一种基于超材料的柔性透明宽带极化旋转器

1.本发明属于微波器件技术领域，具体涉及一种基于超材料的柔性透明宽带极化旋转器。


背景技术：

2.在过去的几十年里，超表面，指的是二维(2d)版本的超材料，是一种厚度远小于波长的人工周期性结构。由于其单元结构及其尺寸的多样性和许多独特的性质，如负折射、负磁导率等，在各种科学和工程学科中经历了一个巨大的热潮，而这些特性是自然无法获得的。与传统的体块超材料相比，超表面具有许多吸引人的特点，如易于制造、低轮廓和低损耗，这在电磁隐身、全息成像、信息处理等领域引发了大量的新研究。通过以理想的方式设计和排列单个亚波长元原子，超表面在亚波长尺度上为工程光物质相互作用提供了前所未有的自由度，实现了对电磁波的相位、振幅、频率、极化和传播方向的完全控制。特别地，偏振极化也是电磁波的固有特性之一，在显示光学、量子计算、化学传感等许多领域起着至关重要的作用。由于极化在时域和频域上的不变性和独立性，极化调制技术与无线通信和雷达系统中的其他调制技术是兼容的。由于天然材料的电磁响应极其微弱，通常需要高厚度或外加磁场才能获得相位积累，但带宽有限，体积庞大。
3.相比之下，超表面在以平面和集成方式灵活控制偏振方面表现出了无可比拟的能力，为通用的偏振变换、偏振光栅、全息和成像等提供了一个新的平台。国内外学者，通过使用超表面设计极化旋转器也开展了许多进展。大多数极化转换器都有带宽较窄的缺点，为了拓展带宽，多层复杂的结构进行堆叠来产生拓展带宽被实现了(z.wei,y.cao,y.fan,x.yu,and h.li,“broadbandpolarization transformation via enhanced asymmetric transmission through arrays oftwisted complementary split-ring resonators,”appl.phys.lett.,vol.99,no.22,2011,art.no.221907.)。另一个需要考虑的问题是需要维持较高的极化转换率。对于传统的极化转换器的最大的限制条件是缺乏机械柔韧性和光学透明性。其中ito凭借高透光考虑以及低电阻目前占用主导地位，但与此同时，ito存在一定缺点(s.lai,y.wu,andw.gu,“design of a transparent metamaterial cross polarization converter with large incident angle range,”ieee photonicsjournal,vol.13,no.4,pp.1-5,2021.)注入in和sn是稀有金属，价格昂贵；in有毒，不利于环保；在高温条件下，ito的热化学性质不稳定，易于器件发生化学反应，针对上述存在的所有问题，我们拟采用透明金属丝网，来实现一款结构简单极化转换率高、带宽宽、同时具有良好的机械灵活性和光学透明性的极化转换器。


技术实现要素：

4.技术问题：为了解决现在的宽带极化旋转器存在的问题，本发明提供了一种结构简单的基于超材料的柔性透明宽带极化旋转器，在图案化的fss和反射背板的共同作用下，在9.15ghz～18.25ghz的频段范围内实现了将入射的水平极化的电磁波转化内垂直极化的
电磁波或者将入射的垂直极化电磁波转化为水平极化的电磁波，而且转化内效率高达90％。采用金属微网和pdms材料，实现了极化旋转器的光学透明特性和机械的柔韧性。
5.技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的一种基于超材料的柔性透明宽带极化旋转器包括：
6.反射底板：透明金属丝网制作；
7.介质基板：透明pdms制作，设置于反射底板的上表面；
8.金属贴片：透明金属丝网制作，设置于介质基板的上表面。
9.所述柔性透明宽带的极化转换器是一种周期性结构，其一个周期单元尺寸为10mm
×
10mm，整个装置的厚度为2.7mm。
10.所述金属贴片包括两个互相嵌套的u字形结构组成，每个u字形的三条边长度相等，每个u字形的边的宽度也相等。
11.所述的u字形结构的单边长度l＝4.4mm，宽度w＝0.8mm，u字形结构的中心距u字形边的垂直距离m＝1.3mm。
12.所述的介质基底的材料为pdms柔性透明材料，其相对介电常数为2.7，损耗角正切值为0.015。
13.所述的透明金属丝网材料为柔性透明的导电材料，其方阻为0.12欧姆/平方，近似可以看作为理想导体。
14.所述的pdms柔性透明材料是一种方块周期性结构，厚度为2.7mm，结构单元周期p＝10mm，结构周期为10mm
×
10mm。
15.该极化旋转器的制作是将金属丝网放在透明pdms的介质基板上面，然后通过设置激光切割机钻头的输出功率，即可切割出所需要的图案化的u字形结构。
16.发明原理：基于超材料的柔性透明宽带极化旋转器，包括由上至下依次设置的互相嵌套的u字形结构金属贴片、pdms介质和金属丝网做成的背板，当水平极化的电磁波入射该装置时，首先接触到图案化的频率选择表面。金属频率选择表面在特定频率的电磁波入射下可以产生强烈的电磁谐振，发生反射，同时由于金属频率选择表面结构的设置，可以将入射的水平极化电磁波的相位旋转180
°
，从而反射出来的信号不仅仅有水平极化的电磁波也有垂直极化的，而且反射出来的垂直极化电磁波的部分占比较大，因此是实现了高极化转换率的极化旋转器，由于其结构为中心对称结构，因此该极化转换器不仅仅使用与水平极化的入射电磁波也适用于垂直极化入射的电磁波。
17.有益效果：与现有技术相比，本发明的一种超材料柔性透明宽带极化旋转器，在图案化的fss结构与金属背板的共同作用下，可以在9.15ghz～18.25ghz的范围内实现将入射的垂直极化电磁波转化为水平极化电磁波，可以将入射的水平极化电磁波转化为垂直极化电磁波，且极化转换率高达90％以上。并用新型的柔性透明材料替代之前的透明材料ito，使用了自己合成的柔性透明材料pdms，大大降低了成本，使用激光切割技术，提高了加工生产的时间，有利于大规模的加工生产。本发明专利可用于射频电路、极化控制、极化分离、极化旋转器件或系统中，其卓越的机械柔韧性能和良好的光学透明性能为极化转换器的应用拓宽了道路，具有十分广泛的应用前景和应用价值。
附图说明
18.图1是基于超材料的宽带柔性透明极化旋转器的立体图；
19.图2是基于超材料的宽带柔性透明极化旋转器的俯视图；
20.图3是基于超材料的宽带柔性透明极化旋转器的侧视图；
21.图4是基于超材料的宽带柔性透明极化旋转器的单元周期性排列的2*2阵列图；
22.图5是基于超材料的宽带柔性透明极化旋转器在电磁波垂直入射时电场沿x轴的反射系数曲线图；
23.图6是基于超材料的宽带柔性透明极化旋转器在电磁波垂直入射时电场沿x轴的共极化反射率、交叉极化转换率、极化转化率曲线图；
24.图7是基于超材料的柔性宽带透明极化旋转器分别沿u轴和v轴的反射振幅曲线图；
25.图8是基于超材料的柔性宽带透明极化旋转器分别沿u轴和v轴的相位曲线图；
26.图9是基于超材料的柔性宽带透明极化旋转器在uv坐标系中的相位差图。
27.图中有：金属贴片1，介质基板2，反射底板3。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
29.参照图1、图2，本发明提供了一种基于超材料的柔性宽带极化旋转器，所述的超材料宽带极化旋转器的设计及原理，该极化旋转器由单元结构周期排列而成，其结构包括两个相互嵌套的u字形结构，每个u字形结构的长度和宽度都是一样的。其立体结构如图1所示。在表面图案化的频率选择表面和金属丝网背板的共同作用下，通过合理的参数设计和优化设计，该结构可以在9.15ghz～18.15ghz内实现水平极化电磁波转垂直极化电磁波，垂直极化电磁波转水平极化电磁波，且极化转化内率高达90％以上，由于采用了新型的金属丝网替代了传统的ito材料，大大降低了生产成本，采用了自己合成的pdms柔性透明材料大大提高了该结构了机械柔韧性和光学透明性。
30.相互嵌套的u字形结构，是由两个u形结构组成的，u字形结构的单边长度l＝4.4mm，宽度w＝0.8mm，u字形结构的中心距u字形边的垂直距离m＝1.3mm。
31.中间介质基板的材料为自己加个合成的柔性透明介质材料pdms，相对介电常数为2.72，损耗角正切值为0.015，介质基板的边长为p＝10mm,厚度为h＝2.7mm。
32.底面的金属丝网反射底板的厚度为0.1mm，顶层的由金属丝网加工的相互嵌套的u字形结构的厚度也为0.1mm，其方阻为0.12欧姆/平方。
33.本发明反射型超材料的极化旋转器在水平电磁波垂直入射(电场沿x轴方向)时，极化旋转器由相互嵌套的u字形结构和金属背板以及中间层的介质共同工作引起，实现宽带的极化旋转，可以将入射的垂直极化的电磁波转化为水平极化的电磁波。由于该结构具有中心旋转对称的特性，因此该结构也能够实现将垂直极化的电磁波转换为水平极化的电磁波，且在(9.15-18.25)ghz的频段范围内能够实现90％以上的极化转换率。
34.为了实现更大的应用价值，该极化旋转器，采用了柔性透明的金属微网制作了金属化的图案和金属背板，采用了自己合成的方法加工了柔性透明的pdms介质基底，其相对介电常数和损耗角正切值分别为。
35.所述的基于超材料的柔性透明宽带极化旋转器，由若干个基本单元周期性排列而成。该极化转换器的三维图如图1所示。单元俯视图如图2所示。侧视图如图3所示，其中，h是介质基板的厚度，h1是金属微网的厚度，h2是底部金属微网的厚度，p是介质基板的长度。该极化转换器周期性排列的(2*2)阵列图如图4所示。
36.图5是所述极化旋转器在电磁波水平垂直入射时(电场沿x轴)的反射幅值曲线，其中r
yx
表示交叉极化反射系数，r
xx
表示同极化系数，由此可见，r
yx
在工作频带范围内，即9.15ghz～18.25ghz幅值较高，高于0.9，而r
xx
的幅值较小，低于0.1。图6是所述的极化转换器在电磁波水平垂直入射时(电场沿x轴)的反射极化转换率曲线图，其中pcr为反射极化转换率，其公式为当pcr》0.9,则可认为发生完全交叉极化转换。图7是所述的极化转换器在入射电磁波分别沿u轴和v轴的反射振幅曲线图，其中，r
uu
表示沿u轴入射且沿u轴出射振幅曲线，r
vv
表示沿v轴入射且沿v轴出射的反射振幅曲线，如如7所示，两曲线幅值相差较小其基本高于0.8，这表明，偏振沿u轴和v轴的反射与沿v轴的偏振幅度大致一致。图8是所述的极化转换器在入射电磁波分别沿u轴和v轴的相位曲线图。图9是所述的极化转换器在入射电磁波沿u轴和v轴的相位差曲线图，结合图8、图9可见，在9.15ghz～18.25ghz内，所描述的极化转换器的相位差大约接近180
°
，这再一次充分地表明了该极化转换器在这较宽的频带范围内具有很强的极化转换能力。