一种基于梯度超表面的透射双功能器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超表面电磁技术领域，尤其涉及一种基于梯度超表面的透射双功能器 件。
【背景技术】
[0002] 近年来，对于电磁波幅度、相位和极化操控已经成为研究者重点关注的课题，2011 年，YU等提出了广义折射/反射定律，并采用梯度超表面进行了实验验证，掀起了超表面 (MS)的研究热潮。随着无线通讯技术、雷达系统和波前工程的发展，尤其是高集成电路的发 展，对于双功能器件的研制提出了更高要求。基于梯度超表面的双功能器件研制具有重要 理论意义和实际应用价值。
[0003] 目前，对于梯度超表面的研究主要集中于以下三个方面。第一，对于广义折射/反 射定律的验证。2011年，Yu等采用8种不同形态的"V"型天线实现了相位覆盖2JI范围的超单 元(metacell)结构，验证了波束的奇异折射和反射现象，随后，该课题组基于V型超单元设 计了超薄平面透镜和轴锥透镜，实现了良好的聚焦效果;Α??等采用理论方法证明了交叉极 化转化效率的上限为25%，同时通过采用Pancharatnam-Berry超表面将交叉极化转化效率 在实验上提高到了24.7%。第二，在提高透射梯度超表面性能方面。Gbig等人从传输线的角 度出发，采用传输矩阵的方法从理论分析了多层结构高效传输和相位控制需要满足的条 件，并进行了实验验证，该课题组采用4层级联GMS设计了平面聚焦透镜，在2μπι波长获得了 良好的聚焦效果，并有效控制了传输波的极化，级联技术极大的扩展了透射波相位的覆盖 范围，并使其变化趋势变缓，有效增加了带宽；随后，又采用3层级联技术实现了波束的连续 扫描;最近，该课题组采用ABA结构，通过对不同极化电磁波的独立控制，在梯度相位设计了 四分之一波片结构，同时实现了波束偏折和极化转化;Η.Li等人采用3层级联环形缝隙阵列 (Coaxial annular aperture，CAA)在X波段验证了电磁波的奇异偏折现象，实验表明设计 的GMS在IOGHz获得了 18°的透射波偏转，且效率达到了65 %以上;H. Yu等人构造了3层级联 超表面，实现了圆极化波间的高效转化，平均转化效率达到了 76 %，同时基于此结构设计了 一维和二维聚焦透镜。第三，在各向异性梯度超表面研究方面，采用极化独立控制理论， H.Mosallaei等人提出了双折射反射阵超表面，对于不同极化方式的电磁波，实现了不同方 向的奇异折射;随后，采用透射GMS实现了任意角度平面电磁波的聚焦;S. Qu等采用沿二维 梯度突变的反射相位GMS将空间传输电磁波转化为表面波，与相同大小的金属平板相比，构 造 GMS的RCS显著降低了 IOdB; Cui等采用各向异性GMS实现了对不同极化电磁波的操控，获 得了极化波束分离的优良性能；该课题组采用任意相位分布的GMS，采用散射相消原理，实 现了宽频范围RCS的缩减。
[0004] 目前存在以下问题：设计单元透射系数不高，相位调控范围较小，且单元厚度较 大;各向同性单元两个维度影响较大，不利于二维独立操控;基于梯度超表面设计的器件仅 能实现一个功能，不利于满足如今对高集成多功能器件的需求;各向异性单元大多采用谐 振结构，带宽较窄。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是，提供一种基于梯度超表面的透射双功能器件。可以 实现透射聚焦和偏折功能。
[0006] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种基于梯度超表面的透射双功能器件，包括:一底板，所述底板上设有基于矩阵 结构的12X12极化独立性单元阵列，所述每个极化独立性单元包含一印刷电路板，所述印 刷电路板上表面刻有一沿电路板上表面边缘设置的金属框以及位于所述金属框内的四层 级联透射结构，所述四层级联透射结构为4层金属贴片和3层介质交叠级联结构。
[0008]作为优选，所述印刷电路板采用厚度为1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板;所述 极化独立性单元的单元周期为11 X 11mm，所述金属框的内边长度为10mm，所述四层级联透 射结构的长度由实现不同极化波入射时的相位分布决定，所述四层级联透射结构厚度为 0 · 018mm〇
[0009]本发明的有益效果如下：
[0010] 1.基于广义折射定律，采用多模耦合原理，提出了二维透射梯度超表面单元，实现 了透射相位0~360°连续变化，且透射系数均高于0.7。
[0011] 2.设计的梯度超表面单元具有极化独立特性，极大的简化了二维梯度超表面的设 计，提出了透射双功能器件设计的一般方法。
[0012] 3.基于超表面单元设计的双功能器件，采用X极化波激励时，实现了良好的波束聚 焦效果，采用y极化波激励时，实现了25.5°的波束偏折。
[0013] 4.具有双功能器件的性能，对于聚焦功能，其带宽达到了3GHz，对于偏折功能，在 8-12GHZ范围内，均实现了良好的波束偏折效应，在中心频率10.5GHz处，偏折效率达到了 72%。
[0014] 采用本发明技术方案首次实现了双功能器件，采用不同的极化激励波，在一块板 子上同时实现了聚焦和波束偏折;双功能器件具有较宽带宽，可以覆盖整个X波段。
【附图说明】
[0015]图Ia为聚焦效应不意图；
[0016]图Ib为球面波转平面波效应示意图；
[0017]图Ic为偏折效应的不意图；
[0018] 图2为双功能器件设计与单元特性示意图，其中，图2a为X方向的相位分布示意图， 图2b为y方向的相位分布示意图，图2c为同一单元在不同极化波激励下传输系数和相位分 布示意图，图2d为z方向入射y极化波激励时不同单元参数的相位分布示意图，图2e为z方向 入射y极化波激励时不同单元参数的幅度分布示意图，图2f为加工的样品，图2g为X极化波 激励时样品中每个单元的传输系数，图2h为y极化波激励时样品中每个单元的传输系数;图 3为聚焦特性实验原理示意图；
[0019] 图4为聚焦效应仿真和测试结果示意图；
[0020] 图5为高增益天线在yoz和xoz平面处的电场分布和远场方向图，其中，
[0021]图5a为yoz平面近场电场分布意图，图5b为波导馈源与高增益天线在yoz平面的远 场辐射方向图，图5c为X〇Z平面的近场电场分布示意图，图5d为波导馈源与高增益天线在 xoz平面的远场辐射方向图；
[0022]图6为偏折效应仿真测试结果示意图，其中，图6a为偏折效应仿真结果示意图，图 6b为近场测试结果示意图；
[0023]图7为理论、仿真和测试的双功能器件偏折效应验证示意图；其中，图7a为远场辐 射方向图，图7b为10.5GHz时喇叭天线和双功能器件远场辐射方向图，图7c为正入射时理 论、仿真和测试的最大波束指向比较图，图7d为斜入射时理论、仿真和测试的最大波束指向 比较图；
[0024]图8为本发明的极化独立性单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] YU等提出了广义折射/反射定律，并基于相位梯度超表面（Phase Gradient Metasurface，PGM)进行了验证。对于各向异性超表面，基于不同极化激励波，其电磁相应可 以进行独立操控。对于传统的透射超表面来讲，其表面没有相位梯度，入射波矢可以表示 为：
[0026]
(1 )
[0027]其中，kQ为自由空间波矢，Qi为入射波与z轴夹角，％为入射波与X轴的夹角，k xi为入 射波在X方向的波矢，kyi为入射波在y方向的波矢，kzi为入射波在z方向的波矢。
[0028]透射波波矢可以计算为：
[0029]
(2)
[0030] 其中，9t为透射波与z轴夹角，:?为透射波与z轴的夹角，kxt为透射波在X方向的波 矢，k yt为透射波在y方向的波矢，kzt为透射波在z方向的波矢。
[0031] 当超表面存在相位梯度时，其沿X方向和y方向的透射波矢可以分别表示为
[0032]
(3)
[0033] 其中，对于ξχ(Χ)，右侧(X)表示电磁波的极化沿X方向，而下标X表示X方向的梯度， 表示X极化电磁波激励时，透射波在X方向透射波矢，表示X极化电磁波激励时，透射 波在y方向透射波矢，#^表示X极化电磁波激励时，透射波在ζ方向透射波矢，Cii为总波矢与 X轴的夹角，印Sx极化波入射时透射波的方向。
[0034]
(4)
[0035] 其中，对于ξχ(5〇,右侧(y)表示电磁波的极化沿y方向，而下标X表示X方向的梯度， 表示y极化电磁波激励时，透射波在X方向透射波矢，％ s表示y极化电磁波激励时，透射 波在y方向透射波矢，#T表示y极化电磁波激励时，透射波在Z方向透射波矢，为7极化 波入射时透射波的方向。
[0036] 由（3)和(4)式可知，可以通过独立设计X和y方向的相位梯度，来实现对不同极化 激励波的独立操控，也就是说，我们可以在不同方向实现不同的功能，这里以透射聚焦和偏 折为例，说明双功能器件的研制。
[0037] 在X方向，设计抛物面型相位分布，可以将平面波聚焦于一点，如图1(a)所示。将馈 源至于焦点处，可以将球面波转化为平面波，基于该原理，可以设计高增益天线，如图1(b) 所示。在y方向，使其相位满足偏折分布，可以实现电磁波的波束偏折，对于不同频率，可以 实现不同的偏折角度，因此可以用来设计频扫天线，如图1(c)。
[0038] 对于双功能