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电子信息工程

论文（设计）题目

宽带高转换效率的极化转换器设计

选题的目的和意义：

选题的目的：电磁超构材料是一种将自然界常见的金属及介质按特定方式排列而成的人工结构，并且展示出了自然材料所不具备的电磁特性。通过改变电磁超材料的结构或调节其结构尺寸均能实现对电磁波幅值及相位的任意调控，因此电磁超构材料被广泛用于设计完美吸收器、隐形斗篷、极化转换器等。本论文通过分析电磁超构材料对电磁波幅值及相位的调控机理，发现以往报道的多个切角类型的吸收器并不具备宽带、高效的吸波特性，相反，该类型结构具有实现宽带极化转换的潜质。在此基础上，总结了基于电磁超构材料宽带极化转换器的结构特点，并通过对电磁超构材料的结构优化设计出宽带极化转换器件，实现了对电磁波的极化调控。

选题的意义：控制和改变电磁波的极化状态是调控电磁波的重要手段，极化转换器是能够有效控制和转变电磁波极化方向的功能器件。传统的极化转换器大多是利用具有天然双折射的石英、云母等材料而制成的，如常见的半波片，四分之一波片等。由于双折射材料的折射率之差较小，为了达到一定的相位延迟实现对电磁波的极化偏转就需要该材料具有一定的厚度。因此这种材料制成的器件相对于波长来讲具有厚度相当大，不利于器件小型化集成，并且还存在适用的频带窄等缺点。然而基于亚波长结构的电磁超构材料能够完美的解决上述问题。由于电磁超构材料的电磁特性具有可设计的特点，电磁超构材料能够轻易实现高度各项异性，很大程度上解决了极化转换器对材料厚度的要求，再加上电磁超构材料是亚波长的周期性结构，能够实现器件的小型化集成。因此，基于电磁超构材料的极化转换器具有可设计、超薄、易集成等优势，是实现电磁波调控的有效技术手段，具有重要的研究价值和意义。

文献综述（国内外研究现状、研究方向、进展情况、存在问题等，并列出10篇以上所查阅的国内外参考文献，要求3000字以上）：

近年来，因电磁超表面具有各种各样特殊的电磁特性而受到国内外众多学者的关注。电磁超表面因其对电磁波不同的调控作用而被命名为频率选择表面、人工磁导体、电磁带隙结构、极化转换表面等。目前，已经有许多电磁领域的学者将电磁超表面应用于宽带线的设计以改善宽带的某些性能。

（一）宽带高转换效率的极化转换器设计研究现状

电磁波的极化反映了电磁波在传播过程中的振动方向相对于其传播方向的不对称性，在信息通信和测量领域发挥着极大的作用，特别是激光、无线通信、雷达及卫星探测等重要领域，都与极化转换密切相关。

文献[1]认为电磁波的极化同电磁波的幅值、相位一样，都是描述电磁波必不可少的信息。电磁波是由时变的电场和时变的磁场互相激发而产生的，电磁波的波动通常习惯用电场矢量进行描述，因此电磁波的极化就是指电场矢量在垂直于波矢平面中的震荡方向献。文献[2]认为在信息传递过程中，电磁波的接收天线总是要求与发射天线的极化相匹配，以保证能高效地接收到传播的信息。但实际传播过程中，复杂的环境因素可能引起电磁波的极化方向发生偏转，从而导致天线接收到的能量无法达到最大化，影响信息传输的效率。因此，有效地控制电磁波的极化方向在实际运用中显得尤为重要。

文献[3]认为控制和改变电磁波的极化状态是调控电磁波的重要手段，极化转换器是能够有效控制和转变电磁波极化方向的功能器件。传统的极化转换器大多是利用具有天然双折射的石英、云母等材料而制成的。文献[4]认为如常见的半波片，四分之一波片等。由于双折射材料的折射率之差较小，为了达到一定的相位延迟实现对电磁波的极化偏转就需要该材料具有一定的厚度。因此这种材料制成的器件相对于波长来讲具有厚度相当大，不利于器件小型化集成，并且还存在适用的频带窄等缺点。然而基于亚波长结构的电磁超构材料能够完美的解决上述问题。文献[5]认为由于电磁超构材料的电磁特性具有可设

计的特点，电磁超构材料能够轻易实现高度各项异性，很大程度上解决了极化转换器对材料厚度的要求，再加上电磁超构材料是亚波长的周期性结构，能够实现器件的小型化集成。因此，基于电磁超构材料的极化转换器具有可设计、超薄、易集成等优势，是实现电磁波调控的有效技术手段，具有重要的研究价值和意义。

（二）宽带高转换效率的极化转换器设计存在问题

传统极化转换器件通常采用由自然材料的低对称性获得的二向色性材料或基于法拉第效应的双折射材料实现,但其制作工艺相对复杂,存在窄带宽、效率低以及体积大等缺陷。超表面是一种人工电磁复合材料,其特殊的材料结构实现了超越自然材料的操纵电磁波的能力。超表面因为其非凡特性在极化转换中的潜在应用,引起了学者们的极大兴趣。

文献[6]认为从最简单的贴片形吸收器和矩形环吸收器为例，此类型吸收器仅在一个频点实现谐振吸收。当切除谐振结构对角以破坏结构对称性时，虽然能在宽频范围内实现较低的共极化反射，但是其交叉极化反射不可避免的增大，且不可忽略。严格意义上讲，此类结构不属于宽带吸收器，但却具有实现高效极化转换功能的潜质。文献[7]认为电磁波的极化态在卫星通信、雷达探测以及立体显示成像等方面具有重要的应用价值，因此对电磁波的极化态的调控是科学研究中的一个重要方向。传统的电磁极化调控技术主要是通过法拉第效应和双折射晶体来实现的，对材料的厚度有一定要求（导致体积大），且不具有宽带调制特性（导致频带窄）。

文献[8]认为极化转换器都对入射电磁波的极化方向有特殊的要求，不能对任意极化方向的电磁波都具有转换作用，这将导致其在实际运用中受限，因此设计极化不敏感的转换器十分有必要。文献[9]认为极化转换器与吸收器有一定的关联，通过破坏结构的对称性，吸收器可以向极化转换器实现转变，因此以后可以往设计具有多功能的器件方向作进一步探索。

（三）宽带高转换效率的极化转换器设计对策

当前，学者关于宽带高转换效率的极化转换器设计对策的理论较为丰富。电磁超材料由于具有超常的物理特性而越来越受到社会学者的关注，基于电磁超材料的研究成果也大量涌现。目前，通过超材料实现更高效的极化转换成为研究极化态操控的主要发展方向，平面结构极化转换器具有结构简单、带宽大、效率高以及易于小型化等优势，便于加工，利于工程应用。为实现大带宽、高效率极化转换,研究学者主要从设计多层结构、优化谐振层构两个方向进行深入研究。

文献[10]认为随着对左手材料不断深入的研究，研究人员发现尺寸具有亚波长特征的谐振结构单元具有更广泛的应用前景，通过改变和调节谐振结构单元的形状、排列方式以及尺寸大小，可以任意地改变其等效介电常数和磁导率，这种由亚波长结构单元构成的人工结构被称为电磁超构材料。文献[11]认为由于其等效介电常数和磁导率具有可调性，对电磁波的幅值和相位能够实现有效的调控，电磁超构材料被广泛用于设计超透镜、隐形斗篷、非对称传输效应、完美吸收器、极化转换器等。

文献[12]认为由于电磁超构材料的结构尺寸具有可调性，并且随着微米、纳米结构加工技术的不断成熟，上述超构材料器件的适用频段已经广泛的覆盖到微波段、红外波段甚至光波段。文献[13]认为通过将金属杆阵列和开口谐振环合理布局，设计并加工出了介电常数ε和磁导率μ同时为负的左手材料，并首次通过实验观察到了反常折射现象：当电磁波以一定角度穿过该材料时，折射波束与入射波束在法线同侧，意味着折射角为负，因此也被称作负折射率现象。至此，左手材料在学术界引起了巨大的轰动并迅速成为一个热门的研究方向。

文献[14]认为出的左手材料理论也只仅仅被当作了一种假说，并未引起科学家们的广泛关注。此后，随着研究的不断深入，左手材料的研究取得了突破性的进展。文献[15]认为当极化转换表面被应用于天线 RCS 的减缩时，极化转换表面自身的工作带宽和极化转换效率决定了天线的 RCS 减缩效果。近年来，极化转换表面自身的性能得到了极大的提高。文献[16]认为利用金属化通孔设计出了极

化转换率高于 96%的极化转换表面，但其相对工作带宽只能达到 49%。

文献[17]认为多层分体式结构为基于超表面的低 RCS 天线提供了新的设计思路，将天线与超表面单元置于不同的平面可以有效减少天线的尺寸，但在设计过程中，需要重点研究覆层结构对天线辐射性能的影响，通过合理的设计最大程度地保留天线的辐射性能。

通过国内外研究综述，分析电磁超构材料对电磁波幅值及相位调控机理，发现以往报道的多个切角类型的宽带吸收器并不具备宽带、高效吸波特性，对切角型结构进行仿真验证发现该类型结构具有实现宽带极化转换的潜质。在此基础上，总结了基于电磁超构材料宽带极化转换器的结构特点，并通过对电磁超构材料的结构优化设计出宽带极化转换器件，实现了对电磁波的极化调控，并为设计极化转换器提供了一种新的思路。

参考文献：

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[3]缪宇. 基于人工电磁结构的宽带透射型极化转换器研究与设计[D].西南交通大学，2021.

[4]汪竹，罗燕，寇家琪，阮巍，郝宏刚.基于超表面的宽带高效线极化转换器设计[J].电子元件与材料，2021，40(02):163-167+178.

[5]林小芳. 基于超表面的宽带电磁波极化调控研究[D].曲阜师范大学，2020.

[6] 于惠存，曹祥玉，高军，等.一种超宽带反射型极化转换超表面设计 [J].空军工程大学学报，202，19(3):60-65.

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[8] 康跃然，陈思伟，何永刚，等.矩形开口环-贴片结构超表面极化转换器特性研究 [J].电子元件与材料，2019，38(10):68-73.

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[10]王世彬，王光明，郭文龙，蔡通，邹晓鋆.基于超构表面的高效宽带交叉极化转换器设计[J].微波学报，2018，34(04):60-64

[11]Wu S，Zhang Z，Zhang Y，et al.Enhanced rotation of thepolarization of a light beam transmitted through a silver film withan array of perforated S-shaped holes [J ].Physical ReviewLetters，2020，110(20):207401.

[12]Ma X L，Huang C，Pu M B，et al.Multi-band circular polarizerusing planar spiral metamaterial structure [J].Optics Express，2021，20(14):16050-16058.

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[15] 方振华，罗春荣，赵晓鹏.基于十字变形结构的高效超宽带线性极化转换超表面 [J].光子学报，2017，46(12):122-127.

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[17 ]Huang X， Xiao B， Yang D， et al.Ultra-broadband 90°polarization rotator based on bi-anisotropic metamaterial [J].Optics Communications，2020，338:416-421.

主要研究内容：

根据电磁调控理论，利用CST电磁仿真软件设计各向异性超表面单元，实之在周期排列后，能够在宽带范围内 (10-15GHz)将入射的平面电磁波转换为其交叉极化波反射出去，极优转换率大于90%。

创新之处：

无

研究路线、方法、措施及实践方案或实验设计：

研究路线：

实践方案：

1、查阅文献，学习电磁调控的相关概念和设计理论。2、利用CST设计超表面单元，分析y极化波正入射时反射波的极化。3、优化超表面单元，使之能够在预期频段内实现较高的极化转换效率。

研究方法：

1. 1.根据电磁学相关理论，结合设计目标，设计极化转换器单元，通过研究其几何尺寸，形状对同极化和交叉极化反射系数的影响，进行有针对性的优化与调整，得到可在预期频段内实现极化转换的超表面单元。

2. 分析超表面单元几何特征对转换带宽的影响，进一步优化，获得宽带极化转换器。文献资料法。

指导教师意见：

该生所选题目紧密围绕所学专业知识，具有一定实际应用价值。其通过阅读大量文献了解了极化转换器的研究现状，设计目标明确，方案合理，同意开题。

签字：

2022年 12月30 日

学院意见：

签字：

年    月    日