专利摘要

本实用新型提供了一种高频偏振信号转换装置，包括金属板、绝缘板、金属圆环，所述绝缘板被所述金属板和所述金属圆环夹于中间；所述金属板及所述绝缘板均为正方形；所述金属圆环的圆心位于所述正方形的对角线的交点；所述金属圆环具有两个缺口，所述金属圆环的两个缺口以所述正方形的对角线为对称轴对称分布。本实用新型提供了一种高频偏振信号转换装置，通过优化超表面结构，能够实现较宽的工作带宽。

权利要求

1.一种高频偏振信号转换装置，其特征在于，包括金属板、绝缘板、金属圆环，所述绝缘板被所述金属板和所述金属圆环夹于中间；所述金属板及所述金属圆环的厚度均为0.2μm且材质为金；

所述金属板及所述绝缘板均为边长为100μm的正方形；

所述金属圆环的圆心位于所述正方形的对角线的交点；所述金属圆环具有两个缺口，所述金属圆环的两个缺口以所述正方形的对角线为对称轴对称分布；所述金属圆环以所述两个缺口的连线为对称轴对称分成第一半圆环和第二半圆环，所述第一半圆环和所述第二半圆环的圆心角均为150度；所述金属圆环的外半径为34.5μm，内半径为29.5μm；

所述绝缘板的材质为二氧化硅，以及所述绝缘板的厚度为44.5μm。

2.如权利要求1所述的高频偏振信号转换装置，其特征在于，所述金属圆环的外半径为35μm，内半径为28μm。

3.如权利要求1所述的高频偏振信号转换装置，其特征在于，所述金属圆环的外半径为35μm，内半径为30μm；所述绝缘板的厚度为46μm。

4.如权利要求1所述的高频偏振信号转换装置，其特征在于，所述金属板及所述绝缘板均为边长为110μm的正方形。

5.一种高频偏振信号转换装置，其特征在于，由若干如权利要求1至4任一所述的高频偏振信号转换装置周期性排列而成。

说明书

技术领域

本实用新型涉及光通信和信息处理技术领域，尤其是涉及一种高频偏振信号转换装置。

背景技术

太赫兹技术在光谱、成像、安全检查、通信等领域具有重要的应用价值，因此对如偏振转换器、滤波器、分束器等太赫兹功能器件的研究逐渐成为了热点。

偏振转换器是一种调节电磁波偏振态的功能器件，传统的偏振转换器件是利用二色性晶体或半波片来实现，限于晶体特性，偏振器件存在转换率低、带宽窄等问题。超表面可以通过人工设计的微结构单元，实现自然材料无法具有的物理特性，从而可以对电磁波的偏振和相位进行控制，如何进行结构设计，使得偏振转换器实现更宽带宽、更高转换率成为了研究的热点。当入射角和偏振角在一定范围内变化时，偏振转换器对信号的转换性能会受到影响，进而使转换器的使用受限，通过研究入射角和偏振角变化对偏振转换率的影响，可以使偏振转换器具有更广的应用价值和更高的适应性。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种高频偏振信号转换装置，通过优化超表面结构，能够实现较宽的工作带宽。所述技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种高频偏振信号转换装置，包括金属板、绝缘板、金属圆环，所述绝缘板被所述金属板和所述金属圆环夹于中间；所述金属板及所述金属圆环的厚度均为0.2μm且材质为金；

所述金属板及所述绝缘板均为边长为100μm的正方形；

所述金属圆环的圆心位于所述正方形的对角线的交点；所述金属圆环具有两个缺口，所述金属圆环的两个缺口以所述正方形的对角线为对称轴对称分布；所述金属圆环以所述两个缺口的连线为对称轴对称分成第一半圆环和第二半圆环，所述第一半圆环和所述第二半圆环的圆心角均为150度；所述金属圆环的外半径为34.5μm，内半径为29.5μm；

所述绝缘板的材质为二氧化硅，以及所述绝缘板的厚度为44.5μm。

本实用新型的一种实施方式为，所述金属圆环的外半径为35μm，内半径为 28μm。

本实用新型的一种实施方式为，所述金属圆环的外半径为35μm，内半径为 30μm；所述绝缘板的厚度为46μm。

本实用新型的一种实施方式为，所述金属板及所述绝缘板均为边长为110μm 的正方形。

此外，本实用新型实施例提供了一种高频偏振信号转换装置，由若干如上所述的高频偏振信号转换装置周期性排列而成。

相比于现有技术，本实用新型实施例具有如下有益效果：

本实用新型提供一种高频偏振信号转换装置，通过优化超表面结构，在偏振转换率为80％情况下，本实用新型的高频偏振信号转换装置能够在 0.4934-1.883THz频率范围内，带宽为1.39THz，将太赫兹入射线偏振波的偏振方向旋转90度。同时，当太赫兹波在0至20度的入射角度入射时，所述高频偏振信号转换装置在0.4934-1.883THz频率范围内的偏振转换率达到70％以上，相比起现有技术，本实用新型的高频偏振信号转换装置能够适应更宽的入射角角度范围同时保证高偏振转换率；而且，当频率在0.4934-1.883THz，偏振角在-10度至10度之间时，本实用新型的高频偏振信号转换装置的偏振转换率大于70％。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的结构的正面视图；

图2是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的结构的侧面视图；

图3是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的结构的背面视图；

图4是本实用新型实施例中的一种在现有基础上将绝缘板厚度调整为35μm 的高频偏振信号转换装置的反射率曲线图；

图5是本实用新型实施例中的一种在现有基础上将外环半径调整为36μm的高频偏振信号转换装置的反射率曲线图；

图6是本实用新型实施例中的一种在现有基础上将内环半径调整为28μm的高频偏振信号转换装置的反射率曲线图；

图7是本实用新型实施例中的一种绝缘板及金属板的边长均为110μm的高频偏振信号转换装置的反射率曲线图；

图8是本实用新型实施例中的一种最优化结构的高频偏振信号转换装置的反射率曲线图；

图9是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的反射系数ryx、rxx的反射率曲线图；

图10是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的偏振转换率 (PCR)曲线图；

图11是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的反射波相位差曲线图；

图12是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的转换方法的第一效果图；

图13是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的转换方法的第二效果图；

图14是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的转换方法的第三效果图；

图15是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的入射角度调节范围为0至20度的转换方法的偏振转换率(PCR)曲线图；

图16是本实用新型实施例中的一种高频偏振信号转换装置的偏振角度调节范围为-10度至10度的转换方法的偏振转换率(PCR)曲线图；

其中，1、金属圆环；2、绝缘板；3、金属板；4、金属板的电流方向；5、金属圆环的电流方向。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1至图3，其示出了本实用新型实施例示例性的一种高频偏振信号转换装置，至少包括一个结构单元，所述结构单元包括金属板、绝缘板、金属圆环，所述绝缘板被所述金属板和所述金属圆环夹于中间；

所述金属板及所述绝缘板均为正方形；所述金属圆环的圆心位于所述正方形的对角线的交点；

所述金属圆环具有两个缺口，所述金属圆环的两个缺口以所述正方形的对角线为对称轴对称分布，并将所述金属圆环对称分成第一半圆环、第二半圆环；

其中，设定外环半径是R1，内环半径是R2，一个单元结构正方形的边长是p，金属厚度是d1，两层金属中间的介质厚度是d2；单位为μm。

请参见图4，其示出了其中一种可能的所述高频偏振信号转换装置的反射率，所述高频偏振信号转换装置，p＝100、d1＝0.2、d2＝35、R1＝35、R2＝30；

请参见图5，其示出了其中一种可能的所述高频偏振信号转换装置的反射率，所述高频偏振信号转换装置，p＝100、d1＝0.2、d2＝45、R1＝36、R2＝30；

请参见图6，其示出了其中一种可能的所述高频偏振信号转换装置的反射率，所述高频偏振信号转换装置，p＝100、d1＝0.2、d2＝45、R1＝35、R2＝28；

请参见图7其示出了其中一种可能的所述高频偏振信号转换装置的反射率，所述高频偏振信号转换装置，p＝110、d1＝0.2、d2＝46、R1＝35、R2＝30；

请参见图8其示出了其中一种可能的所述高频偏振信号转换装置的反射率，其中，正方形的金属板及绝缘板的边长都为100μm。

优选地，所述金属板及所述金属圆环的材质为金、银、铜、铝中的一种。

优选地，所述金属板及所述金属圆环的厚度均为0.2μm。

优选地，所述金属圆环的外半径为34.5μm，内半径为29.5μm。

优选地，所述绝缘板的材质为二氧化硅，其厚度为44.5μm。

另外，本实用新型还提供其他实施方式：

本实用新型的一种实施方式为，所述金属圆环的外半径为35μm，内半径为 28μm。

本实用新型的一种实施方式为，所述金属圆环的外半径为35μm，内半径为 30μm；所述绝缘板的厚度为46μm。

本实用新型的一种实施方式为，所述金属板及所述绝缘板均为边长为110μm 的正方形。

此外，本实用新型实施例提供了一种高频偏振信号转换装置，由若干如上所述的高频偏振信号转换装置周期性排列而成。

在本实施例中，利用CST microwave studio软件对该结构进行仿真。由于结构本身具有各向异性，反射波存在同向偏振和交叉偏振两个分量，将x方向偏振波到x方向偏振波的反射率，称为同向偏振反射率： 对应CST软件中 SZmax(2),Zmax(2)；将x方向偏振波到y方向偏振波的反射率，称为交叉偏振反射率： 对应CST软件中SZmax(1),Zmax(2)。其中，Exr和Exi分别表示偏振方向沿着x轴的反射太赫兹偏振波和入射太赫兹偏振波的振幅，Eyr表示偏振方向沿着y轴的反射太赫兹偏振波的振幅。偏振转换率(Polarization Conversion Ratio, PCR)与反射波相位差的关系如下：

Δψ＝ψyx-ψxx(2)

式(2)中，Δψ表示反射太赫兹偏振波的y分量与x分量之间的相位差，ψxx表示x方向偏振波到x方向偏振波的反射波相位，ψyx表示x方向偏振波到y方向偏振波的反射波相位。

请参见图9至图11，对双开口谐振环的反射特性进行仿真,得到反射系数ryx、 rxx和偏振转换率(PCR)，其中，图9为反射系数ryx、rxx的反射率曲线，图10为偏振转换率(PCR)曲线。由此可知交叉偏振反射系数ryx在0.4934-1.883THz(带宽为 1.39THz)的频率范围内，始终大于90％。在0.542THz、1.0388THz、1.6616THz 处偏振转换率最高，反射系数ryx分别为0.99、0.99和0.973，反射系数rxx分别为0.01、0.005和0.01，在0.4628THz、1.8974THz处同向偏振和交叉偏振的反射系数相等,表明此时可以将太赫兹入射线偏振波转换为太赫兹反射圆偏振波。在偏振转换率为80％情况下，该结构能够在0.4934-1.883THz(带宽为1.39THz)频率范围内将太赫兹入射线偏振波的偏振方向旋转90度。由CST软件可以得出反射波的同向偏振反射率和交叉偏振反射率，从而根据式(2)计算出反射波相位差，如图11所示，在0.4628和1.8974THz频率处，反射波的同向偏振反射率和交叉偏振反射率相等，同向偏振反射波相位和交叉偏振反射波相位之差为90度，表示线偏振波转换为圆偏振波。

在本实施例中，为了深入理解该高频偏振信号转换装置的工作机理，可以利用对称性通过坐标变换进行分析。将x轴和y轴构成的坐标平面沿顺时针旋转45 度，得到u、v轴，如图1所示，y方向的入射太赫兹偏振波由u、v轴上的两个分量构成，入射太赫兹波电场可以表示为：

反射太赫兹波电场可以表示为：

其中，反射系数ruu表示u方向偏振波到u方向偏振波的反射率， 表示u方向偏振波到u方向偏振波的反射波相位，反射系数rvv表示v方向偏振波到v方向偏振波的反射率， 表示v方向偏振波到v方向偏振波的反射波相位。反射系数ruv表示 v方向偏振波到u方向偏振波的反射率，反射系数rvu表示u方向偏振波到v方向偏振波的反射率。

在u、v轴坐标系内，计算得到反射系数ruv和rvu，两个交叉偏振反射率几乎为 0，因此反射太赫兹波电场仅与同向偏振反射率相关，(4)式可以近似表示为：

共偏振相位差：

在u、v轴坐标系内，计算得到反射系数ruu和rvv，两个同向偏振反射率都在95％以上，且在0.578THz、1.1288THz、1.6868THz处出现三个谐振峰。对偏振沿着u、 v方向入射的太赫兹波同向偏振反射波相位差进行计算，得到同向偏振反射波相位差，在0.9704-1.523THz频率范围内，相位差范围-180至-140度，此时高频偏振信号转换装置将入射的线偏振太赫兹波转换为右旋椭圆偏振太赫兹波；在 0.6086-0.9704THz，1.523-1.958THz范围内，相位差范围150至220度，此时高频偏振信号转换装置将入射的线偏振太赫兹波转换为左旋圆偏振太赫兹波，在谐振点附近存在相位突变。符合(6)式的条件，反射太赫兹波的偏振方向能够旋转90 度。计算可知，该高频偏振信号转换装置在0.4934-1.883THz范围内的偏振转换率达到90％以上。

根据如上所述的高频偏振信号转换装置及其转换原理，得出以下转换方法：

设定太赫兹偏振波的谐振频率及电场强度；

调整所述太赫兹偏振波的入射角度；

得到与输入太赫兹偏振波相位差90度的输出太赫兹偏振波。

其中一种可能的实施方式是，当太赫兹偏振波垂直于所述金属圆环的缺口方向入射时，所述第一半圆环将电流分别导向两个缺口，所述第二半圆环将电流汇聚于所述第二半圆环的中部。

请参见图12，太赫兹偏振波沿着u轴方向入射，谐振频率为0.578THz，在该点发生了双偶极共振，同时，双开口谐振环结构上的电流诱发了底层金属板上的反向电流，形成磁谐振，所述第一半圆环及所述第二半圆环将电流导向太赫兹偏振波射出方向；

请参见图13，太赫兹偏振波沿着v轴方向入射，谐振频率1.1288THz，在该点发生了四偶极共振，所述第一半圆环形成第一电感、第二电感，所述第二半圆环形成第三电感、第四电感，所述金属圆环的两个缺口分别形成第一电容、第二电容；当太赫兹偏振波垂直于所述金属圆环的缺口方向入射时，所述第一半圆环的电流向两个缺口方向流去，所述第二半圆环的电流向所述第二半圆环的中部汇聚，同时双开口谐振环结构上的电流诱发底层金属板上的反向电流，形成磁谐振。

其中一种可能的实施方式是，当太赫兹偏振波平行于所述金属圆环的缺口方向入射时，所述第一半圆环及所述第二半圆环将电流导向同一个所述金属圆环的缺口。

请参见图14，太赫兹偏振波沿着u轴方向入射，谐振频率1.6868THz，在该点发生了双偶极共振，同时，双开口谐振环结构上的电流诱发了底层金属板上的同向电流，形成电谐振，所述第一半圆环及所述第二半圆环将电流导向太赫兹偏振波射入方向。

可以理解的是，该谐振环可视为LC谐振电路，其中L1、L2、L3、L4是开口谐振环各部分的等效电感，C1、C2是谐振环两个开口的等效电容。因此，该高频偏振信号转换装置对u偏振入射波和v偏振入射波有着不同的反射波相位，反射波相位差引起了太赫兹波的偏振。

优选地，所述太赫兹偏振波的入射角度调节范围为0至20度。

请参见图15，偏振转换率与入射角的关系是衡量高频偏振信号转换装置性能的重要指标。通过改变入射角的大小，对偏振转换率进行仿真分析。由图6可知，当太赫兹波在0-20度入射时，高频偏振信号转换装置在0.4934-1.883THz频率范围内的偏振转换率达到70％以上。相比起现有技术，当入射角为20度时，在 0.4934-1.1054THz和1.1396-1.8038THz频率范围内，偏振转换率仍能在80％以上，从而保证高偏振转换率同时实现较宽的入射角调节范围。

请参见图16，偏振角对偏振转换率也有影响，当频率在0.4934-1.883THz，优选地，偏振角在-10度至10度之间时，偏振转换率大于70％。

请参见图8，其示出了所述高频偏振信号转换装置的最优效果，在所述高频偏振信号转换装置的优选实施例，所述高频偏振信号转换装置包括金属板、绝缘板、金属圆环，所述绝缘板被所述金属板和所述金属圆环夹于中间；所述金属板及所述金属圆环的厚度均为0.2μm；所述绝缘板的材质为二氧化硅，以及所述绝缘板的厚度为44.5μm；

所述金属板及所述绝缘板均为正方形；其中，正方形的金属板及绝缘板的边长都为100μm。

所述金属圆环的外半径为34.5μm，内半径为29.5μm。所述金属圆环以所述两个缺口的连线为对称轴对称分成第一半圆环和第二半圆环，所述第一半圆环和所述第二半圆环的圆心角均为150度。

当接收到的太赫兹偏振波频率为0.4934-1.883THz时，将太赫兹入射线偏振波的偏振方向旋转90度；其中，偏振转换率大于80％，且在0.542THz、1.0388THz、 1.6616THz处偏振转换率最高，反射系数ryx分别为0.99、0.99和0.973，反射系数 rxx分别为0.01、0.005和0.01，在0.4628THz、1.8974THz处同向偏振和交叉偏振的反射系数相等。

本实用新型实施例提供一种高频偏振信号转换装置的转换方法，能够实现线偏振太赫兹波的宽带偏振转换。一方面，基于双开口谐振环单元结构的结构优化，使所述高频偏振信号转换装置与其他高频偏振信号转换装置相比不仅结构简单，而且所述金属圆环与所述金属板形成了共振腔的效果，增强了器件的效率；另一方面，当输入波的频率在0.4934-1.883THz频率范围内时，所述高频偏振信号转换装置的偏振转换率大于80％，在偏振转换率大于80％的前提下，带宽为1.39THz，实现较宽的工作带宽同时具有良好的偏振转换性能。通过应用所述高频偏振信号转换装置，能够提高太赫兹空间光通信效率和信息处理能力。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

一种高频偏振信号转换装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。