基于线性偏振转换器的太赫兹波段超宽带成像系统设计.pdf
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1、 年 无线电工程 第 卷 第 期:引用格式:王其富,李银飞,张萍,等基于线性偏振转换器的太赫兹波段超宽带成像系统设计无线电工程,():,():基于线性偏振转换器的太赫兹波段超宽带成像系统设计王其富,李银飞,张萍,朱留敏,蔡成欣(河南省科学院应用物理研究所有限公司,河南 郑州;河南省科学院,河南 郑州;河南工业大学 信息科学与工程学院,河南 郑州)摘要:基于偏振转换的物理过程,提出了一种由金属光栅、型金属贴片和介质板组成的超宽带高效线性偏振转换器。利用有限元数值模拟软件对偏振转换特性进行了研究。数值结果表明,偏振转换器在 工作,相对带宽达到,传输系数大于,偏振转换率接近。利用建立了干涉模型,验证
2、了理论分析结果与数值结果的一致性。通过改变该偏振转换器的结构参数,构造“”“”幅度编码超表面。该编码超表面在线极化太赫兹波入射下,实现了“”的空间成像功能。所设计的超表面对于入射波的极化方向不敏感,并展现出超宽带、高传输效率的特性,在无线通信领域具有潜在的应用价值。关键词:太赫兹;超表面;偏振转换器;法布里珀罗干涉模型;太赫兹成像中图分类号:;文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文 章 编 号:(),(,;,;,):,“”“”“”:;收稿日期:基金项目:国家自然科学基金();河南省科技攻关项目(,);河南省科学院基本科研业务费项目(,);河南省科学院科技开放合作项目():();(,);
3、(,);()电磁场与微波 引言极化是电磁波的一个重要特征参数,反映电磁波在传输过程中电场矢量的振动状态。在太赫兹波的发射和反射过程中,极化状态的转换能很好地避免传输过程中的外界干扰。电磁超材料的提出为太赫兹波束的操控提供了有效途径,并在生物医学、安全检查和通信应用等领域有着广阔的应用前景。相对于三维超材料存在的器件尺寸大、损耗高以及制造复杂等不足,超表面具有尺寸小、易集成、损耗低和制备工艺简单等优点,为实现太赫兹波段的无线通信开辟了一条新的途径。通过以特定的方式排列超表面结构单元,可以产生特定的电磁响应,如光学全息图、宽带吸收镜、超透镜等。近年来,从千兆赫兹、太赫兹到光学频段,研究者对超表面辅
4、助偏振转换器进行了深入研究。等通过在超表面上加载介质层,极大地拓展了转换器的轴比带宽,使其具有高效率和宽带宽;但是该超表面是反射型超表面。等提出了鱼状结构的多功能超表面,该超表面能够将线极化波转换为交叉线极化波和圆极化波,其极化转换比优于,但宽带较窄、偏振转化率不高且不平稳。等通过对六边形环开缝的研究,增加了交叉极化转换和圆极化转换的带宽,但其偏振转化率不高。等利用非对称结构的电磁耦合作用,设计出具有高稳定性的极化转换器,但是其窄带的极化转换效果限制了它在现代超宽带通信的应用。等发现单层的形开口环结构可以实现良好的电磁相位控制功能,但这种单层结构透射效率和反射效率相近,很难获得较高的透射效率。
5、随后,文献提出各种多层结构的超表面来抑制反射,以提高透射效率。目前的研究工作虽然大幅度提高了透射型相位梯度超表面的工作效率,但无法同时实现超宽带、高传输且对入射波方向不敏感等特性,极大地限制了实际应用。基于法布里珀罗原理,本文设计了一种层结构的高效宽频带交叉极化线性偏振转换器,其工作频率为 ,极化转换率接近于,相对带宽达到。通过多个等离子共振,可以实现将偏振太赫兹波转换为偏振太赫兹波,且对入射波的极化方向不敏感。此外,通过对偏振转换器表面电流和电场的分析,阐明了其宽带偏振转换的物理机制,并利用建立干涉模型进一步证实了其高效传输的偏振特性。通过改变该偏振转换器的结构参数,构建了“”“”幅度编码超
6、表面,并利用该超表面实现了空间成像功能。所设计的超表面在太赫兹波段的无线通信领域具有潜在应用价值。偏振转换器的设计和模拟本文所设计的线性偏振转换器超表面的结构示意如图()所示,由金属光栅、型亚表面和个介质板组成。使用厚度为 的作为介质板,介质板的介电常数 ,损耗正切为。由于的低介电损耗,该薄膜被用来分离金属光栅和型金属表面。正面和背面的个相同光栅相互正交放置,光栅的宽度为 ,光栅之间相邻间隙,光栅材质和个型亚表面的材质都为铜,铜的电导率为 ,金属厚度为 。中间亚表面层的单元结构,如图()所示,由个大型和个小型的等离子天线组成,参数表示小型个臂之间的角度,其他的几何参数如下:,。图透射单元结构示
7、意 电磁场与微波 年 无线电工程 第 卷 第 期 所有这些几何尺寸都是通过大量模拟和优化从一系列尺寸中获得的,这些几何尺寸的变化将导致窄带或更低的透射率。为了验证所提出的偏振转换器的性能,将透射率定义为:,(,)(,),()式中:下标和表示波的偏振状态,和分别表示入射和透射的波,表示来自偏振入射的偏振透射。定义式()表示相对带宽:()(),()式中:、分别表示操作带宽的上限和下限截止频率。此外,偏振转换率(,)可以定义为:,()式中:表示交叉极化透射率,表示同极化透射率。首先,对所提出的交叉极化偏振转换器的传输效率进行了研究,如图()所示。可以看出,在 ,传输效率达到以上,绝对带宽达到 左右,
8、相对带宽达到。在 频段的传输效率达到以上,绝对带宽达到 左右,相对带宽达到。其次,研究了波正入射的,如图()所示。在 大于,表明该变换器在太赫兹波段可以作为宽带线性极化转换器进行有效工作。为了更准确地描述透射波的状态,本文根据光学中的斯托克斯公式,推导出透射式超表面的斯托克斯参量,由下式表示:,()式中:是和的相位差,是偏振极化角,是偏振椭圆角。可以通过、定义线性偏振转换器的品质。在 ,极化角在上下波动,而椭圆角在极化转换频带内约等于,如图()所示。这意味着偏振转换器可以在宽带范围内将偏振入射波转换为偏振波。最后,研究了 时,在、处的个反射系数低峰,如图()所示。图单元结构的透射系数、极化角和
9、椭圆角以及反射系数 ,电磁场与微波 理论分析为了更详细地了解多共振系统的物理机制,对双型超表面上的表面电流和电场分布进行了研究,并进一步分析了个谐振频率下的表面电流和电场分布,如图所示。图在个频率下的电流电场 当时,原胞变为两对双型结构。根据表面电流分布,推断出前个模式(和)是反对称模式,且最后个模式(和)是对称模式。前种反对称模式的大具有相似的表面电流密度但电流方向不一致。在第一谐振频率(),表面电流存在于大型结构的上臂和小双臂;在第二谐振频率(),表面电流均匀分布在大双臂和小双臂表面。对于最后种对称模(和 )的表面电流分布,可以看出最后种谐振频率的电流分布基本一致,且与第一谐振频率()表面
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