CN108365344A - 一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器，由介质基底层、有源超表面层和金属地板层组成；有源超表面层由多个相同的蝶形结构单元组成，这些蝶形结构单元在介质基底层的上表面呈规则矩阵式间隔排列；金属地板层由多条相同的条状金属片组成，这些条状金属片在介质基底的下表面呈并行式间隔排列；上述介质基底层上开设有多个金属过孔，金属贴片均通过对应的金属过孔与其正下方的条状金属片相连。本发明通过控制变容二极管的偏置电压实现器件功能的切换，使其具有线极化偏转、椭圆极化转换和圆极化转换等多重功能，解决了极化器功能单一的问题。

Description

一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器
技术领域
本发明涉及极化转换器技术领域，具体涉及一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器。
背景技术
极化是电磁波的重要特性之一，在通信、成像、传感等领域内有重要应用。基于超表面的新型极化转换器件具有重量轻、结构简单、损耗低等优点而被广泛应用。然而该类器件通常由无源超表面构成，由此设计的极化转换器功能单一，不具备可调谐特性。若要实现器件的多功能特性，则必须修改超表面的几何结构和参数，并进行重新设计，这极大限制了器件的应用。
发明内容
本发明针对现有极化转换器不具备可调谐特性的问题，提供一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器，包括极化转换器本体，该极化转换器本体由介质基底层、有源超表面层和金属地板层组成。上述有源超表面层由多个相同的蝶形结构单元组成，这些蝶形结构单元在介质基底层的上表面呈规则矩阵式间隔排列；每个蝶形结构单元均由1个变容二极管和2片金属贴片所构成；2片金属贴片结构完全相同，并呈镜像对称地设置在变容二极管的两侧，且变容二极管的2个管脚分别与这2片金属贴片相连。上述金属地板层由多条相同的条状金属片组成，这些条状金属片在介质基底的下表面呈并行式间隔排列；条状金属片的数量为有源超表面层上的蝶形结构单元列数的2倍，即每一列蝶形结构单元的左侧金属贴片的正下方设有一条沿列向延伸的条状金属片即左侧条状金属片，每一蝶形结构单元的右侧金属贴片的正下方设有另一条沿列向延伸的条状金属片即右侧条状金属片；左侧条状金属片和右侧条状金属片分别连接偏置电源的其中一极。上述介质基底层上开设有多个金属过孔；金属过孔的数量与有源超表面层上的金属贴片的数量相同，且每个金属过孔均位于对应金属贴片的正下方；每个金属贴片均通过对应的金属过孔与其正下方的条状金属片相连。
上述方案中，金属贴片为等腰梯形、等腰三角形或水滴形。
上述方案中，介质基底层为FR4介质板。
上述方案中，每一列的左侧条状金属片均与偏置电源的同一极相连，每一列的右侧条状金属片均与偏置电源的另一极相连。
上述方案中，通过改变偏置电源来调整极化转换器本体在x方向的表面阻抗，以实现对极化转换器本体在x方向上反射波的调控，并最终实现对极化转换器本体在x方向和y方向上反射波的合成波的极化态的调控。
与现有技术相比，本发明能够通过控制变容二极管的偏置电压实现器件功能的切换，使其具有线极化偏转、椭圆极化转换和圆极化转换等多重功能，从而解决了极化器功能单一的问题。另外，采用栅状条状金属片为地板，使其同时兼有反射板和二极管偏置线的功能，不需要单独为二极管设置偏置线，简化了器件结构。
附图说明
图1为一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器的立体结构示意图。
图2为图1的俯视示意图。
图3为单个蝶形结构单元的结构示意图。
图4为偏置电压加载方式。
图5为变容二极管偏置电压为0V时，器件对u极化方向入射波的反射系数的振幅曲线图。
图6为变容二极管偏置电压为0V时，器件对u极化入射波的转换效率(PCR)图。
图7为变容二极管偏置电压为-19V时，器件对u极化入射波的反射系数的振幅曲线图。
图8变容二极管偏置电压为-19V时，器件对u极化入射波的反射系数的相位分布图
图9为变容二极管偏置电压为-19V时，圆极化反射波的轴比曲线图。
图中标号：1、有源超表面层；1-1、金属贴片；1-2、变容二极管；2、介质基底层；2-1、金属过孔；3、金属地板层；3-1条状金属片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
参见图1和2，一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器，包括极化转换器本体，该极化转换器本体由介质基底层2、有源超表面层1和金属地板层3组成。
上述有源超表面层1由多个相同的蝶形结构单元组成，这些蝶形结构单元在介质基底层2的上表面呈规则矩阵间隔排列，即沿表面横向x轴方向(行方向)和表面纵向y轴方向(列方向)周期性排列而成。每个蝶形结构单元均1个变容二极管1-2和2片金属贴片1-1所构成，且每个蝶形结构单元均关于其中心呈表面横向x轴和表面纵向y轴对称。2片金属贴片1-1结构完全相同，并呈镜像对称地设置在变容二极管1-2的两侧，变容二极管1-2的2个管脚分别与这2片金属贴片1-1相连。为了能够获得蝶形结构单元，所述金属贴片1-1可以采用等腰梯形、等腰三角形或水滴形。当2个金属贴片1-1为等腰梯形时，这2个等腰梯形金属贴片1-1的短边与变容二极管1-2连接。当2个金属贴片1-1为等腰三角形时，等腰三角形金属贴片1-1的顶角与变容二极管1-2连接。当2个金属贴片1-1为水滴形时，水滴形金属贴片1-1的尖角与变容二极管1-2连接。在本发明优选实施例中，所述金属贴片1-1为等腰梯形。参见图3。
上述金属地板层3由多条相同的条状金属片3-1组成，这些条状金属片3-1在介质基底层2的下表面呈并行间隔排列。条状金属片3-1的数量为有源超表面层1上的蝶形结构单元列数的2倍，即每一列蝶形结构单元的左侧金属贴片1-1的正下方设有一条沿列向延伸的条状金属片3-1即左侧条状金属片3-1，每一蝶形结构单元的右侧金属贴片1-1的正下方设有另一条沿列向延伸的条状金属片3-1即右侧条状金属片3-1。在实际加工过程中，条状金属片3-1由完整的金属覆铜材料，并通过在y轴方向上刻蚀微型缝隙制成。由于金属地板层3同时兼有反射板和二极管偏置线的功能，因此不需要单独为二极管设置偏置线，从而简化了器件结构。
上述介质基底层2上开设有多个金属过孔2-1。金属过孔2-1的数量与有源超表面层1上的金属贴片1-1的数量相同。每个金属过孔2-1均分别位于每个金属贴片1-1的正下方。每个金属贴片1-1均通过对应的金属过孔2-1与其正下方的条状金属片3-1相连。
为了能够实现对本极化转换器本体的线极化偏转和圆极化转换功能的切换，需要在金属地板层3上接偏置电源，即每一蝶形结构单元下的左侧条状金属片3-1和右侧条状金属片3-1分别与偏置电源的其中一极相连。参见图4。对于整个极化转换器来说，每一列的左侧条状金属片3-1均与偏置电源的同一极(如正极)相连，每一列的右侧条状金属片3-1均与偏置电源的另一极(如负极)相连。偏置电源正负极连接在条状金属片3-1上，并通过金属过孔2-1对变容二极管1-2进行馈电，通过馈电电压调控变容二极管1-2的电容，来调整极化转换器本体在x方向的表面阻抗，以实现对极化转换器本体在x方向上反射波的调控，并最终实现对极化转换器本体在x方向和y方向上反射波的合成波的极化态的调控。
在本实施例中，介质基底层2为FR4介质板，所述有源超表面层1的金属贴片1-1和金属地板层3的条状金属片3-1均由金属覆铜材料制成，有源超表面层1的变容二极管1-2采用Skyworks Solutions厂商生产的SMV2019-079LF系列变容二极管1-2，通过焊接技术将其加载在超表面上。单元结构周期P为16mm。介质基底层2的厚度6mm。有源超表面层1的每个蝶形结构单元的长L1为13mm，宽L2为8mm；金属贴片1-1的厚度0.018mm；金属贴片1-1中间缝隙宽度g为0.3mm，缝隙长度m为0.3mm，参见图3。金属地板层3的同一组(即位于同一列蝶形结构单元下)的2条条状条状金属片3-1之间的缝隙宽度为0.15mm，金属地板层3的相邻组(即位于相邻两列蝶形结构单元下)的2条条状条状金属片3-1之间的缝隙宽度也为0.15mm。
变容二极管1-2等效为阻抗由下式表示：
其中Z，R，L，C分别表示二极管阻抗，等效电阻，等效电感，等效电容。本案例中使用变容二极管1-2加载电压与对应数据如下表：
VR(V) C(pF) R(Ω) L(nH)
0 2.31 4.51 0.70
-4 0.84 4.04 0.70
-7 0.55 3.66 0.70
-11 0.38 3.18 0.70
-14 0.31 2.86 0.70
-16 0.27 2.65 0.70
-19 0.24 2.38 0.70
其中VR，C,R,L分别表示加载在变容二级管上的电压，等效电容，等效电阻，等效电感。
通过改变加载在变容二级管上的电压VR大小，可以改变变容二极管1-2的等效电容、等效电阻和等效电感，最终改变二极管的等效阻抗，这相当于改变超表面在x方向的表面阻抗特性。当与x轴成45o角入射到超表面上时，入射波电场(u极化波)可分解为两个正交的本征模式Ex和Ey，而调节变容二极管1-2上的偏置电压可以调整x方向阻抗特性，从而进一步调控本征模Ex的反射特性(包括振幅和相位)，这样反射波的合成波的极化态也将受变容二极管1-2偏置电压的调控。
对所设计的极化转换器各参数进行优化仿真，得到优选仿真实例，仿真软件选用CST2016。仿真实验中，入射波为线极化波，电场极化方向与x轴呈45°夹角，即为u极化波。仿真结果如图5所示,当偏置电压为0V时，在4.07-7.73GHz范围内，交叉极化波的反射系数Rvu>0.8，而共极化反射系数Ruu<0.3，且如图6所示。此时本发明本体为一宽带线极化转换器。当偏置电压为-19V时，仿真的反射系数如图7和图8所示。我们发现，在2.5-4.1GHz范围内|Ruu|/|Rvv|≈1且在该频率范围内反射系数的相位差近似等于90o，说明反射波为圆极化波，即器件实现了圆极化的转换功能。为了进一步说明器件的工作性能，我们分析了反射波的轴比。而轴比由下如方程计算：
其中相位差计算结果如图9所示，在2.5-4.1GHz范围内,轴比小于3dB，证明器件在宽带范围内具有优秀的圆极化转换特性。
本优选仿真实例中，所提出的极化转换器可以在线极化偏转的功能和圆极化转换的功能之间动态切换，解决了由无源超表面构建的器件功能单一的问题。
本发明能够通过改变加载在变容二极管1-2上的电压，改变变容二极管1-2电容，从而实现极化转换器本体极化转换功能的可重构。当偏置电压为0V即变容二极管1-2电容值为2pF时，器件实现线极化偏转功能，在4.07-7.73GHz范围内交叉极化反射系数大于0.8；当偏置电压为-19V即变容二极管1-2电容值为0.24pF时，器件实现圆极化转换功能，在4.94-8.13GHz范围内轴比小于3dB；当偏置电压在0到-19V之间变化时，器件变为椭圆极化转换器。同时，在不同偏置电压下，器件都能实现宽带工作。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器，包括极化转换器本体，其特征是，该极化转换器本体由介质基底层(2)、有源超表面层(1)和金属地板层(3)组成；
上述有源超表面层(1)由多个相同的蝶形结构单元组成，这些蝶形结构单元在介质基底层(2)的上表面呈规则矩阵式间隔排列；每个蝶形结构单元均由1个变容二极管(1-2)和2片金属贴片(1-1)所构成；2片金属贴片(1-1)结构完全相同，并呈镜像对称地设置在变容二极管(1-2)的两侧，且变容二极管(1-2)的2个管脚分别与这2片金属贴片(1-1)相连；
上述金属地板层(3)由多条相同的条状金属片(3-1)组成，这些条状金属片(3-1)在介质基底的下表面呈并行式间隔排列；条状金属片(3-1)的数量为有源超表面层(1)上的蝶形结构单元列数的2倍，即每一列蝶形结构单元的左侧金属贴片(1-1)的正下方设有一条沿列向延伸的条状金属片(3-1)即左侧条状金属片(3-1)，每一蝶形结构单元的右侧金属贴片(1-1)的正下方设有另一条沿列向延伸的条状金属片(3-1)即右侧条状金属片(3-1)；左侧条状金属片(3-1)和右侧条状金属片(3-1)分别连接偏置电源的其中一极；
上述介质基底层(2)上开设有多个金属过孔(2-1)；金属过孔(2-1)的数量与有源超表面层(1)上的金属贴片(1-1)的数量相同，且每个金属过孔(2-1)均位于对应金属贴片(1-1)的正下方；每个金属贴片(1-1)均通过对应的金属过孔(2-1)与其正下方的条状金属片(3-1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器，其特征是，金属贴片(1-1)为等腰梯形、等腰三角形或水滴形。
3.根据权利要求1所述的一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器，其特征是，介质基底层(2)为FR4介质板。
4.根据权利要求1所述的一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器，其特征是，每一列的左侧条状金属片(3-1)均与偏置电源的同一极相连，每一列的右侧条状金属片(3-1)均与偏置电源的另一极相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于有源超表面的功能可重构极化转换器，其特征是，通过改变偏置电源来调整极化转换器本体在x方向的表面阻抗，以实现对极化转换器本体在x方向上反射波的调控，并最终实现对极化转换器本体在x方向和y方向上反射波的合成波的极化态的调控。
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