基于固态等离子体的超宽带极化转换器的制作方法

本发明涉及一种极化转换器，具体涉及一种基于固态等离子体的超宽带极化转换器，属于微波器件技术领域。

背景技术：

传统的极化转换器体积庞大、应用受限，经研究发现，亚波长结构的超材料具有优良的各向异性，采用超材料构成的极化转换器，结构紧凑、外形小巧且电磁性能佳。固态等离子体作为一种超材料，是通过外加光、电等激励从而在半导体本征层形成的。因此固态等离子体未激励时，即为未激励状态，表现出类似半导体的介质特性；固态等离子体外加激励且固态等离子体内载流子浓度达到一定值时，即为激励状态，表现为金属特性。

圆极化波可以降低极化不一致引起的能量损耗，可以降低雨雾和建筑物等的干扰，因此被广泛应用于军事和民用的卫星通信、无线遥感等系统中。近年来，随着电子科技及线-圆极化转换技术的迅速发展，如何使用超材料极化转换器、特别是频率可重构/可调谐的超材料极化转换器来实现线-圆极化转换，如何通过调控使得极化转换器的工作范围能根据实际需求而相应调整，从而获得更高的普适性，成为本领域技术人员的研究方向和研究重点。

目前，一般通过引入大量的集总元件来实现其可调控的线-圆极化转换功能，该方法制备的极化转换器控制电路相对复杂，不利于集成和芯片化一体制造，普适性不佳，较难适应复杂电磁环境。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于固态等离子体的超宽带极化转换器，该极化转换器结构简单、电磁性能佳，通过加载偏置电压进行激励进而产生固态等离子体，可实现超宽带范围内的线-圆极化转换和圆极化工作频带的调控，普适性高且适用于复杂电磁环境。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于固态等离子体的超宽带极化转换器，由单元结构周期排列而成，所述单元结构包括介质基板、设置在该介质基板底层的金属反射板，以及嵌设在该介质基板顶层的固态等离子体谐振单元，所述固态等离子体谐振单元上加载有用于激励的偏置电压，所述偏置电压与激励控制模块电连接并受激励控制模块控制；所述固态等离子体谐振单元包括两个沿介质基板x轴中心线对称分布的第一谐振单元，以及分别触接在每个所述第一谐振单元两侧的第二谐振单元，四个所述第二谐振单元沿介质基板x轴、y轴中心线两两对称分布。

进一步地，所述第一谐振单元和所述第二谐振单元均由pin单元阵列构成，且相邻两pin单元间均设置有隔离层。

进一步地，所述pin单元为pin二极管，尺寸为0.1mm×0.1mm。

进一步地，所述隔离层的材质为二氧化硅。

进一步地，所述介质基板的材质为聚四氟乙烯，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

进一步地，所述介质基板呈正方形，边长为10mm，厚度为2mm。

进一步地，所述介质基板的型号为neltecny9220，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。

进一步地，所述金属反射板为铜层，所述铜层厚度为0.018mm。

进一步地，所述第一谐振单元呈“u”型，且两个所述第一谐振单元在y轴方向的水平间距为2.3mm。

进一步地，所述第二谐振单元呈“l”型，且两个所述第二谐振单元在y轴方向的水平间距为1.18mm。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明基于固态等离子体的超宽带极化转换器，结构简单、电磁性能佳，通过加载受编程控制的偏置电压进行激励进而产生固态等离子体，根据固态等离子体谐振单元表现出的不同激励状态，实现了超宽带范围内的线-圆极化转换和圆极化工作频带的调控，且频带动态调控范围可横跨x波段和ku波段，频带覆盖范围宽且益于极化调控，普适性高，能适用于复杂电磁环境。

附图说明

图1为本发明单元结构状态二时的俯视图；

图2为本发明单元结构状态一时的俯视图；

图3为本发明3×3阵列结构状态二时的俯视图；

图4为本发明单元结构状态二时的立体示意图；

图5为本发明单元结构主视图；

图6为pin单元结构示意图；

图7为本发明在电场与水平方向呈45°的线极化波垂直入射时状态一、状态二的轴比曲线图；

图8为本发明状态一时的极化转换率曲线图；

图9为本发明状态二时的极化转换率曲线图；

图10为本发明状态一时的相位差曲线图；

图11为本发明状态二时的相位差曲线图；

其中：1、第一谐振单元；2、第二谐振单元；3、介质基板；4、金属反射板；5、偏置电压；6、pin单元；7、隔离层。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。

本发明基于固态等离子体超宽带极化转换器，由单元结构周期排列而成，单元结构如图4所示，包括介质基板3、设置在介质基板底层的金属反射板4，以及嵌设在介质基板顶层的固态等离子体谐振单元，固态等离子体谐振单元上加载有偏置电压5，偏置电压5与激励控制模块(图中未示出)电连接，激励控制模块根据写入或读取的逻辑阵列控制代码控制偏置电压对固态等离子体谐振单元进行激励，激励控制模块可以是计算机或单片机。

图5为单元结构主视图，其中，介质基板呈正方形，边长为p＝10mm，厚度h＝2mm，材质为聚四氟乙烯f4b，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001，设置在底层的金属反射板上方。进一步地，介质基板还可采用型号为neltecny9220的电路板，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。金属反射板材质为铜，该铜层的厚度w＝0.018mm。

图4中示出，固态等离子体谐振单元包括两个沿介质基板x轴中心线对称分布的第一谐振单元1，以及分别触接在每个第一谐振单元两侧的第二谐振单元2，四个第二谐振单元2沿介质基板x轴、y轴中心线两两对称分布。每个第一谐振单元和第二谐振单元上均加载有偏置电压，偏置电压为固态等离子体的激励源。图1中，第一谐振单元呈“u”型，第二谐振单元呈“l”型，具体尺寸如下：长度a＝3.8mm，宽度b＝0.71mm，长度e＝1.75mm，长度c＝2.31mm，长度d＝0.55mm，两个第一谐振单元在y轴方向的水平间距为2.3mm，两个第二谐振单元在y轴方向的水平间距f＝1.18mm。

上述极化转换器具有两种状态，不同状态下其单元结构也不同。状态一时，其单元结构从下而上依次包括金属反射板、介质基板和被激励的第一谐振单元，如图2所示；状态二时，其单元结构从下而上依次包括金属反射板、介质基板和被激励的第一谐振单元、第二谐振单元，如图1所示；本发明3×3阵列结构在状态二时的俯视图，如图3所示。在进行逻辑阵列控制代码编程时，将状态一定义为“0”状态、状态二定义为“1”状态。根据极化转换器的不同设计或使用需求，可编辑相应的逻辑阵列控制代码，并将其写入激励控制模块内，激励控制模块读取相应指令后控制偏置电压的通断从而对固态等离子体谐振单元进行激励，实现了适应性调控固态等离子体谐振单元工作状态的功能。基于固态等离子体在激励下的不同状态，本发明的极化转换器具有超宽工作频域、益于极化调控并实现一体化设计等特性。

进一步地，上述第一谐振单元和第二谐振单元均由pin单元阵列构成，每个pin单元的尺寸为0.1mm×0.1mm，相邻两pin单元间均设置有隔离层，隔离层的材质为二氧化硅。通过在pin单元两端加载偏置电压对其进行激励，pin单元未激励时，固态等离子体谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；激励时则表现为金属特性，即为激励状态，如图6所示。其中，pin单元为pin(positive-intrinsic-negative)二极管，是在p(positive)型半导体材料与n(negative)型半导体材料之间加一层本征(intrinsic)半导体层而形成的具有p-i-n结构的二极管，通过对pin二极管两端施加激励电压，可在i区产生固态等离子体。固态等离子体的介电常数选择drude模型描述，固态等离子体频率为2.9×10¹⁹rad/s，碰撞频率为1.65×10¹⁴1/s，采用pin单元构成的基于固态等离子体的极化转换器,具有益于极化调控、超宽工作频域、可同时与外部控制的编程控制阵列实现一体化设计等优点。

本发明基于固态等离子体的超宽带极化转换器的工作原理为：当电场与水平方向呈45°线极化波垂直入射时，状态一的线-圆极化转换是由被激励的第一谐振单元同时工作引起的；状态二的线-圆极化转换是由被激励的第一谐振单元和第二谐振单元共同工作引起的。

图7是本发明在状态一和状态二时的轴比曲线，工程上定义当极化波轴比小于3db时即为是圆极化波，工作时，电场与水平方向呈45°线极化波沿-z方向垂直入射。图7中实线表示为状态一(第一谐振单元被激励)轴比曲线，3db轴比频带为10.47ghz-11.00ghz和13.01ghz-17.74ghz，超宽带工作范围的相对带宽为30.76％。图8中虚线表示为状态二(第一谐振单元和第二谐振单元同时被激励)轴比曲线，3db轴比频带为7.93ghz-13.10ghz和17.14ghz-17.55ghz，超宽带工作范围的相对带宽为49.74％。由此可知，本发明可采用编程的方式来调控该极化转换器的圆极化工作频带动态转移，且工作范围动态覆盖x波段与ku波段。

如图8、图9所示，分别是极化转换器在两种状态下工作时的极化转换率曲线；如图10、图11所示，分别是所述极化转换器在两种状态下工作时的相位差曲线。由极化转换率公式pcr表示反射极化转换率，rps表示交叉极化反射系数，rss表示同

极化反射系数，tps表示交叉极化透射系数，tss表示同极化透射系数，由于底层为完全金属反射板，所以tps＝tss＝0，所以当pcr＝0.5且正交反射极化波相位差为±90°(或者其奇数倍)时，表示发生完全线-圆极化转换。图10、图11中，所述极化转换器在两种状态下正交反射极化波相位差始终为90°或者-270°，所以当pcr在0.5附近时即可判断为实现了线-圆极化转换。图8中，所述极化转换器处于状态一，在13.34ghz-17.03ghz内极化转换率位于0.4-0.6之间，实现了超宽带范围的线-圆极化转换；图9中，所述极化转换器处于状态二，在8.14ghz-12.58ghz内极化转换率位于0.4-0.6之间，表明采用编程方式实现了该极化转换器的圆极化工作频带动态转移。

综上所述，本发明基于固态等离子体的超宽带极化转换器，结构简单、电磁性能佳，通过加载受编程控制的偏置电压进行激励进而产生固态等离子体，根据固态等离子体谐振单元表现出的不同激励状态，实现了超宽带范围内的线-圆极化转换和圆极化工作频带的调控，且频带动态调控范围可横跨x波段和ku波段，频带覆盖范围宽且益于极化调控，普适性高，能适用于复杂电磁环境。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。