Представлена сверхширокополосная и эффективная однослойная метаповерхность преобразования поляризации на основе L-образного резонатора. Метаповерхность основана на диэлектрической подложке F4B с относительной диэлектрической проницаемостью 2,65 и тангенс угла потерь 0,002. Размер элементарной ячейки составляет 0,132λo × 0,132λo, а толщина метаповерхности - 0,05λo,
где λo - наибольшая длина волны (соответствующая более низкой частоте) в интересующем рабочем диапазоне. Предлагаемая структура эффективно преобразует падающую волну с линейной или круговой поляризацией в ее ортогональный эквивалент,
что подтверждается как результатами моделирования, так и результатами измерений, когда коэффициент преобразования поляризации (PCR) превышает 90% в диапазоне частот от 8,6 ГГц до 22 ГГц с относительной шириной полосы 88%. Процесс преобразования поляризации подробно иллюстрируется распределением поверхностного тока. Результаты моделирования показывают, что ультра-
широкополосный достигается за счет сильных электрических и магнитных дипольных резонансов на верхнем и нижнем слое метаповерхности. Кроме того, полосу пропускания и центральную частоту можно эффективно регулировать в широком спектре, изменяя геометрические аспекты элементарной ячейки, тем самым сохраняя высокую эффективность преобразования.
Разработанный преобразователь может использоваться в таких приложениях, как проектирование антенн, радиолокационная невидимость, формирование изображений, микроволновая связь и дистанционное зондирование.
1. Введение
Метаматериалы обладают множеством неестественных электромагнитных свойств, включая, помимо прочего, отрицательный показатель преломления, невидимость, идеальное линзирование, идеальное поглощение и обратное распространение, и, как следствие,
они широко используются в широком диапазоне приложений, таких как антенные системы и преобразование поляризации. Среди различных типов метаматериалов так называемые метаповерхности, плоская версия метаматериалов,
вызвали особый интерес из-за их большого потенциала для использования в управлении и манипулировании электромагнитными волнами. Одна из процветающих областей применения метаповерхностей - это преобразование поляризации. Сообщалось о многих таких метаповерхностях. Тем не мение,
Метаповерхности с преобразованием поляризации (PCMS) обычно страдают одним важным ограничением, а именно узкой полосой пропускания. Многие методы могут использоваться для расширения полосы частот преобразования поляризации, и самые популярные из них включают метод нескольких резонаторов / слоев и метод оптимизации элементарной ячейки.
Первый объединяет два или более резонатора с разными размерами, чтобы сформировать суперъячейку , или несколько слоев резонатора с разной геометрической протяженностью, изолированных диэлектрическими слоями подходящей толщины или суперстратными слоями, или через соединение. Хотя это увеличивает пропускную способность,
этот метод приводит к созданию сложных структур PCMS с несколькими слоями металл-диэлектрик. В результате процесс изготовления является сложным и трудоемким, а получаемая толщина PCMS часто является неприемлемой. Последний увеличивает полосу пропускания за счет правильной разработки структуры элементарной ячейки для резонанса в широких плазменных резонансах. Тем не менее, как разработать сверхширокополосную и эффективную PCMS, все еще остается сложной задачей, и необходимы дальнейшие усилия в этом направлении.
Эта статья посвящена расширению поляризационной полосы. Он представляет собой сверхширокополосный однослойный PCMS,
который с высокой эффективностью превращает волну с линейной или круговой поляризацией в ее ортогональный аналог. Сверхширокополосные характеристики являются результатом множественных резонансов, создаваемых электрическим и магнитным отражением распределений поверхностного тока, которые генерируют четыре плазмонных резонанса, ведущих к расширению полосы поляризации.
Для падающих волн с линейной или круговой поляризацией коэффициент преобразования поляризации (PCR) превышает 90% 90% при относительной ширине полосы 88% 88% в полосе частот от 8,68,6 ГГц до 2222 ГГц.
2. Конструкция и конфигурация элементарной ячейки.
МС-структуры с симметричными резонаторами использовались как эффективные поглотители с низким отражением со- и кросс-поляризации. Обнаружено, что нарушение симметрии резонаторов уменьшает кополяризационное отражение и увеличивает кроссполяризационное отражение.
Этот принцип был использован для создания преобразователей поляризации с анизотропной структурой МС, состоящей из периодических несимметричных металлических структур [29]. Следуя аналогичной линии идей, мы предлагаем сверхширокополосный и высокоэффективный преобразователь кросс-поляризации на основе асимметричного L-образного резонатора. Этот ультра-
Элементарная ячейка широкополосной МС состоит из трех слоев, как показано на рис. 1 (а): верхнего слоя, который представляет собой металлическую L-образную структуру, центрального слоя, который представляет собой диэлектрическую подложку, и базового слоя, который представляет собой металлическое заземление. . Структура элементарной ячейки состоит из двух медных слоев (L-образного резонатора и заземления) толщиной 0,035 мм каждый,
разделены подложкой F4B толщиной 3 мм (= 0,05 °). Итак, метаповерхность ультратонкая, так как толщина намного меньше длины волны. Электрические свойства металла и диэлектрического слоя: = 5,8 · 107 См / м, 𝜖𝑟 = 2,65, tan𝛿 = 0,002. Физические размеры преобразователя кросс-поляризации (КПК): = 8, 𝑙 = 5,6, 𝑔 = 0,8,
и ℎs = 3 (все в мм). Предлагаемый дизайн достигается за четыре основных этапа. На шаге 1 используется квадратный участок размером 𝑙 ×, который показан на рис. 2 (а). Этот шаг не показывает никакого преобразования поляризации. На этапе 2 используется квадратное кольцо, показанное на рис. 2 (b), которое снова не показывает признаков преобразования поляризации. На шаге 3
верхняя центральная часть квадратного кольца удаляется, и снова не происходит преобразования поляризации, как показано на рис. 2 (c). На этапе 4 правая сторона квадратного кольца удаляется, что приводит к асимметричной L-образной структуре резонатора, как показано на рис. 2 (d). Теперь это приводит к четырем плазменным резонансам:
что приводит к эффективному преобразованию поляризации в сверхширокополосном диапазоне от 8,6 ГГц до 22 ГГц. Эти правильно разработанные ступени коррелируют поверхность по четырем плазменным резонансам, что приводит к сверхширокополосному и высокоэффективному преобразователю поляризации.
3. Результаты моделирования и обсуждение.
Моделирование сверхширокополосной PCMS выполняется методом конечных элементов (FEM) в ANSYS HFSS. Плавающий порт в 𝑧 и граничное условие канала применяются в плоскости 𝑥 –. Чтобы понять преобразование поляризации PCMS, давайте рассмотрим разделение падающей линейно поляризованной электромагнитной волны 𝐸i на две составляющие:
𝐸i𝑢 и 𝐸i𝑣 в направлениях и 𝑣, как показано на рис. 1 (b). Тогда падающее поле можно записать как 𝐸i → = 𝑢 → 𝐸i𝑢 + 𝑣 → 𝐸i𝑣, а отраженное поле - как 𝐸r → = 𝑢 → 𝑟𝑢∼𝐸i𝑢 + 𝑣 → 𝑟𝑣∼𝐸i𝑣, где оси-и 𝑣 ортогональны друг другу и наклонены под углом 45 ° к оси,, 𝑟𝑢∼ и 𝑟𝑣∼ представляют,
соответственно, коэффициенты отражения по осям and и. Между 𝑟𝑢∼ и 𝑟𝑣∼ существует разность фаз, которая обозначается как Δ𝜑. Если 𝑟𝑢 ≈ 𝑟𝑣 и Δ𝜑 приближается к 180∘, происходит преобразование поляризации. Смоделированные амплитуды коэффициентов отражения, их соответствующие фазы и разность фаз для-и 𝑣-
поляризованные волны показаны на рис. 3 (а), который подтверждает, что амплитуды близки друг к другу (т.е. 𝑟𝑢 ≈ 𝑟𝑣), а разность фаз Δ𝜑 близка к 180 ° в диапазоне частот от 8,6 ГГц до 22 ГГц. В результате достигается преобразование поляризации. Чтобы понять широкую полосу пропускания и высокую эффективность предлагаемой PCMS,
исследованы плазмонные резонансы элементарной ячейки. Коэффициент отражения для произвольно поляризованной падающей электромагнитной волны вдоль осей и показан на рис. 3 (b). Результаты показывают, что в структуре блока МС возбуждаются четыре плазмонных резонанса. Два плазмонных резонанса (ii) и (iv) возбуждаются в 𝑢-поляризованном состоянии,
и два плазмонных резонанса (i) и (iii) возбуждаются в 𝑣-поляризованном состоянии. Сверхширокополосное преобразование поляризации достигается за счет множественных резонансов в рабочей полосе частот.
Амплитуды отражения в направлениях 𝑥x и 𝑦y определяются как 𝑟𝑥𝑦rxy = | 𝐸r𝑥 | / | 𝐸i𝑦 || Erx | / | Eiy |, 𝑟𝑦𝑦ryy = | 𝐸r𝑦 | / | 𝐸i𝑦 || Ery | / | Eiy |, 𝑟𝑦𝑥ryx = | 𝐸𝑟𝑦 | / | 𝐸i𝑥 || Ery | / | Eix |, 𝑟𝑥𝑥rxx = | 𝐸r𝑥 | / | 𝐸i𝑥 || Erx | / | Eix |, где 𝑥x и 𝑦y представляют пути электромагнитных волн. Амплитуды отражения (𝑟𝑥𝑦rxy,
𝑟𝑦𝑦ryy) и (𝑟𝑦𝑥ryx, 𝑟𝑥𝑥rxx) похожи из-за геометрической симметрии PCMS, создавая одинаковые отклики для преобразования поляризации падающих электромагнитных волн с y- и 𝑥x-поляризацией. Таким образом, поверхность освещается 𝑦y-
поляризованные падающие волны и соответствующие амплитуды отражения 𝑟𝑥𝑦rxy и 𝑟𝑦𝑦ryy показаны на рис. 4 (а). Уровень rxy близок к 0 дБ (больше −0,05−0,05 дБ), а уровень 𝑟𝑦𝑦ryy меньше −13−13 дБ в исследуемом диапазоне, т. Е. 8,6−228,6−22 ГГц, что указывает на высокую эффективность 𝑦y- в 𝑥x-
Преобразование поляризации достигается с помощью предлагаемого PCMS.
Амплитуды отражения волн с правой круговой поляризацией равны 𝑟 ++ r ++ = | 𝐸r + | / | 𝐸i + || Er + | / | Ei + | и 𝑟− + r− + = | 𝐸r− | / | 𝐸i + || Er− | / | Ei + |. Они представлены на рис. 4 (b), который показывает, что предлагаемый PCMS эффективно вращает круговую поляризованную волну до ее ортогонального эквивалента в исследуемой полосе.
Азимутальный угол поляризации (𝜃θ) говорит об эффекте вращения поляризации, который определяется как 𝜃 = 𝑎tan (𝑟𝑥𝑦 / 𝑟𝑦𝑦) θ = atan (rxy / ryy). Результат представлен на рис. 4 (c), который больше 75∘75∘ в исследуемой полосе частот. Кроме того, на резонансных частотах 9,39,3, 13,113,1, 19,019,0 и 21,721,7 ГГц
значение 𝜃θ приближается к 90∘90∘, что соответствует высокоэффективному преобразованию поляризации.
ПЦР - это мера, используемая для количественной оценки эффективности преобразователей поляризации. Он вычисляется как PCRYPOLYPOL = | 𝑟2𝑥𝑦 | / | 𝑟2𝑥𝑦 | + | 𝑟2𝑦𝑦 || rxy2 | / | rxy2 | + | ryy2 |, PCRRHCPRHCP = | 𝑟2 ++ | / | 𝑟2 ++ | + | 𝑟2− + || r ++ 2 | / | г ++ 2 | + | г− + 2 |. На рисунке 4 (d) представлены графики ПЦР,
что составляет более 90% 90% в диапазоне частот от 8,68,6 ГГц до 2222 ГГц с относительной полосой пропускания 88% 88% как для волн с линейной, так и для круговой поляризации. Поляризационный преобразователь также исследуется для наклонного падения, и соответствующие имитированные коэффициенты отражения (𝑟𝑥𝑦, 𝑟𝑦𝑦rxy, ryy) и PCR показаны на рис.5.
Видно, что угол падения оказывает большое влияние на эффективность преобразования поляризации, т.е. эффективность поляризации уменьшается с увеличением угла падения. Предлагаемая конструкция достаточно устойчива к изменению угла до 20∘20∘. При изменении угла падения до 40∘40∘,
коэффициент отражения (𝑟𝑦𝑦ryy) непрерывно увеличивается, а ширина полосы преобразования поляризации уменьшается; но PCR все еще составляет более 80% 80% для диапазона 8,538,53–18,1818,18 ГГц для угла падения 40–40 °, как показано на рис. 5 (b).
4. Рабочий механизм
Чтобы понять основной принцип работы, распределение поверхностного тока для случаев u- и 𝑣v-поляризации на верхней и нижней металлической части метаповерхности на четырех собственных модах показано на рис. 6. Как видно на рис. 3 (b ) две собственные моды (i) и (iii) возникают при v-поляризации, а две собственные моды (ii) и (iv) возникают при u-
поляризация. Ориентация индукционного тока указывает на тип резонанса. На рисунках 6 (a) и (d) показано, что ориентация тока на L-образном резонаторе и металлическом заземлении одинакова для собственных мод (i) и (iv); поэтому резонансы на частотах 9,39,3 ГГц и 21,721,7 ГГц считаются электрическим резонансом.
На рис. 6 (b) и (c) показано, что ориентация тока на L-образном резонаторе и металлическом заземлении противоположна в собственных режимах (ii) и (iii); поэтому резонансы на частотах 13,113,1 ГГц и 19,019,0 ГГц считаются магнитным резонансом. Увеличение магнитной проницаемости (т.е. 𝜇μ) приводит к более высокому поверхностному сопротивлению (𝑍Z = 𝜇 / 𝜖 −−− √μ / ϵ),
что позволяет отражению быть в фазе. Электрический и магнитный рефлекс разработанной PCMS создает четыре плазмонных резонанса, что приводит к расширению полосы пропускания.
5. Теоретический анализ.
Чтобы раскрыть динамику преобразования поляризации предлагаемого PCMS, мы анализируем y-поляризованную волну, которая может быть разбита на два перпендикулярных элемента симметрии вдоль осей u и 𝑣v, как показано на рис. 1 (b). Падающие и отраженные электромагнитные волны описываются следующими уравнениями:
где 𝑒̂ 𝑢e ^ u и 𝑒̂ 𝑣e ^ v представляют собой единичные векторы, ru и 𝑟𝑣rv представляют собой амплитуду отражения вдоль направлений 𝑢u и v. Подстановка 𝑟𝑣rv в (1) дает:
Отраженная волна удовлетворяет следующему уравнению:
Теперь, используя тот факт, что 𝐸𝑦 = 2√2 (𝑒̂ 𝑢 + 𝑒̂ 𝑣) Ey = 22 (e ^ u + e ^ v) и 𝐸𝑥 = 2√2 (𝑒̂ 𝑢 − 𝑒̂ 𝑣) Ex = 22 (e ^ u −e ^ v), мы можем записать в виде
Итак, 𝑥x- и 𝑦y-поляризованные элементы равны
Кроме того, кросс- и кополяризационные отражения вычисляются следующим образом:
На рисунке 7 (а) показана величина коэффициентов отражения, вычисленных согласно (8а). Результаты на рис. 7 (а) впоследствии используются для расчета ПЦР, который показан на рис. 7 (б). Как видно, результаты расчета падающей волны с 𝑦-поляризацией хорошо согласуются с результатами моделирования на рис. 4 (а) и (г),
что подтверждает, что разработанная PCMS обеспечивает эффективное преобразование поляризации в сверхширокополосной полосе частот от 8,6 ГГц до 22 ГГц.
6. Масштабирование элементарной ячейки
Любая электромагнитная система, используемая в одной полосе частот, может быть настроена на другие рабочие полосы частот путем регулировки геометрических размеров системы. Увеличение и уменьшение масштаба длины и ширины предложенной элементарной ячейки метаповерхности выполняется посредством преобразования масштаба в ANSYS HFSS.
Граничные условия моделирования остаются одинаковыми как для исходной, так и для масштабированной версии элементарной ячейки. Развертка частоты для масштабированных вариантов элементарных ячеек была выбрана на основе косвенной корреляции между размером элементарной ячейки метаповерхности и частотой.
Более высокий размер структуры выполняет преобразование поляризации для более низкой полосы частот, в то время как меньший размер приводит к такому явлению для более высокой полосы частот. Предлагаемый PCMS исследуется для различных размеров элементарной ячейки. Результаты моделирования представлены на рис.8.
Пропорциональный сдвиг в частотной характеристике отмечается увеличением или уменьшением размера элементарной ячейки. Рисунок 8 (а) показывает, что при удвоении длины элементарной ячейки частотная характеристика смещается в нижнюю сторону (22–1212 ГГц), а частоты плазмонов уменьшаются почти вдвое, т. Е. 4,64,6, 6,56,5, 9,49. .4 и 10,810,8 ГГц.
Рисунок 8 (b) показывает, что при уменьшении длины элементарной ячейки вдвое резонансные частоты почти удваиваются до 18,518,5, 25,925,9, 3939 и 43,343,3 ГГц, а частотная характеристика смещается в сторону верхний диапазон (1010-5050 ГГц). Этот анализ показывает, что предлагаемая метаповерхность является гибкой с точки зрения достижения сверхширокополосной перекрестной связи.
поляризация в любом частотном диапазоне путем тщательного масштабирования размеров элементарной ячейки.
7. Экспериментальные результаты.
Предлагаемая метаповерхность изготовлена на подложке F4B размером 160 × 160 - 160 × 160 мм22, содержащей 20 × 2020 × 20 элементарных ячеек. Фотография изготовленного образца представлена на рис. 9 (а). Векторный анализатор цепей KEYSIGHT N5224A и широкополосные рупорные антенны были подключены для тестирования прототипа, как показано на рис. 9 (b).
Изготовленный прототип разместили под рупорными антеннами в окружении поглотителей. Металлическая задняя сторона прототипа использовалась для калибровки системы. Мы провели тест производительности отражения поляризации изготовленного прототипа, используя один рупорной антенны для передачи горизонтально поляризованных волн,
и вторая рупорная антенна для приема волн с вертикальной поляризацией. Сравнение результатов моделирования и экспериментов показано на рис. 10. Как видно, результаты моделирования и измерений хорошо согласуются, за исключением незначительных колебаний, которые в первую очередь связаны с ошибками изготовления и измерения.
Сравнение разработанных и уже заявленных PCMS представлено в таблице 1. Из таблицы видно, что разработанные PCMS демонстрируют широкую рабочую полосу пропускания (за исключением [31]). Кроме того, предлагаемый PCMS имеет более высокую частичную полосу пропускания, меньший размер и меньшую толщину по сравнению со ссылками, перечисленными в таблице.
8. Заключение
Был представлен сверхширокополосный и эффективный преобразователь поляризации. Структура метаповерхности была сделана из L-образного резонатора, который преобразует падающие волны с линейной или круговой поляризацией в их ортогональный эквивалент в полосе частот от 8,68,6 ГГц до 2222 ГГц. В результате преобразователь можно использовать в 𝑋X, 𝐾𝑢Ku,
и 𝐾K-диапазоны микроволнового спектра. PCR составляет более 90% 90% в полосе частот 8,68,6-2222 ГГц с относительной полосой пропускания 88% 88%. ПЦР достигает примерно 100% 100% на частотах 9,19,1–9,49,4, 12,612,6–13,513,5 и 18,718,7–19,419,4 ГГц.