一种基于梯度超表面的可调线极化波束分离器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超表面技术领域，具体涉及一种基于梯度超表面的可调线极化波束分 离器。
【背景技术】
[0002]异向介质(Metamaterial，MTM)是指自然界本身并不存在，人们采用亚波长人工微 结构单元并依据电磁理论设计出来的具有某种电响应或磁响应的"特异"人工复合结构或 材料。虽然人们通过三维异向介质可以任意操控电磁波，但高损耗和制作的复杂性极大限 制了它的应用，因此目前真正意义上的应用并不多。作为异向介质的一种二维平面形式，超 表面因应而生，由于其独特的电磁特性和平面结构且能与飞机、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，近年来受到研究人员的青睐和广 泛关注。超表面按折射率/相位是否渐变可分为梯度超表面(Gradient Metasurface，GMS) 和均勾超表面(Homogenous Metasurface，HMS)。2011年，广义Sne 11折射/反射定律的发现 开辟了人们控制电磁波和光的全新途径和领域，正在推动该领域产生一场技术革新，GMS也 因此成为异向介质新的分枝和研究热点。由于GMS作为一种基于相位突变和极化控制思想 设计的二维梯度结构，可对电磁波的激发和传输进行灵活控制，实现奇异折射/反射、极化 旋转以及非对称传输等奇异功能，具有更加强大的电磁波调控能力，GMS在隐身表面、共形 天线、数字编码、平板印刷等方面显示了巨大的潜在应用价值，成为各国抢夺的一个学科制 高点和学科前沿。
[0003] 基于几何贝尔相位(Geometry Berry Phase)的GMS由于只需通过转动单元的主轴 而不必优化大量结构参数便可以获得所需反射相位或透射相位，设计人员只需关注反射率 或透射率模值即可，极大地减少了 GMS设计的工作量和复杂性，降低了设计大相位范围的难 度。但以往GMS-旦工作频率改变，要想得到同样的电磁特性必须重新设计结构参数，效率 低、可复用性差。同时由于相位的色散效应，GMS的工作带宽仍然较窄，亟需拓展，虽然旋转 GMS由于其几何贝尔相位没有色散特性相位带宽很宽，但其只适合交叉极化。随着超表面研 究的深入和电磁波调控技术的发展，人们通过在单元中引入调控器件实现了对谐振频率和 表面阻抗的实时调控，使得奇异电磁特性的动态调控成为可能，可调超表面技术为新功能 器件和电磁波调制器件的实现和验证提供了新的方法，成为解决上述瓶颈的有力手段。但 以往可调超表面的研究仅局限于HMS，至今还未见关于可调GMS(Tunable GMS，TGMS)的公开 报道。同时由于PIN二极管的引入，Q值非常高，GMS在很窄的频率范围内即可完成相位跳变， 而在带外为渐近行为，相位动态调控的带宽非常窄。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于设计一种工作频段可控且转换效率高的可调线极化波束分离 器。
[0005] 本发明设计的可调线极化波束分离器，以TGMS单元为基础，将6个TGMS单元按顺时 针方向依次旋转30°，得到具有相位梯度的TGMS超单元;再将TGMS超单元在水平面内沿x，y 两个正交方向上进行二维周期延拓Nx*Ny个(其中Nx、Ny分别为x、y方向上超单元的数目）并 通过TGMS下层的微带偏置线对X方向上的每排TGMS单元进行馈电，则得到具有多种功能的 可调线极化波束分离器，也即TGMS。可调线极化波束分离器的版图如图6所示。
[0006]本发明中，TGMS单元由三层金属结构、两层介质板以及连接三层金属结构的金属 化过孔组成，如图1所示。其中，上层金属结构由一对等大金属贴片和开口微带线组成，微带 线中间的开口用于加载PIN二级管。本发明在主谐振结构附近巧妙引入一对金属贴片的目 的是为了引入新的谐振，通过调整贴片尺寸并使其与主谐振相互配合即可实现两个谐振频 率的顺利过渡和级联，从而有效降低了 Q值，拓展了 TGMS平板的相位和频率调控范围。中层 金属结构为金属地板且中心由两层金属圆柱和包裹上层圆柱的圆环槽组成，圆柱与金属化 过孔完全电连接，圆环槽用于隔离圆柱和地板。由于金属地板的作用，本发明属于反射体 系，电磁波入射到TGMS单元没有透射只有反射。下层金属结构为电刷结构，由对称开口的圆 环结构（SRR)以及上下对称且加载集总电感的两根高阻抗细微带线组成。集总电感的加载 主要有两个功能，一是提供一个高电抗值，发挥直流偏置的功能，防止高频微波信号进入直 流源而对直流偏压没有影响，从而可提高电路的稳定性;二是阻止上层微带结构产生的电 流经金属化过孔沿导轨流动，从而消除引两个分离圆极化波束的幅度不一致性。工作时，通 过上层旋转结构产生线极化波束分离需要的几何贝尔相位，下层SRR结构保持同步旋转并 通过金属化过孔对上层PIN管进行直流偏置，同时下层结构的非对称效应将会被中间地板 层隔离。
[0007] TGMS单元中，px、Py分别为TGMS单元沿X、y方向的周期（即长度），Px=Py必须足够大 才能完全容纳旋转情形下的金属贴片，其次金属结构固定情形下增大px和Py能降低损耗，放 缓相位变化的剧烈程度，但太大会影响单元的亚波长特性，因此综合选取11.5mm < px=py〈 ISmnud1为贴片与开口微带线之间的间距，cU越小反射越大，正交极化激励下两个反射幅度 的一致性越好，但考虑实际加工中密集的金属布局影响PIN管的焊接并发生短路，因此选取 0.3mm< di < 0.5_;(12为开口微带线的宽度，(12必须大于孑匕直径，即(13〈(12，(13为过孑匕直径的大 小，d3越小损耗越小、反射越大、频率越低，但受实际加工钻头大小的制约，因此选取0.3mm < d3 < 0.5mm;wi为贴片的宽度，W2为电刷结构中高阻抗细微带线的宽度，一般W2越小越好， 但为便于有效焊接和加工，选取〇. 15mm < W2 < 0.5mm，Ri、R2为电刷结构中圆环的外、内半径， 其大小受约束;Iu和^分别为上、下层介质板的厚度，In越大反射系数变 化越平坦，带宽越宽，但为保证一定的带宽和轴向亚波长特性，选取3mm < hi < 6mm，h2越小越 好且选取h2 < 0.5mm;h3为贴片的高度，h4为开口微带线上半部分金属的长度，h4越小反射幅 度越大且反射幅度一致性越好，但须保证其覆盖过孔，即满足h 4+h5/2>(RdR2)/2; h5为开口 的长度，为便于PIN管的有效焊接，选取Imm < h5 < 1.5mm; h6为电刷结构中圆环缺口的大小， 为保证上下两偏置线处于断路状态，选取h6 2 0.8mm。
[0008]本发明中，具有相位梯度的TGMS超单元由6个TGMS单元按顺时针方向依次旋转30° 得到，其中下层微带偏置线、集总电感以及两层介质板固定，其余均随共同旋转。第一个单 元的旋转角度为Φ ι=〇°，第二个~第六个单元的旋转角度依次为Φ 2=30°，Φ 3=60°，Φ 4=90°， Φ 5=120°和Φ 6=150°。将上述6个具有不同旋转角度和相位的TGMS单元按旋转角度增加的顺 序沿X方向依次排列且上、中、下三层结构分别对应连接，则合成具有相位梯度的TGMS超单 J L 〇
[0009] 由于本发明TGMS超单元中相邻2个子单元之间的旋转角度为30°且包含6个单元， 因此相邻单元产生的反射相位差为(几何贝尔相位梯度）A φ =±60°且TGMS超单元能完整 覆盖360°的相位变化。
[0010] 本发明设计的可调线极化波束分离器，由于X方向上每个单元的偏置线首尾相连， 因此每排6ΝΧ个TGMS单元可由两根偏置线进行统一馈电。当电压大于OV(正向偏置)时，PIN 管导通;当电压为OV(反向偏置)时，PIN管断开。
[0011]本发明将可调技术与旋转GMS相结合，通过在旋转GMS单元中引入PIN二极管和双 谐振结构，实现了TGMS单元几何贝尔相位的动态调控，极大拓展了相位动态调控的带宽；同 时通过精心设计抑制了圆极化分量向携带非几何贝尔相位分量的转化，提高了线极化波束 分离器的转换效率，在PIN管断开、导通两种状态下TGMS平板的奇异反射转换效率达到89% 以上。同时本发明基于反射体系下TGMS的线极化波束分离功能可直接拓展到透射体系下。
【附图说明】
[0012]图1为TGMS单元的拓扑结构。其中，（a)全视图；（b)仿真设置；（c)中层结构；（d)侧 视图（e)上层结构；（f)底层结构。工作时TGMS单元受沿-Z轴入射y轴极化的平面电磁波照 射。
[0013] 图2为TGMS单元与PIN二级管的等效电路模型。
[0014] 图3为TGMS单元的反射系数随贴片尺寸的变化曲线。其中，（a)幅度;（b)相位。
[0015] 图4为PIN开关断开时TGMS单元的主极化反射幅度和反射相位曲线。
[0016]图5为PIN开关导通时TGMS单元的主极化反射幅度和反射相位曲线。
[0017] 图6为TGMS超单元与TGMS的拓扑结构。
[0018] 图7为PIN开关断开时线极化波束分离器在不同频率处随角度和频率的散射场分 布。
[0019] 图8为PIN开关导通时线极化波束分离器在不同频率处随角度和频率的散射场分 布。
[0020] 图9为线极化波束分离器在(a)6.07GHZ(PIN开关断开）和(b)8.6GHz(PIN开关导 通)处随角度的归一化散射场分布。
【具体实施方式】
[0021] 下面通过具体实施例进一步具体描述本发明。
[0022] TGMS单元由三层金属结构、两层介质板以及连接三层金属结构的金属化过孔组 成，如图1所示。
[0023]本实施例中上/下层介质板均采用聚四氟乙烯玻璃布板，介电常数er=2.65,电正 切损耗tan〇=〇. 001，铜箱的厚度为〇.〇36mm，其中，px=py=12mm，贴片与开口微带线之间的间 距di=0 · 4mm，开口微带线的宽度d2=0 · 5mm，过孔直径d3=0 · 3mm，贴片的宽度wi=3mm，电刷结构 中高阻抗细微带线的宽度W2=0 · 4mm，电刷结构中圆环的外、内半径Ri=3mm、R2=2 · 5mm，上、下 层介质板的厚度111=3111111、112=0.5111111，贴片的高度113=91]1111，开口微带线上半部分金属的长度114= 2.5臟，开口的长度115=1.51111]1，电刷结构中圆环缺口的大小116=11111]1。
[0024] 图2给出了TGMS单元和PIN二级管的等效电路模型，其中Rs，Ls，Cs分别代表PIN管的 寄生电阻，封装引线电感和管壳电容，(^代表管芯的结电容。当开关闭合时也即电压正向导 通时，CfO,此时二极管的等效电路模型可用很小的串联电阻R s和电感Ls来等效，当开关断 开时也即电压反向偏置时，二极管的等效电路模型可用串联电感LjPC 1来等效，这里C1即包 含Cj又