多频反射极化转化中文 赵佳馨

基于互补L-型的多频反射极化转换器

赵佳馨,1)黄晓俊,1)杨河林1,a)

1华中师范大学物理科学与技术学院, 武汉430079, 中国

a)通信作者: ****************

摘要本文从仿真和实验上研究了有关于电磁波的多频带极化转换，基于一种互补L-型超材料。这种反射极化转换器可以在五个不同频点实现线极化波极化转换，同时在另外六个频点可以实现将线极化波转换成圆极化波。入射的圆极化波在反射后保持入射的方向不变（而传统材料反射后圆极化波方向改变）。实验结果和仿真结果在整个频段都符合，同时对于线极化和圆极化波在仿真中极化转换率都超过了90%。

1. 引言

电磁波(EM) 超材料 (MMs)已经吸引了极大的研究兴趣，由于它们对于电磁波独特的响应 [1, 2] 许多超材料都是具有一种亚波长结构的人造介质[3]，易于制造 [4]。许多新奇的电磁性质都被发现或者预言基于超材料包括负折射率[5, 6], 完美透镜[7, 8],和电磁斗篷 [9, 10]。极化转换在电磁波应用中占用了很重要的地位，已经被很广泛的研究在许多电磁波应用中，比如在液晶显示，微波通讯系统和许多光学仪器 [11–13]。在很长的一段时间里,通过材料来操控电磁波已经成为了一个热点研究[14–16]。在过去的十年中，许多超材料已经被应用于极化转换中[17]。比如hao等[18] 提出了一种独特的光学超材料,它可以被用来操控极化转换在光频段；Marques 等 [19]提出了一种螺旋线结构的超材料基于SRRs的手性变换去确定极化状态。但是这些结构都很难实现完美运输[20, 21],最近一些文章证明了通过

超材料反射器可以实现有效地控制电磁波的极化状态[22]。这种结构背面是全铜的平面，它类似于“磁镜”反射后完全的改变入射波电磁场 [23, 24]。比如 Pu 等 [25] 使用了一种各向异性材料在极化调控中，它可以实现线极化波交叉极化或者转化成圆极化波在反射后。这类超材料有比较小的结构和高得能量效率[26]。许多已被提出的超材料可以实现极化旋转在某一个确定的频率范围内。Zhu 等 [27] 结合了两种不同的结构去操控电磁波的正交极化可以实现开关效果对于不同的极化状态，不过只能在某一频点处实现。最近，有一个趋势去寻找多频极化转换器。这种多频极化转换器不仅在基础研究同时在应用中都有很多的用途。 本文中，我们提出了一种多频反射极化转换器，这种互补L-型极化转换器对于线极化波，可以在五个频点实现交叉极化。在六个谐振频点使入射的线偏振波反射后被转换成圆极化波。该材料可以在五个频点保持反射后圆极化波方向不变。 实验和仿真符合的很好。这种结构有很广泛的用途比如遥感器，天线和辐射器。

2. 理论和仿真

在笛卡尔坐标系中考虑电磁场i

E 沿 +z 轴方向传播,反射波通常有 x 和 y 极化部分组成。线极化波极化系数：

x x x r i

x =r E E (1a) y x x r i y =r E E (1b)

xx r ，yx r 代表 x -x , 和 x -y 转化率，下标 i 和 r 分别表示入射和反射

电磁波。 我们定义反射电磁波 y 和 x 分量的相位差:

arg()arg()yx yx xx ϕ∆=-r r (2)

线极化波当 180yx ϕ∆=±可以实现交叉极化, 当 1/=xx yx r r 转化成圆极化波(yx yx r =r ,xx xx r =r 线极化波, r ++++=r ,r -+-+=r 圆极化波 )，90yx ϕ∆=±; 90yx ϕ∆= 表示左旋，90yx ϕ∆=-表示右旋。圆极化波的反射系数可以表示：

/r i ++++=r E E (3a)

/r i -+-+=r E E (3b)

++r 和 -+r 分别表示 RCP 到 RCP 和 RCP 到LCP 的转化系数。 极化转换率

(PCR) [26]可以定义为:

)/()(222xx yx yx r r r PCR += (4a)

)/()(222+++-+++=r r r PCR (4b)

该结构的正视图和立体图分别表示在 图 1a 和图1b 。顶层单元由互补的L-型单元组成中间层是介质，底层全部覆铜。几何参数为: a = 9.8 mm, b = 9.3 mm, c = 2mm, d = 1.7mm, e = 11.2mm, f = 3.3mm, g = 6.6mm, h =0.3mm ，对于每一个单元周期 u =12 mm 。图 1c 显示了实验样品的一部分结构。金属层由 0.03mm 铜腐蚀形成其电导率为S/m .σ71085⨯=。介质层厚度 t = 0.813 mm, 是Rogers RO4003其介电常数为3.38，损耗正切为0.0027 通过商业软件 CST MICROWAVE STUDIO 2012, 我们对该材料在 3 ~ 18 GHz 线极化电磁波垂直入射时的反射特性进行了研究。 仿真时采用的是基于有限积分法的频域求解器。仿真中, x-y 平面采用周期性边界条件；z 方向，也即电磁波传播方向采用开放边界条件。实验时样品大小180×180 mm 2包括15×15 单元结构采用印刷电路板技术制成。实验中采用Agilent E8362B 型矢量网络分析仪以及两个线极化喇叭和圆极化喇叭天线测量电磁波的反射谱。

图.1 (a) 单元结构主视图。(b)单元3D示意图。 (c) 实验样品示意图.

2. 结果和讨论

仿真和实验交叉极化的反射在图2a中显示。仿真中交叉极化的反射系

数

r达到极大值 0.94, 0.97, 0.91, 0.82 和 0.78 在频点 4.37 GHz,

yx

6.96 GHz, 12.08 GHz, 14.46 GHz 和1

7.09 GH。实验中交叉极化反射系数

r为 0.88, 0.89, 0.90, 0,79 和 0.61 在频率 4.62 GHz, 7.32 GHz,

yx

14.43 GHz, 15.39 GHz 和 17.67 GHz。同时试验和仿真结果表示反射系数

r在整个频段中都保持很小。PCR 在五个谐振频点分别是 99.6%, 99.9%,

xx

99.0%, 95.4% 和 92.6% 在仿真中， 98.2%, 98.5%, 98.8%, 93.4% 和

71.0% 在实验中, 如图2b所示。结果表示在谐振频点大部分能量由x极化

入射波 (x 极化) 转到y极化波。