CN210167485U

CN210167485U - 一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器

Info

Publication number: CN210167485U
Application number: CN201921350736.6U
Authority: CN
Inventors: 章海锋; 李昱芃; 杨彤; 孙汤毅
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-03-20
Anticipated expiration: 2029-08-20

Abstract

本实用新型公开了一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，该极化转换器自上而下包括顶层的固态等离子体谐振结构，置于中间的介质层和底层的金属反射板。其中，固态等离子体具有可调谐的特性，当固态等离子体构成的谐振单元未激励时，即为未激励状态，表现出介质特性；固态等离子体构成的谐振单元在激励时，即为激励状态，表现为金属特性。本实用新型通过编程控制表面固态等离子体谐振结构的激励状态，从而实现功能的转换(交叉极化转换和线—圆极化转换)和频带可调谐的目的。本实用新型具有设计灵活，实用性强，可调谐性强及功能性强等特点。

Description

一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器

技术领域

本实用新型涉及一种多功能极化转换器，具体的说是一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，属于固态等离子实用技术和微波器件技术领域。

背景技术

人工电磁表面，也称作超材料，通常是指一种周期排列的亚波长结构，它具有天然材料所不具备的物理特性。目前研究方向主要包括频率选择表面、吸波体、高阻抗表面、表面等离激元、人工磁导体、极化转换超表面等。近年来，宽带线极化－线极化转换超表面被大量报道，宽带线极化—圆极化转换超表面相对较少。

等离子体作为一种独立的物质形态普遍存在于宇宙空间中是物质形态变化过程中的固态、液态和气态之后的第四种形态(或称等离子态)。我们可以通过改变等离子体浓度、碰撞频率甚至可以通过有选择的等离子体区来实现极化转换器的多功能调谐，即实现极化转换器的“一器多用”。

固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，通过其两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励PIN单元阵列，以便得到固态等离子体。固态等离子体构成的谐振单元未激励时，即为未激励状态，表现出介质特性；固态等离子体构成的谐振单元在激励时，即为激励状态，表现为金属特性。

极化调制超表面凭借其超薄厚度和低损耗等优良特性，引发了国内外学者的广泛关注。极化调制是由电磁波入射时在超表面单元结构的两个正交方向的不同相移来实现的。Ma等人采用正交I形单元设计出了超薄宽带超表面，能够实现线极化旋转和线-圆极化转换；该课题组还采用双V形单元设计了实现超宽带高效线极化旋转功能的超表面。Li等设计了双层透射型线圆极化转换超表面,能够实现超宽带和高效工作；同时，文献采用双圆弧形单元实现了线极化旋转的宽带 PGM的奇异反射。

可以看出，目前报道的大多数极化调制超表面只具备单一的极化调制功能，所以本实用新型将结合固态等离子体可调谐性的优点，设计一款既可实现交叉极化转换和线—圆极化转换之间功能的转换，又可实现在交叉极化转换状态下的频带可调谐的基于固态等离子体表面的多功能极化转换器。

发明内容

本实用新型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表面的多功能极化转换器，通过编程控制表面固态等离子体谐振结构的激励状态，从而实现交叉极化转换和线—圆极化转换之间功能的转换和频带可调谐的目的，且通过合理的参数优化可以使得线—圆极化转换的频带达到6.121-9.5GHz，交叉极化转换的总频带达到4.62-10.34GHz。其中，在交叉极化转换时，可实现工作频带在4.62-8.34GHz和7.92-10.34GHz之间的转移，以达到频带可调谐的目的。

本实用新型为解决上述问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，所述的极化转换器自上而下包括顶层固态等离子体构成的谐振单元，中间的介质层和底层金属反射板，可以实现交叉极化转换和线—圆极化转换之间功能的转换和在交叉极化转换状态下的频带可调谐的目的。

作为本发明所述的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器进一步优化方案，包括自上而下依次层叠的由固态等离子体构成的顶层谐振单元、中间介质层及底层金属反射板，所述顶层谐振单元由五部分组成，包括沿介质层中心线布置的由两个大L形谐振结构组成的十字形谐振结构，两个大L形谐振结构的两端点分别连接有两个外圆弧谐振结构，构成两个圆形角相对且具有重叠的扇形结构，所述扇形结构内还分别具有两个内圆弧谐振结构，所述扇形结构的两侧分别放置有与大L 形谐振结构方向相反的小L形谐振结构，所述小L形谐振结构的开口处分别具有斜置矩形谐振结构。

作为本发明所述的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器进一步优化方案，所述顶层谐振单元的整体结构沿介质层的两个斜对角线对称。

作为本发明所述的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器进一步优化方案，所述大L形谐振结构由两个长度a＝6.8mm，宽度b＝1mm的矩形构成的，其中，两个大L形谐振单元中间的重叠部分是一个长度n＝0.2mm的正方形。

作为本发明所述的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器进一步优化方案，所述小L形的固态等离子体谐振单元分别是由两个长度l＝4mm，宽度c＝0.5 mm的矩形构成的，且小L形的固态等离子体谐振单元的边界距离x、y两轴的距离均为m＝1mm。

作为本发明所述的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器进一步优化方案，所述外圆弧谐振结构分别是由一个宽度w＝1.5mm的四分之一圆弧组成，且外边界与大L形谐振结构相切；所述的两个内圆弧谐振结构分别是由一个宽度 w₁＝1.5mm的四分之一圆弧组成，内外圆弧的间距z₁＝4mm。

作为本发明所述的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器进一步优化方案，所述斜置矩形谐振结构长度f＝5mm，宽度g＝0.7mm，且沿45°斜对角线对称；所述斜置矩形谐振结构距离中心较近的一侧边的中心点到x、y轴的距离均为s＝5 mm。

作为本发明所述的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器进一步优化方案，所述中间介质层由介质基板构成，其材料为F4B，介电常数2.2，损耗角正切值0.0002，介质基板边长即单元周期p＝20mm，厚度h＝6.4mm，设置在底层金属反射板上方。

作为本发明所述的一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器进一步优化方案，所述底层金属反射板材料为铜，厚度为t＝0.03mm。

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)本实用新型是基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，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，从而实现所述极化转换器的功能在交叉极化转换(4.62-10.34GHz)和线—圆极化转换(6.12-9.50GHz)之间转换，同时，在交叉极化转换状态时，也可以实现工作频带在4.62-8.34GHz和 7.92-10.34GHz之间的转移。

(2)本实用新型具有调控手段多样、设计灵活、功能性强、实用性强等特点。

附图说明

图1为本实用新型的正视图。

图2为本实用新型状态一的单元结构示意图。

图3为本实用新型状态二的单元结构示意图。

图4为本实用新型状态三的单元结构示意图。

图5为本实用新型的立体图。

图6为本实用新型的侧视图。

图7为本实用新型的结构单元周期性排列的(3×3)阵列图。

图8为本实用新型状态一在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射极化转换率曲线图。

图9为本实用新型状态一在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射幅值曲线图。

图10为本实用新型状态一在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射相位曲线图。

图11为本实用新型状态一在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的轴比图。

图12为本实用新型状态二在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射幅值曲线图。

图13为本实用新型状态三在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射幅值曲线图。

图14为本实用新型状态二和状态三在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射极化转换率曲线图。

图15为本实用新型状态二在入射电磁波分别沿u轴和v轴的反射振幅曲线图。

图16为本实用新型状态二在入射电磁波分别沿u轴和v轴的相位曲线图。

图17为本实用新型状态三在入射电磁波分别沿u轴和v轴的反射振幅曲线图。

图18为本实用新型状态三在入射电磁波分别沿u轴和v轴的相位曲线图。

附图标记解释：1—大十字形谐振单元，2、3—外圆弧谐振结构，4、5—内圆弧谐振结构，6、7—小“L”形的谐振单元，8、9—斜置矩形谐振结构，10—中间介质层，11—底层金属反射板,12、13、14、15、16、17、18、19、20—固态等离子体激励源。

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：

本实施例提供了一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，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11，中间介质层10，被激励的大十字形的固态等离子体谐振单元1，如图2 所示；状态二其结构单元包括底层金属反射板11，中间介质层10，被激励的大十字形的固态等离子体谐振单元1，外圆弧固态等离子体谐振单元2、3，小“L”形的固态等离子体谐振单元6、7，以及斜置矩形固态等离子体谐振单元8、9，如图3所示；状态三其结构单元包括底层金属反射板11，中间介质层10，被激励的大十字形的固态等离子体谐振单元1，内圆弧固态等离子体谐振单元4、5，小“L”形的固态等离子体谐振单元6、7，以及斜置矩形固态等离子体谐振单元8、9，如图4所示。通过调控固态等离子体谐振单元的激励状态，本实用新型实现了功能的转换(交叉极化转换和线—圆极化转换)和频带的可调谐。

所述极化转换器，当使用编程调控时，可在状态一、状态二与状态三之间切换。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，从而实现金属特性与介质特性之间的转换。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。所述极化转换器选择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2.9×10¹⁵rad/s，其碰撞频率为 1.65×10¹¹ 1/S。固态等离子体谐振单元1、2、3、4、5、6、7、8、9分别通过固态等离子体激励源12、14、13、16、15、17、18、19、20进行激励，如图5所示。固态等离子体激励源的通断状态分别通过编程来实现控制。

该极化转换器的表面铜贴片材料为铜，介质层材料为F4B，介电常数2.2，损耗角正切0.0002。

该极化转换器的相关参数如表1所示，具体的参数标识如图1所示。

参数	p	a	b	w	w<sub>1</sub>
						值(mm)	20	6.8	1	1.5	1.5
参数	c	l	h	t	s
						值(mm)	0.5	4	6.4	0.03	5
参数	n	m	z<sub>1</sub>	g	f
						值(mm)	0.2	1	4	0.7	5

表1

图5为所述极化转换器的立体图，图6为所述极化转换器的侧视图，图7为所述极化转换器结构单元周期性排列的(3×3)阵列图。

本实用新型基于固态等离子体表面的多功能极化转换器的产生方法，所述极化转换器在电磁波垂直入射(电场沿x轴方向)时，在表面固态等离子体谐振单元和底部金属反射板的共同作用下，会发生极化转换。当对不同部分的固态等离子体谐振单元进行激励时，会产生不同的极化转换效果，分别体现在极化转换的类型不同和极化转换的工作频带的不同。

状态一为大十字形固态等离子体谐振单元1被激励，表现为金属特性，其余未被激励的谐振单元2、3、4、5、6、7、8、9表现为介质特性，如图2所示，产生的效果通过仿真软件计算后如图8、9、10、11所示。由极化转换率公式 PCR_R＝r² _yx/(r² _yx+r² _xx+t² _yx+t² _xx)，PCR_R表示反射极化转换率，r_yx表示交叉极化反射系数，r_xx表示同极化反射系数，t_yx表示交叉极化透射系数，t_xx表示同极化透射系数，由于底层为完全金属反射板，所以t_yx＝t_xx＝0,所以当PCR_R＝0.5，正交反射极化波相位差为

(或者其奇数倍)且交叉极化反射系数和同极化反射系数幅值相等时，表示发生完全线—圆极化转换。

图8为所述极化转换器状态一在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射极化转换率曲线图，图8中，所述极化转换器在状态一时的PCR在工作频带6.12-9.50GHz 内维持在0.5左右。图9为极化转换器状态一在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射幅值曲线图，图9所示，所述极化转换器的r_yx和r_xx在工作频带6.12-9.50GHz内基本相等。图10为所述极化转换器状态一在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射相位曲线图，图10所示，所述极化转换器在状态一下的正交反射极化波相位差在工作频带6.12-9.50GHz内基本为±90°。工程上定义当极化波轴比小于3dB时即认为是圆极化波。图11为所述极化转换器状态一在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的轴比图，图11所示，在工作频带6.12-9.50GHz内反射极化波轴比小于3dB。所以综上所述，所述的极化转化器在状态一下产生了线—圆极化转换，工作频带为6.12-9.50 GHz，频带宽度为3.38GHz，相对带宽为43.3％。

状态二为除了两个固态等离子体构成的内圆弧谐振结构4、5未被激励，其余固态等离子体谐振单元1、2、3、6、7、8、9均被激励，如图3所示。状态三为除了两个固态等离子体构成的外圆弧谐振结构2、3未被激励，其余固态等离子体谐振单元1、4、5、6、7、8、9、10均被激励，如图4所示。由交叉极化转换的定义可知当PCR>0.9和正交反射极化波的相位差为

满足这两个条件则可认为发生完全线交叉极化转换。

图12、13分别为所述极化转换器状态二、状态三在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射幅值曲线图，两图分别显示出该极化转换器在两状态的工作频带内r_xx接近0且r_yx接近1。图14为所述极化转换器状态二和状态三在电磁波垂直入射时(电场沿x轴)的反射极化转换率曲线图，图中显示该极化转换器在状态二的工作频带为 4.62-8.34GHz和状态三的工作频带7.92-10.34GHz，且两工作频带重合部分仅有0.42 GHz，较好地实现了频带的可调谐性。图15、17分别为所述极化转换器状态二、状态三在入射电磁波分别沿u轴和v轴的反射振幅曲线图，其中，r_uu表示沿u轴入射且沿u轴出射的反射振幅曲线，r_uu表示沿v轴入射且沿v轴出射的反射振幅曲线。图15、17皆表明，在状态二的工作频带4.62-8.34GHz和状态三的工作频带7.92-10.34 GHz内，r_uu和r_vv基本重合。图16、18描述的分别为所述极化转换器状态二、状态三在入射电磁波分别沿u轴和v轴的相位曲线，其中，

表示沿u轴入射且沿u轴出射的反射相位曲线，

表示沿v轴入射且沿v轴出射的反射相位曲线。图16、18 皆表明，所述极化转换器在状态二和状态三各自的工作频带下的相位延迟均约为 180°，这意味着各自的工作频带范围内的具有交叉极化偏振转换能力。综上所述，状态二和状态三均可实现交叉极化转换，状态二的工作频带为4.62-8.34GHz，频带宽度为3.72GHz，相对带宽为57.4％；状态三的工作频带为7.92-10.34GHz，频带宽度为2.42GHz，相对带宽为25.6％。交叉极化转换的总频带横跨了4.62-10.34GHz。

本实用新型通过编程控制表面固态等离子体谐振结构的激励状态，从而实现交叉极化转换和线—圆极化转换之间功能的转换(在6.121-9.5GHz频段内实现线—圆极化转换,在4.62-10.34GHz频段内实现交叉极化转换)和在交叉极化转换状态下的频带可调谐(实现4.62-8.34GHz和7.92-10.34GHz两频带之间的转移)的目的。本实用新型具有设计灵活，实用性强，可调谐性强及功能性强等特点。

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

1.一种基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，其特征在于：包括自上而下依次层叠的由固态等离子体构成的顶层谐振单元、中间介质层及底层金属反射板，所述顶层谐振单元由五部分组成，包括沿介质层中心线布置的由两个大L形谐振结构组成的十字形谐振结构，两个大L形谐振结构的两端点分别连接有两个外圆弧谐振结构，构成两个圆形角相对且具有重叠的扇形结构，所述扇形结构内还分别具有两个内圆弧谐振结构，所述扇形结构的两侧分别放置有与大L形谐振结构方向相反的小L形谐振结构，所述小L形谐振结构的开口处分别具有斜置矩形谐振结构。

2.根据权利要求1所述的基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，其特征在于：所述顶层谐振单元的整体结构沿介质层的两个斜对角线对称。

3.根据权利要求1所述的基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，其特征在于：所述大L形谐振结构由两个长度a＝6.8mm，宽度b＝1mm的矩形构成的，其中，两个大L形谐振单元中间的重叠部分是一个长度n＝0.2mm的正方形。

4.根据权利要求1所述的基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，其特征在于：所述小L形的固态等离子体谐振单元分别是由两个长度l＝4mm，宽度c＝0.5mm的矩形构成的，且小L形的固态等离子体谐振单元的边界距离x、y两轴的距离均为m＝1mm。

5.根据权利要求1所述的基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，其特征在于：所述外圆弧谐振结构分别是由一个宽度w＝1.5mm的四分之一圆弧组成，且外边界与大L形谐振结构相切；所述的两个内圆弧谐振结构分别是由一个宽度w₁＝1.5mm的四分之一圆弧组成，内外圆弧的间距z₁＝4mm。

6.根据权利要求1所述的基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，其特征在于：所述斜置矩形谐振结构长度f＝5mm，宽度g＝0.7mm，且沿45°斜对角线对称；所述斜置矩形谐振结构距离中心较近的一侧边的中心点到x、y轴的距离均为s＝5mm。

7.根据权利要求1所述的基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，其特征在于：所述中间介质层由介质基板构成，其材料为F4B，介电常数2.2，损耗角正切值0.0002，介质基板边长即单元周期p＝20mm，厚度h＝6.4mm，设置在底层金属反射板上方。

8.根据权利要求1所述的基于固态等离子体表面的多功能极化转换器，其特征在于：所述底层金属反射板材料为铜，厚度为t＝0.03mm。