[发明专利]一种实现极化转换的超材料

说明书

技术领域

本发明涉及用于平面电磁波极化转换的装置，具体地涉及一种实现极化转换的超材料。

背景技术

电磁波与光的极化状态在液晶显示、射频天线及各种辐射器件、卫星天线与光学器件等方面有广泛的应用。传统的极化转换器件通常限制一种极化波透射，将不需要的极化波反射；或者将波分为两束具有不同极化状态的波束，因此一种极化波只能携带不到一半的能量，并且工艺要求和成本高。此外，利用截面渐变的波导可以实现圆极化波与线极化波之间的转换。用来实现极化转换，前者具有较大的能量损耗，后者能量损耗小但所要得到极化隔离度好的出射波对加工精度要求相当高，实现难度较大。

现有的电磁波极化转换技术，下面以线极化波转换成其他极化方式的电磁波为例来说明现有的极化转换技术。

步骤一，将输入的线极化波进行功率分离，形成两路传输信号；

步骤二，通过两个可控相移的支路，使其中一路电磁信号的相位与另一路电磁信号的相位相差90度，来实现极化的转换；

步骤三，用功率合成器将两个具有不同幅相特性的电磁波进行合成，输出一个与输入不同极化方式的电磁波。

现有的极化转换技术实施很复杂，需要经过一系列器件，所以实施过程中就必须考虑各器件在不同频段的匹配问题，而且整个系统的失真很难消除，所得结果并不能很准确。

在各种天线及微波与光学的仪器设备中，经常需要实现不同极化状态之间的转换，以获得某种单极化波或双极化波。极化转换主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，接近所需要的极化状态。

2)低损耗。具有较高的能量转换效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，极化转换方法应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。

超材料由介质基材和设置上基材上的多个人造微结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人造微结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人造微结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人造微结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现极化转换提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种低成本、高效率、功能多样、便于控制和设计的实现极化转换的超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现极化转换的超材料，所述超材料包括基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述人造微结构能够影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得所述平面电磁波离开所述的超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生的相位差Δφ＝(k1-k2)×d，从而实现上述电磁波极化方式的相互转换，其中，

k1=ω×ϵ1×;]]>

k2=ω×ϵ2×;]]>

ω为所述电磁波的频率；

ε为所述超材料的介电常数；

μ₁、μ₂为所材料的磁导率；

d为所述超材料的厚度。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均由所述基材以及附着有多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的实现极化转换的超材料中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。