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、導航、雷達、制導等高科技領(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。

超材料因具有負折射率、完美成像、完美吸收及逆Doppler效應(yīng)[1]等特點，近些年來引起了學術(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)、“風車形”結(jié)構(gòu)等都被證實具手征性，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

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，因此導致右旋圓極化波和左旋圓極化波在諧振點處有不同的透射系數(shù)。電磁場耦合強度可由手征參數(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)和磁導率；ε和μ分別表示手征材料的相對介電常數(shù)和磁導率；c表示真空中的速度。

本文設(shè)計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。基板上的螺旋結(jié)構(gòu)為純銅，銅的導電率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,(第一個下標表示接收電磁波的極化方向，第二個下標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,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)材料機理設(shè)計的極化轉(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。

[1]崔萬照，馬偉，邱樂德，等.電磁超介質(zhì)及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]Sun W J,He Q,Hao J.A transparent metamaterial to manipulate electromagnetic wave polarizations [J].Optical Letters,2011,36(6):927-929.

[3]Euler M,Fusco V,Cahill R.325 GHz single layer sub-millimeter wave FSS based split slot ring linear to circular polarization convertor [J].IEEE Transactions on Antennas and propagation 2010,58(7) :2457-2459.

[4]Gansel J K,Thiel M,Rill M S.Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer [J].Science,2009，325:1513-1515.

[5]Zhao F L,Zhao R K,Thomas K.Chiral metamaterials with negative refractive index based on four" U"split ring resonators[J].Appl.Phys.Lett.2010,97 (8):1901-1903.

[6]Li T Q,Liu H,Li T.Magnetic resonance hybridization and optical activity of microwaves in a chiral metamaterial[J].Appl.Phys.Lett.2008,92(13): 1111-1113.