一种基于超薄透射梯度超表面的极化分离器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波技术领域，尤其设及一种基于超薄透射梯度超表面的极化分离 器。
【背景技术】
[0002] 目前操控电磁波的幅度、相位和极化特性已成为国际前沿课题。极化分离器，作为 电磁波极化控制的重要器件，在通讯工程、雷达系统和波前控制系统等领域具有重要应用 前景。
[0003] 对于极化分离器的实现主要有5种。传统技术上主要采用天然的双折射晶体来实 现，基于晶体的双折射特性，对于不同极化的电磁波可W形成不同的电磁相应;上世纪末， 随着超材料发现并被广泛用于微波器件设计，采用二维光子晶体结构使得极化分离器的设 计摆脱了对自然材料的依赖，从而可W根据科学家的意愿来进行不同功能的设计;有源器 件的引入，如半导体器件、光子集成电路的使用，大大减小了极化分离器的尺寸;近年来，随 着超材料技术的发展，尤其是渐变折射率超材料的提出，采用各向异性超材料、二维渐变折 射率超材料设计的极化分离器实现了对不同极化电磁波的独立操控。
[0004] W上极化分离器存在如下缺陷：
[000引采用双折射晶体设计的极化分离器必须依赖自然的双折射晶体来实现，且对于电 磁波入射角度及其敏感;采用光子晶体设计的极化分离器结构复杂，电磁能量损耗较大，同 时极化分离角度受限;采用半导体器件、集成电路设计的极化分离器引入了有源元件，价格 昂贵，同时有源元件破坏了两个维度的极化独立特性，使得极化分离程度有所降低;采用各 向异性超材料和二维渐变折射率超材料设计的极化分离器，主要基于光程差来实现波束控 审IJ，器件比较笨重，同时极化分离程度不高。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是，提一种供基于超薄透射梯度超表面的极化分离器， 提高了极化分离程度，同时降低了极化分离器的厚度。
[0007] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
[0008] -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6X6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=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=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。
[0009] 作为优选，第一介质板和第二介质板均采用厚度为1.5mm，介电常数为2.65的F4B 介质板。
[0010] 作为优选，每个超表面单元周期为PxXFV = IlmmX 11mm。
[0011] 作为优选，所述第一级联金属贴片的厚度为0.018mm。
[0012] 本发明的有益效果如下：
[0013] 1.采用二维超薄梯度超表面单元，实现了透射相位0~360°连续变化，与传统采用 光程差控制相位相比，极大的减小了超表面单元的厚度，且同一厚度的单元可W实现不同 的相位分布；
[0014] 2.利用超表面单元的极化独立特性，在不同极化电磁波激励下，实现了电磁特性 的独立操控；
[0015] 3.基于超表面单元设计的极化分离器，实现了电磁波束的独立操控，采用平行极 化波激励时，波束在XOZ平面实现了27°的波束偏折，采用垂直极化波激励时，波束在yoz平 面实现了-27°的波束偏折；
[0016] 4.由于超表面单元的极化独立特性，实现了良好的波束分离特性，采用45°极化波 激励时，两种极化波的分离程度达到18地；
[0017] 5.由于超表面单元采用非谐振元结构，不同尺寸单元的透射相位在一定带宽范 围具有一致性，研制的极化分离器带宽相对较宽，达到了600MHz。
【附图说明】
[0018] 图1为基于混合极化波入射的二维TPGMs奇异偏折效应的示意图，其中，图1(a)为 混合极化波入射TPGMl，图1 (b)为混合极化波入射TPGM2，图1 (C)为混合极化波入射TPGM3， 图1 (d)为混合极化波入射TPGM4;
[0019] 图2为超表面单元的拓扑机构W及仿真设置的示意图，其中，图2(a)为超表面单元 的俯视图和几何参数的示意图，图2(b)为对于//和1极化波的仿真设置的示意图，图2(c) 为超表面单元的结构示意图；
[0020] 图3为仿真计算的超表面单元的传输系数和传输相位的示意图，其中，图3(a)为山 = dy = 8.28mm时，超表面单元的传输系数和相位的示意图，图3(b)为X方向存在60°相位梯 度和y方向存在-60°相位梯度时超表面单元的传输幅度和相位的示意图；
[0021] 图4为基于不同极化激励波超表面单元的传输相位响应的示意图，其中，图4(a)为 对于//极化波的相位响应示意图，图4(b)为对于1极化波的相位响应示意图；
[0022] 图5为设计的二维TPGM结构示意图及在不同极化激励下的电磁响应示意图，其中， 图5(a)为二维TPGM结构示意图；图5(b)、图5(C)分别为X、y方向TPGM在不同极化激励下的电 磁响应示意图；
[0023] 图6为本发明极化分离器的结构示意图和极化分离器的加工样品示意图，其中，图 6(a)为基于TPGM超表面单元的俯视图，图6(b)为基于TPGM超表面单元的侧视图；图6(c)为 极化分离器的加工样品的示意图；
[0024] 图7为组装的极化分离器示意图W及匹配测试示意图，其中，图7(a)为匹配测试示 意图，图7(b)为基于//的极化波激励时仿真和测试的反射系数的示意图，图7(c)为基于丄 的极化波激励时仿真和测试的反射系数的示意图，图7(d)为混合极化波激励时仿真和测试 的反射系数的示意图；
[0025] 图8为仿真的1OG化S维远场福射方向图，其中，图8(a)为卿趴福射方向图；图8(b) 为基于//极化波激励时极化分离器的远场方向图，图8(c)基于丄极化波激励时极化分离 器的远场方向图，图8(d)为混合极化波激励时极化分离器的远场方向图；
[0026] 图9为仿真和测试的IOG化二维福射方向图，其中，图9(a)为基于//极化波激励的 二维远场福射方向图，图9(b)为基于丄极化波激励的二维远场福射方向图，图9(c)和图9 (d)为混合极化波激励的二维远场福射方向图；
[0027] 图10为测试的9.6到10.2G化时远场福射方向图，其中，图10(a)为//极化波激励的 示意图，图10(b)为丄极化波激励的示意图；
[0028] 图11为仿真和测试的IOG化时的极化分离比的示意图。
【具体实施方式】
[0029] 目前提出广义折射/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 W进行独立操控。因此，广义折射定律可W写为：
[0031]其中，01和0t分别为入射角和折射角，m和nt分别表示入射界面和出射界面的折射 率，Ao为激励电磁波在自由空间的波长。下标//和丄分别表示水平极化波和垂直极化波，下 文提到的混合极化波即为运两种波的混合，4 X和& y分别表示X和y方向的传输相位，d d) x/ dx和d 4 y/dy分别表示X和y方向的相位梯度。当电磁波沿Z轴方向入射，如图1所示，即0i = 0°，对于不同极化的激励波，其偏折角可W计算为：
[0033] 也就是说，当采用混合极化波激励二维透射梯度超表面（Transmissive Phase Gradient Me化SU计ace,TPGM)时，其出射波将会分解为两束不同极化波，实现极化分离的 功能。对于TGMS来讲，其透射波偏折角度可W计算为
[0035] 其中，Lx为//方向超单元尺寸，1\为/7方向单元周期，心为丄方向超单元尺寸，Py为 丄方向单元周期。
[0036] 要进行极化分离器的设计和研制，就必须在不同方向实现不同的相位梯度，因此 TGMS需满足的相位分布为
[003引其中，<l)x(x,y)为(x，y)处沿//方向的相位，<l)y(x,y)为(x，y)处沿丄方向的相位。 [0039 ]图1给出了采用混合极化波激励4种不同的TPGMs时的电磁响应。由图1 (a)可W看 出，对于TPGMl，其X和y方向均不存在相位梯度，即d 4 x/dx = d 4 y/dy = 0，该情形中，混合极 化波仍沿Z方向传输，//极化波和丄极化波不能实现波束分离。当X方向存在相位梯度，即d d) x/dx辛0和d d) y/dy = 0时，//极化波在XOZ平面发生波束偏折，丄极化波不发生波束偏折。 当y方向存在相位梯度，即d 4 x/dx = 0和d 4 y/dy 7^0时，丄极化波在yoz平面发生波束偏 折，//极化波不发生波束偏折。对于在X和y方向分别存在相位梯度时，即d d) x/dx ^ 0和d d) y/ dy辛0时，//和丄极化波分别在XOZ和yoz平面实现了目谢目2的偏折角，该种情况下，可W实现 良好的波束分离特性，工程中对于高极化纯度波束制备，抑制杂波干扰等具有重要应用前 旦 O
[0040] 相比于反射PGM，TPGM不仅要实现0~360°的相位覆盖范围，而且要保证足够高的 传输系数才能确保超表面的高效传输。多层电磁禪合可W展宽相位覆盖范围，同