CN113644451B - 一种有源超表面单元及包含其的可重构超表面极化控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源超表面单元，所述的有源超表面单元包括介质基板，以及在所述介质基板的表面刻蚀的环形电路结构；其特征在于，所述环形电路结构包括中心贴片，以及环绕该中心贴片的外围贴片；所述外围贴片分为四段，环绕中心贴片设置，且相邻两段外围贴片之间开槽间断；所述外围贴片与中心贴片之间还连接若干个变容管。本发明还提供包括所述有源超表面单元的可重构超表面极化控制器，包括若干层介质基板，在每一层介质基板的表面周期性排列若干个有源超表面单元。本发明采用变容管加载技术，避免了PIN管加载带来的直流功耗，通过调整偏置电压，利用相同结构天线可实现“线‑圆、线‑线、圆‑线”三种极化控制，具有操作简单、切换速度快、调控灵活等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种有源超表面单元及包含其的可重构超表面极化控制器。
背景技术
随着无线通信技术的高速发展，对通信质量与容量的要求不断提高，仅具备单一功能的天线已经不能满足现代化的需求，对天线性能提出了诸如多频带、超宽带、多波束、极化可重构等更高的要求。
极化方式主要分为线极化、圆极化和椭圆极化。极化方式在电磁波传输及天线设计中具有重要的地位，天线设计为满足现代化的需求，形成天线功能复用，提高系统性能，在天线上引入了极化转换器，从而改变辐射波的极化方式，满足多样的工作状态要求，减小由于发射接收天线极化方式不匹配带来的问题。传统的极化转换器主要采用梯度变化材料折射率来实现极化转换，存在的主要缺陷为梯度变化的各向异性材料设计难度高，加工复杂。
针对传统极化转换器的缺陷，引入了超表面，通过改变表面阻抗实现透射波相位变化以达到极化转换。超表面(Metasurface)是一种亚波长人工层状周期结构材料，具有损耗低、易集成、制备工艺简单等优点，在极化器中引入超表面结构，可通过设计超表面单元的尺寸和结构实现；有时根据某种特定的需求，也会在单元结构中加载离散元件，比如电容、电感、电阻等可实现对电磁波振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的调控，引入超表面可通过设计增大极化转换的带宽，加工难度大幅减小。目前的超表面结构根据是否加载有源器件分为有源超表面和无源超表面。
利用无源超表面设计线-圆极化转换器是一个重要的研究方向，但是传统的无源超表面极化转换器仍存在着明显的缺点：在制备完成后，就无法再调节其功能和电磁特性，在入射波确定的情况下，透射波为单种圆极化波，无法在同一入射波下实现透射波左/右旋圆极化波的切换，工作模式调控仍不够灵活。
实际应用中，需要在两种或者多种状态间进行动态切换，即动态可调人工电磁超表面。实现动态可调的方法通常有以下三种：
1、改变(物理)结构，可采用拉伸、旋转等机械操作方式，切换速度慢、机械寿命短，如S Varghese(S Varghese，B Ghosh，Design of a Polarization ReconfigurablePGMSReflectarray Antenna，2019IEEE Indian Conference on Antennas andPropogation(InCAP),2019.12)采用反射波的极化实现重构，通过旋转线极化馈源以实现线-圆极化，采用的是机械调节方式，其切换速度慢，机械寿命短；
2、改变电响应，本质上就是改变材料性质，可使用可变性质的介质材料，如铁氧体、半导体材料或相变材料等；
3、使用有源器件，如PIN管、变容管等，但是PIN管加载结构适用于低频段，在高频段损耗明显。例如，文献《Polarization-Reconfigurable Circularly Polarized PlanarAntenna Using Switchable Polarizer》中利用加载PIN管的有源超表面设计的线-圆极化转换器，通过切换不同PIN管的通/断状态，改变不同层超表面的工作状态，实现透射波的左/右旋圆极化的切换。然而PIN管导通会产生直流功耗，因此PIN管加载结构适用于低频段，在高频段损耗明显。
针对高频段(如Ka波段)天线极化转换，宜采用变容管加载的有源超表面设计圆极化控制器，可以避免直流功耗。超表面极化转换器可分为透射型和反射型，对不同的适用环境需要选择不同类型。反射型多用于解决极化调控后天线辐射能量利用的问题，而透射型适用需要极化调控后获得单纯(不混入入射波)的透射波的场景。
反射型有源超表面设计圆极化控制器运用于极化天线时，会大大增加天线的体积，同时天线的口径利用率不高，只有50％左右，例如，中国专利CN201810331489.9通过变容管加载的超表面改变反射波的极化状态，完成线-圆极化，线极化偏转，椭圆极化转换等功能，但是其在运用时会造成天线体积变大，同时此类天线的口径利用率低。反射型有源超表面设计圆极化控制器由于其特性因此不利于运用于极化天线。因此极化天线控制需要通过透射型有源超表面设计圆极化控制器来实现。
但是现有的透射型有源超表面设计圆极化控制器存在相移可调范围较窄，导致工作带宽窄、且只能实现两种极化状态切换。中国专利CN 201910267010.4利用变容管加载的有源超表面设计天线罩，有源超表面单元的外正方形环与内矩形贴片连接了两个或四个变容管，通过改变偏置电压，透射波可在左旋/右旋/线极化这三种极化状态间切换。由于该实施例中单元采用外方形环，只能对变容管施加相同的偏置电压，水平或垂直方向上的变容管随偏置电压变化而产生相同的变化，因此，相移可调范围较窄，导致工作带宽受限，此类带宽仅有200MHz，产生的圆极化波轴比易受温度环境的影响；并且，x与y方向的透射波相位差实际上是由单元内矩形贴片结构和变容管共同产生的，即该专利中所设计的天线罩无法保证左/右旋圆极化或水平/垂直极化的幅度相位性能相同，因此只能实现“线-圆”、“线-线”这两种极化状态切换。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的主要目的在于提供一种可重构超表面极化控制器，具有操作简单、切换速度快、调控灵活、寿命长、高频段损耗低、相移可调范围宽，带宽宽、且用途广泛，应用方便，运用于极化天线时不会改变天线的体积等优点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种有源超表面单元，包括介质基板，以及在所述介质基板的表面刻蚀的环形电路结构；所述环形电路结构包括中心贴片，以及环绕该中心贴片的外围贴片；所述外围贴片分为四段，环绕中心贴片设置，且相邻两段外围贴片之间开槽间断；所述外围贴片与中心贴片之间还连接若干个变容管。
进一步地，所述外围贴片为环绕中心贴片的四段条形贴片，形成外围方形环结构，在所述外围方形环的四个拐角上开设缝隙。其中，所述外围方形环与中心的方形贴片之间连接4个正交的变容管，分别为2个x方向的变容管和2个y方向的变容管。所述外围贴片的四段条形贴片为梯形金属条，该梯形金属条朝向中心贴片的一侧较外侧短。所述的金属条一方面是有源超表面单元电路的一部分，同时也可以给变容管提供偏置的作用，所述的偏置是指给变容管提供直流电压。
进一步地，所述外围贴片等效为电感，中心贴片与外围贴片之间的缝隙等效为电容，所述环形电路结构等效为LC谐振电路。
在本实施例中，所述介质基板采用微波板材。
基于上述有源超表面单元，本发明还提供了一种可重构超表面极化控制器，包括若干层介质基板，在每一层介质基板的表面周期性排列有如上所述的有源超表面单元。
进一步地，所述有源超表面单元包括介质基板，以及在所述介质基板的表面刻蚀的环形电路结构；所述环形电路结构包括中心贴片，以及环绕该中心贴片的外围贴片；所述外围贴片分为四段，环绕中心贴片设置，且相邻两段外围贴片之间开槽间断；所述外围贴片与中心贴片之间还连接若干个变容管。
具体地，所述中心贴片为方形贴片，所述外围贴片为环绕中心贴片的四段条形贴片，形成外围方形环结构，在所述外围方形环的四个拐角上开设缝隙。其中，所述外围方形环与中心的方形贴片之间连接4个正交的变容管，分别为2个x方向的变容管和2个y方向的变容管，用于实现x方向与y方向的独立馈电。所述外围贴片的四段条形贴片为梯形金属条，该梯形金属条朝向中心贴片的一侧较外侧短。
进一步地，所述外围贴片等效为电感，中心贴片与外围贴片之间的缝隙等效为电容，所述环形电路结构等效为LC谐振电路。
进一步地，所述介质基板上排列的有源超表面单元为旋转对称结构，通过切换x方向与y方向的偏置电压实现透射波极化方式的切换。具体地，所述极化控制器通过切换偏置电压改变的透射波极化方式包括线-圆极化、线-线极化、圆-线极化的状态切换。
进一步地，所述介质基板为三层。所述介质基板的相邻两层之间通过空气，或泡沫，或介质基板的垫片间隔。
进一步的，x方向与y方向的变容管通过不同的偏置电压单独馈电，中心的方形贴片接地。
进一步的，x方向的变容管通过垂直金属条馈电，垂直金属条由电路结构引出，连接至外部馈源加载电压。
进一步的，y方向的变容管通过水平金属条馈电，在水平金属条上打上金属化过孔，通过金属化过孔与中间层金属相连接，再连接至外部馈源加载电压。
进一步的，中心的方形贴片中间打上金属化过孔，通过金属化过孔与底层金属相连接，再连接至地。
进一步的，偏置金属线通过刻蚀的外部滤波器电路后连接至外部馈源加载电压。
进一步的，两个正交方向上的结构对称性使得x与y极化波透射系数幅度优于–1dB的频带重合部分增加，且相位曲线的斜率差异相对稳定，进而使可重构超表面极化控制器实现宽带工作。
本发明还提供一种天线，所述天线包含如前任何一种形式的有源超表面单元或者如前任何一种形式的可重构超表面极化控制器；优选的，所述的天线为极化可调天线。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明实施例所述的极化控制器采用变容管加载技术，避免了PIN管加载带来的直流功耗。
2、本发明实施例通过调整偏置电压，利用相同结构天线可实现“线-圆、线-线、圆-线”三种极化控制。
3、本发明实施例所述有源超表面单元为旋转对称结构，仅通过互换两个正交方向上的偏置电压，就可以保证左/右旋圆极化或水平/垂直极化的幅度相位性能相同，使该结构在两种工作状态切换时公共工作带宽最宽，可达1400MHz。
4、本发明实施例所述极化控制器的损耗低、易于加工、工作带宽更宽，可用于高性能的毫米波圆极化天线及阵列。
5、本发明实施例所述极化控制器操作简单、切换速度快、调控灵活、寿命长、不受温度环境的影响、且成本低等优点
6、本发明实施例所述极化控制器运用于极化天线时，应用方便，只需要贴在天线表面，不会改变天线体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实例提供的有源超表面极化控制器的阵列示意图；
图2为本发明实例提供的有源超表面极化控制器单元的结构示意图；
图3为本发明实例提供的极化控制器单元金属条加载方案的示意图；
图4为本发明实例提供的极化控制器单元x方向与y方向传输系数幅度曲线；
图5为本发明实例提供的极化控制器单元x方向与y方向传输系数相位曲线；
图6为本发明实例提供的极化控制器x方向与y方向传输系数相位差值曲线；
图7为本发明实例提供的极化控制器单元的三层金属层示意图，分别为Top层、Middle层、Bottom层；
图8为本发明实例提供的极化控制器单元金属化过孔的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明实施例提供一种可重构超表面极化控制器，包括若干层介质基板，在每一层介质基板的表面周期性排列若干个有源超表面单元。所述有源超表面单元包括介质基板，以及在所述介质基板的表面刻蚀的环形电路结构；所述环形电路结构包括中心贴片，以及环绕该中心贴片的外围贴片；所述外围贴片分为四段，环绕中心贴片设置，且相邻两段外围贴片之间开槽间断；所述外围贴片与中心贴片之间还连接若干个变容管。
如图1-3所示，根据本发明的技术原理实现的一种有源超表面圆极化控制器实例。该圆极化控制器的介质基板之间为空气，介质基板的一侧表面周期印刷有环形电路结构(一种金属图案)，该环形电路结构为外围贴片(外围正方形开槽的金属环)嵌套中心贴片(正方形的金属贴片)。所述外围贴片分为四段梯形金属条，环绕中心贴片设置，且相邻两段外围贴片之间开槽间断；所述外围贴片与中心贴片之间还连接若干个变容管。所述外围的金属环可等效为电感，内外金属贴片之间的环形缝隙可等效为电容，因此该单元可等效为LC谐振电路，由于LC谐振电路的带通特性，该结构可用来设计透射型极化控制器。
另外，在外围的金属条与中心贴片之间连接有四个变容管，分别为2个x方向加载变容管和2个y方向加载变容管，这四个变容管可看成是与环形缝隙等效的电容并联。通过在外围金属条的四个拐角上开缝隙，可对这两组变容管实现独立馈电。采用这种结构，可单独调整x方向与y方向变容管的偏置电压来改变电容值，从而实现对透射波相位的控制，完成透射波的左/右旋圆极化方式的切换。在本实施例中，可实现线-圆极化、圆-线极化、线-线极化之间的转换。
进一步地，当入射波为45°线极化时，该入射波等效于两个等幅同相且正交的x分量与y分量的合成波。x分量经过有源超表面单元后的相位用φx表示，y分量经过有源超表面单元后的相位用φy表示。若φy与φx的差值为90°，则两个方向的透射线极化波将合成圆极化波。若φy与φx的差值为180°，则两个方向的透射线极化波将合成135°线极化波。当入射波为圆极化时，该入射波等效为两个等幅正交且相位相差90°的x分量与y分量的线极化波，若φy与φx的差值为90°，两个方向的透射线极化波将合成线极化波。
进一步地，实现线-圆极化、线-线极化转换的具体方案如下：假定入射波为45°线极化，当x方向变容管的偏置电压为V1，变容管电容值Cx等于C1；y方向变容管的偏置电压为V2，变容管电容值Cy等于C2，若φy-φx＝90°，则透射波将合成为左旋圆极化波。为保证左/右旋圆极化的幅度相位性能相同，且结构在两种工作状态切换时公共工作带宽最宽，本实施例提供的单元设计为旋转对称结构。由于结构的旋转对称性，当x方向与y方向偏置电压值互换，则φy-φx＝-90°，透射波将合成为右旋圆极化波。当x方向变容管的偏置电压为V3，变容管电容值Cx等于C3，y方向变容管的偏置电压为V4，变容管电容值Cy等于C4，若φy-φx＝180°，则透射波将合成为135°极化波。
进一步地，实现圆-线极化转换的具体方案如下：假定入射波为左旋圆极化，当x方向变容管的偏置电压为V1，变容管电容值Cx等于C1，y方向变容管的偏置电压为V2，变容管电容值Cy等于C2，若φy-φx＝90°，则透射波将合成为水平极化波。由于单元结构具有旋转对称性，互换x方向与y方向偏置电压值，透射波将合成为垂直极化波。
进一步地，所述极化控制器通过改变偏置电压改变透射波极化方式，包括线-圆极化、线-线极化、圆-线极化这三种极化状态的切换。
在本实施例中，所述多层介质基板中的相邻两层间为分隔层，填充空气、泡沫或者介质基板。所述极化控制器的介质基板采用微波板材，适合于高频工作，且损耗较小。
如图1所示，在45°线极化平面波垂直入射到圆极化控制器表面时，该入射波等效于两个等幅同相且正交的x分量与y分量的合成波。假定有源超表面单元对x分量和y分量幅度衰减的差别可以忽略，x分量经过有源超表面单元后的相位用φx表示，y分量经过有源超表面单元后的相位用φy表示。在实际中，当x方向变容管的偏置电压为V1，变容管电容值Cx等于C1，y方向变容管的偏置电压为V2，变容管电容值Cy等于C2，当φy-φx＝90°，则两个方向的透射线极化波将合成左手圆极化波(LHCP)。图2所示的单元结构为旋转对称结构，将x方向与y方向偏置电压值互换，则φy-φx＝-90°，此时两个方向的透射线极化波将合成为右手圆极化波(RHCP)。通过切换偏置电压可实现对透射波的极化控制，具体极化控制原理如下表1所示。
(表1)
如图2所示，圆极化控制器单元采用三层结构，每层由周期排列的单元组成，单元周期为p；外围的正方形环边长取wo，宽度为t；中心的正方形贴片边长取wi；层间距分别为g1，g2。定义行方向为x方向，列方向为y方向。
本发明实例中，p＝6.30mm，wo＝6.20mm，t＝0.40mm，wi＝2.90mm，g1＝2.70mm,g2＝2.00mm。基板采用Rogers RT4003C，厚度为0.508mm，介电常数εr＝3.38。
如图4到图6所示，所述的有源超表面圆极化控制器利用商业仿真软件CST STUDIOSUITE 2016的传输系数幅度曲线、相位曲线结果图。此时x方向电容取0.25pF，y方向电容取0.059pF，在29.4GHz～30.8GHz，x与y分量传输系数幅度均优于-1dB，y分量相位超前于x分量90°±5o，透射波可以实现LHCP，相应的相位带宽为1.4GHz(4.7％)。由于该单元为旋转对称结构，当x与y方向电容值互换时，透射波可以实现RHCP，相位带宽则保持不变。可以看出，该有源超表面圆极化控制器采用变容管加载技术可实现左/右旋圆极化的快速切换，且避免了直流功耗。
如图7所示，所述的有源超表面单元包括了两层介质板和三层金属，这三层金属分别为top层、middle层和bottom层，将垂直金属条、地金属条分别排布在middle层和bottom层，middle层为外层金属环和四边方形贴片，bottom层为十字交叉金属结构。
如图8所示，虚线为方形贴片中心的金属化过孔，top层的金属贴片中心与bottom层十字交叉金属结构中心相连接，实线为y方向上金属金属条的金属化过孔，连接top层金属贴片与middle层金属方环。
如上所述，不同于背景技术中所列专利CN 201910267010.4的是，本发明实施例的有源超表面单元在外围贴片的四个直角处开设缝隙，在实现x与y方向两组变容管的独立馈电的同时保持了结构的旋转对称性。当偏置电压设计为简单的“0”、“1”两种状态时，能够实现线-圆极化转换；进一步地，在偏置电压为状态“1”时，互换x与y方向的偏置电压，透射波可实现左/右旋圆极化的切换，由于结构的旋转对称性，这两种圆极化透射波性能完全相同。该结构具有损耗低，切换灵活、宽带工作等优点。进一步地，当入射波为圆极化时，透射波可转换为线极化波，对于线极化接收天线可消除3dB接收损耗，应用场景更为广泛。
如上所述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (24)
1.一种有源超表面单元，其特征在于，所述的有源超表面单元包括介质基板，以及在所述介质基板的表面刻蚀的环形电路结构；所述环形电路结构包括中心贴片，以及环绕该中心贴片的外围贴片；所述外围贴片分为四段，环绕中心贴片设置，形成外围方形环结构，在所述外围方形环的四个拐角上开设缝隙,使相邻两段外围贴片之间开槽间断；所述外围方形环与中心的方形贴片之间连接若干个变容管，分别为x方向的变容管和y方向的变容管，用于实现x方向与y方向的独立馈电；所述有源超表面单元为旋转对称结构，通过切换x方向与y方向的偏置电压实现透射波极化方式的切换。
2.根据权利要求1所述的有源超表面单元，其特征在于，所述中心贴片为方形贴片，所述外围贴片为环绕中心贴片的四段条形贴片。
3.根据权利要求1所述的有源超表面单元，其特征在于，所述外围方形环与中心的方形贴片之间连接4个正交的变容管，分别为2个x方向的变容管和2个y方向的变容管。
4.根据权利要求1所述的有源超表面单元，其特征在于，所述外围贴片的四段条形贴片为梯形金属条，该梯形金属条朝向中心贴片的一侧较外侧短。
5.根据权利要求1所述的有源超表面单元，其特征在于，所述外围贴片等效为电感，中心贴片与外围贴片之间的缝隙等效为电容，所述环形电路结构等效为LC谐振电路。
6.一种可重构超表面极化控制器，其特征在于，包括若干层介质基板，在每一层介质基板的表面周期性排列有如权利要求1至3任一项所述的有源超表面单元。
7.根据权利要求6所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述有源超表面单元包括介质基板，以及在所述介质基板的表面刻蚀的环形电路结构；所述环形电路结构包括中心贴片，以及环绕该中心贴片的外围贴片；所述外围贴片分为四段，环绕中心贴片设置，且相邻两段外围贴片之间开槽间断；所述外围贴片与中心贴片之间还连接若干个变容管。
8.根据权利要求6所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述外围贴片等效为电感，中心贴片与外围贴片之间的缝隙等效为电容，所述环形电路结构等效为LC谐振电路。
9.根据权利要求6所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述介质基板上排列的有源超表面单元为旋转对称结构，通过切换x方向与y方向的偏置电压实现透射波极化方式的切换。
10.根据权利要求6所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述极化控制器通过切换偏置电压改变的透射波极化方式包括线-圆极化、线-线极化、圆-线极化的状态切换。
11.根据权利要求6所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述中心贴片为方形贴片，所述外围贴片为环绕中心贴片的四段条形贴片，形成外围方形环结构，在所述外围方形环的四个拐角上开设缝隙。
12.根据权利要求11所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述外围方形环与中心的方形贴片之间连接4个正交的变容管，分别为2个x方向的变容管和2个y方向的变容管，用于实现x方向与y方向的独立馈电。
13.根据权利要求11所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述外围贴片的四段条形贴片为梯形金属条，该梯形金属条朝向中心贴片的一侧较外侧短。
14.根据权利要求6-13任一项所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述介质基板为三层。
15.根据权利要求14所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述介质基板的相邻两层之间通过空气，或泡沫，或介质基板的垫片间隔。
16.根据权利要求6-13任一项所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，x方向与y方向的变容管通过不同的偏置电压单独馈电，中心的方形贴片接地。
17.根据权利要求6-13任一项所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，x方向的变容管通过垂直金属条馈电，垂直金属条由电路结构引出，连接至外部馈源加载电压。
18.根据权利要求6-13任一项所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，y方向的变容管通过水平金属条馈电，在水平金属条上打上金属化过孔，通过金属化过孔与中间层金属相连接，再连接至外部馈源加载电压。
19.根据权利要求6-13任一项所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，中心的方形贴片中间打上金属化过孔，通过金属化过孔与底层金属相连接，再连接至地。
20.根据权利要求6-13任一项所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述金属条通过刻蚀的外部滤波器电路后连接至外部馈源加载电压。
21.根据权利要求6-13任一项所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，两个正交方向上的结构对称性使得x与y极化波透射系数幅度优于–1dB的频带重合部分增加，且相位曲线的斜率差异相对稳定，使可重构超表面极化控制器实现宽带工作。
22.根据权利要求6-13任一项所述的可重构超表面极化控制器，其特征在于，所述介质基板采用微波板材。
23.一种天线，其特征在于，所述天线包含1-5任一项所述的有源超表面单元或者权利要求6-22任一项所述的可重构超表面极化控制器。
24.根据权利要求23所述的天线，其特征在于，所述的天线为极化可调天线。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| US5563614A (en) * | 1989-12-19 | 1996-10-08 | Her Majesty In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Communications | Low noise dual polarization electromagnetic power reception and conversion system |
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| WO2020003432A1 (en) * | 2018-06-28 | 2020-01-02 | Nec Corporation | Phase control device, antenna system, and phase control method |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5563614A (en) * | 1989-12-19 | 1996-10-08 | Her Majesty In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Communications | Low noise dual polarization electromagnetic power reception and conversion system |
| CN104966905A (zh) * | 2015-06-30 | 2015-10-07 | 东南大学 | 一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线 |
| CN208093729U (zh) * | 2018-03-09 | 2018-11-13 | 南京航空航天大学 | 基于缝隙加载的宽带rcs缩减超表面 |
| WO2020003432A1 (en) * | 2018-06-28 | 2020-01-02 | Nec Corporation | Phase control device, antenna system, and phase control method |
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