[发明专利]一种基于层叠三维人工手征超材料的多频圆极化器

说明书

技术领域

本发明属于多频极化器技术领域，具体涉及一种基于层叠三维人工手征超材料的多频圆极化器。

背景技术

所谓手征性是指类似于左右手之间无论经过平移还是旋转都不能完全重合，互为镜像的一种性质。从这种意义上讲，手征性描述的是一种几何的概念。在电磁领域内，手征性涉及到由这些奇异结构而引发的一些奇异电磁特性，如旋光性，圆极化二色性，光学特性等。从几何概念上讲，自然界中很多分子均具有手征性，如DNA，葡萄糖和氨基酸等。由于这些结构特征，自然界中的这些媒质均具有手征特性，但在只有光学频段才能表现出，且旋光强度很低，旋光频率范围固定。而人工手征超材料是指通过对亚波长人工电磁结构单元周期排列或者按某种规律排列设计而成具有手征特性的人工电磁材料或电磁媒质。它能很好地克服自然界手征材料存在的一些缺点，且厚度可以设计的很薄，因此具有重量轻等优点。同时人们还可以通过合理设计和布局人工手征超结构单元实现对电磁波的极化控制和任意操控手性媒质的工作频段和带宽。后续研究发现人工手征超材料还具有负折射和后向波等特性。

极化器是对手征超材料旋光性和圆极化二色性的一个重要应用，按照极化转换方式可以分为线极化器和圆极化器。其中线极化器又称为极化旋转器，按极化角度不同可以实现不同的用途。圆极化器能将水平极化波转成圆极化波，转换后电磁信号同时被水平极化和垂直极化的天线接受。由于其更强的稳定性和可靠性，圆极化器在无线通信系统中应用很广泛。但以往报道的超材料圆极化器中大多数是单频工作。为了解决这一问题，研究人员提出了不同形状的人工电磁结构单元，如基于四个不同大小的U型谐振器，圆弧电磁结构单元，车轮形电磁结构单元，开口环谐振器等，但以上大部分圆极化器是双频工作，且只能单极化工作。圆弧电磁结构能在三个频段实现线极化到圆极化的转换，但部分频段转换效率不高。最重要的是圆弧结构单元电尺寸大，远超过超材料四分之一波长极限，使得等效媒质理论失效，同时极化器的衍射效应得到增强。至今，还未有关于四波段，五波段甚至六波段圆极化器的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构尺寸小、频段转换效率高的多频圆极化器。

本发明设计的多频圆极化器（圆极化平板），是基于层叠三维人工手征超材料的，能在六个频段同时工作，且能同时工作于两个极化状态，具体由人工手征电磁单元在二维xoy平面上进行有限周期延拓得到，如图1（c）所示；所述人工手征电磁单元，其结构由三层（上层，中层，下层）金属结构组成；每层金属结构均有三个边长大小渐变的L型（即正方形按斜角方向对半分而成的形状）金属条带组成；三层L形金属条带形状和结构参数相同，且互为180度旋转，即中层金属条带与上、下层金属条带互为180度旋转，如图1（a）所示，使得整个人工手征电磁单元结构的俯视图（即在底部的投影）为三个完整的方形金属环，如图1（b）所示，其中h是整个圆极化平板的总厚度。

本发明设计的人工手征电磁单元，由于三层L形人工电磁结构单元的扭转变换打破了在z方向上的镜像对称，因而具有手征特性。