[0061] 图10是上排PIN管导通和下排PIN管断开时圆极化旋向调控器的电流和电场分 布。
[0062] 图11是PIN管导通时圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随h3的变化曲线。
[0063] 图12是PIN管断开时圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随h3的变化曲线。
[0064] 图13是PIN管导通时圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随W2的变化曲线。 [0065] 图14是PIN管断开时圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随W2的变化曲线。
[0066] 图15是PIN管导通时圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随L,的变化曲线。 [0067] 图16是PIN管断开时圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随L,的变化曲线。 [0068] 图17是圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随(^的IruJ变化曲线。
[0069] 图18是圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随(^的|rRR|变化曲线。
[0070] 图19是PIN管导通时圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随R的变化曲线。
[0071] 图20是PIN管断开时圆极化旋向调控器的圆极化反射系数随R的变化曲线。
【具体实施方式】
[0072] 以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细描述。
[0073] 如图2至图5所示，一种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；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。
[0074] 当两个正交方向上的相位满足(6(? =?* 一仏=甘2" +伽或
时，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
，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哥《 -9,,.= _±(2" - lh/2和
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。
[0075] -种基于可调超表面的圆极化旋向调控器的设计方法，其包括如下步骤：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；其次，初步在预定频段设计满足上述条件的TMS单元，通过PIN开关通、断两 种情形下的电响应对比分析得到圆极化旋向调控器的调控机理；最后，基于传输线理论得 到最优化带宽准则，基于上述调控机理、准则并通过优化TMS单元的结构参数获得最优化 旋向保持、转换和杂化带宽，同时兼顾带内极化纯度特性。
[0076] 本发明基于可调超表面的圆极化旋向调控器的调控机理，包括如下步骤：首先电 磁波沿-Z轴垂直入射，当电场沿y轴极化且磁场沿X轴激励时，ELC结构工作，电场将驱动 ELC结构产生电响应和谐振，这时可得主反射系数r yy，同时由于ELC结构关于y轴对称，交 叉极化rxy很小且满足r xy~0,这里ELC结构的电响应包含两部分，一是通过中心垂直臂和 缝隙产生的电响应，一是上、下半圆弧臂和圆弧中间开口产生的电响应，其谐振频率分别由 f\、f 2表示；当电场沿X轴极化激励时，由于ELC结构关于X轴对称，因此交叉极化r yx很小 且满足ryx~0,电场将驱动细微带线电感、集总电感和X方向相邻单元圆弧臂开口之间的 耦合电容产生电谐振，此时可得反射系数rxx和电谐振频率f 3;PIN二极管导通时，缝隙被短 路，而PIN二极管断开时，缝隙仍开路，产生具有不同电感和电容的谐振回路，即圆极化旋 向调控器控制谐振从而控制阻抗和相位的基础；由于只有A与缝隙相关，PIN二极管的工 作状态只会影响A而对f 2和f 3几乎没有影响，从而实现对f i的单独调控。
[0077] 图6和图7给出了圆极化旋向调控器的线极化反射系数。可以看出两种状态下 电路、电磁仿真结果完全吻合，验证了等效电路的正确性。PIN管导通时，从|r yy|曲线上可 以明显看到两个谐振点2. 43GHz和f 2= 6. 88GHz且谐振谷的幅值分别为S H= 0. 69 与S11= 0. 84,从|r xx|曲线上仅可观察到一个谐振强度很弱的谐振谷（f3~5. 67GHz，S n =0. 99)。以上三个频率处TMS单元的反射相位变化剧烈，随频率变化呈现强色散关系， 且相位变化剧烈程度与谐振强度成正比，因此f\、&处的强谐振使得TMS平板在f p &处 的相位变化较&更加剧烈，如f 2处相位在很窄的频率范围内完成了瞬间跳变。从相位曲 线上可以看出供yy和的相位差抑?在2. 9~5. 13GHz和5. 58~6. 69GHz范围内分别满
且IryyI和|rxx|接近于1，良好的幅度一致性以及近 0°和90°相位差使得TMS平板在PIN管导通时具有圆极化旋向转换和旋向杂化功能。PIN 管断开时，除了匕~4. 6GHz (S n= 0. 95)向高频发生偏移外，f 2和f 3几乎保持不变且r yy 和rxx的幅度、相位变化趋势与导通时几乎完全相同。4. 33~6. 63GHz范围内，相位差满足 I卿在]80°±30°且|ryy|和|r」均接近于l，r yy和rxx良好的幅度一致性以及近180°的相位 差使得TMS平板具有圆极化旋向保持功能。两种状态下不变的f 2、f3以及断开时f i的高频 偏移进一步验证了 由垂直臂电响应决定的结论，而两种状态下不同的谐振回路结构（不 同的电感和电容）导致了匕的频偏。
[0078] 为进一步验证TMS平板的圆极化旋向可调特性，采用圆极化波对TMS平板进行激 励，仿真设置同线极化波激励情形。这里电路仿真圆极化反射系数通过公式（2)对线极 化反射系数进行转换得到。图8和图9给出了 TMS平板的仿真圆极化反射系数，同样电 磁、电路仿真结果吻合的非常好。PIN管导通时，TMS平板在2. 9~5. 13GHz范围内满足 rRR I〈0.31 (-IOdB)和I I >0.92,具有圆极化转换特性且极化消光比〇 = 201(^(1? I / rRR I) >10. 2dB，而在5. 58~6. 69GHz范围内，TMS平板具有旋向杂化特性且〇 <3dB，为圆 极化旋向转换和旋向保持的过渡态；PIN管断开时，TMS平板在4. 33~6. 63GHz范围内满 足IruJ〈0.3和|rRR I >0.94,具有圆极化旋向保持特性且〇〈-10. ldB。因此通过PIN管的 通、断TMS平板不仅实现了功能的切换还实现了工作频段的切换，即在4. 33~5. 13GHz范 围内实现了旋向转换到旋向保持的切换，而在5. 58~6. 63GHz范围内实现了旋向杂化到 旋向保持的切换，同时旋向转换和保持时TMS平板均具有很高的极化纯度。需要说明的是 IrJ或|r RR I曲线上出现的谷或峰位置与IrxxI和IryyI上L f#Pf2S本吻合，尤其是图 9，I rLR I / I rRR I在4. 62、5. 52、6. 56GHz处分别出现了三个谷/峰点，与f丨，f3和f 2完全吻合， 表明|rtR|和|rRR|的带宽和波动幅度由三个谐振的强度和位置决定。这里6. 56和6. 92GHz 处额外的谐振谷由&处剧烈变化的相位引起，使得第三个谷发生分裂。
[0079] 为揭示TMS平板在三个频率处的物理工作机制，图10给出了 PIN管导通和断开时 的电流和电场分布。与前面分析一致，PIN管的工作状态对T1处的电场分布影响较大而对 f 2、f3处场分布的影响可以忽略。"处，导通时垂直臂和环区域均存在很强的电流且在垂直 臂和环之间形成了闭合回路，整个ELC结构参与谐振；而断开时环区域的电流强度非常弱， 可以忽略，表明仅有垂直臂和缝隙参与了局域谐振，导通时较长的电流路径解释了其较低 的工作频率。同时，导通时单元上下边界处较大的电