CN108736170A - 一种基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，包括由上至下依次层叠第二层介质基板、第一层介质基板及底层金属反射板，所述第二层介质基板上方贴敷有由金属贴片及固态等离子体谐振单元、二氧化钒谐振单元组成的可以实现超宽带范围内的线‑圆极化转换的谐振单元。本发明通过外部的逻辑阵列编程控制固态等离子体构成的谐振单元的激励状态，通过温度控制二氧化钒区域相变状态，从而实现所述极化转换器在不同频域范围内的线‑圆极化转换，且通过合理的参数优化可以使得圆极化的频带动态调控范围横跨X波段，Ku波段，K波段，Ka波段共四个波段。

Description

一种基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器
技术领域
本发明涉及固态等离子实用技术和微波器件技术领域，特别是基于固态等离子体与二氧化钒的可调控超宽带极化转换器。
背景技术
在线极化天线愈发难以满足严格的需求的今天，圆极化天线与极化转换器在卫星通信系统、无线遥感系统、WLAN(无线局域网)、WPAN(无线个人区域网)、GPS(全球定位系统)等一系列系统中已得到迅速发展。由于圆极化波的众多优势，如降低极化不一致导致的能量损耗，降低雨雾天气和建筑物的干扰性等等，使得线-圆极化转换技术在众多军事和民用的领域中得到了普遍地运用,所以研究线-圆极化转换技术至关重要。
传统意义上的极化转换主要是利用双折射材料或手性材料的各向异性。但自然界中双折射材料的各向异性较弱，因此传统的极化转换器的厚度通常在波长量级，从而导致光学器件或系统的体积十分庞大，不利于未来集成光子器件的发展。近年来研究发现，亚波长结构超材料具有一些超常物理特性，如负折射率、圆二色性、极化调控等。所以可以通过超材料来获得自然界难以获得的强各向异性，并且能实现物理尺寸较小的极化转换器。而超表面是由超材料结构单元组成的一种二维阵列，根据广义斯涅尔定理，超表面能够灵活地调制电磁波的极化方式、相位、传播方向等。但对于大多数情况，超表面结构一旦固定，工作范围很难再发生改变，为得到可调谐的宽圆极化工作范围就不得不引入大量的集总元件，控制电路复杂而且不利于集成和芯片化一体制造。
固态等离子体能够很好地解决这一问题，固态等离子体是采用通过外加激励例如电或光的形式在半导体本征层形成的，当外加激励并且固态等离子体内载流子浓度达到一定值时，其表现出与金属性质。当未激发成固态等离子体时，其表现类似半导体的介质特性，因此能在可调谐/可重构的微波器件大有用处。对于固态等离子体，可以通过对半导体制备的PIN管两端施加激励电压，可在I区产生固态等离子体。利用PIN单元构造基于固态等离子体的极化转换器,具有益于极化调控、超宽工作频域、可同时与外部控制的编程控制阵列实现一体化设计等优点。
同时可调控相变材料也是人们关注的焦点，二氧化钒由于相变温度最接近常温而得到广泛的研究。早在1959年，F.J.Morin就首次观察到了二氧化钒晶体在68℃时的电导率跃迁现象，进一步研究发现，二氧化钒在低于68℃处于绝缘态，作用等同于介质层，在高于68℃处于金属态，作用等同于金属层。这种相变前后的光学性质改变引起了人们极大的兴趣，因此二氧化钒在极化转换功能器件上有着巨大的研究价值。
本发明就是采用固态等离子体、二氧化钒和金属贴片共同工作，并且采用通过外部逻辑阵列编程控制固态等离子体区域的激励状态和通过温度控制二氧化钒区域相变状态这两种手段，实现了超宽带范围内的线-圆极化转换和圆极化工作频带可调控的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，通过外部的逻辑阵列编程控制固态等离子体构成的谐振单元的激励状态，通过温度控制二氧化钒区域相变状态，从而实现所述极化转换器在不同频域范围内的线-圆极化转换，且通过合理的参数优化可以使得圆极化的频带动态调控范围横跨X波段，Ku波段，K波段，Ka波段共四个波段。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，包括由上至下依次层叠第二层介质基板、第一层介质基板及底层金属反射板，所述第二层介质基板上方贴敷有由金属贴片及固态等离子体谐振单元、二氧化钒谐振单元组成的可以实现超宽带范围内的线-圆极化转换的谐振单元。
作为本发明的进一步优化方案，所述谐振单元由三部分组成，分别为顶层呈“糖果形”的金属贴片单元、呈“梯形”的固态等离子体谐振单元和呈“缺口直角梯形”二氧化钒谐振单元。
进一步的，所述固态等离子体谐振单元的个数为四个，固态等离子体谐振单元嵌于第二层介质基板中。所述二氧化钒谐振单元个数为四个，二氧化钒谐振单元附着在第二层介质基板上。
进一步的，所述顶层金属贴片由短轴为0.81mm，长轴为1.1583mm的椭圆结构与两个“弓形”结构组成，左侧“弓形”结构的弦中点与椭圆结构的中心位于x轴上且相距1.1183mm，左侧“弓形”结构对应一个圆心角86°41′、半径1.87mm的扇形结构，所述扇形结构的顶点与所述椭圆结构中心点的距离为0.2417mm，且两个“弓形”结构关于y轴对称。
所述固态等离子体谐振单元分别连接在左右“弓形”结构的弦长一侧的上下两端，左侧“弓形”结构上端连接的梯形谐振单元上底为0.35mm，下底为0.47mm，高为0.48mm，从所述梯形谐振单元上底的上端点引出的腰与两底边之间的垂线的夹角为45°，且左侧“弓形”结构上下端连接的梯形谐振单元关于x轴对称，左右两侧“弓形”结构连接的梯形谐振单元关于y轴对称。
所述二氧化钒谐振单元的谐振状态可由温度控制；当温度低于二氧化钒相变温度即小于68℃时，二氧化钒谐振单元处于绝缘态等同于介质层；当温度高于二氧化钒相变温度即大于68℃时，二氧化钒谐振单元处于金属态等同于金属层。
进一步的，所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离。固态等离子体构成的谐振单元通过激励PIN单元阵列实现。并通过其两端加载偏置电压进行激励，未激励时固态等离子体谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；激励时表现为金属特性，即为激励状态。
进一步的，所述第一层介质基板的材料为Neltec NY9220，介电常数2.2，损耗角正切值0.0009，边长4.8mm，厚度1.5mm，设置在金属反射板上方，所述第二层介质基板的材料为SiO2，介电常数4，边长4.8mm，厚度0.5mm，设置在第一层介质基板上方。所述顶层金属贴片与底层反射板材料为铜，厚度为0.018mm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明是基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，通过外部的逻辑阵列编程控制固态等离子体构成的谐振单元的激励状态，通过温度控制二氧化钒区域相变状态，从而实现所述极化转换器在不同频域范围内的线-圆极化转换。当电磁波垂直入射时，通过编程实现两种不同的激励状态，可以实现线-圆极化转换工作频带向高频段转移；通过温度调控实现两种不同状态，可以实现线-圆极化转换工作频带向低频段转移。通过合理的参数优化可以使得圆极化的频带动态调控范围横跨X波段，Ku波段，K波段，Ka波段共四个波段。
(2)本发明可以在较小的物理尺寸下实现对线-圆极化转换，具有频带覆盖范围宽、调控手段多样、设计灵活、功能性强、实用性强等特点。
附图说明
图1为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态一的单元结构示意图
图2为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态二的单元结构示意图
图3为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态三的单元结构示意图
图4为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态二结构单元周期性排列的(3×3)阵列图
图5为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态二的立体图
图6为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器侧视图
图7为PIN单元结构示意图
图8为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器在电场与水平方向呈45°的线极化波垂直入射时状态一、二轴比曲线
图9为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器在电场与水平方向呈45°的线极化波垂直入射时状态一、三轴比曲线
图10为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态一的极化转换率曲线
图11为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态二的极化转换率曲线
图12为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态三的极化转换率曲线
图13为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态一的相位差曲线
图14为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态二的相位差曲线
图15为基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器状态三的相位差曲线
附图标记解释：1—顶层金属贴片，2、3、4、5—固态等离子体构成的谐振单元，6、7、8、9—二氧化钒构成的谐振单元，10—第一层介质，11—第二层介质，12—金属反射板，13、14、15、16—固态等离子体激励源，17—固态等离子体，18—隔离区。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述：
本发明基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，该极化转换器由单元结构周期排列而成，共有以下三种状态：状态一其结构单元包括底层金属反射板12，第一层介质基板10，第二层介质基板11，顶层金属贴片1，如图1所示；状态二其结构单元包括底层金属反射板12，第一层介质基板10，第二层介质基板11，顶层金属贴片1以及被激励的固态等离子体谐振单元2、3、4、5，如图2所示；状态三其结构单元包括底层金属反射板12，第一层介质基板10，第二层介质基板11，顶层金属贴片1，处于金属态的二氧化钒谐振单元6、7、8、9，如图3所示。从而实现通过调控固态等离子体谐振单元的激励状态和二氧化钒谐振单元的相变状态达到工作频带动态调控的目的。
该极化转换器，当使用编程调控时，可在状态一与状态二之间切换；当使用温度调控时，可在状态一与状态三之间切换。
固态等离子体谐振单元由PIN单元组成的阵列实现，其每个PIN单元大小0.1mm×0.1mm，选择Drude模型描述固态等离子体的介电常数，其中等离子体频率为2.9×1019rad/s，其碰撞频率为1.65×1014 1/S，如图1所示。
PIN单元之间有隔离层隔开，通过其两端加载偏置电压进行激励。PIN单元未激励时，固态等离子体构成的谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；类似地，激励时表现为金属特性，即为激励状态，如图7所示。
固态等离子体谐振单元2、3、4、5分别通过等离子体激励源13、14、15、16进行激励，等离子体激励源13、14、15、16的通断状态通过编程来实现控制，如图5所示。
本发明基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器的产生方法，所述极化转换器对于入射的电磁波是极化敏感的，当电场与水平方向呈45°线极化波垂直入射时，状态一的线-圆极化转换是由顶层金属贴片单独工作引起；状态二的线-圆极化转换是由顶层金属贴片与被激励固态等离子体谐振单元2、3、4、5共同工作引起；状态三的线-圆极化转换是由顶层金属贴片与处于金属态的二氧化钒谐振单元6、7、8、9共同工作引起。
该极化转化器能在够实现较宽圆极化工作频带范围同时，通过编程调控和温度调控可以实现圆极化工作范围动态转移。该极化转化器的第一层介质基板材料为NeltecNY9220，介电常数2.2，损耗角正切0.0009，第二层介质基板材料为SiO2，介电常数为4。
该极化转化器的三种谐振单元与两层介质基板的相关参数如表1所示。
参数 a b d e
值(mm) 0.2417 0.48 0.35 0.47
参数 f g h1 h2
值(mm) 1.2 0.68 0.5 1.5
参数 i p r1 r2
值(mm) 0.8 4.8 0.81 1.87
参数 w
值(mm) 0.018
表1
基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，由若干个谐振单元周期排列而成。该极化转换器有四种工作状态，状态一其结构单元如图1所示，包括底层金属反射板，顶层金属贴片和底层金属反射板之间的两层介质基板；状态二其结构单元如图2所示，包括底层金属反射板，顶层金属贴片，顶层金属贴片和底层金属反射板之间的两层介质基板以及被激励的固态等离子体谐振单元2、3、4、5；状态三其结构单元图3所示，包括底层金属反射板，顶层金属贴片，顶层金属贴片和底层金属反射板之间的两层介质基板以及处于金属态的二氧化钒谐振单元6、7、8、9。
如图8是该极化转换器在状态一和状态二的轴比曲线，由于该极化转换器对于入射的电磁波是极化敏感的，在工作时，电场与水平方向呈45°线极化波沿-z方向垂直入射。工程上定义当极化波轴比小于3dB时即认为是圆极化波。图8中实线表示为状态一(固态等离子体谐振单元均未被激励，二氧化钒谐振单元均处于绝缘态)轴比曲线，3dB轴比带宽为14.3～29.7GHz，相对带宽为70％。图8中虚线表示为状态二(固态等离子体谐振单元2、3、4、5被激励，二氧化钒谐振单元均处于绝缘态)轴比曲线，3dB轴比带宽为14.4～23.4GHz与28.6～35.9GHz。显然，可以认为的用编程的方式来调控该极化转换器的圆极化工作频带向高频频段移动。
如图9是该极化转换器在状态一和状态三的轴比曲线，图9中实线表示为状态一(固态等离子体谐振单元均未被激励，二氧化钒谐振单元均处于绝缘态)轴比曲线，3dB轴比带宽为14.3～29.7GHz，相对带宽为70％。虚线表示为状态三(固态等离子体谐振单元均未被激励，二氧化钒谐振单元6、7、8、9处于金属态)轴比曲线，3dB轴比带宽为8.4～11.2GHz与18.7～29.5GHz。显然，可以认为能用调控温度的方式来调控该极化转换器的圆极化工作频带向低频频段移动。
如图10、图11、图12所示，分别是所述极化转换器在三种状态下工作时的极化转换率曲线。如图13、图14、图15所示，分别是所述极化转换器在三种状态下工作时的相位差曲线。由极化转换率公式PCRR表示反射极化转换率，rps表示交叉极化反射系数，rss表示同极化反射系数，tps表示交叉极化透射系数，tss表示同极化透射系数，由于底层为完全金属反射板，所以tps＝tss＝0,所以当PCRR＝0.5且正交反射极化波相位差为±90°(或者其奇数倍)时，表示发生完全线-圆极化转换。图13、图14、图15中,所述极化转换器在三种状态下相位差始终为±90°或者±270°，所以当PCRR在0.5附近时即可判断为实现线-圆极化转换。图10中，所述极化转换器处于状态一(固态等离子体谐振单元均未被激励，二氧化钒谐振单元均处于绝缘态)，在14.75～29.64GHz内极化转换率基本处在0.4～0.6之间，所以可认为实现了超宽带线-圆极化转换。图11中，所述极化转换器处于状态二(固态等离子体谐振单元2、3、4、5被激励，二氧化钒谐振单元均处于绝缘态)，在15.39～23.02GHz、29.27～31.24GHz和34.69～35.92GHz内极化转换率基本处在0.4～0.6之间，所以可以认为用编程的方式来实现该极化转换器的圆极化工作频带向高频频段移动。图12中，所述极化转换器处于状态三(固态等离子体谐振单元均未被激励，二氧化钒谐振单元6、7、8、9处于金属态)，在9～10.34GHz和19.4～28.9GHz内极化转换率处在0.4～0.6之间，所以可以认为能用调控温度的方式来实现该极化转换器的圆极化工作频带向低频频段移动。
在经过特定设计后，本发明的圆极化工作范围能够根据需要人工自由调控且频带动态调控范围横跨X波段，Ku波段，K波段，Ka波段共四个波段，本发明具有频带覆盖范围宽、调控手段多样、设计灵活、功能性强、实用性强等特点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：包括由上至下依次层叠第二层介质基板、第一层介质基板及底层金属反射板，所述第二层介质基板上方贴敷有由金属贴片及固态等离子体谐振单元、二氧化钒谐振单元组成的可以实现超宽带范围内的线-圆极化转换的谐振单元。
2.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述谐振单元由三部分组成，分别为顶层呈“糖果形”的金属贴片单元、呈“梯形”的固态等离子体谐振单元和呈“缺口直角梯形”二氧化钒谐振单元。
3.根据权利要求2所述的基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述固态等离子体谐振单元个数为四个，并嵌于第二层介质基板中；所述二氧化钒谐振单元个数为四个，并附着在第二层介质基板上。
4.根据权利要求2所述的基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述顶层金属贴片由短轴为0.81 mm，长轴为1.1583 mm的椭圆结构与两个“弓形”结构组成，左侧“弓形”结构的弦中点与椭圆结构的中心位于x轴上且相距1.1183 mm，左侧“弓形”结构对应一个圆心角86 °41 ′、半径1.87 mm的扇形结构，所述扇形结构的顶点与所述椭圆结构中心点的距离为0.2417 mm，且两个“弓形”结构关于y轴对称。
5.根据权利要求4所述的基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述固态等离子体谐振单元分别连接在左右 “弓形”结构的弦长一侧的上下两端，左侧“弓形”结构上端连接的梯形谐振单元上底为0.35 mm，下底为0.47 mm，高为0.48 mm，从所述梯形谐振单元上底的上端点引出的腰与两底边之间的垂线的夹角为45 °，且左侧“弓形”结构上下端连接的梯形谐振单元关于x轴对称，左右两侧“弓形”结构连接的梯形谐振单元关于y轴对称。
6.根据权利要求4所述的基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述二氧化钒构谐振单元分别连接在左右顶层“弓形”结构的弧长一侧的上下两端，左侧“弓形”结构上端连接的缺口直角梯形谐振单元由一个上底为0.68 mm，下底为0.8 mm的直角梯形剪去与“弓形”结构重叠部分构成，从所述直角梯形上底的上端点引出的直角边为1.2mm，左侧“弓形”结构上下两端连接的二氧化钒谐振单元关于x轴对称，左右两侧“弓形”结构连接的二氧化钒谐振单元关于y轴对称。
7.根据权利要求2所述的基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述二氧化钒谐振单元的谐振状态可由温度控制；当温度低于二氧化钒相变温度即小于68℃时，二氧化钒谐振单元处于绝缘态等同于介质层；当温度高于二氧化钒相变温度即大于68 ℃时，二氧化钒谐振单元处于金属态等同于金属层。
8.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离；固态等离子体构成的谐振单元通过激励PIN单元阵列实现，并通过对固态等离子体谐振单元两端加载偏置电压进行激励，未激励时固态等离子体谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；激励时表现为金属特性，即为激励状态。
9. 根据权利要求1所述的基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述第一层介质基板的材料为Neltec NY9220，介电常数2.2，损耗角正切值0.0009，介质基板边长4.8 mm，厚度1.5 mm，设置在金属反射板上方，所述第二层介质基板的材料为SiO2，介电常数4，介质基板边长4.8 mm，厚度0.5 mm，设置在第一层介质基板上方。
10.根据权利要求3所述的一种基于固态等离子体的电磁超表面极化转换器，其特征在于：所述顶层金属贴片与底层反射板材料为铜，厚度为0.018mm。
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