删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

基于方形开口环的超宽带线性极化转换器

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:电磁波的极化调控在卫星通信、雷达探测以及立体显示成像等领域有重要的应用价值, 探索易于加工、转换效率高、工作频带宽的高性能极化转换器具有重要的研究意义. 本文提出了一种基于方形开口环超构表面的线性极化转换器, 该转换器具有各向异性特点, 反射电场沿两个对角线方向的分量振幅相等, 相位相差180°, 导致在反射模式下能够将入射波的极化方向旋转90°. 实验测试结果表明, 在7.12—18.82 GHz频带范围内极化转换率高于90%, 相对带宽达到90%. 频带的显著拓宽基于四个谐振频点, 每个谐振频点的转换效率都接近100%. 实验结果与模拟结果相符合, 验证了提出的超构表面可以在较宽的频带范围内实现电磁波的90°极化旋转.
关键词: 极化转换/
超构材料/
超构表面/
超宽带/
各向异性

English Abstract


--> --> -->
电磁波的极化是指电场矢量在垂直于传播方向的平面中的振荡方向[1]. 电磁波的极化态在卫星通信、雷达探测以及立体显示成像等方面具有重要的应用价值, 因此对电磁波极化态的调控是科学研究中的一个重要方向. 传统的电磁极化调控技术主要是通过法拉第效应和双折射晶体来实现[2,3], 对材料的厚度有一定要求(导致体积大), 且不具有宽带调制特性(导致频带窄).
近年来, 超构材料受到了人们的广泛关注, 它具有自然界材料所不具备的物理特性, 因此能实现许多奇异的电磁现象和功能器件, 如负折射现象、超透镜、隐形斗篷和完美吸收器等[4-7]. 同时, 超构材料也被广泛用于电磁波的极化调控, 主要分为透射型和反射型极化转换器. 透射型极化转换器普遍存在效率低、频带窄的问题[8-11]. 与透射型极化转换器相比, 反射型结构在能量利用率上有明显优势, 基于H形结构单元的反射型极化转换器很好地验证了这一点[12], 但工作带宽窄的问题限制了其实际应用. 为了拓宽极化转换器的工作带宽, 研究人员提出了许多新奇的结构, 主要分为三种类型: 第一种是基于单层超构表面结构[13-31], 在拓宽工作频带和提高转换效率方面已取得了显著效果, 但仍有改进空间; 第二种是基于优化算法的拓扑结构[32,33], 该方法虽然能够有效地拓宽极化转换的带宽, 但无法满足在整个工作频带内的极化转换率均高于90%; 第三种是基于多层超构表面结构[34,35], 该方法将不可避免地增大样品的体积. 因此, 探索结构简单、易于加工、转换效率高、工作频带宽的高性能极化转换器仍是目前研究极化态操控的主要方向.
本文利用一种简单的方形开口环超构表面结构设计了超宽带线性极化转化器, 在反射模式下能够将入射波的极化方向旋转90°. 全波仿真和实验测试结果表明, 该结构在7.12—18.82 GHz的超宽频带内极化转换率高于90%, 相对带宽达到90%. 对比已有的极化转换器, 所提出的结构更为简单从而易于加工, 并且具有转换效率高和工作频带宽的优势, 因此易于集成到相关的应用设备中.
本文设计的极化转换器的单元结构如图1(a)所示, 由顶层的方形开口金属环、中间的介质层和底层的金属反射板组成. 其中, 金属均是厚度为17 μm的铜, 其电导率σ = 5.8 × 107 S/m, 介质层是厚度为3.5 mm的F4B-2, 其介电常数εr = 2.65, 损耗角正切tanδ = 0.002. 单元结构的几何参数如图1(b)所示, 其中单元周期p = 10 mm, 方形金属环的边长a = 6.8 mm, 环的宽度w = 0.5 mm, 环的开口宽度g = 1.0 mm.
图 1 基本单元结构示意图 (a) 立体图; (b) 俯视图
Figure1. Schematic demonstration of the unit cell: (a) 3D view; (b) top view.

极化转换器的工作原理如图2(a)所示. 当y极化的电磁波垂直入射时, 其电场矢量可以沿u方向和v方向分解, 即可表示为${{{E}}_{\rm{i}}} = {{u}}{E_{{\rm{i}}u}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}\phi }} + $${{v}}{E_{{{\rm i}} v}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}\phi }}$, 经过极化转换器反射后, 其反射波可以表示为${{{E}}_{\rm{r}}} = {{u{}}r_u}{E_{{\rm{i}}u}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}(\phi + {\varphi _u})}} + {{v}}{r_v}{E_{{\rm{i}}v}}{{\rm{e}}^{{\rm{j}}(\phi + {\varphi _v})}}$, 其中rurv分别表示电磁波在uv方向上的反射系数. 由于所提出的超构表面具有各向异性, 这将导致经超构表面反射后的电磁波在uv方向上出现相位差(Δφ = |φuφr|). 当rurv且相位差Δφ ≈ 180°时, 沿u方向或者沿v方向的电场方向将会反向, 最终合成的电场方向就会沿着x方向, 即入射的y极化波经超构表面反射后其电场将被旋转90°成为x极化波. 基于有限元方法对提出的极化转换器进行仿真, 得到的uv方向上的反射系数rurv以及两者之间的相位差Δφ图2(b)所示. 从图中可以看出, 反射系数rurv近似相等且接近于1, 在7.12—18.82 GHz频率范围内, 相位差Δφ接近180°, 特别是在7.56, 11.84, 17.10和18.61 GHz四个频点处, 相位差Δφ = 180°.
图 2 (a) 极化转换器的工作原理; (b) 反射波沿uv方向的振幅及相位差
Figure2. (a) The working principle of the proposed polarization converter; (b) amplitudes and phase difference of reflected wave along u and v directions.

定义共极化反射系数rxx = |Exr|/|Exi|和ryy = |Eyr|/|Eyi|, 交叉极化反射系数ryx = |Eyr|/|Exi|和rxy = |Exr|/|Eyi|, 其中, 下标i, r分别表示入射波和反射波, 下标x, y表示电磁波的极化方向. 由于所提出的极化转换结构沿对角线方向对称, 共极化反射系数rxxryy相等, 交叉极化反射系数rxyryx相等. 因此, 本文仅考虑y极化波入射的情形. 为了验证所提出的超表面具有超宽带极化转换特性, 本文采用基于有限元法的频域仿真进行模拟. 得到的反射系数如图3(a)所示, 可以看出, 在7.12—18.82 GHz频带内, 交叉极化反射系数rxy大于0.945, 同时共极化反射系数ryy小于0.30. 这意味着在此频段入射的y极化波经超构表面反射后转换成了x极化波. 在7.64, 12.00, 16.94和18.66 GHz四个频点处, 交叉极化反射系数几乎等于1, 共极化反射系数等于0, 意味着入射的y极化波全部转换成了x极化波. 为了更直观地展示所提出的超构表面的极化转换性能, 图3(b)给出了该结构的极化转换率 (polarization conversion ratio, PCR), 其中PCR = rxy2/(rxy2 + ryy2). 可以看出, 在7.12—18.82 GHz频率范围内, PCR始终超过90%, 相对带宽达到90% (PCR > 90%), 并且在7.64, 12.00, 16.94和18.66 GHz四个频点处PCR接近100%.
图 3 (a) 交叉极化和共极化反射系数; (b) 极化转换率
Figure3. (a) Reflection coefficients of cross-polarization and co-polarization; (b) polarization conversion ratio.

为了进一步探究本文结构实现宽带极化转换的物理机理, 选取7.64和16.94 GHz两个谐振频点观察结构上下金属表面的电流分布, 如图4所示. 在频率为7.64 GHz时, 上下金属表面的电流方向相反, 意味着形成了磁谐振. 在频率为16.94 GHz时, 上下金属表面的电流方向相同, 意味着形成了电谐振. 本文结构会形成四个谐振频点, 通过合理的参数优化调节这四个谐振点的间距, 从而实现宽带极化转换[22].
图 4 上下金属表面的电流分布 (a) 7.64 GHz; (b) 16.94 GHz
Figure4. Distributions of the surface current on the metallic surfaces: (a) 7.64 GHz; (b) 16.94 GHz.

接下来考察本文结构在电磁波斜入射情况下的表现. 图5(a)图5(b)分别给出了共极化反射率|ryy|2和交叉极化反射率|rxy|2随入射角的变化情况. 可以看出, 在斜入射情况下, 除了少数频点以外, 整体上共极化反射率保持在0.1以下, 交叉极化反射率保持在0.9以上, 这意味着该结构在斜入射下依然保持较高的极化转换效率. 随着入射角增大, 交叉极化反射率在低频段和高频段的特定频点处急剧下降, 低频段在9.6 GHz附近且不随入射角变化, 高频段在18 GHz附近(入射角为15°时)并随入射角增大向低频偏移. 出现此现象有两点原因: 其一是对应频点的共极化反射率有所增大; 其二是对入射波的吸收增大. 例如, 当入射角为20°时, 在9.6 GHz处的|rxy|2和|ryy|2分别为17.53%和49.15%, 因此吸收率高达33.32%. 为了更加全面地评估极化转换效率随入射角的变化情况, 定义平均极化转换率(mean PCR)为$\overline {{\rm{PCR}}} =\displaystyle\frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{\rm{PC}}{{\rm{R}}_i}} $, 其中N表示在工作频带内的采样频点数目. 图5(c)给出了在7.12—18.82 GHz范围内平均极化转换率随入射角度的变化. 可以看出, 即使入射角达到45°, 平均极化转换率仍然保持80%以上, 表明本文结构具有较好的宽入射角特性.
图 5 (a) 共极化反射谱; (b) 交叉极化反射谱; (c) 平均极化转换效率随入射角的变化
Figure5. (a) Reflection spectra for co-polarization; (b) reflection spectra for cross-polarization; (c) mean PCR with the change of incident angle.

最后, 考察单元的几何尺寸对极化转换器性能的影响, 图6给出了极化转换率随不同结构参数的变化情况. 从图6(a)可以看出, 随着a的减小, 工作频带变窄且向高频移动. 从图6(b)可以看出, w过大或过小都会引起谐振频点的位置发生变化, 从而导致极化转换效率的下降. 从图6(c)可以看出, g过大导致带宽略微变窄, g过小会引起谐振频点的个数发生变化, 从而导致极化转换效率的下降. 从图6(d)可以看出, t过大或过小都会引起谐振频点发生变化(包括位置和个数), 从而导致极化转换效率的下降. 从整个分析可以看出, 无论结构的尺寸参数变大或变小, 极化转换器的工作带宽或工作效率都有所变差. 因此, a = 6.8 mm, w = 0.5 mm, g = 1.0 mm, t = 3.5 mm是最优的一组结构参数.
图 6 不同的结构参数对极化转换器的性能的影响
Figure6. Influence of different geometric parameters on the performance of polarization converter.

为了实验验证所设计的极化转换器, 采用印刷电路板工艺加工样品. 如图7(a)所示, 样品的尺寸为300 mm × 300 mm, 由30 × 30个基本结构单元组成. 样品测试在微波暗室进行, 测试系统如图7(a)所示, 两个标准的喇叭天线作为收发信号源连接到矢量网络分析仪(N5230A), 并保持两个喇叭天线在同一高度, 将样品放置在两个喇叭天线正下方, 周围围绕吸波材料以避免周围环境的干扰. 其中一个喇叭发射y极化波入射到样品表面, 另一个喇叭分别接收经样品表面反射后的y极化波和x极化波, 计算可得到相应的交叉极化和共极化反射系数.
图 7 (a) 加工样品与测试系统; (b) rxy测试结果与仿真结果; (c) ryy测试结果与仿真结果
Figure7. (a) Fabricated sample and measurement system; (b) measured result and simulation result of rxy; (c) measured result and simulation result of ryy.

图7(b)图7(c)为测试结果和仿真结果的对比, 二者符合较好. 测试结果表明, 在7—17 GHz频带内, 共极化反射系数都低于–20 dB; 在17.0—18.8 GHz频带内, 共极化反射系数都低于–10 dB. 实验测得的谐振频率与模拟结果略有出入, 原因可能是以下两点: 一是样品的加工精度不够; 二是在数值模拟中, 周期性边界条件使得结构沿xy方向无限延伸, 而实际制备的样品尺寸有限.
表1为本文提出的结构与以往报道的宽带极化转换器的对比结果, 指标包括工作带宽(operating bandwidth)和相对带宽(relative bandwidth). 从表1可以看出, 相比于其他反射型极化转换器, 本文提出的结构在工作带宽上更有优势.
Ref.[17] Ref.[19] Ref.[22] Ref.[25] Ref.[27] This work
OBa/GHz 10.60—17.50 9.65—14.16 12.40—27.96 5.70—10.30 9.20—19.20 7.12—18.82
RBb/% 49.0 37.9 77.1 57.5 70.4 90.0
注: aoperating bandwidth (PCR > 90%), brelative bandwidth (PCR > 90%).


表1与其他宽带极化转换器的对比
Table1.Comparison with other wideband polarization converters.

设计并制备了一种基于方形开口环结构的反射型极化转换器, 全波仿真和实验测试结果证实, 该结构可在7.12—18.82 GHz的较宽频带内将入射波的极化方向旋转90°, 相对带宽达到90%, 在工作频带内极化转换率超过了90%, 在四个谐振频点处的转换效率几乎达到100%. 这种极化转换器在卫星通信、雷达探测以及立体显示成像等众多领域中具有广阔的应用前景. 此外, 本文提出的设计方法可拓展到太赫兹甚至光波段.
相关话题/结构 工作 测试 材料 实验

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 水合肼还原的氧化石墨烯吸附NO<sub>2</sub>的实验研究
    摘要:还原氧化石墨烯由于独特的原子结构,作为气体检测领域有潜力的候选者引起了研究者们的广泛兴趣.本文采用水合肼作为还原剂来制备还原氧化石墨烯,并以此作为叉指电极的气体敏感层,研究了其对NO2气体的响应特性.结果表明,水合肼还原的氧化石墨烯可以实现在室温下对浓度为1—40ppm(1ppm=10–6)的 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 纳米石墨烯片-正十八烷复合相变材料制备及热物性研究
    摘要:本文分别制备了纳米石墨烯片质量分数为0%,0.5%,1%,1.5%,2%的纳米石墨烯片-正十八烷复合相变材料,并通过扫描电镜测试、红外光谱分析、差示扫描量热实验及导热分析等实验对其形貌结构及热物性进行表征和研究.实验表明本文制备的纳米石墨烯-正十八烷复合相变材料具有很好的相变稳定性;当纳米石墨 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • CdSeS合金结构量子点的多激子俄歇复合过程
    摘要:多激子效应通常是指吸收单个光子产生多个激子的过程,该效应不仅可以为研究基于量子点的太阳能电池开拓新思路,还可以为提高太阳能电池的光电转换效率提供新方法.但是,超快多激子产生和复合机制尚不明确.这里以CdSeS合金结构量子点为研究对象,研究了其多激子生成和复合动力学.稳态吸收光谱显示,510,4 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 钫原子磁偶极超精细结构常数及其同位素的磁偶极矩的理论计算
    摘要:应用基于B样条基组的相对论耦合簇理论方法,计算了212Fr原子的nS(n=7—12),nP(n=7—12)和nD(n=6—11)态的磁偶极超精细结构常数.与精确实验值的比较说明这套理论方法能精确计算出磁偶极超精细结构常数,其中7P态的磁偶极超精细常数的理论值与实验值之间的差异小于1%.在忽略场 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究
    摘要:利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的“磁势垒”,强流电子束中的低能端电子在“磁势垒”的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于二维材料MXene的仿神经突触忆阻器的制备和长/短时程突触可塑性的实现
    摘要:兼具长时程可塑性与短时程可塑性的电子突触被认为是类脑计算系统的重要基础.将一种新型二维材料MXene应用到忆阻器中,制备了基于Cu/MXene/SiO2/W的仿神经突触忆阻器.结果表明,Cu/MXene/SiO2/W忆阻器成功实现了稳定的双极性模拟阻态切换,同时成功模拟了生物突触短时程可塑性的 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • Helmholtz腔与弹性振子耦合结构带隙
    摘要:为提高Helmholtz型声子晶体低频隔声性能,设计了一种Helmholtz腔与弹性振子的耦合结构,通过声压场及固体振型对其带隙产生机理进行了详细分析,建立了相应的弹簧-振子系统等效模型,并采用理论计算和有限元计算两种方法研究了各结构参数对其带隙的影响情况.研究表明,该结构可等效为双自由度系统 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • W波段分布作用速调管的设计和实验研究
    摘要:基于运动学理论、感应电流定理和电荷守恒定律,分析了分布作用谐振腔的渡越时间效应,推导了各个谐振腔工作于${\text{π}}$模的电子注与微波之间的能量转换系数、电子负载电导和电子负载电纳,计算结果显示采用分布作用谐振腔有利于提高速调管的工作效率.利用三维电磁仿真软件,设计了一款工作于W波段的 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于高折射率液体填充的花瓣形微结构光纤可调滤模特性
    摘要:提出一种新型的可调滤模光纤结构,利用纤芯模式与微结构包层形成的超模群之间的耦合实现选择性滤模,采用花瓣形包层结构使包层中传输的模式更容易产生高的泄漏损耗;提出以液体填充包层介质柱,使包层形成的超模群有效折射率区间可以通过环境温度来调节,从而达到可调选择性滤模目的.利用液体柱的LP11模所形成的 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 太赫兹液晶材料与器件研究进展
    摘要:液晶是一种性能优异的可调控光电功能材料,基于液晶的太赫兹器件有着广泛的应用前景,但高性能太赫兹功能器件的研发仍处于初级阶段.本文综述了太赫兹领域液晶材料与器件的研究现状,探讨了液晶技术与太赫兹技术相结合的发展趋势.关键词:液晶/太赫兹波/超材料/石墨烯EnglishAbstractResear ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29