林小芳,張旭,孟祥輝
一種可以實現(xiàn)線-圓和線-交叉極化轉(zhuǎn)換的反射型超表面
林小芳,張旭1,2,孟祥輝1
(1. 曲阜師范大學 物理工程學院,山東 曲阜 273165;2. 上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室,上海 200092)
提出了一種可以通過反射同時實現(xiàn)2種不同極化形式的極化轉(zhuǎn)換超表面.仿真結果表明,該超表面在頻帶范圍14.21~16.70 GHz內(nèi)可以實現(xiàn)比較理想的線-圓極化波的轉(zhuǎn)換,并且可以在近5 GHz的頻帶范圍(25.50~30.42 GHz)內(nèi)實現(xiàn)線-交叉極化波的轉(zhuǎn)換,且極化轉(zhuǎn)換率的均值高達97%左右.該極化轉(zhuǎn)換超表面在毫米波雷達、天線設計等軍事領域具有廣泛的應用價值.
超表面;線-圓極化轉(zhuǎn)換;線-交叉極化轉(zhuǎn)換
極化是電磁波重要的特征之一,電磁波的極化分為線極化、圓極化和橢圓極化.不同極化方式的電磁波有著不同的傳播特性,也有著工程領域內(nèi)的不同用途[1].線極化波到交叉極化波的轉(zhuǎn)換在雷達探測以及天線中得到了很多的運用[2],但在很多惡劣的環(huán)境中,單一的線極化波不能保證通信質(zhì)量的可靠性和精準性,所以在這種環(huán)境下運用抗干擾性能強并能在惡劣的天氣中具有較好的傳播特性的圓極化波是一個較好的選擇.除此之外,圓極化波還具有抑制雨霧干擾的能力,在抗極化旋轉(zhuǎn)、抗多徑效應等方面有明顯的優(yōu)勢[3],可以廣泛應用于天文探測、系統(tǒng)成像、雷達等領域.隨著現(xiàn)代軍事的不斷發(fā)展以及人們需求的不斷提高,可以同時實現(xiàn)線-圓極化波以及線-交叉極化波轉(zhuǎn)換的器件在天線設計、雷達探測等領域中具有重要的應用價值.
超表面是一種亞波長尺寸的超薄結構的二維陣列平面,通過調(diào)控它的單元結構和排列順序可以實現(xiàn)自然界中的材料無法實現(xiàn)的功能[4].傳統(tǒng)的極化調(diào)控器件包括雙折射材料和極化波片等,其調(diào)控原理是通過增加結構的尺寸和厚度來獲得相位的積累,但這種方法存在著厚度大、尺寸大以及加工程度難等缺陷,不利于工程中的運用.2011年,哈佛大學Capasso課題組[5]基于超表面提出了廣義斯涅爾定律,實現(xiàn)了對電磁波反射、折射的靈活調(diào)控,這一成果發(fā)表在《Science》雜志上.自此,運用超表面來實現(xiàn)極化調(diào)控的文獻不勝枚舉[6-11],但運用超表面同時實現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換和線-交叉極化轉(zhuǎn)換的相關文獻卻為之較少.
本文提出了一種在較寬的工作頻帶內(nèi)可以實現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換和線-交叉極化轉(zhuǎn)換的反射型極化轉(zhuǎn)換超表面.仿真結果表明,該極化轉(zhuǎn)換超表面在14.21~16.70 GHz內(nèi)可以實現(xiàn)較好的線-圓極化轉(zhuǎn)換效果,工作帶寬范圍達到了2.49 GHz.同時,在25.50~30.42 GHz的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了反射系數(shù)高于90%的交叉極化轉(zhuǎn)換.
圖1 超表面結構原理示意圖
若反射波的電場矢量的2個分量的振幅和相位是任意的,則合成的電磁波是一個橢圓極化波.
圖3 圓極化轉(zhuǎn)換示意圖
圖4 超表面的單元結構示意圖
極化轉(zhuǎn)換超表面的同、交叉極化反射系數(shù)曲線見圖5,極化轉(zhuǎn)換率的曲線見圖6,相位差的曲線見圖7.由圖5可見,在14.21~16.70 GHz的頻帶范圍內(nèi),同、交叉極化反射系數(shù)幾乎相等,其值接近于0.7(同、交叉極化反射系數(shù)值的差值小于0.04).
圖5 同、交叉極化反射系數(shù)曲線
從圖5中還可以看出,在25.50~30.42 GHz的頻帶范圍內(nèi),交叉極化反射系數(shù)的最小值大于0.9,在一些頻率點附近交叉極化反射系數(shù)接近于1.此外,從極化轉(zhuǎn)換率曲線(見圖6)中可以看出,在頻段范圍26.13~29.94 GHz內(nèi),極化轉(zhuǎn)換率的最小值甚至達到了97%,實現(xiàn)了超高效率的交叉極化轉(zhuǎn)換.
圖6 極化轉(zhuǎn)換率曲線
圖7 相位差曲線
從圖7的相位差曲線中可以看出,在該頻帶范圍內(nèi),相位差大小幾乎接近于-90°.從分析得知,反射波電場矢量的2個分量的幅度相等且相位差為-90°時,可以合成一個右旋圓極化波,故該極化轉(zhuǎn)換超表面在該頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)了線極化波到右旋圓極化波的轉(zhuǎn)換.
因此,可以得出結論:該反射型極化轉(zhuǎn)換超表面在14.21~16.70 GHz的頻帶范圍內(nèi)可以實現(xiàn)較好的線-圓極化波的轉(zhuǎn)換,在25.50~30.42 GHz的頻帶范圍內(nèi)可以實現(xiàn)高效率的線-交叉極化波的轉(zhuǎn)換.
另外,在諧振點26.74 GHz處(見圖8b),表層D型結構中的金屬長條和金屬半圓環(huán)的電流流向均沿左下方流動.底層金屬板的電流流向劃分為2個區(qū)域來進行分析:在D型金屬環(huán)內(nèi)的電流強度較弱,電流流向主要沿右上方的趨勢,但同時也存在沿左下方的2個電流趨勢;在除D型金屬環(huán)內(nèi)的區(qū)域外,底層金屬板的電流流向主要沿左下方的趨勢,且這部分區(qū)域上的電流強度較強.因此,從圖8中可以明顯看出,表層和底層結構中的電流流向存在相同和相反的2種情況,其中,起主要作用的還是相同的電流流向,這種相同的電流流向會導致電諧振響應的產(chǎn)生[12]3526.故在諧振點26.74 GHz處可以產(chǎn)生電諧振和磁諧振的2種響應,但起主要作用的是電諧振響應.因此,可以得出當電磁波入射到該極化轉(zhuǎn)換超表面時,由于表層金屬半圓環(huán)和底層金屬背板之間產(chǎn)生的磁諧振作用導致了線極化入射波到圓極化反射波的轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生的混合諧振作用導致了交叉極化反射波的轉(zhuǎn)換.
圖8 表面電流分布
本文提出了一種由3層結構組成的反射型極化旋轉(zhuǎn)超表面,由表層和底層的金屬結構和中間層的介質(zhì)基板組成.從仿真結果可以看出,該極化轉(zhuǎn)換超表面在頻段14.21~16.70 GHz內(nèi)可以實現(xiàn)較好的線-圓極化波的轉(zhuǎn)換,在頻帶范圍25.50~30.42 GHz內(nèi)可以實現(xiàn)較好的線-交叉極化波的轉(zhuǎn)換.最后,通過在諧振點處的表面電流分布圖分析了產(chǎn)生圓極化波和交叉極化波的原理.該極化轉(zhuǎn)換超表面在天線設計、雷達等軍事領域有重要的應用價值.
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A reflective metasurface that can realize linear-circular and linear-cross polarization conversion
LIN Xiaofang1,ZHANG Xu1,2,MENG Xianghui1
(1. School of Physics and Engineering,Qufu Normal University,Qufu 273165,China;2. Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology,Shanghai 200092,China)
A polarization conversion metasurface is proposed which realizes two different polarization types through reflection.Simulation results show that the metasurface can achieve an ideal linear-circular polarization conversion in the frequency band 14.21~16.70 GHz.In the 5 GHz frequency band(25.50~30.42 GHz),the linear-cross polarization conversion can also be achieved,and the average value of polarization conversion rate is about 97%.The polarization-conversion metasurface has wide application in the fields of millimeter-wave radar and antenna design.
metasurface;linear-circular polarization conversion;linear-cross polarization conversion
O44∶TN92
A
10.3969/j.issn.1007-9831.2020.06.008
1007-9831(2020)06-0036-05
2020-01-13
林小芳(1995-),女,山東日照人,在讀碩士研究生,從事基于超表面的極化調(diào)控研究.E-mail:1346631969@qq.com
張旭(1979-),男,山東淄博人,講師,博士,從事超構材料及其應用研究.E-mail:3449725284@qq.com