摘要
由于电磁波广泛应用在对比成像显微镜、光学传感、分子生物技术和微波通信等领域，对其极化状态的调控受到科学界的密切关注。传统的技术可应用于天然材料的极化调控，如晶体的光学活性、各向异性材料的双折射效应、法拉第效应、具有螺旋二级结构的蛋白质和手性液晶。但由天然材料所制备的极化转化器通常具有体积大、带宽窄、响应依赖于入射角的劣势，且加工成本高。因此，要发展具有宽带和角度稳定响应的微型极化转换器，必须依赖人工结构。超构表面，因其优异的光学、电学特性被广泛应用于电磁波极化调控领域。基于超构表面的极化转换器目前存在单一极化方式、单频带、极化转换性能差、相对带宽较窄、斜入射特性差等缺点。针对以上问题，本文设计刚性反射型双极化转换超构表面、柔性动态可调反射型双极化转换超构表面和刚性透射型双宽带极化转换超构表面。具体研究内容如下： 针对目前大多数反射型超构表面存在极化方式单一和极化性能差的缺点，利用CST微波工作室构建一款刚性反射型双极化转换超构表面，可实现高效率线极化转换和圆极化转换。仿真结果表明，在6.85-11.05GHz频带内极化转换率(PolarizationConversionRatio,PCR)达90%，所对应的相对带宽为47.15%；在5.83-6.68GHz和11.54-16.93GHz频带内轴比(AxialRatio,AR)低于3dB，所对应的相对带宽分别为13.59%和37.86%，良好的极化转换性能可维持在入射角≤50°范围内。 所设计的刚性反射型双极化转换超构表面存在不可弯曲，不可动态调控的缺点。在此基础上，对其进行结构优化和材料改进，将FR-4介质材料替换成柔性材料聚氯乙烯(PolyvinylChloride,PVC)，并添加石墨烯材料，使其具备柔性动态可调功能。仿真结果表明，在7.47-12.38GHz频带内，可将入射线极化波转换为交叉极化波，覆盖X波段，其相对带宽为49.47%；在6.25-7.25GHz和13.00-26.68GHz频带内，可将入射线极化波转换为圆极化波，覆盖C、Ku和K波段，其相对带宽分别为14.81%和68.95%。优化后的结构线极化转换性能和圆极化转换性能均有所提升。此外，对石墨烯的动态可调特性进行分析得到，通过改变石墨烯的外加电压控制其费米能级，可实现对PCR和AR的动态调控。 针对目前大多数透射型超构表面存在单频带和极化转换性能差的缺点，利用CST微波工作室构建一款刚性透射型双宽带极化转换超构表面。该超构表面具有非对称传输特性，由两个正交金属光栅、金属谐振结构和FR-4电介质交叉组成。仿真结果表明，在4.64-14.37GHz和17.02-37.23GHz频带内可将x极化入射波转换为y极化透射波，PCR高于90%，双频带的相对带宽分别为102.37%和74.51%，良好的极化转换性能覆盖C、X、Ku、K和Ka五个波段。对入射角稳定性进行分析，结果表明双宽带特性在0-50°范围内均可保持。此外，制作一个15×15的超构表面模型，并进行测试，实验结果表明，在4.90-14.33GHz和17.11-37.13GHz频带内PCR大于90%，其相对带宽分别为98.08%和73.82%，实验结果与仿真结果基本吻合。
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