CN115000714B - 反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构 - Google Patents

反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部金属图案层；其中，所述顶部金属图案层，包括M×N个呈矩阵式排列的星型金属贴片，M≥2，N≥2；所述星型金属贴片包括矩形的主片以及四个形状大小相同的翼片；其中，四个翼片沿着所述主片的长度方向对称地分布在所述主片两侧，且呈十字排列；所述星型金属贴片分别以所述主片的两条中心线为轴对称。本发明提供的该超表面结构，能够同时实现线极化到线极化以及线极化到圆极化的宽带、且高效的极化转换。

Description

反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构
技术领域
本发明属于人工电磁超表面领域，具体涉及一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构。
背景技术
极化是电磁波的一个重要性质，是电场矢量末端在空间运动轨迹的表现形式。随着信息技术的发展，调控电磁波的极化状态已经在信号传递、抗干扰、导航和医疗等领域得到了广泛的应用，能够改变电磁波极化特性的转换器件也逐渐在天线、通讯、传感等领域呈现出越来越重要的应用前景。
早期的极化控制主要通过液晶、二向色晶体和光栅等的相位延迟和双折射效应来实现，但基于这些方法设计的转换结构较为复杂、厚度较大，转换效率较低、样品加工难度大，难以实现小型化和集成化。
人工电磁超表面的出现为极化调控提供了一种新的方法来灵活操纵电磁波的极化状态，在器件集成方面具有突出的优势。人工电磁超材料不同于自然材料，它可以表现出许多自然材料所不具有的电磁特性。利用二维超材料的人工电磁超表面来设计极化转换结构，可以采用灵活的结构单元，实现对电磁波的相位和幅值的任意调控，有望突破传统极化调控方法的局限性。
近年来，国内外研究学者对极化转换超表面结构的性能进行了广泛而深入的研究，针对不同的极化性能进行了多种的分析探讨：
文献“Bao-qin Lin,·Wen-zhun Huang,Lin-tao Lv,Jian-xin Guo,Shi-qiHuang,and Rui Zhu,“Ultra-wideband Linear-to-Circular Polarization ConversionRealizedLin”中公开了一种8字形的超表面结构，该结构能够实现宽带的线极化到圆极化的转换。该结构由上下两层介质基板组成，8字形超表面图案在两层介质板之间。
文献“Rahul Dutta,Jeet Ghosh,Zhengbao Yang,and Xingqi Zhang,“Multi-Band Multi-Functional Metasurface-Based Reflective Polarization Converter forLinear and Circular Polarizations”,IEEE Access.2021.9:152738-152748”中公开了一种具有弯曲方环和对角分裂带的反射型超表面结构，能够在4个频点实现线极化转换，且同时在1个频点和3个窄带频段实现线极化到圆极化的转换。
基于上述最近的公开文献可知，现有的超表面结构均无法在同一结构中同时实现线极化到线极化以及线极化到圆极化的宽带、且高效的极化转换。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部金属图案层；
其中，所述顶部金属图案层，包括M×N个呈矩阵式排列的星型金属贴片，M≥2，N≥2；
所述星型金属贴片包括矩形的主片以及四个形状大小相同的翼片；
其中，四个翼片沿着所述主片的长度方向对称地分布在所述主片两侧，且呈十字排列；
所述星型金属贴片分别以所述主片的两条中心线为轴对称。
可选地，所述翼片的宽度等于所述主片的宽度；位于所述十字的任一条直线上的两个翼片，其外侧端点之间的距离等于所述主片的长度。
可选地，所述翼片的宽度小于所述主片的宽度；位于所述十字的任一条直线上的两个翼片，其外侧端点之间的距离小于所述主片的长度。
可选地，所述主片的长度为6mm～7mm，宽度为1.6mm～2.1mm；所述翼片的宽度为0.1mm～0.9mm，所述距离为5mm～5.5mm。
可选地，所述主片和所述翼片的宽度均为0.5mm～2.1mm。
可选地，任意两个相邻的星型金属贴片所在的超表面结构单元的中心点连线长度为6.5mm～7.5mm。
可选地，构成所述底部金属层和所述顶部金属图案层的金属材料的反射率均≥90％。
可选地，所述中间介质层由介电常数为2.2～2.65的非导电材料构成。
可选地，所述中间介质层的厚度为1.2mm～1.8mm。
本发明还提供了一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构的设计方法，包括：
步骤一、利用仿真软件进行超表面建模及全波仿真，得到第一超表面结构单元；其中，所述第一超表面结构单元，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部的矩形金属贴片；
步骤二、利用所述仿真软件进行超表面建模及全波仿真，得到第二超表面结构单元；所述第二超表面结构单元，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部的十字形金属贴片；
步骤三、参照所述第一超表面结构单元和所述第二超表面结构单元的结构参数，在所述仿真软件中构建超表面结构模型并进行全波仿真，得到上述的任一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构；
其中，所述步骤三中得到的超表面结构，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部金属图案层；所述顶部金属图案层，包括M×N个呈矩阵式排列的星型金属贴片，M≥2，N≥2；
所述星型金属贴片包括矩形的主片以及四个形状大小相同的翼片；其中，四个翼片沿着所述主片的长度方向对称地分布在所述主片两侧，且呈十字排列；所述星型金属贴片分别以所述主片的两条中心线为轴对称；
所述主片的结构参数是参照所述矩形金属贴片设计的，所述翼片的结构参数是参照所述十字形金属贴片的结构参数设计的。
本发明提供的反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构中，星形金属贴片中的主片可以实现宽带极化转换性能，四个翼片能够被用于调节整体结构在不同频段的线极化和圆极化特性，且同时实现电磁波的强反射；由此，本发明实现了一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构，仿真和实测数据均表明，该超表面结构能够同时实现线极化到线极化以及线极化到圆极化的宽带、且高效的极化转换，解决现有超表面结果调控功能单一、工作频带较窄、难以在宽带范围内同时实现线极化和线圆极化转换的问题。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构的示意图；
图2为图1所示超表面结构中的周期结构单元的示意图；
图3为本发明实施例中提供的另一种超表面结构中的周期结构单元的示意图；
图4为本发明实施例中提供的又一种超表面结构中的周期结构单元的示意图；
图5和图6中示出了本发明实施例提供的超表面结构的结构尺寸参数；
图7中示出了本发明实施例提供的一种超表面结构在8GHz～32GHz宽带范围内，线极化和线圆极化两者同极化和交叉极化反射系数的仿真结果；
图8中示出了本发明实施例提供的一种超表面结构在8GHz～32GHz宽带范围内极化转换效率的仿真结果；
图9中示出了本发明实施例提供的一种超表面结构在8GHz～32GHz的宽带范围内线圆极化转换的轴比仿真结果；
图10中示出了本发明实施例提供的一种超表面结构在电磁波极化沿u轴和v轴时的极化反射系数的仿真结果；
图11中示出了本发明实施例提供的一种超表面结构在电磁波极化沿u轴和v轴时的反射相位和相对相位的仿真结果；
图12中示出了本发明实施例提供的一种超表面结构在8GHz～32GHz宽带范围内同极化和交叉极化的反射系数的实际测试结果；
图13中示出了本发明实施例中在设计超表面结构的过程中的一组仿真结果；
图14中示出了本发明实施例中在设计超表面结构的过程中的另一组仿真结果；
图15是本发明实施例中设计超表面结构时的原理图解。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
针对现有技术中存在的问题或不足，本发明实施例结合超表面灵活调控电磁波幅值和相位的优势，提供了一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构，能够同时实现线极化到线极化以及线极化到圆极化的宽带、且高效的极化转换。
参见图1和2所示，本发明实施例提供的该超表面结构包括：底部金属层1、顶部金属图案层以及中间介质层2；其中，顶部金属图案层，包括M×N个呈矩阵式排列的星型金属贴片3，M≥2，N≥2；该星型金属贴片包括矩形的主片以及四个形状大小相同的翼片。其中，四个翼片沿着主片的长度方向对称地分布在主片两侧，且呈十字排列，该星型金属贴片分别以主片的两条中心线为轴对称。
其中，主片的主要作用在于实现宽带极化转换，四个翼片则用于与矩形贴片间相互耦合，通过对翼片的结构尺寸进行调整，可实现对整体结构在不同频段的线极化和圆极化特性的调节，且同时实现电磁波的强反射。
图1是该超表面结构的外观示意图，图2是该超表面结构中的周期结构单元的示意图，可以看到每个周期结构单元均包括一个星型金属贴片3及其下方的中间介质层2以及底部金属层1。在实际的产品中，所有周期结构单元下方的中间介质层2是一体化的介质层，所有周期结构单元下方的底部金属层1也是一体化的金属层，无须针对每个周期结构单元对一体化的层级进行实质的分割。另外，在实际应用中，主片和翼片优选采用一体化刻蚀的方式形成，当然并不一定如此。
从图1中可以看到，该超表面结构采用单层图形化设计，剖面低，并且星型金属贴片3的各项结构尺寸参数均处于亚波长范围。为了使说明书的布局清晰，后续对星型金属贴片3的各项结构尺寸参数进行举例说明。
其中，星型金属贴片3的具体结构形式存在多种。示例性的，参见图5所示，翼片的宽度w2可以小于主片的宽度w1；并且，位于上述十字的任一条直线上的两个翼片，其外侧端点之间的距离l2小于主片的长度l1。当然，这并非是必须的，实际中可根据超表面结构的工作频率范围、极化转换类型以及表现出的转换效率等性能进行灵活调整，这都是可以的。例如，如图4中所示的，翼片的宽度也可以等于主片的宽度，位于上述十字的任一条直线上的两个翼片，其外侧端点之间的距离l2也可以等于主片的长度l1。
图2和图5中示出的翼片均为直角梯形的形状，实际中并不局限于此。例如，也可以如图3中所示的，将该直角梯形的直角切掉，这也是可以的。
本发明实施例提供的反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构中，星型金属贴片中的主片可以实现宽带极化转换性能，四个翼片能够被用于调节整体结构在不同频段的线极化和圆极化特性，且同时实现电磁波的强反射；由此，本发明实施例实现了一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构，仿真和实测数据均表明，该超表面结构能够同时实现线极化到线极化以及线极化到圆极化的宽带、且高效的极化转换；解决现有超表面结果调控功能单一、工作频带较窄、难以在宽带范围内同时实现线极化和线圆极化转换的问题。
在一个实施例中，对于图5中所示的星型金属贴片而言，主片的长度l1优选为6mm～7mm，w1宽度优选为1.6mm～2.1mm；翼片的宽度w2优选为0.1mm～0.9mm，位于上述十字的任一条直线上的两个翼片，其外侧端点之间的距离l2优选为5mm～5.5mm。
在另一个实施例中，对于图4中所示的星型金属贴片而言，主片及翼片的宽度均优选为0.5mm～2.1mm，为了与图5进行区分，图4中用w3表示这一宽度；主片的长度l1优选为6mm～7mm，l2＝l1。
另外，参见图6所示，任意两个相邻的星型金属贴片3所在的超表面结构单元的中心点连线长度l3优选为6.5mm～7.5mm。
优选地，构成底部金属层和顶部金属图案层的金属材料的反射率均≥90％，例如金或者铜等。
优选地，中间介质层由介电常数为2.2～2.65的低损耗的介质材料构成，例如聚四氟乙烯(Teflon)等。优选地，该中间介质层的厚度可以为1.2mm～1.8mm。
由于底部金属层和顶部金属图案层使用的金属材料具有较好的延展性，设计中金属层的厚度可以忽略不计，使得底部金属层、中介介质层以及顶部金属图案层加起来的总厚度接近于中间介质层的厚度；由此，根据本发明实施例的中间介质层的厚度可选范围可知，本发明实施例提供的该超表面结构还具有超薄的特点。
需要说明的是，上述结构尺寸参数以及材料选型均是基于上述超表面结构在宽带范围内进行全波仿真得到的优选参数，并不构成对本发明实施例的限定，任何使用星型金属图案形成周期结构单元的超表面结构均属于本发明实施例的保护范围；实际中可根据对超表面结构在特定频率范围内的极化转换类型需求以及超表面结构表现出的转换效率等性能进行进一步的优化调整。
本发明实施例提供的超表面结构可以采用印制电路板(PCB)工艺加工制成，制备工艺成熟，成本低廉。
为了更好的说明本发明实施例的有益效果，采用了一组特定结构参数及材料选型对本发明实施例提供的超表面结构的性能进行仿真验证。该超表面结构中，底部金属层和顶部金属图案层的材质均为铜，其中顶部金属图案层里的星型金属贴片的l1＝7.0mm，w1＝2.0mm，l2＝5mm，w2＝0.7mm，相邻星型金属贴片间的中心距离l3＝为6.5mm。中间介质层的材质为聚四氟乙烯，厚度为1.5mm。
在进行仿真验证的过程中，利用仿真软件完成模型结构的仿真优化，仿真过程中电磁波极化方向沿着y轴入射，并在MATLAB软件中进行结果的分析计算，得到该超表面结构的转换性能如图7～图11所示；图7是该超表面结构在8GHz～32GHz宽带范围内，线极化和线圆极化两者同极化(ryy)和交叉极化(rxy)反射系数的仿真结果；图8是该超表面结构在8GHz～32GHz宽带范围内极化转换效率(PCR)的仿真结果，图9是该超表面结构在8GHz～32GHz的宽带范围内线圆极化转换的轴比仿真结果；图10是该超表面结构在电磁波极化沿u轴和v轴时的极化反射系数的仿真结果；图11是该超表面结构在电磁波极化沿u轴和v轴时的反射相位和相对相位的仿真结果。
并且，本发明实施例还对该超表面结构在8GHz～32GHz宽带范围内同极化和交叉极化的反射系数进行了实际测试，测试结果如图12所示。
基于上述仿真及实测数据可见，本发明实施例提供的反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构，能够在宽带范围内同时实现高效率的线极化和线圆极化转换，具有多功能、宽带以及高效的优点，且在结构上具有小型化、超薄的优点。
基于本发明实施例提供的该超表面结构，通过调整其结构的尺寸参数调节其电磁特性，可以实现所需性能的极化转换，满足不同的幅相条件，进而呈现出所需频段或是所需特性的极化转换需求；其设计过程简单，成本低廉，有利于集成化和批量化生产应用，可以较好的应用在多功能小型化集成器件中，如应用在宽频多功能偏振转换器中。
为了使本领域技术人员能够基于本发明实施例设计出性能更优的超表面结构。本发明实施例还提供了一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构的设计方法，该方法包括：
步骤一、利用仿真软件进行超表面建模及全波仿真，得到第一超表面结构单元。
该第一超表面结构单元，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部的矩形金属贴片(如图13中所示)。
该步骤一的仿真目标是使结构实现宽带极化转换性能。在仿真过程中，入射电场极化方向与矩形金属贴片的对称轴的夹角呈45°或-45°。
示例性的，图13中给出了当矩形金属贴片长7.0mm、宽2.0mm时，其在8GHz～32GHz宽带范围内，线极化和线圆极化两者同极化和交叉极化反射系数的仿真结果。
步骤二、利用仿真软件进行超表面建模及全波仿真，得到第二超表面结构单元。
该第二超表面结构单元，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部的十字形金属贴片(如图14中所示)。
该步骤二的仿真目标是使整个结构呈现出较强的反射性能。在仿真过程中，入射电场极化方向沿十字形金属贴片的两条互相垂直的贴片的对称轴方向。
示例性的，图14中给出了当十字形金属贴片长5.0mm、宽0.7mm时，其在8GHz～32GHz宽带范围内，同极化和交叉极化反射系数的仿真结果。
步骤三、参照第一超表面结构单元和第二超表面结构单元的结构参数，在仿真软件中构建超表面结构模型并进行全波仿真，得到上述产品实施例中示出的任一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构。
其中，该步骤三中得到的超表面结构，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部金属图案层；顶部金属图案层，包括M×N个呈矩阵式排列的星型金属贴片，M≥2，N≥2；该星型金属贴片包括矩形的主片以及四个形状大小相同的翼片；其中，四个翼片沿着主片的长度方向对称地分布在主片两侧，且呈十字排列；星型金属贴片分别以主片的两条中心线为轴对称；主片的结构参数是参照步骤一中的矩形金属贴片设计的，翼片的结构参数是参照步骤二中的十字形金属贴片的结构参数设计的。
该步骤三的仿真目标是使整个结构除了保有宽带极化转换性能、呈现出较强的反射性能外，更重要的是通过对结构进行微调，增强主片和翼片间的相互耦合作用，改变单一贴片时结构具有的电磁特性，使组合结构能够实现不同频段的线极化和线圆极化转换。
在仿真过程中，入射电场极化方向仍与星型金属贴片中包含的主片的对称轴的夹角呈45°或-45°，且与星型金属贴片中包含的十字形金属贴片的两条互相垂直的贴片的对称轴方向重合(如图15所示)。该步骤三的仿真结果示例可参见图7～图11。
本领域技术人员均知晓的是，全波仿真可为全波电磁场数值分析，能够覆盖较宽的频率范围，全波仿真可借助仿真工具如HFSS以及CST等实现，具体实现方式为本领域技术人员所熟知的，本发明实施例不再进行赘述。
按照本发明实施例提供的该设计方法，可以对上述产品实施例中所示出的任一种超表面结构进行设计，得到性能优良的反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构，其特征在于，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部金属图案层；
其中，所述顶部金属图案层，包括M×N个呈矩阵式排列的星型金属贴片，M≥2，N≥2；
所述星型金属贴片包括矩形的主片以及四个形状大小相同的翼片；所述主片和四个翼片一体成型；
其中，四个翼片沿着所述主片的长度方向对称地分布在所述主片两侧，且呈十字排列；
所述星型金属贴片分别以所述主片的两条中心线为轴对称；
所述星型金属贴片中的主片用于实现宽带极化转换，所述四个翼片用于调节所述超表面结构在不同频段的线极化和圆极化特性，同时实现电磁波的反射；所述超表面结构用于同时实现线极化到线极化以及线极化到圆极化的宽带极化转换。
2.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述翼片的宽度等于所述主片的宽度；位于所述十字的任一条直线上的两个翼片，其外侧端点之间的距离等于所述主片的长度。
3.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述翼片的宽度小于所述主片的宽度；位于所述十字的任一条直线上的两个翼片，其外侧端点之间的距离小于所述主片的长度。
4.根据权利要求3所述的超表面结构，其特征在于，所述主片的长度为6mm~7mm，宽度为1.6mm~2.1mm；所述翼片的宽度为0.1mm~0.9 mm，所述距离为5mm~5.5mm。
5.根据权利要求2所述的超表面结构，其特征在于，所述主片和所述翼片的宽度均为0.5mm~2.1mm。
6.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，任意两个相邻的星型金属贴片所在的超表面结构单元的中心点连线长度为6.5mm~7.5mm。
7.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，构成所述底部金属层和所述顶部金属图案层的金属材料的反射率均≥90%。
8.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述中间介质层由介电常数为2.2~2.65的非导电材料构成。
9.根据权利要求8所述的超表面结构，其特征在于，所述中间介质层的厚度为1.2mm~1.8 mm。
10.一种反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构的设计方法，其特征在于，包括：
步骤一、利用仿真软件进行超表面建模及全波仿真，得到第一超表面结构单元；其中，所述第一超表面结构单元，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部的矩形金属贴片；
步骤二、利用所述仿真软件进行超表面建模及全波仿真，得到第二超表面结构单元；所述第二超表面结构单元，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部的十字形金属贴片；
步骤三、参照所述第一超表面结构单元和所述第二超表面结构单元的结构参数，在所述仿真软件中构建超表面结构模型并进行全波仿真，得到如权利要求1~9任一项所述的反射型超薄宽带线极化和线圆极化转换的超表面结构；
其中，所述步骤三中得到的超表面结构，包括：底部金属层、中间介质层以及顶部金属图案层；所述顶部金属图案层，包括M×N个呈矩阵式排列的星型金属贴片，M≥2，N≥2；
所述星型金属贴片包括矩形的主片以及四个形状大小相同的翼片；所述主片和四个翼片一体成型；其中，四个翼片沿着所述主片的长度方向对称地分布在所述主片两侧，且呈十字排列；所述星型金属贴片分别以所述主片的两条中心线为轴对称；
所述主片的结构参数是参照所述矩形金属贴片设计的，所述翼片的结构参数是参照所述十字形金属贴片的结构参数设计的；
所述星型金属贴片中的主片用于实现宽带极化转换，所述四个翼片用于调节所述超表面结构在不同频段的线极化和圆极化特性，同时实现电磁波的反射；所述超表面结构用于同时实现线极化到线极化以及线极化到圆极化的宽带极化转换。
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