[发明专利]一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器

说明书

技术领域

本发明涉及一种双频圆极化器，特别涉及一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器。

背景技术

圆极化波因为具有旋向正交性，可以抑制雨雾干扰，抗多径效应等技术优点，因此在卫星通信，雷达等方面有广泛的应用。通信技术中除了直接设计圆极化天线外还通常利用圆极化器，将入射的线极化波转化为圆极化波，从而达到激发圆极化辐射波的目的。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，然而这些传统圆极化器具有结构复杂，剖面高，工作频点少等缺点。由于对电磁波的特殊调控作用，手性人工电磁结构材料已经被广泛用于调控电磁波的极化特性。J.K.Gansel等人利用金螺旋线手性人工电磁结构构造了工作在红外波段的圆极化器(J.K.Gansel,et al.Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer[J],Science 325,1513-1515(2009).)，在线极化波入射的情况下，该圆极化器在很宽的频带内的出射波表现为右旋圆极化波，而且右旋圆极化波的透过率系数超过80%，但是该圆极化器只能将入射的线极化波转化为一种圆极化波，并且该圆极化器的剖面高度接近一倍波长。M.Mutlu等人利用两层依次旋转的U型开口谐振环结构构造了一种基于手性人工电磁结构的圆极化器(M.Mutlu,et al.Asymmetric chiral metamaterial circular polarizer based on four U-shaped split ring resonators[J],Optics Letters 32,1653-1655(2011).)，该圆极化器能在两个频点处将入射的线极化波转化为具有不同旋转方向的圆极化波，但是该人工结构材料的结构相对复杂，这也限制了这种圆极化器的使用范围。之前的名为“一种基于人工结构的多频圆极化器”的专利（专利号201210105783.0），提出了一种基于多层人工结构材料的圆极化器，在本专利中，仅在单层介质板上设计周期性手性金属结构即可实现电磁波在多个谐振频点处将入射的线极化波转换为具有不同旋向的圆极化波。

综上所述，现有的圆极化器具有结构复杂、工作频段少等缺点。

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、工作频段少等不足；提出一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，该圆极化器可以在两个频段的四个谐振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，且该圆极化器为平面结构，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：一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器，包括一层矩形介质基板1，以及在矩形介质基板上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构2，每个周期性圆弧形金属线结构包括四条圆弧形金属线3、4、5和6，这四条圆弧形金属线分别排布在矩形介质基板1的正反两面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，每个周期中上端的两条圆弧形金属线3和5位于矩形介质板的背面，而下方的两条圆弧形金属线4和6位于矩形介质板的正面，这四条圆弧形金属线具有共同的圆心和相等的圆心角，且外侧的两条圆弧形金属线5和6的尺寸相同，内侧的两条圆弧形金属线3和4尺寸相同，两条外侧圆弧形金属线5和6之间的夹角与两条内侧圆弧形金属线3和4之间的夹角相等。

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Arlon AD250等型号的介质基板,介质基板的介电常数为ε_r。

所述的基于手性人工电磁结构的双频圆极化器中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四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中外侧的两条圆弧形金属线5和6的外径为r1，r1的取值范围为λ_m1/4~λ_m1/3，外侧的两条圆弧形金属线5和6宽度w1取值范围为0.1mm~λ_m1/10；周期性圆弧形金属线结构2中内侧的两条圆弧形金属线3和4的外径为r2，r2的取值范围为λ_m1/5~λ_m1/4，外侧的两条圆弧形金属线3和4的宽度w2取值范围为0.1mm~λ_m1/10。