[發(fā)明專利]一種基于人工結(jié)構(gòu)的多頻圓極化器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210105783.0
• 申請日: 2012-04-12
• 公開（公告）號: CN102629702A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅先剛;黃成;馮沁;蒲明博;馬曉亮
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: H01P1/17
• 分類號: H01P1/17
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多頻圓極化器，特別涉及一種基于人工結(jié)構(gòu)的多頻圓極化器。

背景技術(shù)

圓極化波具有旋向正交性，可以抑制雨霧干擾，抗多徑效應(yīng)等優(yōu)點，因此在衛(wèi)星通信，雷達(dá)等方面有廣泛的應(yīng)用。圓極化器是用來激發(fā)圓極化波的常用裝置。傳統(tǒng)的圓極化器有波導(dǎo)圓極化器、柵條圓極化器以及曲折線圓極化器等。波導(dǎo)圓極化器是在波導(dǎo)中利用極化分離器使入射線極化波分解為兩個正交且等幅的線極化模式，然后分別調(diào)節(jié)這兩個模式，使它們之間產(chǎn)生90°的相位差，從而實現(xiàn)線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。波導(dǎo)圓極化器體積較大，且一般只作為天線系統(tǒng)的激勵源。由于對電磁波的特殊調(diào)控作用，人工結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)被廣泛用于調(diào)控電磁波的極化特性。M.Mutlu等利用兩層金屬周期結(jié)構(gòu)的人工結(jié)構(gòu)材料來實現(xiàn)將入射的線極化波轉(zhuǎn)化為圓極化輻射波(M.Mutlu，et?al.Asymmetric?chiral?metamaterial?circular?polarizer?based?on?four?U-shaped?split?ring?resonators[J]，Optics?Letters?32，1653-1655(2011).)，每層金屬結(jié)構(gòu)的單元包含四個依次旋轉(zhuǎn)90°的U型開口諧振環(huán)。該人工結(jié)構(gòu)材料分別在兩個頻點處將線極化波轉(zhuǎn)化為具有不同旋向的圓極化波，但是該人工結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜而且?guī)挶容^窄。為了解決傳統(tǒng)平面人工結(jié)構(gòu)材料的帶寬窄的問題，J.K.Gansel等利用周期性金屬螺旋線結(jié)構(gòu)設(shè)計了工作在遠(yuǎn)紅外頻段的寬帶圓極化器(J.K.Gansel，et?al.Gold?Helix?Photonic?Metamaterial?as?Broadband?Circular?Polarizer[J]，Science?325，1513-1515(2009).)。該圓極化器在一個較寬的頻帶內(nèi)將入射的線極化波轉(zhuǎn)化為右旋圓極化波，然而為了實現(xiàn)寬帶極化轉(zhuǎn)換，該圓極化器的剖面高度接近一倍波長；并且該圓極化器只能將入射的線極化波轉(zhuǎn)換為一種旋向的圓極化波，這也限制了這種圓極化器的使用范圍。

綜上所述，現(xiàn)有的圓極化器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作頻段少、體積較大等缺點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有圓極化器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作頻段少、體積較大等不足；提出一種基于人工結(jié)構(gòu)的多頻圓極化器，該圓極化器可以在k(k＝t)個頻點處實現(xiàn)將入射的線極化波轉(zhuǎn)化為不同旋向的圓極化波，且結(jié)構(gòu)簡單，易于制作。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種基于人工結(jié)構(gòu)的多頻圓極化器，包括一種n-1層矩形介質(zhì)基板1，以及在n-1層矩形介質(zhì)基板1上制作的橫向上和縱向上的周期性圓弧形金屬線結(jié)構(gòu)2，周期性圓弧形金屬線結(jié)構(gòu)2的t(t＝n)條圓弧形金屬線分別排布在n-1層矩形介質(zhì)基板1的第1、2、…、n面，從垂直于矩形介質(zhì)基板所在平面的方向看，t條圓弧形金屬線組成一個同心圓的t個等分部分，t條圓弧形金屬線的寬度和對應(yīng)的圓心角都相同，且每兩條圓弧形金屬線之間的間隙對應(yīng)的圓心角也相同。

矩形介質(zhì)基板為商用介質(zhì)基板，可以有效降低該圓極化器的成本，如Taconic?TLX或者F4B等型號的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的介電常數(shù)為ε_r。

所述n-1層矩形介質(zhì)基板1中每層矩形介質(zhì)基板的厚度為h，周期性圓弧形金屬線結(jié)構(gòu)2的周期為p，p的取值范圍是2*λ_m1/5～4*λ_m1/5，其中λ_m1為所述多頻圓極化器工作的k(k＝t)個頻點中的最小頻率處對應(yīng)的等效波長，λ₀₁為最小工作頻率處對應(yīng)的真空中的波長，周期性圓弧形金屬線結(jié)構(gòu)2中每條圓弧形金屬線的外徑為R，R的取值范圍為λ_m1/4～λ_m1/2，周期性圓弧形金屬線結(jié)構(gòu)2每條圓弧形金屬線寬度w取值范圍為0.1mm～λ_m1/4，該多頻圓極化器單元尺寸為亞波長結(jié)構(gòu)，在相應(yīng)的工作頻點處可以視為均勻的材料。

所述周期性圓弧形金屬線結(jié)構(gòu)2每條圓弧形金屬線所對應(yīng)的圓心角θ的取值范圍為0°≤θ≤360°/t。

本發(fā)明具有的有益效果在于：

(1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，周期性圓弧形金屬線結(jié)構(gòu)2為t(t＝n)條依次旋轉(zhuǎn)固定角度的圓弧形金屬線，且為平面結(jié)構(gòu)，易于制作，利用PCB板加工工藝就可以制作，而這種加工工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟。