一種基于手征結(jié)構(gòu)電磁波極化轉(zhuǎn)換材料

謝立云，劉素君，張 巖，馮倫天

（中航工業(yè)洪都,江西 南昌330024）

0 引 言

近年來，圓極化電磁波在通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、制導(dǎo)等高科技領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)信息電子設(shè)備的性能，將線極化波和圓極化波相結(jié)合，進(jìn)行選擇和調(diào)整，對于電子設(shè)備的抗干擾是極其有效的；利用圓極化波在電場各分量幅值相等的這一特性，在開放空間電磁波傳播過程中，能夠有效地解決電磁兼容問題。

超材料因具有負(fù)折射率、完美成像、完美吸收及逆Doppler效應(yīng)[1]等特點(diǎn)，近些年來引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。超材料所展示出的是其亞波長結(jié)構(gòu)的電磁特性，人們通過改變其微結(jié)構(gòu)和排列組合方式來達(dá)到對電磁波的極化轉(zhuǎn)換。由于通信技術(shù)的不斷發(fā)展，要求電磁波的極化方式多樣化，因此，通過超材料改變電磁波的極化轉(zhuǎn)化的方法不斷的被提出[2,3]。超材料能夠?qū)崿F(xiàn)極化轉(zhuǎn)化的主要原因是由于材料的結(jié)構(gòu)具有手征特性，因此稱該超材料為手征材料。傳統(tǒng)的改變電磁波極化方式是通過手征介質(zhì)的圓二色性和旋光等特性來實(shí)現(xiàn)。目前，研究人員提出了具有極化偏轉(zhuǎn)的手征結(jié)構(gòu),Gansel[4]等人設(shè)計(jì)了一種基于黃金螺旋結(jié)構(gòu)的寬頻帶電磁波極化轉(zhuǎn)化介質(zhì)，能夠?qū)⒕€極化波轉(zhuǎn)化為右旋圓極化波。Zhao[5]等人提出了基于四個相互旋轉(zhuǎn)90°的U型開口諧振環(huán)，將線極化波入射到該諧振環(huán)中，在接收端低頻處可得到左旋橢圓極化波和右旋橢圓極化波，然而作為圓極化轉(zhuǎn)換器，該結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換率低。而Li[6]等提出的方形開口環(huán)結(jié)構(gòu)能使橢圓極化電磁波透射后變成與之主軸方向垂直的橢圓極化波。此外，“十字”形結(jié)構(gòu)、“旋轉(zhuǎn)玫瑰”形結(jié)構(gòu)、“風(fēng)車形”結(jié)構(gòu)等都被證實(shí)具手征性，能夠?qū)崿F(xiàn)極化偏轉(zhuǎn)。

本文提出了基于平面介質(zhì)基板不對稱雙層螺旋結(jié)構(gòu)的手征材料，螺旋結(jié)構(gòu)分別處于介質(zhì)板正反兩面，并且二者相對旋轉(zhuǎn)一定的角度。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，螺旋線是一種本征手征物體，即其本身的幾何形狀具有手征特性，因此它是一種本征手征和結(jié)構(gòu)手征相結(jié)合的材料。當(dāng)線極化波垂直入射到手征材料表面，在接收端可以獲得三個明顯的圓極化波諧振，同時，該材料可由介質(zhì)基板和激光刻蝕工藝制備而成，其結(jié)構(gòu)簡單、制作簡易，能夠應(yīng)用于天線、激光等。

1 手征材料結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

由于手征材料與其鏡像不存在幾何對稱性，在諧振頻率處電場與磁場產(chǎn)生了交叉耦合，因此導(dǎo)致右旋圓極化波和左旋圓極化波在諧振點(diǎn)處有不同的透射系數(shù)。電磁場耦合強(qiáng)度可由手征參數(shù)κ來描述，其本構(gòu)關(guān)系如下：

其中：ε0和μ0分別表示真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；ε和μ分別表示手征材料的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；c表示真空中的速度。

本文設(shè)計(jì)的手征材料是一種對角雙面螺旋的結(jié)構(gòu)單元與介電質(zhì)板構(gòu)成的三層周期性復(fù)合結(jié)構(gòu)，周期性結(jié)構(gòu)如圖1(a),單元結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，介質(zhì)板背后的螺旋參照前面的螺旋，圍繞圓心旋轉(zhuǎn)120°。介質(zhì)基板采用a=12mm、厚度為t=1.6mm的FR-4環(huán)氧板，其中基板的相對介電常數(shù)=4.0，介質(zhì)損耗tanδ= 0.025?；迳系穆菪Y(jié)構(gòu)為純銅，銅的導(dǎo)電率σ= 5.8×107S/m，厚度35 μm，內(nèi)圓半徑r=0.17mm，螺旋寬度w=0.8mm，螺旋環(huán)縫隙g=0.17mm。入射電磁波沿+z方向入射到材料表面，電場極化方向在x方向。

圖1 非對稱雙螺旋手征材料

2 仿真結(jié)果與分析

本文采用基于時域有限差分（FDTD）的電磁仿真軟件CST Microwave Studio對圖1（b）所示的單元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。仿真中，在z方向采取開放性邊界條件，在x、y方向采用周期性邊界條件。由于入射波是x方向上的線極化波，共極化透射系數(shù)和交叉極化透射系數(shù)分別用Txx和Tyx表示,(第一個下標(biāo)表示接收電磁波的極化方向，第二個下標(biāo)表示入射電磁波的極化方向）。定義T+為右旋圓極化波透射系數(shù)，T-為左旋圓極化波透射系數(shù)，圓極化波透射系數(shù)可以由以下公式得出：

圓極化透射參數(shù)仿真如圖2所示。

圖2 左旋右旋圓極化波透射系數(shù)曲線

從圖2可以看出，在頻率14GHz到19GHz間有三個明顯的諧振點(diǎn),在15.25GHz時，右旋和左旋的透射系數(shù)差值為-32.48dB,表明接收到的電磁波為左旋圓極化波。在15.93GHz和18.09GHz時，右旋和左旋的透射系數(shù)差值分別為20.31dB和12.83dB,表明在15.93GHz和18.09GHz時產(chǎn)生了右旋圓極化波。

為了清楚的展示電磁波的極化特性，圖3（a）和圖3（b）中分別給出了交叉極化透射系數(shù)和共極化透射系數(shù)的比值|Tyx|/|Txx|以及相位差Φ(Tyx)-Φ(Txx)的仿真結(jié)果。根據(jù)電磁波的極化理論，當(dāng)水平方向和垂直方向的兩個線極化波的相位差為0°或180°時，合成的是線極化波；當(dāng)兩線極化波幅值相等，相位差為± 90°時，合成的是左/右圓極化波；其余情況則是橢圓極化波。從圖3（a）中可看出，在15.25GHz、15.93GHz和18.09GHz三個頻點(diǎn)處，|Tyx|和|Txx|的比值分別為0.85、1.26、0.64。從圖3（b）中可看出，在這些頻點(diǎn)的相位差分別為90.3°、-90.15°和-81.8°。上述結(jié)果表明在15.25GHz和15.93GHz接收到的極化波近似為圓極化波。其中15.25GHz為左旋圓極化，15.93GHz為右旋圓極化。而在18.09GHz時，y極化波與x極化波的幅值相差較大，相位差為-81.8°，故為右旋橢圓極化波。

圖3 電磁波的極化特性

對于手征材料而言， 旋光角（polarization azimuth）和橢偏度（elliptical）能夠更好地表明其圓二色性和旋光性，二者可由以下公式計(jì)算：

其中：旋光角θ表示接收波和入射波極化平面之間的夾角；橢偏度η表示接收波的偏振態(tài)。當(dāng)η等于零的時候，接收波仍然是線極化波，但極化平面相對于入射波會有一定的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)η等于45°時，接收端則產(chǎn)生了圓極化波。圖4（a）、圖4(b)分別為旋光角θ和橢偏度η的仿真結(jié)果。

圖4 仿真結(jié)果

從圖4（b）中可以看出，在頻率分別為15.25GHz、15.93 GHz、18.09GHz時，對應(yīng)的橢偏度η的值分別為-43°、40°、32°。表明在這三個頻點(diǎn)附近，x方向極化波經(jīng)透射后變成了圓極化波，其中在15.25GHz、15.93 GHz處接近正圓極化。此外，15.56 GHz的橢偏度η為0°，從圖4(a)看出，15.65GHz的旋光角為-27.36°，說明在此頻點(diǎn)產(chǎn)生了線極化波，表明該材料具有旋光性。

3 結(jié) 語

通過仿真研究，設(shè)計(jì)了一種由電介質(zhì)基板和一組非對稱螺旋結(jié)構(gòu)組成的“三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)的手征材料。將線極化電磁波入射到該手征材料后，在15.25GHz和15.93GHz附近，分別可獲得近似的左旋圓極化波和右旋圓極化波。電磁波極化的選擇是電子對抗戰(zhàn)中干擾與抗干擾問題的核心，在雷達(dá)抗干擾的研究中，可以通過垂直極化波的天線工作來抑制敵方水平極化波的干擾，反之亦然；若敵方運(yùn)用圓極化波干擾，則可采用與之旋向相反的圓極化波天線來抑制干擾。本文通過手征結(jié)構(gòu)材料機(jī)理設(shè)計(jì)的極化轉(zhuǎn)換材料可為電子設(shè)備的抗干擾研究提供一定的理論參考。

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