本發(fa)明(ming)設(she)(she)計(ji)一(yi)種(zhong)利用(yong)場(chang)變換(huan)理(li)論對入(ru)射的(de)(de)自由空間電(dian)磁波(bo)進行(xing)極(ji)化(hua)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)的(de)(de)方法、實(shi)(shi)現(xian)了一(yi)種(zhong)寬頻帶廣角(jiao)度的(de)(de)半波(bo)片，屬于微波(bo)器件領(ling)域。核心(xin)部分是通過場(chang)變換(huan)理(li)論設(she)(she)計(ji)空氣與(yu)介(jie)(jie)質層高(gao)度，并使空氣與(yu)介(jie)(jie)質層的(de)(de)周期性(xing)(xing)排布(bu)形成一(yi)種(zhong)新的(de)(de)等效介(jie)(jie)電(dian)常數各向異(yi)性(xing)(xing)的(de)(de)介(jie)(jie)質。利用(yong)等效介(jie)(jie)電(dian)常數各向異(yi)性(xing)(xing)的(de)(de)特性(xing)(xing)實(shi)(shi)現(xian)電(dian)場(chang)與(yu)磁場(chang)的(de)(de)相互轉(zhuan)(zhuan)化(hua)，從(cong)而實(shi)(shi)現(xian)電(dian)磁波(bo)的(de)(de)極(ji)化(hua)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)。本發(fa)明(ming)結構簡單，利用(yong)3D打(da)印技術極(ji)易制備(bei)，并且能實(shi)(shi)現(xian)廣角(jiao)度、超寬頻帶的(de)(de)極(ji)化(hua)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)。

背景技術：
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半(ban)波(bo)(bo)(bo)片(pian)(pian)(pian)(pian)是能(neng)使電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)極化(hua)(hua)方向(xiang)發(fa)生改變的(de)(de)一種器件，在(zai)微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)器件中有著重(zhong)要(yao)的(de)(de)應(ying)用(yong)價值。半(ban)波(bo)(bo)(bo)片(pian)(pian)(pian)(pian)對入(ru)射(she)電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)極化(hua)(hua)方向(xiang)進行調控，使出(chu)射(she)電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)(bo)(bo)或反(fan)射(she)電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)極化(hua)(hua)方向(xiang)發(fa)生改變。傳統的(de)(de)半(ban)波(bo)(bo)(bo)片(pian)(pian)(pian)(pian)制作(zuo)工藝復雜，不(bu)易實現(xian)。另外(wai)由于傳統波(bo)(bo)(bo)片(pian)(pian)(pian)(pian)工作(zuo)在(zai)高階(jie)模式，所以(yi)可實現(xian)的(de)(de)轉換帶寬較窄，較難(nan)達到寬角度(du)(du)入(ru)射(she)的(de)(de)要(yao)求。所以(yi)，傳統波(bo)(bo)(bo)片(pian)(pian)(pian)(pian)在(zai)微(wei)(wei)波(bo)(bo)(bo)器件中的(de)(de)應(ying)用(yong)范圍受到了很大的(de)(de)限制。本專(zhuan)利(li)提出(chu)的(de)(de)利(li)用(yong)場(chang)變換設計的(de)(de)半(ban)波(bo)(bo)(bo)片(pian)(pian)(pian)(pian)工作(zuo)于零(ling)階(jie)模式，故可以(yi)實現(xian)極化(hua)(hua)轉換的(de)(de)超寬帶。另外(wai)場(chang)變換設計方法與入(ru)射(she)角無(wu)關，所以(yi)不(bu)受入(ru)射(she)角的(de)(de)限制，可以(yi)實現(xian)入(ru)射(she)波(bo)(bo)(bo)在(zai)廣角度(du)(du)入(ru)射(she)的(de)(de)情況下依(yi)然(ran)有很好的(de)(de)極化(hua)(hua)轉換效果。本專(zhuan)利(li)結構簡單(dan)，結合3D打印(yin)技術后能(neng)夠(gou)快速(su)制備(bei)實現(xian)。

技術實現要素：
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發明(ming)目的：本發明(ming)設計(ji)一種(zhong)利用場變(bian)換理(li)論對入射(she)(she)的自由(you)空(kong)間(jian)電磁波(bo)進行極化(hua)轉(zhuan)換的方法(fa)實現(xian)了一種(zhong)寬頻帶廣角(jiao)度的半波(bo)片。傳統(tong)半波(bo)片在轉(zhuan)換頻率與(yu)入射(she)(she)角(jiao)度兩個方面很(hen)難(nan)同時達到令人滿(man)意的效(xiao)果。利用場變(bian)換理(li)論所設計(ji)的半波(bo)片可(ke)以在入射(she)(she)波(bo)入射(she)(she)角(jiao)度很(hen)大的情況(kuang)下可(ke)轉(zhuan)換的頻帶依(yi)然寬，并(bing)且結(jie)合3D打印技術容易制備，可(ke)以實現(xian)在復雜情況(kuang)下的極化(hua)轉(zhuan)換。

技術方案：本發明所述的對電磁波進行極化轉換的半波片有兩種介質組成：空氣、介質層。根據場變換理論，我們在自由空間中引入一種新的電場和磁場，分別用E₍₀₎、H₍₀₎表示，并假設(she)新(xin)引入的(de)電(dian)場與(yu)(yu)磁(ci)場與(yu)(yu)原(yuan)電(dian)場E與(yu)(yu)磁(ci)場H的(de)關系(xi)為(wei)：

當φ＝π/2時，我們可以得到如(ru)下關系：

E＝-iH₍₀₎

iH＝E₍₀₎

我們可(ke)以(yi)設材料(liao)的(de)磁導率μ為1，那么材料(liao)的(de)的(de)介電(dian)常數ε可(ke)以(yi)表示為：

其中

當(dang)介電(dian)常數只(zhi)在(zai)y方向上變化(hua)時，

k₀為真空中的波(bo)數(shu)。h為半波(bo)片厚度。

由上式可知，介(jie)電(dian)常(chang)數為各向異(yi)性(xing)且(qie)各個方向上的(de)介(jie)電(dian)常(chang)數符合一(yi)定規(gui)律的(de)材料能夠實(shi)現極化轉(zhuan)(zhuan)換。當電(dian)磁波入射到(dao)這種(zhong)材料中時，電(dian)場(chang)與磁場(chang)會發(fa)生相互(hu)轉(zhuan)(zhuan)換，由此我(wo)們便可以進行電(dian)磁場(chang)的(de)極化轉(zhuan)(zhuan)換。

我們根據等效介質理論利用空氣與一種介質實現場變換中的各向異性材料。根據等效介質理論，若兩種介質介電常數分別為ε₁、ε₂，高度分別為d₁、d₂，那么我們(men)可(ke)以將(jiang)這(zhe)(zhe)兩種(zhong)介質(zhi)按周期性排布(bu)。這(zhe)(zhe)樣我們(men)就可(ke)以得(de)到一種(zhong)各向(xiang)異(yi)性的介質(zhi)。這(zhe)(zhe)種(zhong)各向(xiang)異(yi)性的介質(zhi)各個方向(xiang)上的介電常數為：

其中η＝d₁/d₂。

然后將這種介(jie)質再旋轉45度后，此時各個方向上的介(jie)電常數(shu)為：

根(gen)據場(chang)變換(huan)理論與等效介(jie)質理論，2Ay＝εxz。當兩種介(jie)質介(jie)電常數(shu)確定時，我們可(ke)以通(tong)過(guo)控(kong)制兩種介(jie)質高度(du)的(de)(de)比例與整個半(ban)波(bo)片的(de)(de)厚度(du)來控(kong)制半(ban)波(bo)片作用的(de)(de)頻率范(fan)圍，并以此為(wei)依據制造半(ban)波(bo)片。

有益(yi)效果：1、可以(yi)通過實際情況和要(yao)求來控制(zhi)(zhi)兩種介質(zhi)的(de)介電常數與厚度之比來制(zhi)(zhi)作半波片(pian)(pian)；2、結合3D打印(yin)機能更容(rong)易的(de)制(zhi)(zhi)備出半波片(pian)(pian)；3、本發明(ming)能實現廣角度、寬頻帶(dai)的(de)極化轉換。

附圖說明：

圖(tu)1是本發明半波片實(shi)現(xian)極化轉換的(de)示意圖(tu)。

圖2是本(ben)發明的整(zheng)體示意圖。

圖3是本(ben)發(fa)明(ming)半波片的主視圖。

圖(tu)4是(shi)本發明半波片的(de)俯視圖(tu)，θ為電磁波的(de)入射(she)角。

圖(tu)5是入射(she)角θ為0°時，出射(she)TM波和TE波與入射(she)TE波的比值。

圖6是入(ru)射(she)角(jiao)θ分(fen)別為(wei)0°-60°時，出射(she)TE波與入(ru)射(she)TE波的(de)比(bi)值

圖7是入射角(jiao)θ分別為0°-60°時，出(chu)射TM波(bo)與入射TE波(bo)的比值(zhi)

圖8是入射(she)角θ為0°時(shi)，出射(she)LCP波和RCP波與入射(she)LCP波的(de)比值。

圖9是(shi)入射(she)角(jiao)θ分別為0°-60°時，出射(she)LCP波與(yu)入射(she)RCP波的比值

圖10是入(ru)射角θ分別為0°-60°時(shi)，出(chu)射RCP波與入(ru)射LCP波的(de)比值

在所有(you)(you)的上(shang)述附圖中，相(xiang)同(tong)的標號表示具有(you)(you)相(xiang)同(tong)、相(xiang)似(si)或相(xiang)應的特(te)征(zheng)或功能。

具體實施方式：

下面結合附圖，通過具體(ti)的實施例詳細(xi)說明本發明的技術方案。

實(shi)施例：參考圖(tu)(tu)(tu)1-4描述的(de)本發(fa)明的(de)應(ying)用場景圖(tu)(tu)(tu)、半波片的(de)整體示意(yi)圖(tu)(tu)(tu)、半波片的(de)主(zhu)視圖(tu)(tu)(tu)、半波片的(de)俯視圖(tu)(tu)(tu)。

本發明所設計的(de)半波片是由(you)3D打(da)印材料1、空氣2和介電(dian)常數為10的(de)介質層3構成。其中空氣層2的(de)高(gao)度(du)為5mm，介質層3的(de)高(gao)度(du)為0.68mm，整個(ge)半波片的(de)厚度(du)為5.5mm。

我們首先(xian)用(yong)3D打(da)印(yin)機(ji)打(da)印(yin)出半波(bo)(bo)片(pian)(pian)的(de)框架，框架四周(zhou)有凹(ao)槽(cao)，方便將介質層(ceng)插入(ru)。每個凹(ao)槽(cao)之間的(de)距(ju)離為(wei)(wei)(wei)5mm，即空氣層(ceng)的(de)高度(du)為(wei)(wei)(wei)5mm。將框架打(da)印(yin)成如圖(tu)2和圖(tu)3所示的(de)八邊(bian)形(xing)，以某一(yi)窄邊(bian)作為(wei)(wei)(wei)半波(bo)(bo)片(pian)(pian)的(de)底邊(bian)。然后將厚度(du)為(wei)(wei)(wei)5.5mm、高度(du)為(wei)(wei)(wei)0.68mm、介電常數為(wei)(wei)(wei)10的(de)介質板插入(ru)3D打(da)印(yin)材料(liao)中，即可得(de)到我們所設(she)計的(de)半波(bo)(bo)片(pian)(pian)。

電(dian)磁波(bo)(bo)(bo)入(ru)射到半波(bo)(bo)(bo)片(pian)中，由于半波(bo)(bo)(bo)片(pian)介電(dian)常數(shu)的各向(xiang)異性，入(ru)射的電(dian)磁波(bo)(bo)(bo)將會發生極(ji)化轉(zhuan)(zhuan)換。具體來說，即(ji)TE(TM)波(bo)(bo)(bo)轉(zhuan)(zhuan)化為(wei)TM(TE)波(bo)(bo)(bo)，右(左(zuo)(zuo))旋(xuan)極(ji)化波(bo)(bo)(bo)轉(zhuan)(zhuan)化為(wei)左(zuo)(zuo)(右)旋(xuan)極(ji)化波(bo)(bo)(bo)。

圖5是入(ru)射角(jiao)θ為(wei)0°時，出射TM波(bo)(bo)和TE波(bo)(bo)與(yu)入(ru)射TE波(bo)(bo)的(de)比(bi)值。虛(xu)線(xian)是出射的(de)TM波(bo)(bo)與(yu)入(ru)射TE波(bo)(bo)的(de)比(bi)值，實線(xian)是出射TE波(bo)(bo)與(yu)入(ru)射TE波(bo)(bo)的(de)比(bi)值。由圖我們可以看(kan)到(dao)，在入(ru)射角(jiao)為(wei)0時，半波(bo)(bo)片TE波(bo)(bo)轉化為(wei)TM波(bo)(bo)的(de)-3dB轉換(huan)頻帶在22G到(dao)37G左右。

圖(tu)(tu)6是(shi)入(ru)射(she)角θ分(fen)別為0°-60°時(shi)，出射(she)TE波與(yu)入(ru)射(she)TE波的比(bi)值(zhi)，圖(tu)(tu)7是(shi)入(ru)射(she)角θ分(fen)別為0°-60°時(shi)，出射(she)TM波與(yu)入(ru)射(she)TE波的比(bi)值(zhi)。圖(tu)(tu)6、圖(tu)(tu)7顯示出半波片(pian)可實現(xian)廣(guang)角度的極化轉換。

圖(tu)8是(shi)入射(she)角θ為(wei)0°時(shi)，出射(she)LCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)和RCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)與(yu)入射(she)LCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)比(bi)值(zhi)(zhi)。虛線是(shi)出射(she)的(de)RCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)與(yu)入射(she)LCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)比(bi)值(zhi)(zhi)，實線是(shi)出射(she)LCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)與(yu)入射(she)LCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)比(bi)值(zhi)(zhi)。由圖(tu)我們可以看(kan)到，在(zai)入射(she)角為(wei)0時(shi)，半(ban)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)片LCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)轉化為(wei)RCP波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)的(de)轉換頻(pin)帶(dai)在(zai)23G到38G左右。

圖9是入(ru)射(she)(she)角θ分別為0°-60°時(shi)，出射(she)(she)TE波(bo)(bo)與入(ru)射(she)(she)TE波(bo)(bo)的比(bi)值(zhi)，圖10是入(ru)射(she)(she)角θ分別為0°-60°時(shi)，出射(she)(she)RCP波(bo)(bo)與入(ru)射(she)(she)LCP波(bo)(bo)的比(bi)值(zhi)。圖9、圖10顯示出半波(bo)(bo)片(pian)可實現廣角度的極化轉換。

以上所述(shu)，僅為本發明的優選實施例，并不(bu)能以此限定本發明實施的范圍(wei)(wei)，即凡依本發明權(quan)利(li)要求及發明說明書內容所作的簡單的等效變化與(yu)修(xiu)飾(shi)，皆應仍屬于(yu)本發明專利(li)覆蓋的范圍(wei)(wei)。