[发明专利]一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器

说明书

本发明公开了一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，属于电磁波调控技术领域。该激励器包括极化转换层和频谱分布层，所述极化转换层和频谱分布层为尺寸相同的正八边形结构；通过调节极化转换层各单元的尺寸，调制线极化入射平面波产生电磁飞环所需的空间频谱分布，通过扭转宽带极化转换超表面单元以及改变椭圆金属贴片的方向，实现将入射的线极化平面波向满足电磁飞环极化方向的转换。本发明的电磁飞环激励器，能够实现将载有高斯信号的线极化平面波到电磁飞环脉冲的转换。

技术领域

本发明属于电磁波调控技术领域，具体涉及一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器。

背景技术

电磁飞环(flying electromagnetic toroid,FET)是一种呈超环面拓扑结构的单周期自由空间脉冲，其具有独特的时空耦合特性及强烈的纵向场分量，这些特殊的电磁性质有益于FET脉冲应用到粒子加速、新型多极子激励和能量传输等前沿应用。而且，在与传播方向垂直的截面上电磁飞环具有特殊的空间极化分布和空间频谱分布。其空间极化和频谱分布的特殊要求对FET脉冲的激励造成了重大的技术阻碍与研究壁垒。因此，大多数有关FET的研究停留在理想场解的电磁性质研究阶段。

近年来，FET激励方法的研究引起了学者们的广泛关注，成为了电磁波调控领域的新兴热点问题。已有的FET激励方法大多可以分为两类，一类是在特定载波信号的基础上经由特殊设计的天线阵直接辐射出电磁飞环，实现导波到电磁飞环的直接激励。另一类激励方法是基于近几年兴起的超表面技术，其灵活的电磁波调控能力可以将入射的平面波间接转换为具有特殊极化分布和频谱分布的FET。两种方法都是以FET的自修复特性为基础。相比直接法的复杂天线结构，基于超表面的间接法具有易集成、易装配、质轻、低剖面等优点，而且无需设计特殊的馈电电路，无需多个馈源。同时，间接法可以发挥其灵活的电磁波调控特性，实现对于不同频谱不同波长的FET激励。但是，基于超表面的间接法也存在较大的技术阻碍。因为激励FET脉冲所需的多功能超表面设计必须同时具有类似于矢量方位角波束的极化转化能力，部分透射能力以及频率选择能力。2018年，文献“N.Papasimakis,T.Raybould,V.A.Fedotov,et al.“Pulse generation scheme for flyingelectromagnetic doughnuts,”Physical Review B,2018,97(20):201409.”基于具有环形分布微结构的超表面实现了平面波到FET的转换。但是，所用的激励脉冲具有特殊的空间极化分布，因此，上述文献仅通过超表面实现了FET所需的空间频谱分布。

从上述文献中可以看出，基于超表面的间接法激励FET具有很多突出的结构优势并且不受馈源分布和馈电电路限制。但是，应用超表面结构将线极化平面波转化为FET仍具有较大的挑战。因此需要一种多功能的复合超表面设计，可以调控线极化平面波同时实现特定空间极化分布和空间频谱分布。

发明内容

本发明提供一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，该超表面激励器低剖面、质量轻、易加工集成，并且可以对2-10GHz频带内的线极化平面波进行调控，实现电磁飞环所需的特定空间极化分布和空间频谱分布，进而激励出电磁飞环。

本发明采用的技术方案是：

一种基于线极化平面波的复合超表面电磁飞环激励器，用于将线极化平面波转换为电磁飞环脉冲，该激励器包括极化转换层(polarization conversion layer,PCL)和频谱分布层(spectrum distribution layer,SDL)，所述极化转换层和频谱分布层为尺寸相同的正八边形结构，且所述极化转换层和频谱分布层之间设置有间隙。