基于超表面的宽带高效线极化转换器设计

汪 竹,罗 燕,寇家琪,阮 巍,郝宏刚

(重庆邮电大学 光电工程学院,重庆 400065)

电磁波的极化态反映了电磁波在传播过程中的振动方向相对于其传播方向的不对称性[1],在信息通信和测量领域发挥着极大的作用,特别是激光、无线通信、雷达及卫星探测等重要领域[2],都与极化转换密切相关。因此,电磁波的极化转换具有深远的研究意义。

传统极化转换器件通常采用由自然材料的低对称性获得的二向色性材料[3]或基于法拉第效应[4]的双折射材料实现,但其制作工艺相对复杂,存在窄带宽、效率低以及体积大等缺陷。因此,人们迫切希望找到一种更高效的替代方案。超表面是一种人工电磁复合材料,其特殊的材料结构实现了超越自然材料的操纵电磁波的能力。超表面因为其非凡特性在极化转换[5]中的潜在应用,引起了学者们的极大兴趣。

目前,通过超材料实现更高效的极化转换成为研究极化态操控的主要发展方向[6-10],平面结构极化转换器具有结构简单、带宽大、效率高以及易于小型化等优势,便于加工,利于工程应用。为实现大带宽、高效率极化转换,研究学者主要从设计多层结构、优化谐振层结构两个方向进行深入研究[11-16]。Cong等[12]基于Fabry-Perot干涉理论设计了一种三层超材料结构具有超高透过率的极化转换装置,在0.45～1.06 THz频段内,可实现极化转换效率高于85%的线极化波正交极化旋转;Huang等[13]提出了一种基于双各向异性的三层结构超材料,在5.8～11.8 GHz频段内,可实现线极化波转换为交叉极化波,极化转换效率接近90%。……