一種基于梯度超表面的可調(diào)線極化波束分離器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超表面技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于梯度超表面的可調(diào)線極化波束分 離器。
【背景技術(shù)】
[0002]異向介質(zhì)(Metamaterial，MTM)是指自然界本身并不存在，人們采用亞波長人工微 結(jié)構(gòu)單元并依據(jù)電磁理論設(shè)計出來的具有某種電響應(yīng)或磁響應(yīng)的"特異"人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或 材料。雖然人們通過三維異向介質(zhì)可以任意操控電磁波，但高損耗和制作的復(fù)雜性極大限 制了它的應(yīng)用，因此目前真正意義上的應(yīng)用并不多。作為異向介質(zhì)的一種二維平面形式，超 表面因應(yīng)而生，由于其獨特的電磁特性和平面結(jié)構(gòu)且能與飛機、導(dǎo)彈、火箭以及衛(wèi)星等高速 運行目標共形而不破壞其外形結(jié)構(gòu)及空氣動力學(xué)等特性，近年來受到研究人員的青睞和廣 泛關(guān)注。超表面按折射率/相位是否漸變可分為梯度超表面(Gradient Metasurface，GMS) 和均勾超表面(Homogenous Metasurface，HMS)。2011年，廣義Sne 11折射/反射定律的發(fā)現(xiàn) 開辟了人們控制電磁波和光的全新途徑和領(lǐng)域，正在推動該領(lǐng)域產(chǎn)生一場技術(shù)革新，GMS也 因此成為異向介質(zhì)新的分枝和研究熱點。由于GMS作為一種基于相位突變和極化控制思想 設(shè)計的二維梯度結(jié)構(gòu)，可對電磁波的激發(fā)和傳輸進行靈活控制，實現(xiàn)奇異折射/反射、極化 旋轉(zhuǎn)以及非對稱傳輸?shù)绕娈惞δ?，具有更加強大的電磁波調(diào)控能力，GMS在隱身表面、共形 天線、數(shù)字編碼、平板印刷等方面顯示了巨大的潛在應(yīng)用價值，成為各國搶奪的一個學(xué)科制 高點和學(xué)科前沿。
[0003] 基于幾何貝爾相位(Geometry Berry Phase)的GMS由于只需通過轉(zhuǎn)動單元的主軸 而不必優(yōu)化大量結(jié)構(gòu)參數(shù)便可以獲得所需反射相位或透射相位，設(shè)計人員只需關(guān)注反射率 或透射率模值即可，極大地減少了 GMS設(shè)計的工作量和復(fù)雜性，降低了設(shè)計大相位范圍的難 度。但以往GMS-旦工作頻率改變，要想得到同樣的電磁特性必須重新設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，效率 低、可復(fù)用性差。同時由于相位的色散效應(yīng)，GMS的工作帶寬仍然較窄，亟需拓展，雖然旋轉(zhuǎn) GMS由于其幾何貝爾相位沒有色散特性相位帶寬很寬，但其只適合交叉極化。隨著超表面研 究的深入和電磁波調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，人們通過在單元中引入調(diào)控器件實現(xiàn)了對諧振頻率和 表面阻抗的實時調(diào)控，使得奇異電磁特性的動態(tài)調(diào)控成為可能，可調(diào)超表面技術(shù)為新功能 器件和電磁波調(diào)制器件的實現(xiàn)和驗證提供了新的方法，成為解決上述瓶頸的有力手段。但 以往可調(diào)超表面的研究僅局限于HMS，至今還未見關(guān)于可調(diào)GMS(Tunable GMS，TGMS)的公開 報道。同時由于PIN二極管的引入，Q值非常高，GMS在很窄的頻率范圍內(nèi)即可完成相位跳變， 而在帶外為漸近行為，相位動態(tài)調(diào)控的帶寬非常窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種工作頻段可控且轉(zhuǎn)換效率高的可調(diào)線極化波束分離 器。
[0005] 本發(fā)明設(shè)計的可調(diào)線極化波束分離器，以TGMS單元為基礎(chǔ)，將6個TGMS單元按順時 針方向依次旋轉(zhuǎn)30°，得到具有相位梯度的TGMS超單元;再將TGMS超單元在水平面內(nèi)沿x，y 兩個正交方向上進行二維周期延拓Nx*Ny個(其中Nx、Ny分別為x、y方向上超單元的數(shù)目）并 通過TGMS下層的微帶偏置線對X方向上的每排TGMS單元進行饋電，則得到具有多種功能的 可調(diào)線極化波束分離器，也即TGMS?？烧{(diào)線極化波束分離器的版圖如圖6所示。
[0006]本發(fā)明中，TGMS單元由三層金屬結(jié)構(gòu)、兩層介質(zhì)板以及連接三層金屬結(jié)構(gòu)的金屬 化過孔組成，如圖1所示。其中，上層金屬結(jié)構(gòu)由一對等大金屬貼片和開口微帶線組成，微帶 線中間的開口用于加載PIN二級管。本發(fā)明在主諧振結(jié)構(gòu)附近巧妙引入一對金屬貼片的目 的是為了引入新的諧振，通過調(diào)整貼片尺寸并使其與主諧振相互配合即可實現(xiàn)兩個諧振頻 率的順利過渡和級聯(lián)，從而有效降低了 Q值，拓展了 TGMS平板的相位和頻率調(diào)控范圍。中層 金屬結(jié)構(gòu)為金屬地板且中心由兩層金屬圓柱和包裹上層圓柱的圓環(huán)槽組成，圓柱與金屬化 過孔完全電連接，圓環(huán)槽用于隔離圓柱和地板。由于金屬地板的作用，本發(fā)明屬于反射體 系，電磁波入射到TGMS單元沒有透射只有反射。下層金屬結(jié)構(gòu)為電刷結(jié)構(gòu)，由對稱開口的圓 環(huán)結(jié)構(gòu)（SRR)以及上下對稱且加載集總電感的兩根高阻抗細微帶線組成。集總電感的加載 主要有兩個功能，一是提供一個高電抗值，發(fā)揮直流偏置的功能，防止高頻微波信號進入直 流源而對直流偏壓沒有影響，從而可提高電路的穩(wěn)定性;二是阻止上層微帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電 流經(jīng)金屬化過孔沿導(dǎo)軌流動，從而消除引兩個分離圓極化波束的幅度不一致性。工作時，通 過上層旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生線極化波束分離需要的幾何貝爾相位，下層SRR結(jié)構(gòu)保持同步旋轉(zhuǎn)并 通過金屬化過孔對上層PIN管進行直流偏置，同時下層結(jié)構(gòu)的非對稱效應(yīng)將會被中間地板 層隔離。
[0007] TGMS單元中，px、Py分別為TGMS單元沿X、y方向的周期（即長度），Px=Py必須足夠大 才能完全容納旋轉(zhuǎn)情形下的金屬貼片，其次金屬結(jié)構(gòu)固定情形下增大px和Py能降低損耗，放 緩相位變化的劇烈程度，但太大會影響單元的亞波長特性，因此綜合選取11.5mm < px=py〈 ISmnud1為貼片與開口微帶線之間的間距，cU越小反射越大，正交極化激勵下兩個反射幅度 的一致性越好，但考慮實際加工中密集的金屬布局影響PIN管的焊接并發(fā)生短路，因此選取 0.3mm< di < 0.5_;(12為開口微帶線的寬度，(12必須大于孑匕直徑，即(13〈(12，(13為過孑匕直徑的大 小，d3越小損耗越小、反射越大、頻率越低，但受實際加工鉆頭大小的制約，因此選取0.3mm < d3 < 0.5mm;wi為貼片的寬度，W2為電刷結(jié)構(gòu)中高阻抗細微帶線的寬度，一般W2越小越好， 但為便于有效焊接和加工，選取〇. 15mm < W2 < 0.5mm，Ri、R2為電刷結(jié)構(gòu)中圓環(huán)的外、內(nèi)半徑， 其大小受約束;Iu和^分別為上、下層介質(zhì)板的厚度，In越大反射系數(shù)變 化越平坦，帶寬越寬，但為保證一定的帶寬和軸向亞波長特性，選取3mm < hi < 6mm，h2越小越 好且選取h2 < 0.5mm;h3為貼片的高度，h4為開口微帶線上半部分金屬的長度，h4越小反射幅 度越大且反射幅度一致性越好，但須保證其覆蓋過孔，即滿足h 4+h5/2>(RdR2)/2; h5為開口 的長度，為便于PIN管的有效焊接，選取Imm < h5 < 1.5mm; h6為電刷結(jié)構(gòu)中圓環(huán)缺口的大小， 為保證上下兩偏置線處于斷路狀態(tài)，選取h6 2 0.8mm。
[0008]本發(fā)明中，具有相位梯度的TGMS超單元由6個TGMS單元按順時針方向依次旋轉(zhuǎn)30° 得到，其中下層微帶偏置線、集總電感以及兩層介質(zhì)板固定，其余均隨共同旋轉(zhuǎn)。第一個單 元的旋轉(zhuǎn)角度為Φ ι=〇°，第二個~第六個單元的旋轉(zhuǎn)角度依次為Φ 2=30°，Φ 3=60°，Φ 4=90°， Φ 5=120°和Φ 6=150°。將上述6個具有不同旋轉(zhuǎn)角度和相位的TGMS單元按旋轉(zhuǎn)角度增加的順 序沿X方向依次排列且上、中、下三層結(jié)構(gòu)分別對應(yīng)連接，則合成具有相位梯度的TGMS超單 J L 〇
[0009] 由于本發(fā)明TGMS超單元中相鄰2個子單元之間的旋轉(zhuǎn)角度為30°且包含6個單元， 因此相鄰單元產(chǎn)生的反射相位差為(幾何貝爾相位梯度）A φ =±60°且TGMS超單元能完整 覆蓋360°的相位變化。
[0010] 本發(fā)明設(shè)計的可調(diào)線極化波束分離器，由于X方向上每個單元的偏置線首尾相連， 因此每排6ΝΧ個TGMS單元可由兩根偏置線進行統(tǒng)一饋電。當(dāng)電壓大于OV(正向偏置)時，PIN 管導(dǎo)通;當(dāng)電壓為OV(反向偏置)時，PIN管斷開。
[0011]本發(fā)明將可調(diào)技術(shù)與旋轉(zhuǎn)GMS相結(jié)合，通過在旋轉(zhuǎn)GMS單元中引入PIN二極管和雙 諧振結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了TGMS單元幾何貝爾相位的動態(tài)調(diào)控，極大拓展了相位動態(tài)調(diào)控的帶寬；同 時通過精心設(shè)計抑制了圓極化分量向攜帶非幾何貝爾相位分量的轉(zhuǎn)化，提高了線極化波束 分離器的轉(zhuǎn)換效率，在PIN管斷開、導(dǎo)通兩種狀態(tài)下TGMS平板的奇異反射轉(zhuǎn)換效率達到89% 以上。同時本發(fā)明基于反射體系下TGMS的線極化波束分離功能可直接拓展到透射體系下。
【附圖說明】
[0012]圖1為TGMS單元的拓撲結(jié)構(gòu)。其中，（a)全視圖；（b)仿真設(shè)置；（c)中層結(jié)構(gòu)；（d)側(cè) 視圖（e)上層結(jié)構(gòu)；（f)底層結(jié)構(gòu)。工作時TGMS單元受沿-Z軸入射y軸極化的平面電磁波照 射。
[0013] 圖2為TGMS單元與PIN二級管的等效電路模型。
[0014] 圖3為TGMS單元的反射系數(shù)隨貼片尺寸的變化曲線。其中，（a)幅度;（b)相位。
[0015] 圖4為PIN開關(guān)斷開時TGMS單元的主極化反射幅度和反射相位曲線。
[0016]圖5為PIN開關(guān)導(dǎo)通時TGMS單元的主極化反射幅度和反射相位曲線。
[0017] 圖6為TGMS超單元與TGMS的拓撲結(jié)構(gòu)。
[0018] 圖7為PIN開關(guān)斷開時線極化波束分離器在不同頻率處隨角度和頻率的散射場分 布。
[0019] 圖8為PIN開關(guān)導(dǎo)通時線極化波束分離器在不同頻率處隨角度和頻率的散射場分 布。
[0020] 圖9為線極化波束分離器在(a)6.07GHZ(PIN開關(guān)斷開）和(b)8.6GHz(PIN開關(guān)導(dǎo) 通)處隨角度的歸一化散射場分布。
【具體實施方式】
[0021] 下面通過具體實施例進一步具體描述本發(fā)明。
[0022] TGMS單元由三層金屬結(jié)構(gòu)、兩層介質(zhì)板以及連接三層金屬結(jié)構(gòu)的金屬化過孔組 成，如圖1所示。
[0023]本實施例中上/下層介質(zhì)板均采用聚四氟乙烯玻璃布板，介電常數(shù)er=2.65,電正 切損耗tan〇=〇. 001，銅箱的厚度為〇.〇36mm，其中，px=py=12mm，貼片與開口微帶線之間的間 距di=0 · 4mm，開口微帶線的寬度d2=0 · 5mm，過孔直徑d3=0 · 3mm，貼片的寬度wi=3mm，電刷結(jié)構(gòu) 中高阻抗細微帶線的寬度W2=0 · 4mm，電刷結(jié)構(gòu)中圓環(huán)的外、內(nèi)半徑Ri=3mm、R2=2 · 5mm，上、下 層介質(zhì)板的厚度111=3111111、112=0.5111111，貼片的高度113=91]1111，開口微帶線上半部分金屬的長度114= 2.5臟，開口的長度115=1.51111]1，電刷結(jié)構(gòu)中圓環(huán)缺口的大小116=11111]1。
[0024] 圖2給出了TGMS單元和PIN二級管的等效電路模型，其中Rs，Ls，Cs分別代表PIN管的 寄生電阻，封裝引線電感和管殼電容，(^代表管芯的結(jié)電容。當(dāng)開關(guān)閉合時也即電壓正向?qū)?通時，CfO,此時二極管的等效電路模型可用很小的串聯(lián)電阻R s和電感Ls來等效，當(dāng)開關(guān)斷 開時也即電壓反向偏置時，二極管的等效電路模型可用串聯(lián)電感LjPC 1來等效，這里C1即包 含Cj又