一种动态极化调控器及其使用方法技术

本发明专利技术涉及一种动态极化调控器，属于极化调控技术领域，解决了现有技术无法通过一个调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能的问题。该动态极化调控器包括m×n个周期性排列的原胞；其中，m表示行数，n表示列数，m,n≥2。每个原胞进一步包括：金属谐振单元，用于通电后，使通过其传输的电磁波发生耦合，获得偏振方向不发生变化的线极化波或偏振方向发生交叉极化转换的线极化波；介质单元，设置于金属谐振单元的各层金属层之间，用于为金属谐振单元提供支撑，并改变金属谐振结构的电磁极化能力；调控单元，用于控制金属谐振单元通电，以及通电方向。本发明专利技术能够进行宽频带、高效率的电磁波调控，结构简单，易于制作，成本低廉。

A dynamic polarization regulator and its application

The invention relates to a dynamic polarization regulator, belonging to the technical field of polarization regulation, which solves the problem that the prior art can not realize the two functions of linear polarization electromagnetic wave polarization direction invariable or cross polarization conversion through one regulator. The dynamic polarization regulator consists of M \u00d7 n protocells arranged periodically, in which M represents the number of rows, n represents the number of columns, and m, n \u2265 2. Each cell further comprises a metal resonance unit, which is used for coupling the electromagnetic wave transmitted through the cell after being electrified to obtain a linear polarization wave with no change in the polarization direction or a linear polarization wave with cross polarization conversion in the polarization direction; a dielectric unit, which is arranged between the metal layers of the metal resonance unit, is used to provide support for the metal resonance unit and change the metal resonance The electromagnetic polarization ability of the vibration structure; the regulating unit, which is used to control the electrifying direction of the metal resonance unit. The invention has the advantages of wide frequency band, high efficiency electromagnetic wave regulation, simple structure, easy manufacture and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种动态极化调控器及其使用方法
本专利技术涉及极化调控
，尤其涉及一种动态极化调控器及其使用方法。
技术介绍
极化是电磁波的一个重要的特征，在通信、导航、制导和雷达等高科技领域具有广泛的应用。传统的电磁波极化调控方法包括光栅调控、二色晶体调控以及基于双折射效应的调控。但是，上述调控方法对应的调控装置通常结构复杂、较大且较厚。超表面结构由于设计灵活、结构简单、集成度高，目前已成为了调控电磁波极化特性的一种理想材料。对其电磁结构基本单元进行设计可以实现对电磁波的极化调控，由于其结构是固定的，功能和性能也固定不变，只能实现电磁波的一种极化方式，而这对于电磁波在非对称传输器件上的应用具有很大的限制。为实现电磁波的动态调控，现有技术采用热开关来控制电磁波的极化，以实现太赫兹多频段的线极化到圆极化转换，但其转换效率较低和频率调谐范围较窄。为对超表面结构进行动态调控，现有技术在结构单元中加入半导体材料，或采用固态等离子体通过外加激励例(如电或光)构造基于固态等离子体的极化转换器。但上述方案仍无法通过一个调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种动态极化调控器及其使用方法，用以解决现有技术无法通过一个调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能的问题。一方面，本专利技术实施例提供了一种动态极化调控器，包括m×n个周期性排列的原胞；其中，m表示行数，n表示列数，m,n≥2，每个原胞进一步包括：金属谐振单元，由多层各向异性结构的金属层组成，用于通电后，使通过其传输的电磁波发生耦合，获得偏振方向不发生变化的线极化波或偏振方向发生交叉极化转换的线极化波；介质单元，设置于金属谐振单元的各层金属层之间，用于为金属谐振单元提供支撑，并改变金属谐振结构的电磁极化能力；调控单元，用于控制金属谐振单元通电，以及通电方向。上述技术方案的有益效果如下：金属谐振单元的每一金属层都是各向异性结构的金属层，通过各向异性结构的旋转，实现了极化的偏转。通电用于对金属谐振单元的调控部分(可以是通电金属层)进行调控，使主轴发生旋转。相比现有技术，上述技术方案实现了通过一个动态极化调控器实现线极化电磁波偏振方向不变或进行交叉极化转换两个功能，具有突出的技术优势。基于上述方法的进一步改进，所述金属谐振单元包括3～5层金属层；其中，选择至少一层金属层作为调控层，该金属层采用金属镂空环孔结构，调控单元对称设置于环孔中，连接内、外金属；相对设置的一对调控单元的连线相当于该金属层的双开口劈裂连线；其他金属层采用双开口劈裂环结构；从底层金属层到顶层金属层，双开口劈裂连线依次改变相同的角度，直到顶层金属层与底层金属层双开口劈裂连线呈90°。上述进一步改进方案的有益效果是：随着金属层结构的增加，极化偏转效果更好，在更宽的频带内实现更大的透过率。该结构可以增加适用电磁波的频带带宽，同时在其频带范围内可以提高透过率。进一步，所述介质单元包括设置于金属谐振单元的各层金属层之间的介质层；所述介质层与金属层交替排列；所述金属层厚度小于工作波长的1/3，所述介质层厚度小于工作波长的1/2。上述进一步改进方案的有益效果是：金属层厚度和介质层厚度均较小，使得整体器件更易于实现微型化，能够满足现在科技发展对器件结构的需求。进一步，所有金属层与所有介质层的总厚度不超过2个工作波长，所述原胞的周期尺寸小于1个工作波长。上述进一步改进方案的有益效果是：相比传统极化调控器(转换装置)较厚的缺点，上述方案中设计的动态极化调控器结构厚度比较薄，能适用于更多的场合。进一步，所述金属层采用铜、铝、钢铁、金或银中的至少一种；所述介质层采用微波波段的印刷电路板、塑料、氧化硅、氧化铝陶瓷、铁氧体、铁电介质、铁磁介质或非线性介质材料中的至少一种。上述进一步改进方案的有益效果是：上述金属层和介质层的材料选择是专利技术人经过大量试验总结出的，材料种类丰富，可根据不同调控需求进行设计，使得应用更加广泛。直接选用，能够缩短设计时间和设计成本，提高用户使用体验。进一步，选择顶层金属层作为调控层，从底层金属层到次顶层金属层的每一金属层，分别采用相同劈裂形状的双开口劈裂环结构；所述双开口劈裂环结构采用双开口劈裂方环结构，所述金属镂空环孔结构采用金属镂空方环孔结构；或者，所述双开口劈裂环结构采用双开口劈裂圆环结构，所述金属镂空环孔结构采用金属镂空方环孔结构或金属镂空圆环孔结构。上述进一步改进方案的有益效果是：对不同金属层各向异性结构的形状进行了限定，经大量试验证明，能够很好地实现本申请的电磁波极化调控效果。进一步，所述调控单元包括开关二极管、变容二极管中的至少一种；4个所述二极管，设置于顶层金属层镂空环孔结构的环孔之间，分别沿x轴正负向、y轴正负向对称排布，用于连接环孔内金属与外金属，并对环孔内金属与外金属进行单向导通控制；其中，上述y轴定义为底层金属层开口劈裂连线平行的直线，上述x轴定义为底层金属层平面垂直于y轴的直线。上述进一步改进方案的有益效果是：调控单元结构比较简单，成本较低。通过二极管的调控，可以很好地通过金属谐振单元的金属层结构控制电磁波的偏振方向。进一步，所述金属谐振单元采用3层金属层；其中，中间金属层与底层金属层都采用开口劈裂圆环结构，二者开口劈裂连线角度呈45°；所述动态极化调控器的工作频率为4.4～6.2GHz，工作波长为60mm。上述进一步改进方案的有益效果是：通过金属谐振结构的上述45°设计，能够很好地实现线极化电磁波的偏振。进一步，对于所述调控单元，顶层金属层开口的内圆尺寸r3为6～6.3mm、外圆尺寸R3为6.5～7mm；中间金属层开口的内圆尺寸r2为6.5～6.7mm，外圆尺寸R2为7～7.3mm，断裂口宽度为0.1～0.5mm；底层金属层开口的内圆尺寸r1为6.7～6.9mm，外圆尺寸R1为7.4mm，断裂口宽度为0.1～0.5mm。上述进一步改进方案的有益效果是：对不同金属层的开口以及断裂口宽度进行了限定，上述限定是专利技术人经过大量试验总结出的规律。将不同金属层的内外半径设置上述范围内，动态极化调控器会产生较好的传输效果。另一方面，本专利技术实施例提供了一种动态极化调控器的使用方法，包括如下步骤：需要获得偏振方向不发生变化的线极化波时，将所述调控单元的x轴正向二极管截止、x轴负向二极管导通、y轴正向二极管导通、y轴负向二极管截止，用于保证沿z轴正向、负向传播的x极化波转不发生极化转换；所述z轴正向定义为底层金属层平面垂直向上的方向；xyz坐标系符合右手定则；需要获得偏振方向发生交叉极化转换的线极化波时，将所述调控单元的x轴正向二极管导通、x轴负向二极管截止、y轴正向二极管截止、y轴负向二极管导通时，用于保证沿z轴正向传播的x极化波转换成y极化波，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态极化调控器，其特征在于，包括m×n个周期性排列的原胞；其中，m表示行数，n表示列数，m,n≥2，每个原胞进一步包括：/n金属谐振单元，由多层各向异性结构的金属层组成，用于通电后，使通过其传输的电磁波发生耦合，获得偏振方向不发生变化的线极化波或偏振方向发生交叉极化转换的线极化波；/n介质单元，设置于金属谐振单元的各层金属层之间，用于为金属谐振单元提供支撑，并改变金属谐振结构的电磁极化能力；/n调控单元，用于控制金属谐振单元通电，以及通电方向。/n

【技术特征摘要】
1.一种动态极化调控器，其特征在于，包括m×n个周期性排列的原胞；其中，m表示行数，n表示列数，m,n≥2，每个原胞进一步包括：
金属谐振单元，由多层各向异性结构的金属层组成，用于通电后，使通过其传输的电磁波发生耦合，获得偏振方向不发生变化的线极化波或偏振方向发生交叉极化转换的线极化波；
介质单元，设置于金属谐振单元的各层金属层之间，用于为金属谐振单元提供支撑，并改变金属谐振结构的电磁极化能力；
调控单元，用于控制金属谐振单元通电，以及通电方向。


2.根据权利要求1所述的动态极化调控器，其特征在于，所述金属谐振单元包括3～5层金属层；其中，
选择至少一层金属层作为调控层，该金属层采用金属镂空环孔结构，调控单元对称设置于环孔中，连接内、外金属；相对设置的一对调控单元的连线相当于该金属层的双开口劈裂连线；
其他金属层采用双开口劈裂环结构；
从底层金属层到顶层金属层，双开口劈裂连线依次改变相同的角度，直到顶层金属层与底层金属层双开口劈裂连线呈90°。


3.根据权利要求2所述的动态极化调控器，其特征在于，所述介质单元包括设置于金属谐振单元的各层金属层之间的介质层；所述介质层与金属层交替排列；
所述金属层厚度小于工作波长的1/3，所述介质层厚度小于工作波长的1/2。


4.根据权利要求3所述的动态极化调控器，其特征在于，所有金属层与所有介质层的总厚度不超过2个工作波长，所述原胞的周期尺寸小于1个工作波长。


5.根据权利要求3或4所述的动态极化调控器，其特征在于，所述金属层采用铜、铝、钢铁、金或银中的至少一种；
所述介质层采用微波波段的印刷电路板、塑料、氧化硅、氧化铝陶瓷、铁氧体、铁电介质、铁磁介质或非线性介质材料中的至少一种。


6.根据权利要求2-4之一所述的动态极化调控器，其特征在于，选择顶层金属层作为调控层，从底层金属层到次顶层金属层的每一金属层，分别采用相同劈裂形状的双开口劈裂环结构；
所述双开口劈裂环结构采用双开口劈裂方环结构，所述金属镂空环孔结构采用金属镂...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏泽勇，刘晓琴，李宏强，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31