[发明专利]高效圆极化波束分离器设计

说明书

本发明公开一种高效圆极化波束分离器，该圆极化波束分离器的一具体实施方式包括：基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数；设计满足矩阵系数的单元，单元由三层金属层和两层介质构成，第一金属层和第三金属层是I型结构的四分之一波片，且互为共轭，第二金属层是线极化转化器；当右旋圆极化波入射所述单元时，反射波携带PB算符，可以旋转所述单元用以调控反射波的相位；基于单元设计圆极化波束分离器对左旋圆极化波实现高效透射，对右旋圆极化波实现高效奇异反射。该圆极化波束分离器对于左旋圆极化波和右旋圆极化波均有很高的工作效率，均超过了90％。

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种基于PB超表面的圆极化波束分离器设计。

背景技术

电磁超表面对于调控电磁波的幅度、相位和极化特性具有独特优势，已广泛应用于电磁器件的设计和提升电磁器件的性能。极化分离器作为电磁波极化控制的重要器件，在通讯工程、雷达系统和波前控制系统等领域具有重要应用前景。

对于极化分离器的实现主要有5种。传统技术上主要采用天然的双折射晶体来实现，基于晶体的双折射特性，对于不同极化的电磁波可以形成不同的电磁响应；上世纪末，随着超材料发现并被广泛用于微波器件设计，采用二维光子晶体结构使得极化分离器的设计摆脱了对自然材料的依赖，从而可以根据科学家的意愿来进行不同功能的设计；有源器件的引入，如半导体器件、光子集成电路的使用，大大减小了极化分离器的尺寸；近年来，随着超材料技术的发展，尤其是渐变折射率超材料的提出，采用各向异性超材料、二维渐变折射率超材料设计的极化分离器实现了对不同极化电磁波的独立操控。

以上极化分离器存在如下缺陷：采用双折射晶体设计的极化分离器必须依赖自然的双折射晶体来实现，且对于电磁波入射角度及其敏感；采用光子晶体设计的极化分离器结构复杂，电磁能量损耗较大，同时极化分离角度受限；采用半导体器件、集成电路设计的极化分离器引入了有源元件，价格昂贵，同时有源元件破坏了两个维度的极化独立特性，使得极化分离程度有所降低；采用各向异性超材料和二维渐变折射率超材料设计的极化分离器，主要基于光程差来实现波束控制，器件比较笨重，同时极化分离程度不高。并且，以上报道的极化分离器均是工作于线极化状态，目前对于圆极化波实现极化分离还未见报道。

发明内容

本申请的目的在于提出高效圆极化波束分离器设计，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

本申请提出的高效圆极化波束分离器设计，包括：基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数；设计满足所述矩阵系数的单元，所述单元由三层金属层和两层介质构成，所述三层金属层中第一金属层和第三金属层是I型结构的四分之一波片，且互为共轭，第二金属层是线极化转化器，所述第一金属层和所述第三金属层分别是所述单元的上层和下层，所述第一金属层和所述第二金属层之间设有第一介质层，所述第二金属层和所述第三金属层之间设有第二介质层；当右旋圆极化波入射所述单元时，反射波携带PB(Pancharatnam-Berry)算符，即所述反射波的相位与所述单元的旋转角度θ存在的关系，因此，可以旋转所述单元用以调控所述反射波的相位；基于所述单元设计圆极化波分离器，所述圆极化波分离器对左旋圆极化波实现高效透射，对右旋圆极化波实现高效奇异反射。

在一些实施例中，所述基于琼斯矩阵理论分析对于不同旋向的圆极化波，同时实现高效透射和高效反射的矩阵系数，包括：基于琼斯矩阵理论分析，当两个琼斯矩阵分别满足和时，其对应的圆极化基下的矩阵系数为和此时，反射波、透射波与入射电磁波具有相同的极化，可同时实现高效透射和高效反射。

本发明的有益效果如下：设计的圆极化波束分离器实现了对左旋圆极化波(LCP，Left-Hand Circular Polarization)的透射传输和右旋圆极化波(RCP，Right-HandCircular Polarization)的奇异反射，其对左旋圆极化波和右旋圆极化波具有独立调控特性，且相位可由结构旋转角度决定，同时，极化分离器具有高达90％以上工作效率，且不依赖于器件的厚度。