实现极化转换的超材料和极化器

摘要

本发明提供了一种实现极化转换的超材料，该超材料包括至少一层曲折线结构层，该至少一层曲折线结构层中的每一层包括基板、以及位于该基板上的曲折线结构，该曲折线结构包括至少一条曲折线，每一条曲折线由多条线段构成，该多条线段中的至少两条线段的长度或宽度是不同的。本发明还提供了一种由该超材料构成的极化器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超材料，尤其涉及一种实现极化转换的超材料和极化器。

背景技术

在雷达、通信、航空航天及遥控遥测等领域，目标的反射特性、电磁波的 传播以及信号的接收性能均与波的极化形式有关。因此，极化信息在目标检测、 增强、滤波及识别中有着巨大应用潜力。另外，雷达极化对抗是利用天线和电 磁波的极化特性进行干扰和抗干扰的技术。由于极化特征有助于对抗干扰波的 干扰和对极化隐身目标进行识别，随着现代战争对通信和电子对抗的重视的升 级，极化技术作为一项重要的干扰、抗干扰技术也成为了军事科研领域的一个 研究热点。

因此，为适应现代信息密集多变的特点，一幅天线仅具有一种极化已不适 应现代通信系统的要求。对天线的快速的极化转换的要求日益迫切。极化器或 极化转换器正是一种用来实现线极化与圆极化、垂直极化与水平极化等极化形 式转换的器件。极化转换主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能，即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，即具有较高的能量转换效率；以及

3)小尺寸，即占用尽可能小的空间。

超材料由介质基板和设置在基板上的人造微结构组成，可以提供各种普通 材料不具有的特性。人造微结构在大小1/5到1/10个波长的尺度下，对外加电 场和磁场具有电响应和磁响应，从而表现出等效介电常数和等效磁导率。而且， 人造微结构的等效介电常数和等效磁导率可通过设计人造微结构的几何尺寸 参数来人为地控制。这为实现达成上述目标的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超材料和极化器，以更低成本和 更小尺寸实现更高转换性能和转换效率的极化器。

根据本发明的一方面，提供了一种实现极化转换的超材料，包括：至少一 层曲折线结构层，该至少一层曲折线结构层中的每一层包括基板、以及位于该 基板上的曲折线结构，该曲折线结构包括至少一条曲折线，每一条曲折线由多 条线段构成，该多条线段中的至少两条线段的长度或宽度是不同的。

在一实例中，该超材料包括多层曲折线结构层，毗邻的两层曲折线结构层 上的曲折线结构之间的间距小于入射电磁波的四分之一波长。

在一实例中，构成每一条曲折线的该多条线段当中与该曲折线的延伸方向 平行的方向上的诸线段具有第一长度和第一宽度，与该曲折线的延伸方向垂直 的方向上的诸线段具有第二长度和第二宽度，该第一长度不等于该第二长度并 且该第一宽度不等于该第二宽度。

在一实例中，构成每一条曲折线的该多条线段中的任意两条邻接的线段之 间以任意角度定位。

在一实例中，每一条曲折线由多条线段以“几”字型连接而成。

在一实例中，该曲折线结构由导电材料制成。

在一实例中，该曲折线结构通过蚀刻、电镀、雕刻、蒸镀、溅射、丝印、 钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着在该基板上。

在一实例中，该基板的材质为复合材料。该复合材料为热固或者热塑性材 料。该复合材料为包括纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。

在一实例中，该复合材料含有增强材料，该增强材料为纤维、织物、或者 粒子中的至少一种。

在一实例中，该超材料包括多层曲折线结构层，其中每两层该曲折线结构 层之间对齐层叠。

在一实例中，该多层曲折线结构层相互之间通过热压工艺层叠在一起。

根据本发明的一方面，还提供了一种由上述超材料构成的极化器。

上述方案中的极化器用于飞行器、机动车或船的天线上。

相比于传统超材料构成的极化器，通过本发明的超材料构成的极化器 具有较低的剖面尺寸，同时能够实现更高的极化转换效率和性能。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本 发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类 似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了现有技术的实现极化转换的超材料的立体图。

图2是示出了根据本发明的一方面的超材料的一层曲折线结构层的俯视 图。

图3是示出了根据本发明的一方面的超材料的立体图。

图4是示出了根据本发明的一方面的曲折线的示意图。

图5是示出了根据本发明的一方面的曲折线的示意图。

图6是示出了根据本发明的超材料的透波性能仿真结果的示意图。

图7是示出了根据本发明的超材料的轴比仿真结果的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和 具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围 进行任何限制。

电磁波的极化是指在给定的空间点或面上，电磁波的场矢量的大小和取向 随时间变化的特性。通常采用电场矢量E的矢端随时间变化的轨迹来描述电磁 波的极化。三维空间中，沿Z轴方向传播的电磁波，瞬时电场可写为：

其中，E_xm和E_ym是电场在x、y轴方向上的幅值，ω是电磁波的角频率， 和分别是x轴、y轴方向上的电场分量的相位。

取决于E_x以及E_y的振幅E_xm和E_ym之间以及相位之间的关系，电磁波的极化状态可分为线极化、圆极化、和椭圆极化。若 或±π，则电场E的矢端随时间变化的轨迹是一直线，称之为线极化。 取决于极化面与地面是平行还是垂直，线极化还分为水平极化与垂直极化。若 则E矢量的大小不变而方向随时间变化，即矢端的变化轨迹是一 个圆，称之为圆极化。否则，若E矢量的大小和方向都随时间变化，则矢端的 变化轨迹是椭圆，称之为椭圆极化。极化方式的转换包括垂直极化与水平极化 之间的转换、线极化与圆极化之间的转换、线极化与椭圆极化之间的转换、以 及圆极化与椭圆极化之间的转换。

超材料作为一种由介质基板和设置在基板上的人造微结构组成的多层人 工材料，具有一些天然材料不具备的超常物理性质。基板上的人造微结构会对 通过超材料的电磁波产生响应，从而影响传播经过超材料的电磁波的电场矢 量。具体地，电磁波通过超材料的每一层基板上的人造微结构时，电场的两个 正交分量E_x和E_y的相位都会发生变化。但是由于人造微结构具有各向异性的 电磁特性，E_x和E_y各自的相移并不一样。因此电磁波在经过特定时间离开该 层结构时，电场矢量的两个正交分量E_x和E_y的相位差发生变化。在电磁波 最终穿过多层人造微结构时，相位差的变化得到累加。如果出射后的两个 正交分量E_x和E_y的相位差与入射之前不同，则合成电场矢量相对于入 射前发生了极化特性的改变，即实现了电磁波的极化转换。

图1是示出了现有技术的实现极化转换的超材料的立体图。如图1所 示，超材料100由多层片状基板111堆叠而成，每层基板111上具有被形 成为曲折线结构112的人造微结构。每层基板111及形成于其上的曲折线 结构112构成一层曲折线结构层110。图1中示出该超材料100包括三层曲 折线结构层110，并且每层曲折线结构112包括三条曲折线101。但是在实 践中，根据具体的极化要求，超材料可以包括任意多层曲折线结构层110， 并且每层曲折线结构112可以包括任意条的曲折线101。

当电磁波入射到超材料100的表面时，曲折线结构112对电磁波产生 电场和磁场响应。具体地，每条曲折线101的横线与横线之间、以及相邻 两条的曲折线101之间形成等效电容，而每条曲折线101本身形成等效电 感。通过与曲折线结构112的这种电磁相互作用，使得超材料100整体表 现出等效介电常数和磁导率等电磁参数，从而影响电磁波的电场的两个正 交分量，使之具有与入射前不同的相位差通过设计曲折线结构112的 几何尺寸和空间排布来影响超材料100的电磁参数进而控制该相位差，可 以实现所需的极化转换。

上述超材料设计中，如果相邻两层曲折线结构112之间的间距过小， 则会在层间产生等效电容。这种曲折线结构112之间的电容效应会影响每 层曲折线结构112对电磁波的响应，从而影响电磁波的极化转换效果。因 此，在传统的多层曲折线结构设计中，相邻两层之间的间距通常大于四分 之一波长，以充分隔离两层曲折线结构112之间的相互影响。这种设计的 优点在于设计简单，每条曲折线101的线宽以及组成该曲折线的每一段的 长度都是固定不变的。例如，如图1中所示，每条曲折线101的线宽皆为 W，并且构成曲折线101的每一段的长度皆为L。

由于各层曲折线结构112之间的间距受大于四分之一波长之限，由传 统多层曲折线结构的超材料100形成的极化器有相对较大的厚度。在电子 器件集成度越来越高的趋势下，厚度较大的传统超材料100制成的极化器 已不能满足应用需求，因此亟需更低剖面的极化器。另外，如图1中所示， 曲折线结构112之间的间距是由基板111的厚度决定的。曲折线结构112 层间的间距越大，电磁波在穿透超材料100的过程中所经过的基板111的 总厚度越大。尽管基板111由损耗较低的介质制成，但是电磁波在穿透较 厚的基板111时仍然有较高的能量损耗。因此，高剖面的极化器也限制了 极化转换的效率。

本发明提出了一种能够实现更低剖面极化器的超材料，能够以更小的尺寸 达成更好的转换性能和更高的转换效率。本发明的超材料由至少一层曲折线结 构层构成，每层曲折线结构层包括基板以及位于基板上的曲折线结构。每个基 板上的曲折线结构包括至少一条由多条线段构成的曲折线，构成曲折线的多条 线段中的至少两条线段的长度或宽度是不同的。在一实例中，这至少一层曲折 线结构层包括多层曲折线结构层，毗邻的两层曲折线结构层上的曲折线结构之 间的间距小于入射电磁波的四分之一波长。

由于曲折线结构之间的间距小于四分之一波长，在电磁波入射在超材料上 时，毗邻的两层曲折线结构之间产生等效电容。设计曲折线的每条线段的长度 和宽度使得电磁波在曲折线的每一段上产生不同的感应电流。通过运用CST  Microwave Studio等计算软件对每层曲折线结构的等效电容和电感值、毗邻的 曲折线结构层的层间电容值以及每条曲折线上的电流值进行综合优化，得到理 想的电磁波极化效果。

图2示出了根据本发明的一方面的超材料的一层曲折线结构层210的俯视 图。曲折线结构层210由基板211以及设置在基板211上的曲折线结构212构 成。在图2中，曲折线结构212包括四条曲折线201，每条曲折线201由多条 线段以几字型连接而成，并且每条曲折线201包括四个几字型结构。构成曲折 线201的多条线段中的任意两条邻接的线段之间以90度的角度定位，如图2 所示。但是图2中的曲折线结构212仅是说明性的，本领域技术人员能够理解， 根据具体实践需求，曲折线结构212可以包括任意条曲折线201，并且每条曲 折线201可以由任意条线段构成，并且任意两条邻接的线段之间可以任意角度 定位。曲折线结构212可以由金属、金属合金、油墨、以及半导体等导电材料 制成。例如，在金属材料的情况下，构成曲折线201的多条线段中的每一条是 金属条。基板211可以由复合材料构成，例如，热固或者热塑性材料。该复合 材料可以为包括纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构，并且可含有增强材 料，例如纤维、织物、或者粒子中的至少一种。曲折线结构212通过蚀刻、电 镀、雕刻、蒸镀、溅射、丝印、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着在基板 211上以形成曲折线结构层210。

如图2中所示，每条曲折线201的每一段的长度和宽度是不尽相同的，每 条曲折线的多条线段具有宽度W1、W2，以及长度L1和L2。具体地，每条曲 折线201的多条线段当中与曲折线201的延伸方向平行的方向上的诸线段的长 度为L1且宽度为W1，而与曲折线201的延伸方向垂直的方向上的诸线段的 长度为L2且宽度为W2，且W1不等于W2以及L1不等于L2。在另一实例中， 每条曲折线201的多条线段当中与曲折线201的延伸方向平行的方向上的诸线 段可能具有不同的长度和不同的宽度。类似地，每条曲折线201的多条线段当 中与曲折线201的延伸方向垂直的方向上的诸线段也可能具有不同的长度和不 同的宽度。

图3是示出了根据本发明的一方面的超材料300的立体图。超材料300 包括两层曲折线结构层310，每层曲折线结构层310与图2中的曲折线结构层 210相类似。两层曲折线结构层310之间对齐层叠，例如可以通过热压工艺层 叠在一起。图3中的两层曲折线结构层310上的曲折线结构312之间的间距小 于四分之一波长。为了清楚起见，图3中仅示出了两层曲折线结构层310。但 是本领域技术人员容易理解，根据不同的实践需求，超材料300可以包括任意 数目的曲折线结构层310。

电磁波入射在超材料300上的曲折线结构层310上时，曲折线结构312 对电磁波产生电场和磁场响应，在曲折线301的各线段上产生感应电流。等 效地，在每条曲折线301的横线与横线之间、以及相邻两条的曲折线301 之间产生电容效应，而每条曲折线301本身产生电感效应。另外，由于相 邻的曲折线结构312的层间距离小于电磁波的四分之一波长，从而在相邻 层的曲折线结构312之间也产生电容效应。在给定的基板311的厚度及材 质下，根据所期望的极化转换目标确定电磁波在入射后要实现的电场的两 个正交分量之间的相位差基于该相位差通过CST Microwave Studio 等仿真软件的仿真来计算超材料300整体的电磁参数分布，进而计算出每 一层曲折线结构312的每一条曲折线301的电磁参数分布，并以此设计出 曲折线301的每一段的长度和宽度。由于在仿真中考虑了相邻的曲折线结 构312之间的电容效应，因此，毗邻的两层曲折线结构层310上的曲折线 结构312之间的间距可以小于电磁波的四分之一波长。从而降低了超材料 300的整体的厚度。而且，由于电磁波经过的基板311的厚度变小，整个超 材料300的透波性能得到了极大增强，使得电磁波在极化转换前后的能量 损耗降到最低。

图4示出了根据本发明的一方面的曲折线401。如图4所示，构成曲 折线401的多条线段当中平行于曲折线401的延伸方向上的诸线段具有一 种长度和两种宽度，而垂直于曲折线401的延伸方向上的诸线段具有三种 长度和一种宽度。图4中的曲折线401是示例性而非限制性的，曲折线401 的多条线段当中平行于曲折线401的延伸方向上的诸线段可具有任意多种 长度和宽度，类似地，垂直于曲折线401的延伸方向上的诸线段也可具有 任意多种长度和宽度。

图5示出了根据本发明的一方面的曲折线501。如图5中所示，构成 曲折线501的多条线段中的至少两条邻接的线段以不等于90度的角度定 位。

图6是示出了根据本发明的超材料的透波性能仿真结果的示意图。曲 线601、602分别表示水平极化波和垂直极化波的透波功率。曲线603、604 分别表示水平极化波和垂直极化波的反射功率。从图6中可以看出，转换 后的水平极化波和垂直极化波在工作频带内的损耗接近3dB，具有较高的 转换效率。图7是示出了根据本发明的超材料的轴比仿真结果的示意图。 从图7中可以看到，转换后的电磁波的两个电场分量的轴比值远小于3dB， 达成了较优的线极化至圆极化的转换效果。

本发明还提出了一种由上述超材料构成的极化器。相比于传统超材料 构成的极化器，本发明提供的极化器具有较低的剖面尺寸，同时能够实现 更高的极化转换效率和性能。

在具体的实施过程中，上述方案中的极化器可以用于飞行器、机动车或船 的天线上。

提供之前的描述是为了使本领域中的任何技术人员均能够实践本文中所 描述的各种方面。但是应该理解，本发明的保护范围应当以所附权利要求为准， 而不应被限定于以上所解说实施例的具体结构和组件。本领域技术人员在本发 明的精神和范围内，可以对各实施例进行各种变动和修改，这些变动和修改也 落在本发明的保护范围之内。