一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器

1.本发明属于新型人工电磁材料领域，尤其涉及一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器。


背景技术：

2.极化状态是电磁波最重要的特性之一，长久以来，对于极化的调控一直是电磁波领域研究的重点。电磁超材料是一种人工设计并表现出超凡电磁特性的新型材料，超材料一经提出便因其强大的电磁波调控能力和较小的空间需求而备受关注，特别是二维尺度上的超材料即超表面的出现为电磁波的极化调控提供了更高效的技术手段。然而大多数极化转换超表面的性能受到频带窄和效率低的限制，往往因对称性的结构而不能应用于需要不对称传输的场景。为此，如何同时实现宽频带、大角度和高效率的非对称传输成为了该领域一个亟待解决的重要问题。


技术实现要素：

3.技术问题：为解决当前极化转换器带宽窄、效率低、斜入射性能差和不能满足非对称传输要求等普遍存在的问题，本发明提供一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器,能够在较宽频带内实现高效率、大角度的非对称传输。
4.技术方案：本发明提供一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器，由二维空间上周期性排列的超表面单元组成，所述超表面单元包含三层金属结构，相邻金属结构之间设置介质基板；上层和下层金属结构为具有相同宽度的带隙结构，但方向相互垂直；中间层是旋转角度介于上层和下层之间的金属带隙结构，作为过渡结构。
5.进一步的，中间层金属结构为倾斜45
°
角的带隙结构，且正中有圆形切割。
6.进一步的，所述超表面单元包括5层金属和4层介质基板，即上层和中间层金属结构之间、中间层和下层金属结构之间分别设置第2层金属结构和第4层金属结构；第2层和第4层的金属结构的旋转角度相差45
°
。
7.进一步的，第2层和第4层的金属结构为分别与上层和下层金属带隙方向呈67.5
°
角的短带线。
8.进一步的，所述金属结构为厚度0.035mm的铜。
9.进一步的，所述介质基板的材料是商用介电材料f4bm，相对介电常数为2.65，损耗正切为0.001。
10.所述的超表面结构能够在一定频率和角度范围内将极化方向与表层金属带隙方向垂直的入射电磁波转换为透射的交叉极化电磁波，同时抑制反向传输的相同极化方向电磁波，具有超宽带非对称传输特性。
11.本发明的工作过程如下：极化方向垂直于超表面槽线方向的入射电磁波透过超表面以较高的效率转化为交叉极化的电磁波，同时反向入射的相同极化电磁波将被反射，从而实现了非对称传输。
12.进一步的，对提出的基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器进行了实验验证，所述实验验证包括：
13.1、所述的超表面在电磁波垂直入射情况下各种传输及反射性能；
14.2、所述的超表面在电磁波斜入射情况下非对称传输性能。
15.有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器具有以下优势：
16.1、本发明可以在超宽频带内实现高效率的极化转换，并可通过调节参数进行频段上的扩展；
17.2、本发明具有非对称传输特性，适用于需要特殊需求的场景；
18.3、本发明工作具有良好的斜入射特性，可以用于复杂的工作环境。
附图说明
19.图1为本发明的一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器外观示意图；
20.图2为本发明的一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器工作原理示意图；
21.图3(a)为本发明的超表面结构单元的俯视图；
22.图3(b)为本发明的超表面结构单元的侧视图，所述示意图中从上至下分别为第1到第5层金属结构和第1到第4层介质基板；
23.图4(a)为本发明的超表面单元第1层金属结构的示意图；
24.图4(b)为本发明的超表面单元第2层金属结构的示意图；
25.图4(c)为本发明的超表面单元第3层金属结构的示意图；
26.图4(d)为本发明的超表面单元第4层金属结构的示意图；
27.图4(e)为本发明的超表面单元第5层金属结构的示意图；
28.图5为本发明的超表面在电磁波垂直入射情况下各种传输及反射性能的仿真和实验结果图；
29.图6为本发明的超表面在电磁波斜入射情况下非对称传输性能实验结果图。
具体实施方式
30.现结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
31.本发明的一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器由周期性排列(等间距二维正方形排列)的超表面单元组成，单元为具有正方形剖面的长方体结构，结构从上至下总共包含五层金属和四层介质基板。其中第1层和第5层为具有相同宽度的带隙结构，但方向相互垂直以确保超表面的交叉极化转换能力；第3层是旋转角度介于第1层和第5层之间的金属带隙结构，作为过渡结构，第3层金属使超表面在较高传输效率的基础上具有宽带特性，其中在第3层金属中心还做了圆形切割以提高超表面在斜入射情况下的性能；第2层和第4层的金属为旋转角度相差45
°
的相同金属带线，主要用于进一步提升的超表面的带宽。金属层的材料为铜，厚度为0.035mm。介质基板使用的是相对介电常数2.65、正切损耗0.001的商用介电材料f4b。其中各层结构的尺寸标注如图3和图4所示，参数如下：a＝
6.2mm,h1＝1.6mm,h2＝1.4mm，h3＝1.4mm,h4＝1.6mm，w1＝4.2mm,w2＝2mm,w3＝0.5mm,l＝3.5mm,r＝1.85mm,α＝67.5
°
。
32.图2展示的是超表面的工作示意图，极化方向垂直于超表面表层金属方向的正向入射的电磁波将高效率地转换为交叉极化透射波，同时反向入射的相同极化电磁波将被反射，从而实现正向和反向的非对称的传输。这种非对称的特性来源于超表面单元的手性特征。
33.图5展示的是不同入射情况下超表面的传输性能的仿真和实验结果，在正向传输情况下，超表面的交叉极化转换效率在6-18ghz间达到了0.8以上，同时在反向传输时传输系数被抑制到了0.3以下。
34.图6展示的是斜入射情况下超表面非对称特性实验结果，在0-30
°
的入射角范围内，正向传输的效率在6-18ghz间达到了0.8以上，同时反向传输效率低于0.3。
35.本发明的提出了一种基于手性超表面的超宽带非对称传输极化转换器，能够实现对相同极化状态不同方向电磁波的非对称传输，具有超宽频带、大角度、高效率极化转换能力，在卫星和雷达通信，极化调控等领域有潜在的应用前景。
36.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。