一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于反射体系技术领域，具体涉及一种基于可调超表面的圆极化旋向调控 器及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 圆极化器由于能接收任意线极化和椭圆极化方式的无线电波，且其透射波也可由 任意极化方式的天线接收，因此具有很高的可靠性和安全性。另一方面，将圆极化器做成天 线辐射器，还能抑制雨雾干扰和抗多径反射，广泛用于卫星导航和移动通信中，同时圆极化 天线的旋向正交性使得其在雷达的极化分集和电子对抗中具有重要应用。
[0003] 超表面（Metasurface，MS)作为人工特异介质的一种二维形式，由于奇异电磁特 性以及能突破三维异向介质的损耗、带宽以及体积等独特优势，近年来成为学术界的研究 热点。同时由于超表面能与飞机、导弹、火箭以及卫星等高速运行目标共形而不破坏其外形 结构及空气动力学等特性，广受工程研究人员的青睐。随着研究的深入，超表面逐渐由前沿 理论研究走向应用研究。在应用超表面控制电磁波极化方面，一些极化控制器诸如线-线 极化转换器（线极化器）和线-圆极化转换器（圆极化器）被不断报道出来。最近，研究 人员还采用超表面实现了一些双/多功能器件，如将线-圆极化转换、线-线极化转换功能 分别和奇异波束偏折功能结合起来。与传统方法相比，采用超表面实现极化转换和波束控 制有两大优势，一是构成超表面的单元工作于亚波长且排列方式可以多样，具有更大的自 由度和灵活性；二是超表面在传输方向上的厚度可以非常薄，极大地缩小了极化器的尺寸。 尽管如此，公开文献显有关于圆-圆极化转换的报道，而且至今还未有同时实现线极化器 和圆极化器的公开报道。
[0004] 如图1所示，当圆极化波入射到完美金属导体（PEC)时，由于反射电磁波的传输 方向反向，其旋向会发生逆转，即入射波为左旋圆极化（LCP)时，反射波变为右旋圆极化 (RCP)，反之则右旋变左旋。虽然多数情形下这种旋向变化影响较小，但对于一些要求比较 苛刻的应用场合，影响很大且需要进行旋向纠正。同时还可以看出，PEC和金属良导体的功 能非常单一，某种程度上说是一种资源浪费。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于可调超表面（Tunable MS，TMS)的圆极化旋向调 控器及其设计方法，以克服现有技术存在的不足，其中圆极化旋向调控器单元采用TMS单 元来实现。
[0006]圆极化旋向调控器设计的技术方案主要包括实现应满足的基本条件、器件的基本 组成、调控机理、最优带宽设计等。
[0007]实现圆极化旋向调控器（TMS)的基本条件：如图2所示，本发明TMS可以实现复杂 的旋向调控功能。PIN管导通时，TMS不仅能将R/LCP波完全转化成交叉极化L/RCP波，而 且能将R/LCP波同时转化成主极化和交叉极化LI I RCP波，分别实现了圆极化旋向转换和杂 化功能。PIN断开时，TMS将R/LCP波完全转化成主极化R/LCP波，具有圆极化旋向保持功 能。这里将实现圆极化交叉极化转换和主极化转换的器件分别称为圆极化旋向转换器和旋 向保持器，将同时实现圆极化主、交叉极化转换的器件称为旋向杂化器，而将实现上述功能 动态切换的器件称为圆极化旋向调控器。下面我们将给出反射体系下圆极化旋向调控器的 相关理论，建立实现上述功能需要的条件和准则，形成相关设计方法。
[0008] 笛卡尔坐标系下，任意一束沿z方向入射的圆极化波（LCP或此朽￡1可分解为 电场沿x、y方向极化的两个正交线极化波分量Elx和E ly，即= + ，:这里 队| =问,.|=1/万码|且Elx和Ely的初始相位相差为90。，即（p.v=队± (2?+ 1)穴/2。为不 失一般性，假设入射波的交界面为各向异性超表面，则Elx和Ely分量遇到超表面后会产生反 射交叉极化分量，因此可得正交方向上总反射波= 11? I #4 +% I ^ I 和 .? =為IrW I心开+仏I x A其中，.以及务*分别表示x/y极化波经TMS 后向x/y或y/x极化波转换的散射相位（x/y、y/x中的"/"是"或"的意思）。上述关系式 可用线极化反射琼斯矩阵表示为：
[0010] 圆极化基下，圆极化转换系数可通过圆极化基与线极化基之间的关系
进行确定，且可通过线极化基下琼斯矩阵的四个系数进行表示：
[0012] 根据正交方向上的场分量可得反射波的总场E1^
[0013]
[0014] 这些电磁波分量相互干涉，可以产生任意旋向的圆极化波。为简化设计和实现高 效率，线极化系数必须满足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)可化简为：
[0017] 由于反射波的传输方向发生180°改变，若要保持反射圆极化波的旋向，则上述正 交线极化分量的相位必须满足=1' T(2" + lte/2，可得两种情形下圆极化旋向保持的条 件：
[0020] 若要实现圆极化旋向转换，两个正交线极化分量的相位必须满足 9、= q) / ± (2〃 + 1饵/2 ?可得两种情形下圆极化旋向转换的条件为：
[0023] 某些情形下为获得等幅的左旋和右旋圆极化波分量（旋向杂化），两个正交线极 化波的相位必须满足平/ =?'，可得两种情形下圆极化旋向杂化的条件为：
[0026] 公式（5a)-(7a)以及公式（5b)-(7b)分别代表主极化、交叉极化体系下旋向调控 的条件。当TMS受45°极化的线极化波激励时，公式（5a)-(7b)也是实现线极化器和圆极 化器的条件。因此，本发明实现旋向调控的思路也可用于设计多功能极化器。这里选择主 极化体系来实现圆极化旋向调控功能。为避免交叉极化（r xy=ryx~0)，需要TMS单元具有 某个主轴上的镜像对称性，而反射体系下只要TMS的吸收损耗较小，可以很容易地实现近1 的主极化反射幅度（r yy=rxx~1)，这使得上述相位条件（0, /2和相位差跳变）成为 本发明要设计的唯一条件。
[0027] 本发明圆极化旋向调控器的基本单元结构组成：根据前面的理论分析，要实现上 述功能单元必须具有某个主轴方向上的镜像对称性且两个反射正交线极化分量的相位必 须能单独控制，同时为满足最优工作带宽，正交分量的相位在某特定频率处具有相同斜率。 为获得可调旋向功能，本发明采用Skyworks公司生产的PIN二极管SMP1345-079LF来动态 操控其反射相位。图3给出了本发明反射TMS单元的拓扑结构，为揭示其工作机理并指导 设计，这里提取了 PIN二级管和不同谐振频率下单元的等效电路模型，如图4所示。
[0028] 本发明设计的基于可调超表面的圆极化旋向调控器，其主要由上层微带导带层、 中层电介质板和下层金属接地板共三层结构组成；其中，所述中层电介质板和下层金属接 地板为常规的；所述上层微带导带层为电刷结构，上层微带导带层主要由圆形ELC结构、偏 置电路和PIN二级管组成，所述圆形ELC结构由上半圆弧臂、下半圆弧臂、圆弧中间开口、中 心垂直臂和缝隙组成；所述偏置电路由上、下两根均加载有集总电感的高阻抗细微带线组 成，所述偏置电路与ELC结构保持良好的电接触并分别提供零偏置和正向偏置电压；PIN开 关导通时，所述圆极化旋向调控器在高、低两个频段分别具有圆极化旋向转换和杂化功能； PIN开关断开时，所述圆极化旋向调控器具有圆极化保持功能。
[0029] 当两个正交方向上的相位满足
，圆极化旋向调控器具有圆极化旋向保持功 能；当两个正交方向上的相位满足= ±2抓或中汾-= ±2皿 ? 时，圆极化旋向调控器具有圆极化旋向转换功能；当两个正交方向上的相位满足 H= ±(2? - 1)兀/2和q> u' =±(2找-1> /2对之〇时，圆极化旋向调控器具有圆 极化旋向杂化功能；同时当极化旋向调控器受45°极化的线极化波激励时，圆极化旋向调 控器又充当了线极化器和圆极化器的功能。
[0030] 本发明提出的基于可调超表面的圆极化旋向调控器的设计方法，包括如下步骤：
[0031] 首先，通过推导得到实现圆极化旋向调控器各功能的条件，包括圆极化旋向保持、 旋向转化以及旋向杂化的功能的条件；
[0032] 其次，初步在预定频段