一种基于层叠三维人工手征超材料的多频圆极化器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于多频极化器技术领域，具体涉及一种基于层叠三维人工手征超材料的 多频圆极化器。
【背景技术】
[0002] 所谓手征性是指类似于左右手之间无论经过平移还是旋转都不能完全重合，互为 镜像的一种性质。从这种意义上讲，手征性描述的是一种几何的概念。在电磁领域内，手征 性涉及到由这些奇异结构而引发的一些奇异电磁特性，如旋光性，圆极化二色性，光学特性 等。从几何概念上讲，自然界中很多分子均具有手征性，如DNA，葡萄糖和氨基酸等。由于这 些结构特征，自然界中的这些媒质均具有手征特性，但在只有光学频段才能表现出，且旋光 强度很低，旋光频率范围固定。而人工手征超材料是指通过对亚波长人工电磁结构单元周 期排列或者按某种规律排列设计而成具有手征特性的人工电磁材料或电磁媒质。它能很好 地克服自然界手征材料存在的一些缺点，且厚度可以设计的很薄，因此具有重量轻等优点。 同时人们还可以通过合理设计和布局人工手征超结构单元实现对电磁波的极化控制和任 意操控手性媒质的工作频段和带宽。后续研究发现人工手征超材料还具有负折射和后向波 等特性。
[0003] 极化器是对手征超材料旋光性和圆极化二色性的一个重要应用，按照极化转换方 式可以分为线极化器和圆极化器。其中线极化器又称为极化旋转器，按极化角度不同可以 实现不同的用途。圆极化器能将水平极化波转成圆极化波，转换后电磁信号同时被水平极 化和垂直极化的天线接受。由于其更强的稳定性和可靠性，圆极化器在无线通信系统中应 用很广泛。但以往报道的超材料圆极化器中大多数是单频工作。为了解决这一问题，研究人 员提出了不同形状的人工电磁结构单元，如基于四个不同大小的U型谐振器，圆弧电磁结构 单元，车轮形电磁结构单元，开口环谐振器等，但以上大部分圆极化器是双频工作，且只能 单极化工作。圆弧电磁结构能在三个频段实现线极化到圆极化的转换，但部分频段转换效 率不高。最重要的是圆弧结构单元电尺寸大，远超过超材料四分之一波长极限，使得等效媒 质理论失效，同时极化器的衍射效应得到增强。至今，还未有关于四波段，五波段甚至六波 段圆极化器的报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种结构尺寸小、频段转换效率高的多频圆极化器。
[0005] 本发明设计的多频圆极化器（圆极化平板），是基于层叠三维人工手征超材料的， 能在六个频段同时工作，且能同时工作于两个极化状态，具体由人工手征电磁单元在二维 xoy平面上进行有限周期延拓得到，如图1(c)所示;所述人工手征电磁单元，其结构由三层 (上层，中层，下层)金属结构组成;每层金属结构均有三个边长大小渐变的L型（即正方形按 斜角方向对半分而成的形状)金属条带组成;三层L形金属条带形状和结构参数相同，且互 为180度旋转，即中层金属条带与上、下层金属条带互为180度旋转，如图1(a)所示，使得整 个人工手征电磁单元结构的俯视图（即在底部的投影)为三个完整的方形金属环，如图1(b) 所示，其中h是整个圆极化平板的总厚度。
[0006] 本发明设计的人工手征电磁单元，由于三层L形人工电磁结构单元的扭转变换打 破了在Z方向上的镜像对称，因而具有手征特性。
[0007] 记外侧、中间、内侧的L形金属条带依次为U、L2、L3，其边长分别为ai，a#Pa 3，宽度 均为d，U、L2之间距离为cU，L2、L3之间距离为d 2，这里选取didFcb;记上层和中层金属结构之 间距离为出，中层和下层金属结构之间距离为h2,这里选取出=1! 2;人工手征电磁单元的周期 长度为 P; ai，a2，a3，d，di，d2 之间满足 ai=a2+2d+2di，a2=a3+2d+2d2; 为满足有效媒质理论，单元的横向尺寸和纵向尺寸均应小于 h2〈C/4f i，其中f :为圆极化平板最小工作频率，C为真空中的光速。
[0008] 另外，为模拟无限大周期单元的响应，人工手征电磁单元二维延拓周期数应大于 5C/pfi。
[0009] 最后由于1^儿2儿3之间的相互耦合作用，使得工作频率(模式）的放缩与结构尺寸 的放缩不成严格的线性比例关系，而是满足。其中，a f2、f3、..+ f6依 次为圆极化器的6个工作频率，且U的尺寸&1主要决定的大小，L 2的尺寸&2主要决定 f3、f4和f5的大小，L3的尺寸a3主要决定f6的大小。
[0010]本发明设计的多频圆极化器，可在聚四氟乙烯玻璃布板(F4B)上具体实现。例如， 采用两层厚度的F4B板层叠设计，其中一层F4B板的正面、反面刻互为180度的L形金属条带， 另一层F4B板的正面刻L形金属条带，反面金属全腐蚀，构成人工手征电磁单元;通过在二维 xoy平面上对人工电磁结构单元进行有限周期延拓，得到合适尺寸的超材料多频圆极化平 板，如图1(c)所示。
[0011]工作时，电磁波沿上端口 1或者下端口 2垂直入射到超材料圆极化平板上(z方向）， 电场可以沿X方向极化或沿y方向极化，沿上端口 1入射时为后向入射，沿下端口 2入射时为 前向入射。由于本发明的人工电磁单元结构具有旋转对称性，因而基于该结构单元的圆极 化器具有极化不敏感等优良特性，即垂直入射的X极化波与垂直入射的y极化波会在极化器 平板中激发相同的极化特性。由于手征媒质提供的电场和磁场的交叉耦合，也即手征媒质 放在电磁场中会被同时磁化和极化。电感应强度矢量D，磁感应强度矢量B，电场强度矢量E， 磁场强度矢量Η满足如下关系：
在笛卡尔坐标系统和线极化基准下，传输波的X极化分量:?:和y极化分量与入射 波X极化分量鸡和7极化分量苟满足如下关系：
其中，矩阵
％琼斯矩阵，且^\4#4%4^分别为四个线极化波传输系数， 分别代表X极化入射波到X极化传输波的转换系数，y极化入射波到X极化传输波的转换系 数，X极化入射波到y极化传输波的转换系数，y极化入射波到y极化传输波的转换系数。且txx 和tyy体现了主极化的转换效率，txy和tyx体现了交叉极化的转换效率。
[0012]在圆极化基准下，传输波的右旋圆极化分量E+和左旋圆极化分量E-与入射波X极 化分量蹲和7极化分量与，满足如下关系：
其中，矩P
中1^，1^，1^，1'1为线极化波到圆极化波的转换系数，分别代表1 极化波到右旋圆极化波的转换系数，X极化波到左旋圆极化波的转换系数，y极化波到右旋 圆极化波的转换系数，y极化波到左旋圆极化波的转换系数。可以通过线极化波传输系数计 算得出。在这里定义极化方位旋转角θ和椭圆率τι来描述出射波的极化特性和纯度。当ri= ± 45°，出射波为纯圆极化波；当n=〇°时，出射波为纯线极化波；当〇°〈n〈45°，出射波为右旋椭圆 极化波；否则当-45°〈n〈〇°，出射波为左旋椭圆极化波。当n=〇°时，出射波为纯线极化波，且θ 表示出射线极化波相对于入射线极化波的极化旋转角度。
由于入射电磁波会在多层三环L形结构内形成多个局部谐振，产生多个磁耦极子，不同 磁耦极子之间的耦合会产生不同的主极化和交叉极化转换效率。通过合理设计三个L形结 构的长度&1， &2和&3，宽带(1以及周期？，可以使出射波的主极化和交叉分量在多个频段内幅 度相等，相位相差90°，也即在多个频段内将线极化波转成圆极化波。
[0014] 本发明设计的基于层叠三维人工手征超材料的多频圆极化器，结构尺寸小，频段 转换效率高。
【附图说明】
[0015] 图1为基于三层叠 L型金属结构的三维人工手征电磁单元结构与圆极化器平板图 不。
[0016] 图2为线极化传输系数。其中，（a)、(b)分别为后向入射、前向入射情形。
[0017] 图3为X极化波和y极化波后向入射情形下交叉极化传输与主极化传输系数的幅度 比值和相位差。
[0018] 图4为x极化波和y极化波后向入射情形下左旋、右旋圆极化波转换差异。
[0019] 图5为X极化波和y极化波后向入射情形下左旋、右旋圆极化波转换系数。
[0020 ]图6为X极化波和y极化波后向入射情形下的(a)极化方位旋转角和(b)椭圆率。
[0021] 图7为圆极化器主极化交叉极化转换差异随(&)&1，（13)&2和((3) &3变化之间的关系。
[0022] 图8为各个工作频率处圆极化器L形金属条上的电流分布。
【具体实施方式】
[0023] 下面通过具体实施例子，进一步描述本发明多频超材料圆极化器的设计。
[0024]图1为基于三层叠 L型金属结构的三维人工手征电磁单元结构与圆极化器平板。六 波段圆极化器单元结构的几何参数为:P=8mm，d=0.3mm，ai=6.8mm，a2=5.6mm，a3=4.4mm。
[0025] 将L形金属条带结构刻蚀在聚四氟乙烯玻璃布板(介质板)上，介质板的介电常数 为￡1^=2.65，厚度为11=2111111，电介质损耗正切为丨311〇=0.001，金属铜箱厚度为0.0361111]1。实际设 计时，采用两层厚度均为h=lmm的F4B板层叠实现，其中一层F4B板的正面、反面刻有互为180 度的L形铜箱金属条带，另一层F4B板的正面含有L形铜箱金属条带，反面铜箱全腐蚀。通过 在二维xoy平面上对人工电磁结构单元进行有限周期延拓，可以得到合适尺寸的超材料圆 极化平板，如图1 (c )所不。
[0026] 图2给出了后向入射和前向入射时的线极化传输系数，从图中可以清楚地看到两 种情形下主极化传输与交叉极化传输系数完全相同。本发明的人工手征结构单元的旋转对 称性使得交叉极化传输系数t xy=tyx和txx=tyy。因而由该人工手征结构单元构成的圆极化还 具有双极化等优良特性，即X极化波与y极化波入射具有相同的电磁响应