时提高电 磁波的传输幅度。
[0041] 如图2所示，本发明实施例提供一种基于超薄透射梯度超表面的极化分离器包 括:底板，在所述底板设有基于矩阵结构的多个6 X 6超表面单元阵列，每个所述超表面单元 为基于=层贴片级联禪合的超表面单元，所述超表面单元包括:第一介质板1和第二介质板 2,在所述第一介质板1的上表面设有第一级联金属贴片3,在所述第一介质板1的下表面和 第二介质板2的上表面之间设有第二级联金属贴片4,在第二介质板2的下表面设有第=级 联金属贴片5,所述第一级联金属贴片3、第二级联金属贴片4、第=级联金属贴片5的尺寸和 厚度相同；所述第一级联金属贴片3的尺寸为dx Xdy，dx和dy根据实现的传输相位确定，通 过FDTD软件(基于矢量3维麦克斯维方程求解软件)进行电磁仿真确定，所述第一级联金属 贴片3的厚度为0.018mm。
[0042] 作为优选，第一介质板1和第二介质板2均采用厚度为1.5mm，介电常数为2.65的 F4B介质板。
[0043] 作为进一步优选，每个超表面单元周期为Px X Py = 1 Imm X 1 Imm，其外层金属结构 相同，用于确保单元相同的边界环境，保证单元周期边界条件的准确性。
[0044] 超表面单元电磁仿真设置如图2(b)所示，对于//极化波，单元由电场沿X方向，由Z 向入射的电磁波进行激励，对于丄极化波，单元由电场沿y方向，由Z向入射的电磁波进行激 励。
[0045] 图3(a)给出了 =层贴片级联单元的传输系数和传输相位，可W看出该单元在5.4 ~10.35G化范围内实现了宽频传输，同时传输相位从-131°变化到-623°。为了实现极化分 离，TPGM在X和y方向必须满足不同的相位梯度，运里X方向的相位梯度为60°，y方向为-60°， 图3(b)给出了X和y方向单元的电磁响应。由图可知单元在X和y方向的传输幅度均大于0.8， 同时传输相位满足梯度要求。为了验证单元的极化独立特性，采用CST软件对单元进行参数 扫描，当dx从3mm增加到8mm时，采用//极化激励时，传输相位从-275°变化到-543°，而采用 I极化波激励时，单元的传输相位变化小于20%也就是说，单元随dx变化时对于I极化波 电磁响应不变，即单元具有极化独立特性。
[0046] 为了验证极化独立性原理并为极化分离器的设计提供指导，运里提出了TPGM的4 步设计准则:第一，首先根据需求计算两个维度的相位梯度;第二，依据方程(4)和相位梯 度计算点（x，y)处的相位分布;第=，仿真得到单元对于不同极化激励波的相位响应，然后 依据计算的(X，y)处相位分布挑选合适的单元;第四，将挑选的单元组合成相应的超单元并 进行周期延拓，设计出二维TPGM。如图5所示，X和y方向分别满足d 4 x/dx = -60°和d 4 y/dy = 60°，通过计算不同位置单元相位分布，精屯、挑选36个相应单元构成一个超单元，随后4 X 4 个超单元构成了响应的TPGM。当采用混合极化波激励时，波束在XOZ和yoz平面分别实现了 01 = -27°和02 = 27°的波束偏折，运与依据方程(2)计算结果吻合的很好。
[0047] 为了从实验层次对不同极化波进行独立操控，我们对设计的TPGM进行进一步优 化，设计了工作于X波段的新型极化分离器。由图6(a)可知，超单元由6X6个基本单元构成， 尺寸为66 X 66mm2，相当于2.2A〇 X 2.2A〇。极化分离器的加工样品如图6 (C)所示，采用传统的 PCB技术进行加工，厚度为0. Uo,由于采用相位梯度实现对相位和极化的操控，因此具有最 小的样品厚度。
[0048] 我们加工了极化分离器的样品并进行了组装。如图7(a)所示，卿趴天线作为激励 源，用于提供不同极化电磁波。卿趴天线和样品之间加入了20mm的泡沫层，用于起固定作 用，同时不影响系统性能。反射系数由ME7808A型矢网进行测试，结果如图7所示。可W看出， 仿真和测试结果吻合的很好，且均低于-25地反射谷验证了良好的匹配特性。对于//极化激 励波，极化分离器仿真的10地阻抗带宽为8.76~10.33G化，相对带宽为16.45%，测试结果 显示其10地阻抗带宽为8.62~10.39GHz，相对带宽为18.62 %。对于丄极化激励波，仿真(测 试）的 10 地阻抗带宽分别为 1.6(8.62-10.22)GHz 和 1.62(8.6-10.22)GHz，相当于 16.99%和 17.20 %。混合极化波激励时，其IOdB仿真和测试的相对带宽分别为18.81%(8.62-10.4IGHz)和18.66 % (8.65-10.43GHz)。总之，设计的极化分离器匹配特性良好，且不依赖 于激励波的极化状态。
[0049] 为了对极化分离器的功能有个直观的认识，分别对卿趴天线W及基于不同极化波 激励的极化分离器进行仿真，其=维远场福射方向图如图8所示。由图8(a)可W看出，卿趴 天线沿Z方向福射，没有发生波束偏折。当采用//极化波激励极化分离器时，远场方向图如 图8(b)所示，波束在XOZ平面实现了目1 = -26.7°，运与理论预测完全一致。对于丄极化激励 波，波束在yoz平面实现了02 = 27°的波束偏折。对于混合极化波激励，波束实现了良好的极 化分离特性，如图8(d)所示。
[0050] 在微波暗室中对极化分离器的远场特性进行仿真，其归一化方向图如图9所示，仿 真和测试结果吻合良好。可W看出，/Al和混合极化波激励时，极化分离器均具有良好的 波束偏折特性。采用仿真中，副瓣电平为12地，测试中副瓣电平约为10地，副瓣电平的恶化 主要是由测试环境引起的。测试中，波束的前后比为13地，交叉极化电平优于15地。
[0051] 为了研究极化分离器的福射带宽特性，对其在9.6~10.2GHz的方向图进行测试， 结果如图10所示。由图可知，极化分离器的半波束宽度约为16°。采用//极化波激励时，偏折 角度由9.6G化时的-26.5°变化到10.2細Z时的-28°，运主要是由不同频率的工作波长不同 引起。类似的，对于丄极化激励波，波束偏折角度由9.6G化的27°变化到10.2G化的29°。因 此，极化分离器的工作带宽由于600MHz，相对带宽优于6 %。
[0052] 对于极化分离器，不同极化波之间的极化分离程度是评价系统性能的一个重要指 标。所谓的极化分离比，即当采用混合极化波进行激励时，选取两波束峰值所在的平面，计 算并测试该平面上的福射特性，两峰值间的凹谷值即为极化分离比。运里对极化分离比进 行了仿真和测试，结果如图11所示。可W看出，两波束实现了良好的波束分离，仿真(测试） 的极化分离比分别为30(18)地。
[0053] 本发明首次提出采用二维TPGM的极化独立特性实现极化分离器;极化分离器具有 超薄特性:采用TPGM的实现相位操控，而非光程差实现相位积累，极大的降低了极化分离器 的厚度，其厚度仅0. Uo。
[0054] W上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围 由权利要求书限定。本领域技术人员可W在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各 种修改或等同替换，运种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于超薄透射梯度超表面的极化分离器，其特征在于，包括:底板，在所述底板 设有基于矩阵结构的多个6X6超表面单元阵列，每个所述超表面单元为基于三层贴片级联 耦合的超表面单元，所述超表面单元包括:第一介质板（1)和第二介质板(2)，在所述第一介 质板（1)的上表面设有第一级联金属贴片(3)，在所述第一介质板（1)的下表面和第二介质 板(2)的上表面之间设有第二级联金属贴片(4)，在第二介质板(2)的下表面设有第三级联 金属贴片(5)，所述第一级联金属贴片(3)、第二级联金属贴片(4)、第三级联金属贴片(5)的 尺寸和厚度相同；所述第一级联金属贴片尺寸根据实现的传输相位确定。2. 如权利要求1所述的基于超薄透射梯度超表面的极化分离器，其特征在于，第一介质 板(1)和第二介质板(2)均采用厚度为1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板。3. 如权利要求1所述的基于超薄透射梯度超表面的极化分离器，其特征在于，每个超表 面单元周期为PxXPy = 11mm X llmm〇4. 如权利要求1所述的基于超薄透射梯度超表面的极化分离器，其特征在于，所述第一 级联金属贴片(3)的厚度为0.018mm。
【专利摘要】本发明公开一种基于超薄透射梯度超表面的极化分离器，包括：底板，在所述底板设有基于矩阵结构的多个6×6超表面单元阵列，每个所述超表面单元为基于三层贴片级联耦合的超表面单元，所述超表面单元包括：第一介质板和第二介质板，在所述第一介质板的上表面设有第一级联金属贴片，在所述第一介质板的下表面和第二介质板的上表面之间设有第二级联金属贴片，在第二介质板的下表面设有第三级联金属贴片，所述第一级联金属贴片、第二级联金属贴片、第三级联金属贴片的尺寸和厚度相同；所述第一级联金属贴片尺寸根据实现的传输相位确定。采用本发明的技术方案，提高了极化分离程度，同时降低了极化分离器的厚度。
【IPC分类】H01P5/16, H01Q15/24
【公开号】CN105552569
【申请号】CN201510973707
【发明人】蔡通, 王光明, 许河秀, 梁建刚, 高向军, 刘丹, 赵辉, 庄亚强, 李唐景
【申请人】中国人民解放军空军工程大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月22日