一種極化分波裝置的製作方法
2023-10-09 06:18:54
專利名稱：一種極化分波裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於電磁波通訊領域，涉及一種電磁波極化分離與合併的裝置，尤其涉及一種應用超材料技術實現電磁波極化分離與合併的裝置。
背景技術：
在電磁應用領域，常常需要把某一種任意極化的電磁波(例如角度任意的線極化波，某種軸比任意的橢圓極化波)分解為兩路正交的線極化波。目前存在一種技術可以實現兩個正交線極化波之間的分離或者合併，該技術是利用圓波導，在該圓波導上面街上兩個垂直的同軸線，再利用電磁場的邊界條件，實現兩個正交線極化波之間的分離或者合併。專利申請號為CN87215865. 9的中國專利提供了一種毫米波極化分離器，該極化分離器是由一個圓形主波導，兩個匹配調節器，兩個耦合窗口，兩個隔離柵網組為一體，兩匹配調節器、兩隔離柵網位置為90°正交，通過極化分離器實現電磁波的極化分離。以上技術方案中 的極化分離裝置結構較為複雜，且佔用的空間較大。超材料是由非金屬材料製成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內部的多個人造微結構構成的。人造微結構是至少一根金屬絲組成的平面結構或立體結構。每個人造微結構及其附著的部分基板構成一個超材料單元，整個超材料即是由數十萬、百萬甚至上億的這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數的晶格按照一定的排布構成的，每個晶格即相當於上述的人造微結構及基板構成的超材料單元。由於人造微結構的存在，每個上述單元整體具有一個等效的介電常數和磁導率，因此所有的單元構成的超材料對電場和磁場呈現出特殊的響應特性；同時，對人造微結構設計不同的具體結構和尺寸，可改變其單元的介電常數和磁導率，進而改變整個超材料的響應特性。將超材料技術應用到電磁波的極化分離與合併中將會改變傳統的極化分離與合併的設計理念，而這方面的研究在目前還未見披露。
發明內容
為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種應用超材料技術實現電磁波極化分離與合併的分波裝置，使用該分波裝置可以很容易的實現極化電磁波的分離與合併。具體，本發明採用以下技術方案一種極化分波裝置包括一主波導，可傳播任意極化的電磁波；第一、第二方波導，處於同一平面且與所述主波導開口朝向相同，分別傳播具有第一電場方向的線極化波及具有與第一電場方向正交的第二電場方向的線極化波；以及，位於所述主波導與所述第一方波導、第二方波導之間的由至少一超材料片層構成的超材料板，所述超材料片層包括基板、陣列設置在所述基板上的第一人造微結構和第二人造微結構，每個第一人造微結構的光學主軸方向與所述第一電場方向平行，每個第二人造微結構的光學主軸方向與所述第二電場方向平行，所述超材料包括第一區域和第二區域，在所述第一區域內的第一人造微結構的幾何尺寸最大且其他各處的第一人造微結構的幾何尺寸向第一區域方向逐漸增大，在所述第二區域內的第二人造微結構的幾何尺寸最大且其他各處的第二人造微結構的幾何尺寸向第二區域方向逐漸增大。進一步地，所述主波導為圓波導；所述兩個方波導的寬壁所在的平面正交。進一步地，所述第一人造微結構和第二人造微結構分別陣列設置在所述基板的兩相對表面上。進一步地，所述超材料板包括多個介電常數非均勻分布、沿垂直於所述超材料板表面方向堆疊的超材料片層。 進一步地,所述基板的製備材料包括高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。進一步地，每個所述第一人造微結構和第二人造微結構均為由至少一根金屬絲組 成的平面結構或立體結構；所述金屬絲為銅絲或銀絲。進一步地，所述第一人造微結構和第二人造微結構為非90度旋轉軸對稱結構。進一步地，所述第一人造微結構為「工」字形或「王」字形；所述第二人造微結構為「H，，形。上述技術方案至少具有如下有益效果本發明的極化分波裝置結構簡單，使用的超材料板是根據人造微結構對電場的響應與其結構有關的原理以及非均勻超材料偏折電磁波的原理，可使入射電磁波分離、可靈活控制分離後電磁波束的出射角度並且可實現大面積電磁波束的分離；使得進入主波導的電磁波只需通過超材料板即實現電磁波的分離並由第一、第二方波導輸出，進入第一、第二方波導的正交的電磁波只需通過超材料即可實現電磁波的合併並由主波導輸出。
圖I是本發明實施例極化分波裝置結構示意圖；圖2是圖I極化分波裝置改變第一、第二方波導結構後的右視圖；圖3是本發明極化分波裝置中的超材料板的第一實施例的結構示意圖；圖4是本發明極化分波裝置中的超材料板的第二實施例的超材料單元的結構示意圖；圖5是由多個圖4所示超材料單元陣列構成的分離波束的超材料板的結構示意圖；圖6是圖4所示的分離波束的超材料板的正視圖；圖7是圖4所示的分離波束的超材料板的後視圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明的極化分波裝置包括主波導I、超材料板2和第一方波導31、第二方波導32，從主波導I射入的極化電磁波g經過超材料板2，超材料板2通過其上設置的分別對電磁波互兩正交電場具有響應的兩種人造微結構的排布設計，實現極化電磁波g的分離並得到正交的具有第一電場方向的線極化波互i和具有第二電場方向的線極化波雲2，線極化波雲i和雲2分別經第一方波導31、第二方波導32射出。主波導I可以傳播任意極化的電磁波，其中，本實施例中主波導I採用了圓波導方式，設置於超材料板2的一側，第一方波導31、第二方波導32處於同一平面,它們的開口朝向與主波導I相同,設置在超材料板2的另一側；為了達到更好的分離效果，可以採用圖2所示的極化分波裝置，該極化分波裝置與圖I實施例只在方波導設置上存在差異，圖2所示的第一方波導31、第二方波導32寬壁所在的平面正交，即使得第一方波導31、第二方波導32正交，經超材料板2分離得到的正交線極化波互i和互2分別經第一方波導31、第二方波導32射出，能夠獲取更好的隔離度。本發明極化分波裝置中的超材料板2用於將入射的極化電磁波分離，圖3所示即為該超材料板2的第一實施例的結構示意圖。超材料板2包括至少一個超材料片層23，這些超材料片層23之間等間距排列地組裝，或兩兩片層之間直接前、後表面相接觸堆疊成一體。每個超材料片層23進一步包括前後表面平行的片狀基板21、陣列設置在基板I上的第一人造微結構221和第二人造微結構222。
第一人造微結構221和第二人造微結構222為由至少一根金屬絲組成的平面結構 或立體結構，第一人造微結構221和第二人造微結構222分別與其所附著的基板21所佔部分一起構成一個超材料單元24。基板21可為任何與第一人造微結構221和第二人造微結構222不同的材料，這兩種材料的疊加使每個超材料單元24產生一個等效介電常數與磁導率，這兩個物理參數分別對應了超材料單元24的電場響應與磁場響應，因此可對電磁場產生不同的響應。要使極化電磁波分離，必須具備兩個條件，其一是超材料板2附著有分別對兩正交電場具有響應的人造微結構。人造微結構對電場有響應，則要求人造微結構的光學主軸方向與電場方向平行，即人造微結構的在電場方向上必須有投影且投影不是點，是具有長度的一線段。例如當電場為豎直方向時，若人造微結構為水平方向上的一條平直金屬絲，則該人造微結構在豎直方向上的投影不是一具有長度的線段，因而不能對電場產生響應；若人造微結構為豎直方向上的金屬絲，則該人造微結構能對電場產生響應。本實施例中超材料板2所附著的每個第一人造微結構221的光學主軸方向為豎直方向與豎直的第一電場互向平行，每個第二人造微結構222的光學主軸方向為水平方向與水平的第二電場五2方向平行。所以第一人造微結構221對第一電場五i有響應，第二人造微結構222對第二電場互2有響應。使具有正交電場的兩種電磁波分離的另一必要條件是超材料板2可以使射入的兩種電磁波向不同方向偏折。當一束電磁波由一種介質傳播到另外一種介質時，電磁波會發生折射，當物質內部的折射率分布非均勻時，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，電磁波的折射率與成正比關係，因而通過改變介電常數e和/或磁導率y在材料中的分布，就可達到改變電磁波的傳播路徑的目的。超材料板對電磁響應的特徵是由人造微結構的特徵所決定，而人造微結構的電磁響應很大程度上取決於其金屬絲的圖案所具有的拓撲特徵和其幾何尺寸。根據上述原理設計超材料板空間中排列的每個第一人造微結構221和第二人造微結構222的圖案和幾何尺寸，就可對超材料板中每一點的電磁參數，進而實現入射的極化電磁波分離。滿足上述兩個必備條件的第一人造微結構221和第二人造微結構222有很多種可實現方式。圖3所示的第一人造微結構221和第二人造微結構222為非90度旋轉軸對稱結構。第一人造微結構221為「工」字形，包括豎直的第一金屬絲和分別連接在第一金屬絲兩端且垂直於第一金屬絲的第二金屬絲，第一金屬絲的長度為LI，第二金屬絲的長度為L2且滿足LI >> L2,第一人造微結構221的光學主軸與豎直的第一電場五向平行，所以對豎直方向的電場有響應。第二人造微結構為「H」形，包括水平的第三金屬絲和分別連接在第三金屬絲兩端且垂直於第三金屬絲的第四金屬絲，第三金屬絲的長度為L3，第四金屬絲的長度為L4且滿足L3 >>L4，第二人造微結構222的光學主軸與水平的第二電場互2方向平行，所以對水平方向的電場有響應。如圖3所示超材料板2包括第一區域25和第二區域26，在第一區域25內的第一人造微結構221的幾何尺寸最大，其他各處的第一人造微結構221的幾何尺寸向第一區域25方向連續增大。在第二區域26內的第二人造微結構222的幾何尺寸最大，其他各處的第二人造微結構222的幾何尺寸向第二區域26方向連續增大。當一束具有正交電場的兩種電磁波經過該超材料板2時,第一人造微結構221對豎直電場具有響應,具有豎直電場方向的電磁波向第一區域25方向偏折出射；第二人造微結構222對水平電場具有響應，具有水平電場方向的電磁波向第二區域26方向偏折出射，進而實現了兩種電磁波的分離。通過不 同尺寸大小的第一人造微結構221和第二人造微結構222的不同排布可實現不同的出射效果。圖4是本發明的超材料板2的第二實施例的結構示意圖，本實施例中超材料板2由多個超材料單元24陣列形成，圖4所示為該超材料板2的超材料單元24的一實施例的示意圖。在本實施例中第一人造微結構221和第二人造微結構222分別陣列設置在基板21的兩相對側表面上。在圖5所示實施例中除了第一人造微結構221和第二人造微結構222分別設置在相對側面上與圖3所示實施例中第一人造微結構221和第二人造微結構222設置在基板I同一側面上這一點不同之外，第一人造微結構221和第二人造微結構222的排布規律等均與之相同。圖6和圖7分別是圖5所示的超材料板2的正視圖和後視圖。本實施例中超材料板2包括第一區域25和第二區域26,在第一區域25內的第一人造微結構221的幾何尺寸最大，其他各處的第一人造微結構221的幾何尺寸向第一區域25方向連續增大。在第二區域26內的第二人造微結構222的幾何尺寸最大，其他各處的第二人造微結構222的幾何尺寸向第二區域26方向連續增大。當一束極化電磁波經過該超材料板2時，第一人造微結構221對豎直電場具有響應,具有豎直電場方向的電磁波向第一區域25方向偏折出射；第二人造微結構222對水平電場具有響應，具有水平電場方向的電磁波向第二區域26方向偏折出射，進而實現了兩種電磁波的分離。通過不同尺寸大小的第一人造微結構221和第二人造微結構222的不同排布可實現不同的出射效果。具體實施時，人造微結構由至少一根銅絲或者銀絲等金屬絲構成，具有特定圖形。金屬線通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻等多種方法附著在基板21上。其中蝕刻是較優的製造工藝，其步驟是在設計好合適的人造微結構的平面圖案後，先將一張金屬箔片整體地附著在基板21上，然後通過蝕刻設備，利用溶劑與金屬的化學反應去除掉人造微結構預設圖案以外的箔片部分，餘下的即可得到陣列排布的人造微結構。基板21的製備材料包括高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料，高分子材料可採用聚四氟乙烯、Fr4或F4b等。由於超材料具有能夠使得極化電磁波分離的特性，使得本發明極化分波裝置得以實施。在應用時，兩種正交的電磁波分別經第一、第二方波導入射，經過超材料後即可實現兩種正交的電磁波的合併，得到一種極化電磁波，從主波導中射出；因此，本發明的極化分波裝置亦可用於正交電磁波的合併，即為極化合波裝置。以上所述是本發明的具體實施方式
，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員
來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種極化分波裝置，其特徵在於，所述極化分波裝置包括 一主波導，可傳播任意極化的電磁波； 第一、第二方波導，處於同一平面且與所述主波導開口朝向相同，分別傳播具有第一電場方向的線極化波及具有與第一電場方向正交的第二電場方向的線極化波；以及， 位於所述主波導與所述第一、第二方波導之間的由至少一超材料片層構成的超材料板，所述超材料片層包括基板、陣列設置在所述基板上的第一人造微結構和第二人造微結構，每個第一人造微結構的光學主軸方向與所述第一電場方向平行，每個第二人造微結構的光學主軸方向與所述第二電場方向平行，所述超材料片層包括第一區域和第二區域，在所述第一區域內的第一人造微結構的幾何尺寸最大且其他各處的第一人造微結構的幾何尺寸向第一區域方向逐漸增大，在所述第二區域內的第二人造微結構的幾何尺寸最大且其他各處的第二人造微結構的幾何尺寸向第二區域方向逐漸增大。
2.如權利要求I所述的極化分波裝置，其特徵在於，所述主波導為圓波導。
3.如權利要求I所述的極化分波裝置，其特徵在於，所述兩個方波導的寬壁所在的平面正交。
4.如權利要求I或2或3所述的極化分波裝置，其特徵在於，所述第一人造微結構和第二人造微結構分別陣列設置在所述基板的兩相對表面上。
5.如權利要求4所述的極化分波裝置，其特徵在於，所述超材料板包括多個介電常數非均勻分布、沿垂直於所述超材料板表面方向堆疊的超材料片層。
6.如權利要求4所述的極化分波裝置，其特徵在於，所述基板的製備材料包括高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。
7.如權利要求I所述的極化分波裝置，其特徵在於，每個所述第一人造微結構和第二人造微結構均為由至少一根金屬絲組成的平面結構或立體結構。
8.如權利要求7所述的極化分波裝置，其特徵在於，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
9.如權利要求I所述的極化分波裝置，其特徵在於，所述第一人造微結構和第二人造微結構為非90度旋轉軸對稱結構。
10.如權利要求9所述的極化分波裝置，其特徵在於，所述第一人造微結構為「工」字形或「王」字形；所述第二人造微結構為「H」形。
全文摘要
本發明提供了一種極化分波裝置，該分波裝置包括一主波導、第一及第二方波導和位於主波導與方波導之間的至少包括一超材料片層的超材料板，超材料片層包括基板、陣列設置在基板上的第一人造微結構和第二人造微結構。超材料片層包括第一區域和第二區域，第一區域內的第一人造微結構的幾何尺寸最大且其他各處的第一人造微結構的幾何尺寸向第一區域方向逐漸增大，第二區域內第二人造微結構的幾何尺寸最大且其他各處的第二人造微結構的幾何尺寸向第二區域方向逐漸增大。本發明極化分波裝置利用超材料板對電場的響應以及其能夠偏折電磁波，實現極化電磁波的分離和正交電場線極化波的合併。
文檔編號H01Q15/24GK102800990SQ20111017865
公開日2012年11月28日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者劉若鵬, 徐冠雄 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司