[发明专利]一种基于人工结构的多频圆极化器

说明书

技术领域

本发明涉及一种多频圆极化器，特别涉及一种基于人工结构的多频圆极化器。

背景技术

圆极化波具有旋向正交性，可以抑制雨雾干扰，抗多径效应等优点，因此在卫星通信，雷达等方面有广泛的应用。圆极化器是用来激发圆极化波的常用装置。传统的圆极化器有波导圆极化器、栅条圆极化器以及曲折线圆极化器等。波导圆极化器是在波导中利用极化分离器使入射线极化波分解为两个正交且等幅的线极化模式，然后分别调节这两个模式，使它们之间产生90°的相位差，从而实现线极化波到圆极化波的转换。波导圆极化器体积较大，且一般只作为天线系统的激励源。由于对电磁波的特殊调控作用，人工结构材料已经被广泛用于调控电磁波的极化特性。M.Mutlu等利用两层金属周期结构的人工结构材料来实现将入射的线极化波转化为圆极化辐射波(M.Mutlu，et al.Asymmetric chiral metamaterial circular polarizer based on four U-shaped split ring resonators[J]，Optics Letters 32，1653-1655(2011).)，每层金属结构的单元包含四个依次旋转90°的U型开口谐振环。该人工结构材料分别在两个频点处将线极化波转化为具有不同旋向的圆极化波，但是该人工结构材料的结构相对复杂而且带宽比较窄。为了解决传统平面人工结构材料的带宽窄的问题，J.K.Gansel等利用周期性金属螺旋线结构设计了工作在远红外频段的宽带圆极化器(J.K.Gansel，et al.Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer[J]，Science 325，1513-1515(2009).)。该圆极化器在一个较宽的频带内将入射的线极化波转化为右旋圆极化波，然而为了实现宽带极化转换，该圆极化器的剖面高度接近一倍波长；并且该圆极化器只能将入射的线极化波转换为一种旋向的圆极化波，这也限制了这种圆极化器的使用范围。

综上所述，现有的圆极化器具有结构复杂、工作频段少、体积较大等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有圆极化器结构复杂、工作频段少、体积较大等不足；提出一种基于人工结构的多频圆极化器，该圆极化器可以在k(k＝t)个频点处实现将入射的线极化波转化为不同旋向的圆极化波，且结构简单，易于制作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于人工结构的多频圆极化器，包括一种n-1层矩形介质基板1，以及在n-1层矩形介质基板1上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构2，周期性圆弧形金属线结构2的t(t＝n)条圆弧形金属线分别排布在n-1层矩形介质基板1的第1、2、…、n面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，t条圆弧形金属线组成一个同心圆的t个等分部分，t条圆弧形金属线的宽度和对应的圆心角都相同，且每两条圆弧形金属线之间的间隙对应的圆心角也相同。

矩形介质基板为商用介质基板，可以有效降低该圆极化器的成本，如Taconic TLX或者F4B等型号的介质基板，介质基板的介电常数为ε_r。

所述n-1层矩形介质基板1中每层矩形介质基板的厚度为h，周期性圆弧形金属线结构2的周期为p，p的取值范围是2*λ_m1/5～4*λ_m1/5，其中λ_m1为所述多频圆极化器工作的k(k＝t)个频点中的最小频率处对应的等效波长，λ₀₁为最小工作频率处对应的真空中的波长，周期性圆弧形金属线结构2中每条圆弧形金属线的外径为R，R的取值范围为λ_m1/4～λ_m1/2，周期性圆弧形金属线结构2每条圆弧形金属线宽度w取值范围为0.1mm～λ_m1/4，该多频圆极化器单元尺寸为亚波长结构，在相应的工作频点处可以视为均匀的材料。

所述周期性圆弧形金属线结构2每条圆弧形金属线所对应的圆心角θ的取值范围为0°≤θ≤360°/t。

本发明具有的有益效果在于：

(1)本发明结构简单，周期性圆弧形金属线结构2为t(t＝n)条依次旋转固定角度的圆弧形金属线，且为平面结构，易于制作，利用PCB板加工工艺就可以制作，而这种加工工艺现在已经非常成熟。