专利名称：一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双频圆极化器，特别涉及一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器。
背景技术：
圆极化波因为具有旋向正交性，可以抑制雨雾干扰，抗多径效应等技术优点，因此在卫星通信，雷达等方面有广泛的应用。通信技术中除了直接设计圆极化天线外还通常利用圆极化器，将入射的线极化波转化为圆极化波，从而达到激发圆极化辐射波的目的。传统的圆极化器有波导圆极化器、栅条圆极化器以及曲折线圆极化器等，然而这些传统圆极化器具有结构复杂，剖面高，工作频点少等缺点。由于对电磁波的特殊调控作用，手性人工电磁结构材料已经被广泛用于调控电磁波的极化特性。J. K. Gansel等人利用金螺旋线手性人 エ电磁结构构造了工作在红外波段的圆极化器(J. K. Gansel, et al. Gold Helix PhotonicMetamaterial as Broadband Circular Polarizer[J], Science 325, 1513-1515(2009).),在线极化波入射的情况下，该圆极化器在很宽的频带内的出射波表现为右旋圆极化波，而且右旋圆极化波的透过率系数超过80%，但是该圆极化器只能将入射的线极化波转化为一种圆极化波，并且该圆极化器的剖面高度接近一倍波长。M. Mutlu等人利用两层依次旋转的U型开ロ谐振环结构构造了一种基于手性人工电磁结构的圆极化器(M. Mutlu, etal. Asymmetric chiral metamaterial circular polarizer basea on I our U-shapedsplit ring resonators [J], Optics Letters 32，1653-1655 (2011) ·),该圆极化器能在两个频点处将入射的线极化波转化为具有不同旋转方向的圆极化波，但是该人工结构材料的结构相对复杂，这也限制了这种圆极化器的使用范围。之前的名为“ー种基于人工结构的多频圆极化器”的专利(专利号201210105783. 0)，提出了ー种基于多层人工结构材料的圆极化器，在本专利中，仅在单层介质板上设计周期性手性金属结构即可实现电磁波在多个谐振频点处将入射的线极化波转换为具有不同旋向的圆极化波。综上所述，现有的圆极化器具有结构复杂、工作频段少等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有圆极化器结构复杂、工作频段少等不足；提出一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，该圆极化器可以在两个频段的四个谐振频点处实现将入射的线极化波转化为不同旋向的圆极化波，且该圆极化器为平面结构，结构简单，易于制作。本发明解决其技术问题所采用的技术方案为一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，包括ー层矩形介质基板1，以及在矩形介质基板上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构2，每个周期性圆弧形金属线结构包括四条圆弧形金属线3、4、5和6，这四条圆弧形金属线分别排布在矩形介质基板I的正反两面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，每个周期中上端的两条圆弧形金属线3和5位于矩形介质板的背面，而下方的两条圆弧形金属线4和6位于矩形介质板的正面，这四条圆弧形金属线具有共同的圆心和相等的圆心角，且外侧的两条圆弧形金属线5和6的尺寸相同，内侧的两条圆弧形金属线3和4尺寸相同,两条外侧圆弧形金属线5和6之间的夹角与两条内侧圆弧形金属线3和4之间的夹角相等。矩形介质基板为商用介质基板,可以有效降低该圆极化器的成本,如Arlon AD250等型号的介质基板，介质基板的介电常数为し。所述的基于手性人工电磁结构的双频圆极化器中矩形介质基板的厚度为h，周期性圆弧形金属线结构2的周期为p，P的取值范围是2*Xml/5 4*Xml/5，其中λ ml为所述
多频圆极化器工作的四个频点中的最小频率处对应的等效波长，ん!A01为最小エ
作频率处对应的真空中的波长，周期性圆弧形金属线结构2中外侧的两条圆弧形金属线5和6的外径为rl,rl的取值范围为λ ml/4 λ ml/3,外侧的两条圆弧形金属线5和6宽度wl取值范围为O. λ ml/10 ;周期性圆弧形金属线结构2中内侧的两条圆弧形金属线3和4 的外径为r2，r2的取值范围为λ ml/5 λ ml/4，外侧的两条圆弧形金属线3和4的宽度《2取值范围为 O. lmnTXml/10。本发明具有的有益效果在于(I)本发明结构简单，周期性圆弧形金属线结构2为平面结构，易于制作，利用PCB板加工エ艺就可以制作，而这种加工エ艺现在已经非常成熟。(2)本发明在电场方向平行于圆极化器纵向边长的线极化波沿着垂直于矩形介质基板所在的平面入射的情况下，在谐振频率处，电场在每个周期的每条圆弧形金属线上都会产生感应电流，这种感应电流沿着圆弧形金属线分布，从而激发出沿着圆弧形金属线端点的电场，从而产生出四种电场耦合模式，进而在四个对应的工作频点处将线极化波转化为不同旋向的圆极化波，与现有的技术相比具有更多的工作频点，而且具有更多的透射波极化模式。
图I为本发明基于手性人工电磁结构的双频圆极化器俯视图；图2为本发明基于手性人工电磁结构的双频圆极化器单元结构侧视图；图3为本发明基于手性人工电磁结构的双频圆极化器单元结构示意图；图4为本发明基于手性人工电磁结构的双频圆极化器将线极化入射波转换为圆极化波的转换系数曲线。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的ー个实施例即可实现权利要求中的全部内容。图I为该基于手性人工电磁结构的圆极化器俯视图，图中I代表矩形介质基板，2代表制作在矩形介质基板I上的周期性圆弧形金属线结构，图2为该基于手性人工电磁结构的圆极化器単元结构的侧视图，图中I代表矩形介质基板，2代表周期性圆弧形金属线结构。如图3所示，本发明实施例，基于手性人工电磁结构的双频圆极化器由ー层矩形介质基板和每个周期四条圆弧形金属线结构组成，该发明实例中金属线结构采用覆铜线结构，具体实现过程如下(I)选择矩形介质基板I型号为Arlon AD250，相对介电常数し为2. 5，矩形介质基板的高度h为3. 05mm。(2)确定圆极化器响应的线极化波的入射方向垂直于矩形介质基板所在的平面，极化电场方向平行于该圆极化器的纵向边界方向，即图3中的y方向，入射电磁波传播方向沿+z方向。
(3)该基于手性人工电磁结构的双频圆极化器包括ー层矩形介质基板，以及在矩形介质基板I上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构2，每个周期的四条圆弧形金属线结构分别排布在矩形介质基板的上下两面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，每个周期中上端的两条圆弧形金属线位于矩形介质板的背面，而下方的两条圆弧形金属线位于矩形介质板的正面，这四条圆弧形金属线具有共同的圆心和相等的圆心角，且外侧的两条圆弧形金属线的尺寸相同，内侧的两条圆弧形金属线尺寸相同，两条外侧圆弧形金属线之间的夹角与两条内侧圆弧形金属线之间的夹角相等；具体制作过程如下首先利用传统光刻エ艺，在一张介电常数2. 5，厚度为3. 05mm的双面覆铜的微波PCB板(型号Arlon AD250)正面金属层上旋涂光刻胶、烘干固化、曝光、显影、烘干坚膜、湿法腐蚀金属层等步骤，在微波PCB板的两面同时制作出周期个数为15X15的周期性圆弧形金属线结构，每个周期単元包含四条圆弧形金属线，単元结构參数如图3所示，形状为图3中的圆弧形金属线所示的形状。本实例采取的參数尺寸为周期性圆弧形金属线结构2的周期P为
11.5mm,外侧的两条圆弧形金属线的外径rl为5mm,圆弧形金属线的宽度wl为O. 85mm,内侧的两条圆弧形金属线的外径r2为3. 85mm,宽度为O. 45mm,四条圆弧形金属线对应的圆心角Θ均为110°，至此基于人工结构的圆极化器制作完成，其结构俯视图如图I所示。本发明的基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，通过时域有限差分法(FDTD)仿真结果如图4所示，该图中的纵坐标表示入射的线极化波转换为圆极化波的转换系数，横坐标为频率，图中实线表示的是左旋圆极化波的转换系数曲线，而虚线表示的是右旋圆极化波的转换系数曲线，从图中可以看出在两个频段的四个谐振点处入射的线极化波转换为圆极化波的转换系数有明显的差异，这四个谐振点的频率分别为12. 25GHzU3. 9GHz、15. 57GHz和16. 86GHZ。且在12. 25GHz和15. 57GHz处左旋圆极化波的转换系数明显大于右旋圆极化波的转换系数，而在13. 9GHz和16. 86GHz处右旋圆极化波的转换系数明显大于左旋圆极化波的转换系数，，表明在线极化波正入射情况下，在12. 25GHz和15. 57GHz处出射波转化为左旋圆极化波，在13. 9GHz和16. 86GHz处出射波为右旋圆极化波。通过这种仅由每个周期包含四条圆弧形金属线的周期性结构就实现了将入射的线极化波在两个频段的四个谐振点处转换为具有不同旋向的圆极化波。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技木。
权利要求
1.一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，其特征在于包括一层矩形介质基板(1)，以及在矩形介质基板上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构(2)，每个周期性圆弧形金属线结构包括四条圆弧形金属线(3)、(4)、(5)和(6)，这四条圆弧形金属线分别排布在矩形介质基板(I)的正反两面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，每个周期中上端的两条圆弧形金属线(3)和(5)位于矩形介质板的背面，而下方的两条圆弧形金属线(4)和(6)位于矩形介质板的正面，这四条圆弧形金属线具有共同的圆心和相等的圆心角，且外侧的两条圆弧形金属线(5)和(6)的尺寸相同，内侧的两条圆弧形金属线(3)和(4)的尺寸相同，两条外侧圆弧形金属线(5)和(6)之间的夹角与两条内侧圆弧形金属线(3)和(4)之间的夹角相等；当电场偏振方向平行与该圆极化器纵向边界的线极化波沿着垂直于矩形介质基板所在平面的方向入射时，该圆极化器可以在两个频段的四个不同的频点处将入射的线极化波转化为具有不同旋向的圆极化透射波。
2.根据权利要求I所述的基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，其特征在于所述矩形介质基板(I)为商用介质基板，矩形介质基板(I)的介电常数为ε r0
3.根据权利要求I所述的基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，其特征在于所述矩形介质基板(I)中矩形介质基板的厚度为h，周期性圆弧形金属线结构(2)的周期为p，P的取值范围是2*Xml/5 4*Xml/5，其中Xml为所述多频圆极化器工作的四个谐振频点中的最小频率处对应的等效波长，Z 、为最小工作频率处对应的真空中的波长，周期性圆弧形金属线结构(2)中外侧的两条圆弧形金属线的外径为rl，rl的取值范围为λη /4 Xml/3,外侧的两条圆弧形金属线宽度Wl取值范围为O. λ ml/10 ;周期性圆弧形金属线结构(2)中内侧的两条圆弧形金属线的外径为r2，r2的取值范围为λπ1/5 λπ1/4，外侧的两条圆弧形金属线宽度w2取值范围为O. ImnT λ ml/10。
4.根据权利要求I所述的基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，其特征在于周期性圆弧形金属线结构(2 )每条圆弧形金属线所对应的圆心角Θ的取值范围为0° < Θ < 180。。
5.根据权利要求I所述的基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，其特征在于周期性圆弧形金属线(3 )和圆弧形金属线(4 )之间的间隙所对应的圆心角φ的取值范围为-110。^φ^180°。
全文摘要
一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，包括一层矩形介质基板及在矩形介质基板上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构，每个周期性圆弧形金属线结构包括四条圆弧形金属线，这四条圆弧形金属线具有共同的圆心和相等的圆心角，且外侧的两条圆弧形金属线的尺寸相同，内侧的两条圆弧形金属线尺寸相同，两条外侧圆弧形金属线之间的夹角与两条内侧圆弧形金属线之间的夹角相等。本发明可以在两个频段的四个谐振频点处实现将入射的线极化波转化为不同旋向的圆极化波，且该圆极化器为平面结构，结构简单，易于制作。
文档编号H01P1/17GK102868007SQ20121034715
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者罗先刚, 黄成 , 蒲明博, 王彦钦, 马晓亮 申请人:中国科学院光电技术研究所