CN114899613B - 一种多模谐振超表面单元以及可控双频线极化转换器 - Google Patents

一种多模谐振超表面单元以及可控双频线极化转换器 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种多模谐振超表面单元以及可控双频线极化转换器，多模谐振超表面单元包括：介质层以及设在所述介质层上的贴片层；所述介质层与所述贴片层均为正方形结构且中心重合，所述贴片层的边与所述介质层的边一一对应；所述贴片层的边与所述介质层的对应边平行，且所述贴片层的边短于所述介质层的边，以使所述贴片层的边缘形成方环形的空气带隙；所述贴片层上设有第一矩形槽，所述第一矩形槽的两条中心线分别与所述介质层的两条对角线重合；所述贴片层用于激发兼并模，所述第一矩形槽用于激发谐振模。本申请能够克服现有双频线极化转换器转换谐振模式过少的问题，同时产生兼并模式以及谐振模式。

Description

一种多模谐振超表面单元以及可控双频线极化转换器
技术领域
本申请涉及微波通信技术领域，特别是涉及一种多模谐振超表面单元以及可控双频线极化转换器。
背景技术
极化状态是电磁波的重要特性之一，实现极化状态的调控对电磁信号的传播具有重要意义。传统的基于二向色晶体和光栅的极化转换器需要较长的传输距离并且尺寸较大。超表面由一些规则或不规则排列的电磁单元组成，具有成本低、结构简单、设计原理灵活等优点，近年来被广泛用来设计线极化转换器。
现有技术中，以双模谐振单元构建双频线极化转换器。例如文献(Tunable mid-infrared dual-band and broadband cross-polarization converters based on U-shaped graphene metamaterials,Opt.Express,vol.27,no.23,pp.33826-33839,Nov.2019)利用周期性排列的U形纳米结构设计线极化转换器，在0-55°的入射角范围内具有较高的极化转换效率。
然而，上述线极化转换器的每个转换频带内仅包含一个谐振模式，线极化转换器带宽相对较窄。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种多模谐振超表面单元以及可控双频线极化转换器，能够克服现有双频线极化转换器转换谐振模式过少的问题，同时产生兼并模式以及谐振模式。
一种多模谐振超表面单元，包括：介质层以及设在所述介质层上的贴片层；
所述介质层与所述贴片层均为正方形结构且中心重合，所述贴片层的边与所述介质层的边一一对应；所述贴片层的边与所述介质层的对应边平行，且所述贴片层的边短于所述介质层的边，以使所述贴片层的边缘形成方环形的空气带隙；
所述贴片层上设有第一矩形槽，所述第一矩形槽的两条中心线分别与所述介质层的两条对角线重合；
所述贴片层用于激发兼并模，所述第一矩形槽用于激发谐振模。
在一个实施例中，所述贴片层上还设有第二矩形槽；
所述第二矩形槽与所述第一矩形槽垂直且中心重合，所述第二矩形槽与所述第一矩形槽的槽宽相等。
在一个实施例中，所述第一矩形槽的槽长大于所述第二矩形槽的槽长，以激发两个谐振模并使所述兼并模分离。
在一个实施例中，所述兼并模产生第一转换频带，所述谐振模产生第二转换频带；
随所述第一矩形槽的槽长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率下移且带宽增大；
随所述第二矩形槽的槽长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率下移且带宽减小；
随所述贴片层的边长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率上移且带宽减小；
随所述空气带隙的宽度的增加，所述第一转换频带向高频移动，所述第二转换频带保持不变。
在一个实施例中，所述介质层包括从上至下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；
所述第一介质层、所述第二介质层与所述第三介质层的四个对应边分别重合；
所述贴片层设在所述第一介质层的顶部。
在一个实施例中，所述贴片层为金属层，所述第一介质层为损耗介质层，所述第二介质层为蜂窝结构的空气层，所述第三介质层为金属层。
一种可控双频线极化转换器，包括：若干多模谐振超表面单元；
若干所述多模谐振超表面单元呈矩形阵列分布，且第一矩形槽的方向一致。
在一个实施例中，位于矩形阵列长度方向或宽度方向上的多模谐振超表面单元的数量相等且均大于九。
在一个实施例中，若干所述多模谐振超表面单元共用一个第一介质层。
上述多模谐振超表面单元，采用第一矩形槽加载方形贴片层的超表面谐振器单元，方形的贴片层激发兼并模，第一矩形槽激发谐振模，也就是同时产生兼并模式以及谐振模式，从而产生多个谐振模式，能够克服现有双频线极化转换器转换谐振模式过少的问题；同时，克服现有双频多模线极化转换器需使用多种类型的谐振单元复合带来结构复杂的问题，仅使用一种类型的多模谐振超表面单元实现了多频点的双频线极化转换器。
附图说明
图1为一个实施例中多模谐振超表面单元的俯视图；
图2为一个实施例中多模谐振超表面单元的侧视图；
图3为一个实施例中不同的十字槽槽长差d对反射系数的影响；
图4为一个实施例中长槽长度l1对反射系数的影响；
图5为一个实施例中短槽长度l2对反射系数的影响；
图6为一个实施例中贴片层的边长a对反射系数的影响；
图7为一个实施例中空气带隙g对反射系数的影响；
图8为一个实施例中可控双频线极化转换器的俯视图；
图9为一个实施例中可控双频线极化转换器的同/交叉极化反射系数ryy/ryx随频率变化曲线图。
附图编号：
介质层1，第一介质层11，第二介质层12，第三介质层13，贴片层2，第一矩形槽21，第二矩形槽22，空气带隙23。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)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，在本申请中如涉及“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。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请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，也不在本申请要求的保护范围之内。
如图1和图2所示，本申请提供一种多模谐振超表面单元，在一个实施例中，包括：介质层1以及设在所述介质层1上的贴片层2；
所述介质层1与所述贴片层2均为正方形结构且中心重合，所述贴片层2的边与所述介质层1的边一一对应；所述贴片层2的边与所述介质层1的对应边平行，且所述贴片层2的边短于所述介质层1的边，以使所述贴片层2的边缘形成方环形的空气带隙23；
所述贴片层2上设有第一矩形槽21，所述第一矩形槽21的两条中心线分别与所述介质层1的两条对角线重合；
所述贴片层2用于激发兼并模，所述第一矩形槽21用于激发谐振模。
本实施例的工作过程为，入射波入射到多模谐振超表面单元，首先穿过贴片层，贴片层与介质层之间形成谐振腔，入射波无法穿透单元底部的金属介质，在谐振腔内多次反射后形成反射波，入射波与反射波的状态不同，两者的方向是正交的，从而实现极化转换。
上述多模谐振超表面单元，采用第一矩形槽加载方形贴片层的超表面谐振器单元，方形的贴片层激发兼并模，第一矩形槽激发谐振模，也就是同时产生兼并模式以及谐振模式，从而产生多个谐振模式，能够克服现有双频线极化转换器转换谐振模式过少的问题；同时，克服现有双频多模线极化转换器需使用多种类型的谐振单元复合带来结构复杂的问题，仅使用一种类型的多模谐振超表面单元实现了多频点的双频线极化转换器。
在一个实施例中，所述贴片层2上还设有第二矩形槽22；所述第二矩形槽22与所述第一矩形槽21垂直且中心重合，所述第二矩形槽22与所述第一矩形槽21的槽宽相等。
优选地，所述第一矩形槽21的槽长大于所述第二矩形槽22的槽长，以激发两个谐振模并使所述兼并模分离。
在本实施例中，第一矩形槽21与第二矩形槽22共同形成十字交叉槽，且第一矩形槽21为长槽，第二矩形槽22为短槽。
初始状态，第一矩形槽与第二矩形槽的槽长相等，多模谐振超表面单元具有两个谐振模，其中，方形贴片层激发一个兼并模，等长的十字槽(即第一矩形槽和第二矩形槽)激发一个谐振模，这两个谐振模位于不同的频带，即产生了不同的频点。将两个槽的长度设置为不相等作为扰动，随着长度差的不断增加，由方形贴片层产生的兼并模发生分离，并且不等长的十字槽会额外地增加一个谐振模，即初始的两个谐振模变成四个谐振模，从而产生了用于双频段极化转换的四模谐振超表面单元。如图3所示。
与现有双频多模线极化转换器需使用多种类型的谐振单元构建相比较，本申请克服现有双频线极化转换器转换谐振模式过少的问题，通过十字槽分离谐振器的兼并模式，同时十字槽本身也产生额外的两个谐振模式，从而实现了四模谐振超表面单元。同时，仅使用十字槽加载方形贴片这一种类型的多模超表面谐振器单元就实现了双频四模特性，成本低廉，易于集成。
在一个实施例中，所述兼并模产生第一转换频带，所述谐振模产生第二转换频带；
随所述第一矩形槽的槽长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率下移且带宽增大；
随所述第二矩形槽的槽长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率下移且带宽减小；
随所述贴片层的边长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率上移且带宽减小；
随所述空气带隙的宽度的增加，所述第一转换频带向高频移动，所述第二转换频带保持不变。
具体的，如图4所示，将长槽长度l1设为单一变量，随着l1的增加，第一转换频带没有变化，第二转换频带的频率下移、带宽增大。
如图5所示，将短槽长度l2设为单一变量，随着l2的增加，第一转换频带没有变化，第二转换频带的频率下移、带宽减小。
这表明第二转换通带的两个谐振模式是由十字槽所控制。
如图6所示，将方形贴片边长a设为单一变量，在第一转换频带几乎保持不变的情况下，随着a的增大，第二转换频带频率上移，带宽减小。
如图7所示，将方形贴片与单元边缘的间隙即空气带隙g设为单一变量，随着g的增加，第一转换频带会逐渐向高频移动，而第二转换频带几乎不变。
因此，本发明提出的线极化转换器实现了两个频带的单独可控。第一转换频段主要由方形贴片层产生，可以通过调节方形贴片与单元边缘的间隙g，改变转换器单元间的耦合强度实现频带位置的移动；第二转换频段主要由不等长十字槽产生，可以通过改变方形贴片边长a、长槽长度l1或短槽长度l2来影响谐振点的电流路径，实现频带位置和带宽的调整。
现有技术中，每个转换频段内仅包含一个谐振点，导致带宽过窄，且难以实现两个极化转换频带的独立可控。
与现有双频线极化转换器难以实现双频单独可控相比较，本发明采用的十字槽加载方形贴片超表面谐振器单元可适当改变物理参数，具体是通过十字槽长度以及长度差来独立控制两个极化转换频段，克服现有双频线极化转换器难以实现双频单独可控的问题，且采用单个多模谐振器实现频率和带宽可控，对天线雷达散射截面缩减、雷达隐身等具有重大现实意义和广阔的应用前景。
在一个实施例中，所述介质层1包括从上至下依次相叠的第一介质层11、第二介质层12以及第三介质层13；所述第一介质层11、所述第二介质层12与所述第三介质层13的四个对应边分别重合；所述贴片层2设在所述第一介质层11的顶部。
具体的，所述贴片层2为金属层，所述第一介质层11为损耗介质层，所述第二介质层12为蜂窝结构的空气层，所述第三介质层13为金属层。其中，损耗介质层采用近似或接近理想介质的材料。
需要说明，各介质层采用现有技术粘合，在此不再赘述。
本实施例的工作过程为：入射波入射到多模谐振超表面单元，依次通过第一介质层和第二介质层进入第三介质层，三个介质层形成谐振腔，入射波无法穿透第三介质层，在谐振腔内多次反射后形成反射波，并通过第三介质层反射到第一介质层，入射波与反射波的状态不同，两者极化方向正交，从而实现极化转换。
如图8所示，本申请还提供一种可控双频线极化转换器，在一个实施例中，包括：若干多模谐振超表面单元；若干所述多模谐振超表面单元呈矩形阵列分布，且第一矩形槽的方向一致。
优选地，位于矩形阵列长度方向或宽度方向上的多模谐振超表面单元的数量相等且均大于九。
若干多模谐振超表面单元拼接在一起，组成正方形阵列，使得可控双频线极化转换器具有良好的一致性、对称性和稳定的性能。
至于各个多模谐振超表面单元之间如何拼接，属于现有技术，在此不再赘述。
进一步优选地，若干所述多模谐振超表面单元共用一个第一介质层11。
在一个具体的实施例中，可控双频线极化转换器总尺寸为180×180×3.5mm3，包含12×12个多模谐振超表面单元，其中：贴片层边长为13.4mm，方形的贴片层的对角线上设有十字槽，十字槽的两个槽长度不等，分别为17mm和12.3mm，槽宽相等，为1mm；介质层边长为15mm；贴片层和第三介质层的材质为铜，其电导率为5.8×108S/m；第一介质层厚度为1mm，材质为FR4，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；第二介质层厚度为2mm。
如图9所示的实验结果，两个转换频段内所有频点的共极化反射系数ryy均低于-18dB，交叉极化反射系数ryx均高于-3dB，可视为y-(x-)极化入射波均被高效转换为x-(y-)极化波。两个工作波段的极化转换比均高于98％，且四个谐振点处的极化转换比几乎达到100％。
该双频线极化转换器的优势是仅用一种类型的谐振单元实现了双频四模的交叉极化转换功能，且两个转换频段独立可控。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种多模谐振超表面单元，其特征在于，包括：介质层以及设在所述介质层上的贴片层；
所述介质层与所述贴片层均为正方形结构且中心重合，所述贴片层的边与所述介质层的边一一对应；所述贴片层的边与所述介质层的对应边平行，且所述贴片层的边短于所述介质层的边，以使所述贴片层的边缘形成方环形的空气带隙；
所述贴片层上设有第一矩形槽，所述第一矩形槽的两条中心线分别与所述介质层的两条对角线重合；
所述贴片层用于激发兼并模，所述第一矩形槽用于激发谐振模。
2.根据权利要求1所述的多模谐振超表面单元，其特征在于，所述贴片层上还设有第二矩形槽；
所述第二矩形槽与所述第一矩形槽垂直且中心重合，所述第二矩形槽与所述第一矩形槽的槽宽相等。
3.根据权利要求2所述的多模谐振超表面单元，其特征在于，所述第一矩形槽的槽长大于所述第二矩形槽的槽长，以激发两个谐振模并使所述兼并模分离。
4.根据权利要求3所述的多模谐振超表面单元，其特征在于，所述兼并模产生第一转换频带，所述谐振模产生第二转换频带；
随所述第一矩形槽的槽长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率下移且带宽增大；
随所述第二矩形槽的槽长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率下移且带宽减小；
随所述贴片层的边长的增加，所述第一转换频带保持不变，所述第二转换频带的频率上移且带宽减小；
随所述空气带隙的宽度的增加，所述第一转换频带向高频移动，所述第二转换频带保持不变。
5.根据权利要求1至4任一项所述的多模谐振超表面单元，其特征在于，所述介质层包括从上至下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；
所述第一介质层、所述第二介质层与所述第三介质层的四个对应边分别重合；
所述贴片层设在所述第一介质层的顶部。
6.根据权利要求5所述的多模谐振超表面单元，其特征在于，所述贴片层为金属层，所述第一介质层为损耗介质层，所述第二介质层为蜂窝结构的空气层，所述第三介质层为金属层。
7.一种可控双频线极化转换器，其特征在于，包括：若干权利要求1至6任一项所述的多模谐振超表面单元；
若干所述多模谐振超表面单元呈矩形阵列分布，且第一矩形槽的方向一致。
8.根据权利要求7所述的可控双频线极化转换器，其特征在于，位于矩形阵列长度方向或宽度方向上的多模谐振超表面单元的数量相等且均大于九。
9.根据权利要求8所述的可控双频线极化转换器，其特征在于，若干所述多模谐振超表面单元共用一个第一介质层。
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