器件而言，对于X方向和y方向，其相位需要独立设计。对于聚焦和偏折 超表面，其相位分布如图2(a)和(b)所示。
[0039]对于X极化激励波，可以实现聚焦效应，焦距f = 55mm，其相位满足抛物面分布，可 表示为：
[00401
(5)
[0041] 其中，Π )为从超表面相位中心到焦点的距离，λ为超表面工作的自由空间波长，Θ和 Ψ分别表示俯仰角和水平角，两者同时决定了聚焦方位。
[0042] 对于y极化激励波，可以实现偏折效应，其相位满足线性梯度分布，梯度为60°。如 图2(b)所示，可以表示为：
[0043]
(6)
[0044] 其中，φν (X，J)表示y方向的相位分布，ξ表示y方向的相位梯度。
[0045] 依据公式(5)和(6)，可以对双功能器件进行设计。
[0046] 如图8所示，本发明实施例提供一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1 以及位于所述金属框1内的四层级联透射结构2，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。
[0047]作为优选，所述印刷电路板2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1的单元周期px X Py为11 X I Imm，所述金属框3的内边长度di = d2为I Omm， 所述四层级联透射结构4的长度al、a2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4的厚度为0.018mm。
[0048] 通过调节al和a2尺寸实现不同极化波入射时的相位分布，如图2(d)所示，依据式 (5)和(6)，可以从中选出所需的相位对应的尺寸。
[0049] 本发明最关键的就是设计相位覆盖360°的极化独立性单元，这里采用4层贴片级 联结构来实现，其优势主要有三方面，一是可以展宽相位覆盖范围，二是可以提高电磁波的 传输幅度，三是可以实现相位的独立控制。当单元周期Px=Py =Ilmm，di = d2 =IOmm，ai = 6mm 时，介质板采用厚度为1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板，金属层厚度为0.018mm。采用不 同极化波激励时，图2(c)给出了其传输系数和相位随a 2变化的曲线，由图可知，X和y极化波 激励时，其传输系数均保持在0.8以上，这就保证了传输的高效性。对于y极化波激励，当a 2 变化时，其相位从〇变化到-380°，覆盖超过了 360°。而对于X极化波激励，其传输相位变化幅 度小于20°，基本保持不变，这就保证了单元的极化独立性，也就是说，我们可以对X和y维度 进行独立设计，用于实现不同的功能，大大简化了设计复杂性。分别对X和y维度的尺寸进行 参数扫描，采用z向传输、y极化波进行激励，采用H)TD软件进行电磁仿真，其相位和幅度分 布如图2(d)和(e)，可以看出，对于任意尺寸的a 2,当m变化时，其相位覆盖范围均大于360°， 也就是说，任意a2情况下，均可以实现对相位的完全操控，同样的对于z向传输、X极化波激 励时，其相位分布覆盖范围也大于360°。对于透射超表面来说，其透射系数是确保器件高效 的重要指标，采用z向传输、y极化波进行激励时，单元透射系数均大于0.7,依据对称原理，z 向传输、X极化波激励时，不同尺寸单元透射系数也均保持在0.7以上。
[0050] 从单元特性可以看出，设计的四层级联透射结构实现了良好的透射特性，同时X和 y维度的相位可以独立操控，基于图2(a)和(b)中的相位分布，对双功能透射器件进行设计， 并进行样品加工，样品如图2(f)所示。样品由12X12个单元组成，四周有8个介质孔用于组 装和固定样品，样品尺寸为152 X 152mm2,相当于5.32λ〇 X 5.32λ〇,其中，λ〇为工作频率 10.5GHz处的自由空间波长。为了分析器件的透射性能，首先仿真了不同极化波激励时每个 单元的透射系数，结果如图2(g)和(h)，可以看出，不同单元的透射系数均大于0.75,这也就 保证了不同维度器件的高透射特性。
[0051 ]二维聚焦特性仿真与实验验证
[0052]对于设计好的双功能器件采用不同极化波进行激励，可以分别验证聚焦效应和偏 折效应。采用z轴入射，X轴极化的电磁波进行激励，通过CST Microwave Studio软件进行聚 焦效应的仿真，采用近场测量系统进行聚焦效应测试。近场测量系统如图3所示，其中宽带 喇叭天线用于提供激励平面波，采用单极子天线进行数据采集，使用ME7808A型矢量网络分 析仪进行数据记录。中心频率处xoz和y〇z平面电磁仿真和实验测试结果如图4所示。可以看 出，仿真和测试结果吻合良好，在χοζ和y〇z平面处均实现了良好的聚集效果，且焦点位于 55mm处，与理论设计值吻合良好。同时，电磁波在两个平面处实现了从汇聚到发散的效果， 且在聚焦点周围，电磁波均汇聚于焦点，周围散射场很弱，验证了汇聚的高效性。
[0053]高增益天线的设计与实验验证
[0054]根据天线理论可知，将点源至于聚焦超表面的焦点处，可以将球面波完美的转化 为平面波，进而可以设计高增益天线系统。基于该原理，我们采用波导天线作为馈源，将其 置于设计超表面的焦点处，图5给出了设计的高增益天线在yoz平面和X〇Z平面的电场分布 和远场测试方向图。由图5(a)和(c)可知，聚焦型超表面将球面波完美的转化为了平面波， 也就是说，这一天线系统可以实现高增益天线设计。通过微波暗室对天线系统方向图进行 测试，由图5(b)和(d)可知，仿真测试效果吻合良好，在yoz平面，仿真和测试的高增益天线 增益分别达到了 17.3和17. ldB，远远高于波导天线的7和6.9dB，且天线副瓣电平比主瓣电 平低IOdB以上。对于X〇Z平面，可以得到相似的结论。总之，聚焦型平面将球面波完美的转化 为了球面波。
[0055] 双功能器件偏折效应仿真和实验验证
[0056] 对于双功能器件，采用y极化波激励时，可以实现波束偏折效应。下面从近场和远 场两方面对该效应进行电磁仿真和实验验证。采用z向传输，y向极化的电磁波对双功能器 件进行激励，近场仿真和测试结果如图6所示。可以看出，仿真和测试结果吻合良好，电磁波 均发生了一定的偏折，偏折角度均为25.5°，这与理论值0 t = arcsin(C/kQ) = 25.7°吻合良 好。
[0057] 为了验证偏折带宽效应，对双功能器件进行远场测试，采用z轴传输y极化入射的 电磁波进行激励，其远场测试效果如图7(a)所示，可以看出，在8~12GHz范围内，主波束指 向与理论值吻合良好，且在中心频率10.5GHz处，0阶反射很小，测试波束偏折效率达到了 72.2%。图7(b)给出了 10.5GHz处仿真和测试的远场辐射方向图，可以看出，电磁波发生了 26.5°的波束偏折。图7(c)给出了电磁波正入射时，理论、仿真和测试的最大值结果对比，可 以看出，三者吻合良好，验证了设计的有效性。当电磁波斜入射时，理论偏折角度可以根据 0 t = arcsin(sin0i+|/k〇)来计算，图7(d)给出了斜入射时理论、仿真和测试时的最大波束指 向，同样的三者吻合良好，测试中，电磁波入射方向为-40°~10°时，波束偏折角度与理论值 吻合较好，这小于仿真时的-60°~15°，这主要是由于板子的尺寸有限，当入射角度过大时， 在板子上的投影面积大大减小，导致相位梯度不再满足设计需求。
[0058]以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。本领域技术人员可以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，这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. 一种基于梯度超表面的透射双功能器件，其特征在于，包括:一底板，所述底板上设 有基于矩阵结构的12 X 12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（1)以及位于所述金 属框(1)内的四层级联透射结构(2)，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。2. 如权利要求1所述的一种基于梯度超表面的透射双功能器件，其特征在于，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（1)的内边长度为10mm，所述四层级联透射结构(2)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(2)的厚度为0.018_。
【专利摘要】本发明公开一种基于梯度超表面的透射双功能器件，包括：一底板，在所述底板上设有基于矩阵结构的12×12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。采用本发明的技术方案，可以实现透射聚焦和偏折功能。
【IPC分类】H01Q15/08
【公开号】CN105609961
【申请号】CN201510974702
【发明人】蔡通, 王光明, 汤世伟, 许河秀, 庄亚强
【申请人】中国人民解放军空军工程大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月22日