CN107799905B - 基于反射波束偏移的太赫兹极化分离器 - Google Patents

基于反射波束偏移的太赫兹极化分离器 Download PDF

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Abstract

基于反射波束偏移的太赫兹极化分离器，涉及一种太赫兹反射极化隔离器件。本发明包括金属底板、设置于金属底板上的介质基板、设置于介质基板上的4×4金属贴片阵列，其特征在于，所述金属贴片包括正交十字形部分和按正交方式分别设置于十字形四个端点的4根矩形短金属条，金属贴片为上下对称和左右对称，4根短金属条的中点位于正交十字形的两个对称轴上；以一个位于阵列顶角的金属贴片为基点，沿横向，相邻金属基片的TM波相位差皆为90°；沿纵向，相邻金属基片的TE波相位差皆为90°。本发明实现了对TE与TM波实现不同方向的调制。

Description

基于反射波束偏移的太赫兹极化分离器
技术领域
本发明涉及一种太赫兹反射极化隔离器件。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)波是一段有待开发的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。该频率范围位于毫米波与红外、光之间，具有许多独特的电磁特性。因而使其在物理、化学、电子信息、成像、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通信与雷达等领域具有极其重要的潜在利用价值。
由于技术的进步，雷达工作频率现如今越来越高，突破厘米波段接受发隔离器件或系统在更高频段上应用的限制成为重要的研究课题。收发开关是雷达系统中一种特殊的装置，它允许发射机和接受机共用一部天线系统，在发射时要保护接受机不被破坏，在接收时它把回波信号送到接受机，在天线收发开关应用场合，发射机的峰值功率可以达到1MW或更高，而接收机允许的最大安全功率小于1W。因此天线收发收发开关需要在发射机和接收机之间提供大于60dB的隔离，然而，对于所需的信号传输损耗应该更小以至于可以忽略不计。
随着现代通信系统技术的发展，单纯的极化器件已经难以满足。利用极化分离技术，可以实现无线系统中对多极化天线的迫切需求，极大的拓展了人工结构材料的极化操控性能。由于在雷达系统中由于发射与接收极化方式不同，利用极化分离不仅可以有效的保护接收与发射装置，而且实现了了雷达的灵活性。在材料检测中使用多极化检测可以了解更多的材料的特性，在实验测试中极化分离技术也十分重要。圆极化拥有雨雪衰减小，穿透电离层强，而线极化制造简单而且效率高的特点，实现圆极化分离，线极化分离各有优点。而且无论线极化还是圆极化，都可以应用在成像系统上，例如在医学成像、材料科学、空间遥感和军事目标识别。
反射天线是利用平面单元的相移特性来补偿从馈源发出的入射波至等相位面的路径差带来的相位差，从而形成垂直于等相位面的聚焦波束，可调控的反射阵兼备了反射面天线和相控阵天线的特点。但是传统的反射阵在高频段尤其是太赫兹波段存在加工工艺和偏置网络结构的限制，限制了反射阵天线的电控设计。
随着现代通信系统技术的发展，单纯的极化器件已经难以满足。利用极化分离技术，可以实现无线系统中对多极化天线的迫切需求，极大的拓展了人工结构材料的极化操控性能。由于在雷达系统中由于发射与接收极化方式不同，利用极化分离不仅可以有效的保护接收与发射装置，而且实现了了雷达的灵活性。在材料检测中使用多极化检测可以了解更多的材料的特性，在实验测试中极化分离技术也十分重要。圆极化拥有雨雪衰减小，穿透电离层强，而线极化制造简单而且效率高的特点，实现圆极化分离，线极化分离各有优点。而且无论线极化还是圆极化，都可以应用在成像系统上，例如在医学成像、材料科学、空间遥感和军事目标识别。
反射阵天线是利用平面单元的相移特性来补偿从馈源发出的入射波至等相位面的路径差带来的相位差，从而形成垂直于等相位面的聚焦波束，可调控的反射阵兼备了反射面天线和相控阵天线的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于反射波束偏移的太赫兹极化分离器，能够对TE与TM波实现不同方向的调制。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于反射波束偏移的太赫兹极化分离器，包括金属底板、设置于金属底板上的介质基板、设置于介质基板上的N×M金属贴片阵列，其特征在于，所述金属贴片包括正交十字形部分和按正交方式分别设置于十字形四个端点的4根矩形短金属条，金属贴片为上下对称和左右对称，4根短金属条的中点位于正交十字形的两个对称轴上；N和M皆为大于3的整数。
本发明的有益效果是：
(1)、实现了对TE与TM波实现不同方向的调制。
(2)、本发明中采用平面人工微结构，通过单层阵列实现对太赫兹波的相位调控，并且该结构简单可通过微细加工手段实现，工艺成熟，易于制作。
(3)、本发明所设计的反射结构，通过同时控制TE与TM波相位实现了TE与TM波的不同反射方向的分离。
(4)可变有效参数多，利于控制同时TE与TM波相位，更加容易在有效带宽内实现更好的相位曲线。
附图说明
图1为单元结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明在0.3THz情况下的反射远场图。
图4为本发明在0.4THz情况下的反射远场图。
图5为图2第一行每个贴片单元在TM波时候的反射相位曲线图；
图6为图2第一行每个贴片单元在TE波时候的反射相位曲线图。
图7为平面波在不同频率的反射角度示意图。
图8为实施方式中的金属贴片序号示意图。
具体实施方式
本发明设计出在特定频点上对太赫兹电磁波具有频率响应的人工微结构反射阵列，利用相位的二维调节，实现了TE波(电场沿y方向的线极化)向y轴方向反射，而TM波(电场沿x方向的线极化)则向x轴方向反射，通过同时控制TE与TM单元相位，使其周期结构在远场分离。其表面单元结构为金属铝，厚度t＝1μm；介质基板材料为石英，宽度l＝340μm,高度h＝100μm；底板为金属铝，其具体单元表示如图1所示，具体尺寸如下：
各贴片单元的编号方式见图8，“单元”列的数字为单元编号。
第一行：单位(μm)
Figure BDA0001395326650000031
第二行：单位(μm)
Figure BDA0001395326650000032
第三行：单位(μm)
Figure BDA0001395326650000041
第四行：单位(μm)
Figure BDA0001395326650000042
其主要通过用l1改变TE波相位，而l2用来改变TM波相位，而a1则在一定频率上改变TE波相位的变化程度，而a2则在一定频率上改变TM波相位的变化程度，最后通过b1、b2、w1、w2进行最后细微的变化，使其在带宽内拥有更好的相位变化曲线。
本发明是一种太赫兹波段基于人工超材结构的极化隔离器件，包括：金属底板、位于金属地板上的介质基板、位于介质基板上的辐射金属贴片阵列，其特征在于介质基板为石英；隔离器阵列的每个单元为金属贴片；最后通过控制每个单元的相位，通过控制每个单元的相位差，尽可能的保证每一个单元最后相位结果，在需要的频率范围内都保持相差90°的相位差，以TM波为例：每一列单元相位相同，相邻之间相差90°。因为360°是一个周期，刚好4个单元每一个又相差90°，这样就刚好一个周期，这样就达成了相位相干加强了远场辐射强度,其带宽在0.30THz与0.40THz之间。主要设计是利用公式
Figure BDA0001395326650000043
其中θ为反射角度，而Δφ为相邻单元的相位差，λ为波的波长，l为单元宽度。通过上面公式可以看出，在不同频率下λ不同，sinθ也会改变，这样就达到了不同频率下，扫描角度不同的特点。通过一个4*4结构不同参数的单元组合，每一行中，理想情况下TE波的相位是相同的，而TM波则相差90°；同理，整个单元结构是斜对称的，所以每一列的TM波相位相同，而TE相差90°。
进一步的，所述基板为聚二甲基硅氧烷、硅、聚苯乙烯。
进一步的，单元贴片为Au、Ag、Cu或Al。
本发明的贴片单元排列为N×M金属贴片阵列，N和M皆为大于3的整数，例如，N＝4，M＝4。N和M也可以为大于4的整数。显然的，对于N和M大于4的实施例，其包含了N＝M＝4的实施例，或者说，N＝M＝4的实施例成为其一部分。

Claims (2)

1.基于反射波束偏移的太赫兹极化分离器，包括金属底板、设置于金属底板上的介质基板、设置于介质基板上的N×M金属贴片阵列，其特征在于，所述金属贴片包括正交十字形部分和按正交方式分别设置于十字形四个端点的4根矩形短金属条，金属贴片为上下对称和左右对称，4根短金属条的中点位于正交十字形的两个对称轴上；N和M皆为大于3的整数；
以一个位于阵列顶角的金属贴片为基点，沿横向，相邻金属基片的TM波相位差皆为90°；沿纵向，相邻金属基片的TE波相位差皆为90°；
所述金属贴片阵列中，各金属贴片的参数为：
第11金属贴片：纵臂长度105微米，横臂长度105微米，纵向短金属条长度126微米，横向短金属条长度126微米，纵向顶点距离58微米，横向顶点距离58微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第12金属贴片：纵臂长度62.5微米，横臂长度17.5微米，纵向短金属条长度120微米，横向短金属条长度140微米，纵向顶点距离55微米，横向顶点距离65微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第13金属贴片：纵臂长度45微米，横臂长度62.5微米，纵向短金属条长度96微米，横向短金属条长度176微米，纵向顶点距离25.5微米，横向顶点距离83微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第14金属贴片：纵臂长度55微米，横臂长度90微米，纵向短金属条长度100微米，横向短金属条长度160微米，纵向顶点距离25微米，横向顶点距离75微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10；
第21金属贴片：纵臂长度17.5微米，横臂长度62.5微米，纵向短金属条长度140微米，横向短金属条长度120微米，纵向顶点距离65微米，横向顶点距离55微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第22金属贴片：纵臂长度52.5微米，横臂长度52.5微米，纵向短金属条长度40微米，横向短金属条长度40微米，纵向顶点距离15微米，横向顶点距离15微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第23金属贴片：纵臂长度32.5微米，横臂长度72微米，纵向短金属条长度80微米，横向短金属条长度40微米，纵向顶点距离15微米，横向顶点距离25微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第24金属贴片：纵臂长度41微米，横臂长度74微米，纵向短金属条长度100微米，横向短金属条长度40微米，纵向顶点距离35微米，横向顶点距离15微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第31金属贴片：纵臂长度62.5微米，横臂长度45微米，纵向短金属条长度176微米，横向短金属条长度96微米，纵向顶点距离83微米，横向顶点距离25.5微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第32金属贴片：纵臂长度72微米，横臂长度35.2微米，纵向短金属条长度40微米，横向短金属条长度80微米，纵向顶点距离15微米，横向顶点距离15微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第33金属贴片：纵臂长度28.5微米，横臂长度28.5微米，纵向短金属条长度60微米，横向短金属条长度60微米，纵向顶点距离7.5微米，横向顶点距离7.5微米，纵向短金属条宽度45微米，横向短金属条宽度45微米；
第34金属贴片：纵臂长度41微米，横臂长度32.5微米，纵向短金属条长度60微米，横向短金属条长度60微米，纵向顶点距离25微米，横向顶点距离7.5微米，纵向短金属条宽度45微米，横向短金属条宽度45微米；
第41金属贴片：纵臂长度90微米，横臂长度55微米，纵向短金属条长度160微米，横向短金属条长度100微米，纵向顶点距离75微米，横向顶点距离25微米，纵向短金属条宽度10微米，横向短金属条宽度10微米；
第42金属贴片：纵臂长度74微米，横臂长度41微米，纵向短金属条长度60微米，横向短金属条长度60微米，纵向顶点距离75微米，横向顶点距离25微米，纵向短金属条宽度45微米，横向短金属条宽度45微米；
第43金属贴片：纵臂长度32.5微米，横臂长度41微米，纵向短金属条长度60微米，横向短金属条长度60微米，纵向顶点距离75微米，横向顶点距离25微米，纵向短金属条宽度45微米，横向短金属条宽度45微米；
第44金属贴片：纵臂长度75微米，横臂长度75微米，纵向短金属条长度60微米，横向短金属条长度60微米，纵向顶点距离20微米，横向顶点距离20微米，纵向短金属条宽度20微米，横向短金属条宽度20微米。
2.如权利要求1所述的基于反射波束偏移的太赫兹极化分离器，其特征在于，介质基板的材质为石英。
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