一種基于可調(diào)超表面的圓極化旋向調(diào)控器及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于反射體系技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于可調(diào)超表面的圓極化旋向調(diào)控 器及其設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 圓極化器由于能接收任意線極化和橢圓極化方式的無線電波，且其透射波也可由 任意極化方式的天線接收，因此具有很高的可靠性和安全性。另一方面，將圓極化器做成天 線輻射器，還能抑制雨霧干擾和抗多徑反射，廣泛用于衛(wèi)星導(dǎo)航和移動通信中，同時圓極化 天線的旋向正交性使得其在雷達(dá)的極化分集和電子對抗中具有重要應(yīng)用。
[0003] 超表面（Metasurface，MS)作為人工特異介質(zhì)的一種二維形式，由于奇異電磁特 性以及能突破三維異向介質(zhì)的損耗、帶寬以及體積等獨特優(yōu)勢，近年來成為學(xué)術(shù)界的研究 熱點。同時由于超表面能與飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭以及衛(wèi)星等高速運行目標(biāo)共形而不破壞其外形 結(jié)構(gòu)及空氣動力學(xué)等特性，廣受工程研究人員的青睞。隨著研究的深入，超表面逐漸由前沿 理論研究走向應(yīng)用研究。在應(yīng)用超表面控制電磁波極化方面，一些極化控制器諸如線-線 極化轉(zhuǎn)換器（線極化器）和線-圓極化轉(zhuǎn)換器（圓極化器）被不斷報道出來。最近，研究 人員還采用超表面實現(xiàn)了一些雙/多功能器件，如將線-圓極化轉(zhuǎn)換、線-線極化轉(zhuǎn)換功能 分別和奇異波束偏折功能結(jié)合起來。與傳統(tǒng)方法相比，采用超表面實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換和波束控 制有兩大優(yōu)勢，一是構(gòu)成超表面的單元工作于亞波長且排列方式可以多樣，具有更大的自 由度和靈活性；二是超表面在傳輸方向上的厚度可以非常薄，極大地縮小了極化器的尺寸。 盡管如此，公開文獻(xiàn)顯有關(guān)于圓-圓極化轉(zhuǎn)換的報道，而且至今還未有同時實現(xiàn)線極化器 和圓極化器的公開報道。
[0004] 如圖1所示，當(dāng)圓極化波入射到完美金屬導(dǎo)體（PEC)時，由于反射電磁波的傳輸 方向反向，其旋向會發(fā)生逆轉(zhuǎn)，即入射波為左旋圓極化（LCP)時，反射波變?yōu)橛倚龍A極化 (RCP)，反之則右旋變左旋。雖然多數(shù)情形下這種旋向變化影響較小，但對于一些要求比較 苛刻的應(yīng)用場合，影響很大且需要進(jìn)行旋向糾正。同時還可以看出，PEC和金屬良導(dǎo)體的功 能非常單一，某種程度上說是一種資源浪費。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于可調(diào)超表面（Tunable MS，TMS)的圓極化旋向調(diào) 控器及其設(shè)計方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，其中圓極化旋向調(diào)控器單元采用TMS單 元來實現(xiàn)。
[0006]圓極化旋向調(diào)控器設(shè)計的技術(shù)方案主要包括實現(xiàn)應(yīng)滿足的基本條件、器件的基本 組成、調(diào)控機(jī)理、最優(yōu)帶寬設(shè)計等。
[0007]實現(xiàn)圓極化旋向調(diào)控器（TMS)的基本條件：如圖2所示，本發(fā)明TMS可以實現(xiàn)復(fù)雜 的旋向調(diào)控功能。PIN管導(dǎo)通時，TMS不僅能將R/LCP波完全轉(zhuǎn)化成交叉極化L/RCP波，而 且能將R/LCP波同時轉(zhuǎn)化成主極化和交叉極化LI I RCP波，分別實現(xiàn)了圓極化旋向轉(zhuǎn)換和雜 化功能。PIN斷開時，TMS將R/LCP波完全轉(zhuǎn)化成主極化R/LCP波，具有圓極化旋向保持功 能。這里將實現(xiàn)圓極化交叉極化轉(zhuǎn)換和主極化轉(zhuǎn)換的器件分別稱為圓極化旋向轉(zhuǎn)換器和旋 向保持器，將同時實現(xiàn)圓極化主、交叉極化轉(zhuǎn)換的器件稱為旋向雜化器，而將實現(xiàn)上述功能 動態(tài)切換的器件稱為圓極化旋向調(diào)控器。下面我們將給出反射體系下圓極化旋向調(diào)控器的 相關(guān)理論，建立實現(xiàn)上述功能需要的條件和準(zhǔn)則，形成相關(guān)設(shè)計方法。
[0008] 笛卡爾坐標(biāo)系下，任意一束沿z方向入射的圓極化波（LCP或此朽￡1可分解為 電場沿x、y方向極化的兩個正交線極化波分量Elx和E ly，即= + ，:這里 隊| =問,.|=1/萬碼|且Elx和Ely的初始相位相差為90。，即（p.v=隊± (2?+ 1)穴/2。為不 失一般性，假設(shè)入射波的交界面為各向異性超表面，則Elx和Ely分量遇到超表面后會產(chǎn)生反 射交叉極化分量，因此可得正交方向上總反射波= 11? I #4 +% I ^ I 和 .? =為IrW I心開+仏I x A其中，.以及務(wù)*分別表示x/y極化波經(jīng)TMS 后向x/y或y/x極化波轉(zhuǎn)換的散射相位（x/y、y/x中的"/"是"或"的意思）。上述關(guān)系式 可用線極化反射瓊斯矩陣表示為：
[0010] 圓極化基下，圓極化轉(zhuǎn)換系數(shù)可通過圓極化基與線極化基之間的關(guān)系
進(jìn)行確定，且可通過線極化基下瓊斯矩陣的四個系數(shù)進(jìn)行表示：
[0012] 根據(jù)正交方向上的場分量可得反射波的總場E1^
[0013]
[0014] 這些電磁波分量相互干涉，可以產(chǎn)生任意旋向的圓極化波。為簡化設(shè)計和實現(xiàn)高 效率，線極化系數(shù)必須滿足rxy= r yx~0, r yy= r yx~1或者;r yy= r yx~0, r xy= r yx~1， 因此公式（3)可化簡為：
[0017] 由于反射波的傳輸方向發(fā)生180°改變，若要保持反射圓極化波的旋向，則上述正 交線極化分量的相位必須滿足=1' T(2" + lte/2，可得兩種情形下圓極化旋向保持的條 件：
[0020] 若要實現(xiàn)圓極化旋向轉(zhuǎn)換，兩個正交線極化分量的相位必須滿足 9、= q) / ± (2〃 + 1餌/2 ?可得兩種情形下圓極化旋向轉(zhuǎn)換的條件為：
[0023] 某些情形下為獲得等幅的左旋和右旋圓極化波分量（旋向雜化），兩個正交線極 化波的相位必須滿足平/ =?'，可得兩種情形下圓極化旋向雜化的條件為：
[0026] 公式（5a)-(7a)以及公式（5b)-(7b)分別代表主極化、交叉極化體系下旋向調(diào)控 的條件。當(dāng)TMS受45°極化的線極化波激勵時，公式（5a)-(7b)也是實現(xiàn)線極化器和圓極 化器的條件。因此，本發(fā)明實現(xiàn)旋向調(diào)控的思路也可用于設(shè)計多功能極化器。這里選擇主 極化體系來實現(xiàn)圓極化旋向調(diào)控功能。為避免交叉極化（r xy=ryx~0)，需要TMS單元具有 某個主軸上的鏡像對稱性，而反射體系下只要TMS的吸收損耗較小，可以很容易地實現(xiàn)近1 的主極化反射幅度（r yy=rxx~1)，這使得上述相位條件（0, /2和相位差跳變）成為 本發(fā)明要設(shè)計的唯一條件。
[0027] 本發(fā)明圓極化旋向調(diào)控器的基本單元結(jié)構(gòu)組成：根據(jù)前面的理論分析，要實現(xiàn)上 述功能單元必須具有某個主軸方向上的鏡像對稱性且兩個反射正交線極化分量的相位必 須能單獨控制，同時為滿足最優(yōu)工作帶寬，正交分量的相位在某特定頻率處具有相同斜率。 為獲得可調(diào)旋向功能，本發(fā)明采用Skyworks公司生產(chǎn)的PIN二極管SMP1345-079LF來動態(tài) 操控其反射相位。圖3給出了本發(fā)明反射TMS單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為揭示其工作機(jī)理并指導(dǎo) 設(shè)計，這里提取了 PIN二級管和不同諧振頻率下單元的等效電路模型，如圖4所示。
[0028] 本發(fā)明設(shè)計的基于可調(diào)超表面的圓極化旋向調(diào)控器，其主要由上層微帶導(dǎo)帶層、 中層電介質(zhì)板和下層金屬接地板共三層結(jié)構(gòu)組成；其中，所述中層電介質(zhì)板和下層金屬接 地板為常規(guī)的；所述上層微帶導(dǎo)帶層為電刷結(jié)構(gòu)，上層微帶導(dǎo)帶層主要由圓形ELC結(jié)構(gòu)、偏 置電路和PIN二級管組成，所述圓形ELC結(jié)構(gòu)由上半圓弧臂、下半圓弧臂、圓弧中間開口、中 心垂直臂和縫隙組成；所述偏置電路由上、下兩根均加載有集總電感的高阻抗細(xì)微帶線組 成，所述偏置電路與ELC結(jié)構(gòu)保持良好的電接觸并分別提供零偏置和正向偏置電壓；PIN開 關(guān)導(dǎo)通時，所述圓極化旋向調(diào)控器在高、低兩個頻段分別具有圓極化旋向轉(zhuǎn)換和雜化功能； PIN開關(guān)斷開時，所述圓極化旋向調(diào)控器具有圓極化保持功能。
[0029] 當(dāng)兩個正交方向上的相位滿足
，圓極化旋向調(diào)控器具有圓極化旋向保持功 能；當(dāng)兩個正交方向上的相位滿足= ±2抓或中汾-= ±2皿 ? 時，圓極化旋向調(diào)控器具有圓極化旋向轉(zhuǎn)換功能；當(dāng)兩個正交方向上的相位滿足 H= ±(2? - 1)兀/2和q> u' =±(2找-1> /2對之〇時，圓極化旋向調(diào)控器具有圓 極化旋向雜化功能；同時當(dāng)極化旋向調(diào)控器受45°極化的線極化波激勵時，圓極化旋向調(diào) 控器又充當(dāng)了線極化器和圓極化器的功能。
[0030] 本發(fā)明提出的基于可調(diào)超表面的圓極化旋向調(diào)控器的設(shè)計方法，包括如下步驟：
[0031] 首先，通過推導(dǎo)得到實現(xiàn)圓極化旋向調(diào)控器各功能的條件，包括圓極化旋向保持、 旋向轉(zhuǎn)化以及旋向雜化的功能的條件；
[0032] 其次，初步在預(yù)定頻段