一种基于手性超构表面的双频带极化转换器，属于电磁超材料技术领域。该极化转换器单元结构其由顶层、底层金属图案和中间介质基板的三层复合结构组成，其中顶层由四个开口金属圆环和中心开口金属方环结构构成，每个开口金属圆环结构相当于前一个顺时针旋转90°得到；底层结构设计与顶层相同；中间层采用聚四氟乙烯介质基板。在对微波段，本发明专利技术具有两个宽频带的线极化转换功能。该极化转换器具有结构简单、极化不敏感等优点，在微波通信、显微成像、隐身技术等领域具有广泛的工程应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电磁超材料，具体涉及一种基于手性超构表面的双频带极化转换器。
技术介绍
1、目前，通过操控电磁波的极化状态来实现不同的极化转换已成为研究热点，极化转换器的提出对于各种极化态的操控带来了广阔的应用前景。然而传统材料制备的极化转换器存在设计过程复杂、转换效率低、工作频带窄和体积大等局限性，因此，亟需发展具有宽带宽的微型极化转换器。超构表面的出现为解决上述问题铺平道路。
2、超构表面是一种人工设计的亚波长结构，可以灵活自如地操控入射电磁波的幅度、相位乃至极化状态。基于超构表面的极化转换器是一种利用超材料原理设计和制造的新型微波器件，目前已经广泛应用于透射型极化转换器的设计中，它能够实现对电磁波极化的有效调控。其中，主要通过极化转换效率来衡量超构表面的极化转换能力。这种极化转换器通常具有宽频带、低损耗、小型化和轻量化等特点，因此在现代无线通信、雷达系统、卫星通信、光学以及光子学等领域有广阔的应用前景。
3、目前，基于极化调控的超构表面设计主要有两种方法：一是在超构表面单元结构中引入各向异性，通过调节电/磁极化张量，实现各种极化状态之间的相互转换，但是设计难度比较大；二是在超构表面单元结构引入平面手性从而构成平面手性超构表面，在电磁波传播方向和垂直平面均突破镜像对称单元结构的局限，可用来调控电磁极化且表现出新颖的电磁特性。所谓手性，实际上是几何的概念，指的是物体不能通过平移和旋转等操作将其与镜像中的物体重合。电磁波极化调控是手性超构表面的热点研究之一，利用其旋光性和圆二色性能很好地实现电磁波的调控。</p>4、近年来，有关基于手性超构表面极化转换器的研究取得了重大突破，通过对单元结构中各个参数的优化，能够使其极化转换性能大大提高，但是目前大多数的极化转换器结构单一，工作频带多为单频带、频带较窄或、极化转换效率不高或者极化敏感，这极大地限制了极化转换器的应用。因此，在微波领域内缺少能够满足双频带、高极化转换效率和极化不敏感的手性超构表面的极化转换器是目前超构表面研究的热点与难点。
技术实现思路
1、针对微波段超构表面极化转换器结构设计中，无法在单一结构同时实现双频带、高极化转换效率、极化不敏感的问题，本专利技术提供一种基于手性超构表面的双频带极化转换器设计。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于手性超构表面的双频带极化转换器设计由顶层、底层金属图案和中间介质基板的三层复合结构组成，顶层、底层金属图案分别贴合中间介质层的上下表面。所述单元结构在o-xyz坐标系中沿x和y方向进行周期性排布形成超构表面微结构，o为坐标原点。
4、根据本专利技术所述的双频带极化转换器设计方法，所述顶层、底层金属图案分别由四个开口金属圆环和中心开口金属方环结构构成，每个开口金属圆环结构相当于前一个顺时针旋转90°得到，底层结构设计与顶层相同。
5、根据本专利技术所述的双频带极化转换器设计方法，所设计超构表面结构顶层图案与底层关于镜像对称，构成手性结构。
6、根据本专利技术所述的双频带极化转换器设计方法，所述中间层采用聚四氟乙烯介质基板，介电常数为2.65、损耗正切角为0.001。
7、根据本专利技术所述的双频带极化转换器设计方法，所述顶层、底层金属图案的厚度必须大于电磁波的趋肤深度，材料均采用的是金属铜膜。
8、根据本专利技术所述的双频带极化转换器设计方法，所述极化转换器的线极化转换率φ满足：
9、
10、其中φ为极化转换效率期望值，下标n和n+1表示工作频带内的任意两个相邻频点，φn和φn+1分别表示在第n和第n+1频点处经仿真得到的线极化转换率拟合值,φ为极化转换效率相对误差结果。
11、根据本专利技术所述的双频带极化转换器设计方法，所述极化转换器的线极化转换率φ计算方法如下：
12、
13、式中，txy表示电磁波沿坐标y轴方向极化入射后转换成x轴方向极化透射形成的交叉极化透射系数，tyy表示电磁波沿y轴方向极化入射后转换成y轴方向极化透射形成的同极化透射系数，二者获得方法可表示如下，
14、
15、其中，e表示电场，下角标i和t分别表示入射电磁波和透射电磁波，x与y分别表示电磁波的极化方向。将x、y坐标轴分别逆时针旋转45°得到u、v坐标轴，m表示工作频带内的任意工作频点，为相位差，表示在m频率处沿u和v轴方向的同极化透射相位差。
16、则所述双频带极化转换器的极化转换效率φ表示为：
17、
18、进一步地，所述双频带极化转换器的极化转换效率φ可通过极化转换效率控制函数表示：
19、
20、进而得到双频带极化转换器的极化转换效率控制模型f(φ)：
21、
22、式中，j为双频带极化转换器在工作频带内随机频率采样点数，g1和g2分别为透射工作频率起始值和终值。
23、本专利技术的有益效果
24、(1)本专利技术所提出的一种基于手性超构表面的双频带极化转换器，其顶层、底层金属图案关于镜面对称，构成手性结构，使极化转换器具有极化不敏感性。
25、(2)本专利技术所提出的一种基于手性超构表面的双频带极化转换器，其在6.21-7.05ghz和8.74-9.73ghz工作频带内的极化转换效率为90％，平均值分别达到96.99％和95.91％，在四个谐振点处均能达到99.99％，几乎可以实现完美极化转换，且相对带宽分别为12.70％和10.72％，可实现双频带极化转换功能。
26、(3)本专利技术所提出的一种基于手性超构表面的双频带极化转换器，依据给定的交叉极化和同极化透射系数实现对超构表面极化转换效率的量化。基于透射系数对极化转换效率的关系，通过极化转换控制函数和模型完成在两个工作频带内同时实现正交极化转换效率最大化。
27、(4)本专利技术所提出的一种基于手性超构表面的双频带极化转换器，其在te和tm模式下都具有广角极化入射特性，其中，te和tm模式分别为横电和横磁模式。极化转换效率不论在te模式还是在tm模式下对于极化入射角在0°～90°范围内均保持不变。
28、(5)本专利技术所提出的一种基于手性超构表面的双频带极化转换器，其顶层、底层由简单的开口金属圆环和中心开口金属方环结构组成，单元结构简单，极化不敏感，双频带，工作频带宽，在复杂几何器件设计方面具有潜在的应用价值。
本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
3.根据权利要求1和2所述的基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
4.根据权利要求1至3所述的基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
5.根据权利要求1至4所述的基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
7.根据权利要求5和6所述的基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
3.根据权利要求1和2所述的基于手性超构表面的双频带极化转换器，其特征在于：
4.根据权利要求1至3所述的基于手性超构表面的双...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩连福，周海燕，付长凤，王欣柯，朱培逸，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。