CN111009735B - 太赫兹宽带圆极化频率扫描超表面 - Google Patents

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Abstract

宽带圆极化频率扫描超表面，涉及无线通信技术。本发明包括按照M×N阵列排列的相移单元，每一相移单元包括重叠设置的金属底板和介质基板，在介质基板的上表面设置有一个相移结构，同一列相移单元的相移结构相同；所述相移结构包括一个工字形栅条和对称设置于工字形栅条两侧的矩形附属栅条，所述工字形栅条包括两个横向栅条部分和一个纵向栅条部分，横向栅条垂直于纵向栅条，两个附属栅条的长轴平行于纵向栅条的长轴；以纵向栅条的长轴为对称轴，相移结构为轴对称结构；同一行中，相移结构对称轴与列线的夹角度数为(n‑1)×180/N，本发明采用多谐振复合结构，通过调节单元尺寸使单元在宽频带范围内保持较高的反射效率。

Description

太赫兹宽带圆极化频率扫描超表面
技术领域
本发明涉及太赫兹成像、目标检测和无线通信技术。
技术背景
太赫兹(Terahertz,THz)波是一种亟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。
超材料是一种由周期或非周期排布的亚波长单元组成,具有超常电磁特性的人工结构。超表面可以等效为二维超材料，对电磁波具有很强的调控能力，可以实现极化转换，极化旋转等功能。不仅如此，将超表面应用在频率扫描天线设计中，可以提高传统天线在工作带宽，方向性，辐射效率，增益等多个方面的性能，这种将超表面结构与传统天线相结合所设计的新型天线可以称为超表面天线。Chung，K.等人在2011年提出将传统的探针馈电的微带贴片天线与方形回路状超表面结合，同时实现了贴片天线在阻抗带宽和天线效率等方面性能的提高。
到目前为止，在THz波段，大多数成像系统通常采用机械扫描方法来实现目标定位和检测，但是这种方法的局限性是获得较低的帧速率。为了减少成像时间，获得较高的帧速率，由相控阵控制的波束方向是有希望的，但由于在太赫兹波段研制移相器的困难而受到限制。另一种方法是通过频率扫描实现波束控制，该方法具有快速成像和易制造的特点。
由于圆极化天线具有:1)可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线接收；2)圆极化天线具有旋向正交性；3)圆极化波入射到对称目标时旋向反转,，能抑制雨雾、干扰和抗多径反射等优点。所以，在现代无线通信系统,卫星导航、军事侦察与干扰等众多领域中越来越广泛地采用圆极化天线。现有的圆极化调控方式有手征，Pancharatnam-Berry和螺旋线等。传统的圆极化天线通常需要在线极化的馈电部分加以设计来产生等幅正交的线极化波，从而产生圆极化辐射，这不仅增大圆极化天线的设计难度，也可能使得整个天线结构更加复杂。到目前为止，超过0.1THz的圆极化频率扫描天线是相对比较少的。
本发明是基于1THz以上的工作频率范围内，并且采用了Pancharatnam-Berry原理和超表面的结构简化了圆极化天线的设计，从而实现宽带的波束扫描，具有设计简单，易制作和分辨率高的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、损耗小的宽频带的太赫兹圆极化频率扫描超表面。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，太赫兹宽带圆极化频率扫描超表面，包括按照M×N阵列排列的相移单元，每一相移单元包括重叠设置的金属底板和介质基板，在介质基板的上表面设置有一个相移结构，M为行数，N为列数，其特征在于，
同一列相移单元的相移结构相同；
所述相移结构包括一个工字形栅条和对称设置于工字形栅条两侧的矩形附属栅条，所述工字形栅条包括两个横向栅条部分和一个纵向栅条部分，横向栅条垂直于纵向栅条，两个附属栅条的长轴平行于纵向栅条的长轴；以纵向栅条的长轴为对称轴，相移结构为轴对称结构；
同一行中，相移结构对称轴与列线的夹角度数为(n-1)×180/N，n为相移单元的列号，列号自1顺次递增至N。
进一步的，N＝8，自第一列起，各列的相移结构对称轴与列线的夹角依次为：0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°。
工字形栅条的纵向栅条长度为40微米，横向栅条长度20微米，附属栅条的长度为10微米，纵向栅条、横向纵向栅条和附属栅条的宽度皆为5微米，厚度皆为0.2微米。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明中采用超薄二维平面人工微结构，通过单层阵列实现对太赫兹波的波束扫描，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。
(2)、本发明采用多谐振复合结构，通过调节单元尺寸使单元在宽频带范围内保持较高的反射效率，另外通过旋转单元得到大于360°的相移范围和平滑的相移曲线。单元反射效率在1-2.1THz的工作范围内均大于0.9，其相对带宽为71％。
(3)、设计简单，单元相移控制准确，只需设计排列8个单元就可以获得较宽频率范围内的波束扫描，并且分辨率高。频率范围为1-2.1THz，扫描角度范围为17-38°，阵列效率在1-2.1THz工作范围内均大于50％，并且在1.6THz达到最大值，即为88％。
附图说明
图1单元结构示意图。
图2阵列结构及子阵排列示意图。
图3为一个周期内每个单元在右旋圆极化波的反射相位曲线图。
图4为一个周期内每个单元在右旋圆极化波的反射幅值特性图。
图5为平面波在不同频率的归一化后反射角度示意图。
具体实施方式
参见图1、2，本发明提供了一种基于超表面的太赫兹旋转圆极化型超表面，包括金属底板、位于金属底板上的介质基板、位于介质基板上的旋转圆极化型超表面单元，其特征在于，所述旋转圆极化型反射阵列沿x或y方向周期性排布的多个子阵组成，阵列单元结构相同但单元中心绕y方向旋转角度不同，一个子阵中相邻单元的右旋圆极化波相位梯度皆为45°，每8个单元构成一个360度周期的子阵。
本发明的宽带圆极化频率扫描超表面包括按照M×N阵列排列的相移单元，每一相移单元包括重叠设置的金属底板和介质基板，在介质基板的上表面设置有一个相移结构，M为行数，N为列数，同一列相移单元的相移结构相同；
所述相移结构包括一个工字形栅条和对称设置于工字形栅条两侧的矩形附属栅条，所述工字形栅条包括两个横向栅条部分和一个纵向栅条部分，横向栅条垂直于纵向栅条，两个附属栅条的长轴平行于纵向栅条的长轴；以纵向栅条的长轴为对称轴，相移结构为轴对称结构；同一行中，相移结构对称轴与列线的夹角度数为(n-1)×180/N(即夹角逐渐增大)，n为相移单元的列号，列号自1顺次递增至N。
优选的数值是N＝8，此时自第一列起，各列的相移结构对称轴与列线的夹角依次为：0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°。
本发明在特定频点上对太赫兹电磁波具有频率响应的旋转圆极化型反射阵列，利用旋转单元获取所需的相移梯度并周期排列，实现了在电场方向沿x的右旋圆极化波下向x轴方向角度偏转。单元金属为铝，厚度t＝0.2μm；介质材料为PI，宽度a＝60μm，厚度h＝25μm；底板为金属铝，其具体单元表示如图一所示，具体尺寸如下：
单位(μm)
Figure GDA0003213409320000041
其主要通过用l，g和s改变单元幅值效率，使单元在带宽内获得较高的反射效率，而α用来获取所需的相位梯度。
图1中，工字形栅条的纵向栅条部分长度为l减去两个横向栅条的宽度，即50-5-5＝40微米。
本发明提供了一种基于旋转圆极化型的太赫兹频率扫描超表面，包括：金属底板、位于金属底板上的介质基板、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PI；基板上为金属涂层。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，在需要的频率范围都保持合理的相位差，其中沿横向的相邻单元相位差为45°，单元旋转角度依据Pancharatnam-Berry原理：单元反射相位变化量为单元旋转角度的2倍相位。每8个单元为一个周期，因为360°是一个周期，这样就达成了相位相干加强了远场辐射强度,其带宽在1THz与2.1THz之间。主要设计是利用公式
Figure GDA0003213409320000051
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，a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8个结构不同参数的单元组合。
更具体的实施方式如下：
整体设计方案示意图如图2，包括：
金属底板，材料为金属铝、银、金等良导体，
介质基板，材料为PI，
所述金属贴片材料为Au、Ag、Cu或Al。
图3表示一个周期内每个单元在右旋圆极化波的反射相位曲线，在1-2.1THz频带范围内，相邻两条曲线之间的相位差为45度，并且所有曲线平滑且保持着良好的线性度，可实现360°的相移，其相对带宽为71％，频带范围宽。
图4表示一个周期内每个单元在右旋圆极化波的反射幅值特性图，在1-2.1THz的工作范围内，8个单元的反射效率均大于0.9，即单元效率高。
图5表示平面波在不同频率的归一化后反射角度示意图，在1-2.1THz的工作范围内，扫描范围为17-38°，扫描波束的反射效率均大于50％，且在1.6THz时达到了最大值，即为88％，其相对带宽为71％。故该太赫兹频率扫描超表面具有宽频带，高效率和高分辨率的特性。
以上仿真结果表明了单元结构的工作频带宽，效率高，进而使得该太赫兹频率扫描超表面可实现高效率和宽频带范围内的波束扫描。

Claims (2)

1.太赫兹宽带圆极化频率扫描超表面，包括按照M×N阵列排列的相移单元，每一相移单元包括重叠设置的金属底板和介质基板，在介质基板的上表面设置有一个相移结构，M为行数，N为列数，其特征在于，
同一列相移单元的相移结构相同；
所述相移结构包括一个工字形栅条和对称设置于工字形栅条两侧的矩形附属栅条，所述工字形栅条包括两个横向栅条部分和一个纵向栅条部分，横向栅条垂直于纵向栅条，两个附属栅条的长轴平行于纵向栅条的长轴；以纵向栅条的长轴为对称轴，相移结构为轴对称结构；
同一行中，相移结构对称轴与列线的夹角度数为(n-1)×180/N，n为相移单元的列号，列号自1顺次递增至N，N＝8，自第一列起，各列的相移结构对称轴与列线的夹角依次为：
0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°。
2.如权利要求1所述的太赫兹宽带圆极化频率扫描超表面，其特征在于，工字形栅条的纵向栅条长度为40微米，横向栅条长度20微米，附属栅条的长度为10微米，
纵向栅条、横向纵向栅条和附属栅条的宽度皆为5微米，厚度皆为0.2微米。
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