正方形阵列分布，其中，超表面结构为正方形金属贴片，超表面结构的厚度为工作频带中心频率波长的百分之一至千分之一之间，超表面结构上开设有沿正方形金属贴片对角线倾斜对称分布的上开口弧形槽和下开口弧形槽，以使斜入射角度范围在0°～45°的电磁波实现x和y向极化入射波的转换。作为对本专利技术的进一步说明，优选地，超表面结构、介质衬底和金属底板总厚度不超过3mm。作为对本专利技术的进一步说明，优选地，上开口弧形槽和下开口弧形槽内圆弧半径为工作频带中心频率波长的九分之一至二分之一之间。作为对本专利技术的进一步说明，优选地，上开口弧形槽和下开口弧形槽的弧形槽宽度大小为工作频带中心频率波长的0.2倍。作为对本专利技术的进一步说明，优选地，当进行透射极化转换时，将上开口弧形槽和下开口弧形槽沿x-y平面排列成大于等于10×10的正方形阵列；当进行反射模式极化转换时，将超表面结构沿x-y平面排列成大于等于10×10的正方形阵列放置在介质衬底上，并在介质衬底位于超表面结构的对侧面放置金属底板。作为对本专利技术的进一步说明，优选地，超表面结构、介质衬底和金属底板组成的单元结构沿x-y平面的排列周期(边长)为工作频带中心频率波长的0.35倍。作为对本专利技术的进一步说明，优选地，介质衬底的厚度为工作频带中心频率波长的0.15倍。作为对本专利技术的进一步说明，优选地，超表面结构和金属底板由铜或铁制成。作为对本专利技术的进一步说明，优选地，介质衬底采用玻璃或特氟龙制成。实施本专利技术的，具有以下有益效果：1、本专利技术通过设置上下对称的开口谐振环且厚度小的超表面结构，相比于之前的双开口不对称结构和多层超表面结构，具有结构简单、能够实现全极化转换、高效率和宽带宽极化转换的特点；2、通过只使用超表面结构或者使用超表面结构、介质衬底和金属底板组合的结构，实现既可以工作于透射传输模式的极化转换，也可以实现工作于反射模式的极化转换；3、本专利技术的超宽带极化转换器对入射电磁波的角度不敏感，能够对斜入射角度范围0°～45°范围内的入射波进行极化转换，大角度斜入射转换效率保持在3dB以内，能同时实现x和y向极化入射波的转换。附图说明图1为本专利技术的超宽带极化转换超表面单元结构图；图2是本专利技术的以x向极化为例的宽角度入射反射极化转换器示意图；图3是本专利技术的电磁波沿x方向极化的超表面结构反射系数随频率的变化线性图；图4是本专利技术的电磁波沿y方向极化的超表面结构反射系数随频率的变化线性图；图5是本专利技术的斜入射电磁波沿x方向极化反射系数随频率的变化线性图；图6是本专利技术的斜入射电磁波沿y方向极化反射系数随频率的变化线性图。附图标记说明：1、超表面结构；11、上开口弧形槽；12、下开口弧形槽；2、介质衬底；3、金属底板。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，包括超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)，超表面结构(1)放置在介质衬底(2)上端面，金属底板(3)放置在介质衬底(2)下端面，单一配合的超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)为一组单元结构，其排列周期(边长)小于工作频带中心频率波长的一半，多组所述单元结构沿x-y方向呈正方形阵列分布，其中，/n超表面结构(1)为正方形金属贴片，超表面结构(1)的厚度为工作频带中心频率波长的百分之一至千分之一之间，超表面结构(1)上开设有沿正方形金属贴片对角线倾斜对称分布的上开口弧形槽(11)和下开口弧形槽(12)，以使斜入射角度范围在0°～45°的电磁波实现x和y向极化入射波的转换。/n

【技术特征摘要】
1.一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，包括超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)，超表面结构(1)放置在介质衬底(2)上端面，金属底板(3)放置在介质衬底(2)下端面，单一配合的超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)为一组单元结构，其排列周期(边长)小于工作频带中心频率波长的一半，多组所述单元结构沿x-y方向呈正方形阵列分布，其中，
超表面结构(1)为正方形金属贴片，超表面结构(1)的厚度为工作频带中心频率波长的百分之一至千分之一之间，超表面结构(1)上开设有沿正方形金属贴片对角线倾斜对称分布的上开口弧形槽(11)和下开口弧形槽(12)，以使斜入射角度范围在0°～45°的电磁波实现x和y向极化入射波的转换。


2.根据权利要求1所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，超表面结构(1)、介质衬底(2)和金属底板(3)总厚度不超过3mm。


3.根据权利要求1所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，上开口弧形槽(11)和下开口弧形槽(12)内圆弧半径为工作频带中心频率波长的九分之一至二分之一之间。


4.根据权利要求3所述的一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器，其特征在于，上开口弧形槽(11...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永强，孙金海，李粮生，殷红成，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11