包含Cs。本实施例中PIN二极管采用PIN管采用MA4PBL027，其中L s=O. 7nH，Cj=0.0 3pF， 当漏电流为IOmA时Rs约为3.5 Ω。电场沿y轴极化时，受χ轴方向磁场的作用，金属地板与上 层金属结构之间的耦合形成两个局部磁谐振，产生了两个工作模式，其中，其中开口微带线 产生磁响应由第一个串联支路1^ XdPR1来等效，而两边y方向对称金属贴片产生的磁响应 由两个串联支路1^、(：2和1? 2并联等效，这里电感1^包含微带线的线电感和？]管的引线电感， 电容C1由管芯电容C j和管壳电容Cs组成，L2表示贴片的线电感，C2表示贴片对地形成的平板 电容，而Ri和R2分别用来表征两个谐振结构的损耗。电磁波在介质板中的传输由阻抗为Z。， 长度为h的传输线等效，金属地板由接地等效。电场沿χ轴极化时，电场将驱动χ方向金属贴 片产生磁响应并由L 3X3和R3等效，由于两个方向极化时贴片的尺寸不同，因此磁谐振强度 和频率均不同。根据传输线理论，上述三个串联回路将产生三个磁谐振频率且分别由
[0025] 图3给出了 TGMS单元的反射系数随贴片尺寸变化的曲线，可以看出当没有贴片时， 从幅度和相位响应曲线中明显可以看到一个剧烈变化的谐振，在谐振频率7.46GHz处存在 一个反射谷，幅度为S 11=O. 8，相位变化剧烈且远离谐振时相位呈现一个渐近行为，相位调控 的频率范围非常窄，Q值很高。相反，当引入贴片时单元的谐振强度明显变弱且随着贴片长 度的不断增大逐渐减弱，此时贴片的谐振频率#·^与开口微带线的谐振频率_^非常接 近，当贴片长度增加到一定程度时，由于的降低使得逐渐与分离，出现 了两个谐振点，通过调整贴片和开口微带线的尺寸可以任意调整和的频比，从 而极大地拓展TGMS单元的相位调控范围并展宽TGMS单元的工作带宽。
[0026] 根据光子自旋霍尔效应理论，当TGMS单元的主轴方向u、v与单元二维周期延拓所 在平面的坐标x、y重合时，在圆极化基下TGMS单元的反射矩阵:mi)可以表示为三个Pauli矩 阵和一个单位矩阵的线性组合：
其中/
为线极化基下的反射琼斯矩阵。经绕ζ轴旋转Φ后的反射矩 阵蹲餐! ? M %?)輝)M(f?)可表示为：
这里旋转矩阵_
为自旋转换算子且当入射 波为右旋或（左旋|-4)圆极化波时，满足
由于中间层 金属地板的作用，下层金属结构的不对称性产生的电磁响应被屏蔽掉，不会对上层结构的 电磁特性产生任何影响。由于上层结构的二重对称特性，rxy=ryx ? O，同时rxx+ryy=0，因此反 射矩阵Iff#可以化简为：
根据式(3)可知，反射幅度
，达到了近100%的转换效率，而反射相 位(几何贝尔相位)会有-2 Φ或2 Φ的变化。因此当入射波为单一圆极化波时，反射波为一同 极化且携带-2 Φ或2 Φ的相位，且由于左旋和右旋圆极化波产生的几何贝尔相位相差180°， 因此左旋和右旋圆极化入射波经TGMS反射后将被反射到两个相反方向上。
[0027] 图4、图5给出了开关断开和导通两种情形下TGMS单元的反射幅度和相位曲线，可 以看出开关断开时，从ryy的幅度曲线上可以观察到两个谐振点/J30 ?6.07GHz和/$>S)= 8.51GHz，谐振强度较弱且谐振谷深度S11均大大于0.89，同时谐振率处TGMS单元的反射相位 变化加剧，随频率呈现强色散关系，且相位变化剧烈程度与谐振强度成正比，而从rxx的幅度 曲线上观察不到任何谐振。整个观察频段范围内I rxx卜I ryy I且Φ dlff在6GHz附近接近180 度。开关导通时，由于速降低，从ryy的幅度曲线上仅可观察到一个谐振，且由于 贴片和开口微带线之间耦合作用较开关断开时发生了高频偏移。整个观察频段范围 内 |rxx| ? |ryy| ?1且 在8.6GHz附近接近 180度。
[0028] 对TGMS单元进行顺时针旋转角Φ，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(6:=0°，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，则可以合成具有相位梯度的TGMS超单元。
[0029] 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。对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，则可设计出具有多种功能的可调线极化波束分离器，也即 TGMS，最终线极化波束分离器的版图如图6所示。由于x方向上每个单元的偏置线首尾相连， 因此每排6NX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。
[0030] 根据广义反射、折射率定律
当电磁波以入射角91照 射到TGMS时，反射角01满足
这里为单位长度TGMS产 生的相位梯度，可以计算为
，λ为电磁波在自由空间中的波长，为折射率。当 电磁波由自由空间垂直入射到TGMS时反射角可简化为
，通过合 理设计f可使工作频率5处_ 1:1，也即焉:?'?和|:念為，根据超单元的尺寸 :_|%可计算临界频率f。。当爲 >:尤时，此时§<:鳥，散射的左旋和右旋圆极化波均为传 播模式，当if不断增大时，g在不断减小，通过合理设计TGMS可控制线极化波束的偏折方 向。由于任意线极化波均可分解为两个旋向相反的圆极化波，因此根据前面的理论，线极化 波入射到TGMS上时会产生两个幅度相同但偏折方向相反的反射左旋和右旋圆极化波。因此 通过控制开关的工作状态可以控制线极化波束分离器的工作频率和波束的偏折方向。
[0031] 如图7所示，当PIN开关断开时，分离器明显工作于6.07GHz附近，分解的左旋、右旋 圆极化波分别被近似等幅反射到两个相反方向上，且从图9(a)可计算该频率处奇异分离波 束的相对效率为89.1%，偏折角度为? ，而在9.5GHz附近虽然镜像散射得到一定程 度压制，但由于Φ dlff=140°并未达到所需要的Φ dlff=180°，因此根据公式(2)可知其它分量 并未压制干净。如图8所示，当PIN开关导通时，分离器明显工作于8.6GHz附近，偏折角度为 ^二士之f，且从图9(b)可计算该频率处奇异分离波束的相对效率高达93%，分解的左旋和 右旋圆极化波同样被等幅度反射到两个相反方向上，且具有较宽的工作带宽。综上，本发明 线极化波束分离器在开关导通和断开两种情形下，能将线极化波被分成两个波束且分别被 散射到两个相反方向上，达到了对线极化波分解和分离的目的，同时实现了对波束分离工 作频率和偏折方向的动态调控。
【主权项】
1. 一种基于梯度超表面的可调线极化波束分离器，其特征在于，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和y两个正交方向上进行若干个二维周期延拓，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，即得到具有多种功能的可调线极化波束分离器。2. 根据权利要求1所述的基于梯度超表面的可调线极化波束分离器，其特征在于，所述 的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;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；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;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；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。3. 根据权利要求2所述的基于梯度超表面的可调线极化波束分离器，其特征在于，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(6:=0°， 第二个~第六个单元的旋转角度依次为Φ2=30°，Φ3=60°，Φ4=90°，Φ5=120°和Φ6=150° ;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。4. 根据权利要求3所述的基于梯度超表面的可调线极化波束分离器，其特征在于，对于 TGMS单元，px、py分别为TGMS单元沿x、y方向的周期，选取11.5mm<px=py〈15mm;di为贴片与开 口微带线之间的间距，选取0.3mm<di< 0.5mm;开口微带线的宽度d2大于过度孔直径d3,即 d3〈d2,选取0 · 3mm<d3 < 0 · 5mm;W2为电刷结构中高阻抗细微带线的宽度，选取0 · 15mm<W2 < 为电刷结构中圆环的外、内半径，其大小受约束，h4为开口微 带线上半部分金属的长度，h5为开口的长度;hi和h2分别为上、下层介质板的厚度，选取3mm 《hi< 6mm，选取h2< 0.5mm;h6为电刷结构中圆环缺口的大小，选取h6 2 0.8mm。
【专利摘要】本发明属于超表面技术领域，具体为一种基于梯度超表面的可调线极化波束分离器。本发明以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和y两个正交方向上进行若干个二维周期延拓，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，即得到具有多种功能的可调线极化波束分离器；所述的TGMS单元为三层金属结构，上层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；中层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；下层金属结构为电刷结构。本发明大大提高了线极化波束分离器的转换效率（达到89%以上），实现了波束分离工作频段的切换和调控。
【IPC分类】H01Q15/24
【公开号】CN105470656
【申请号】CN201510882672
【发明人】许河秀, 罗伟杰, 蔡通, 周磊
【申请人】复旦大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月7日