[发明专利]一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法

权利要求书

1.一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器的设计方法，实现圆极化交叉极化转换和主极化转换的器件分别称为圆极化旋向转换器和旋向保持器，同时实现圆极化主极化转换、圆极化交叉极化转换的器件称为旋向杂化器，圆极化旋向调控器是指实现上述功能动态切换的器件；其特征在于：包括如下步骤：

首先，圆极化旋向调控器单元采用可调超表面单元，通过推导得到实现圆极化旋向调控器各功能的条件，包括圆极化旋向保持、旋向转化以及旋向杂化的功能的条件；具体如下：

设笛卡尔坐标系下，任意一束沿z方向入射的圆极化波E_i可分解为电场沿x、y方向极化的两个正交线极化波分量E_ix和E_iy，即E_i＝E_ixx+E_iyy，这里且E_ix和E_iy的初始相位相差为90°，即假设入射波的交界面为各向异性超表面，则E_ix和E_iy分量遇到超表面后会产生反射交叉极化分量，因此得正交方向上总反射波和其中，以及分别表示x/y极化波经可调超表面后向x/y或y/x极化波转换的散射相位，x/y、y/x中的“/”是“或”的意思；上述关系式用线极化反射琼斯矩阵表示为：

圆极化基下，圆极化转换系数通过圆极化基与线极化基之间的关系进行确定，且可通过线极化基下琼斯矩阵的四个分量进行表示：

根据正交方向上的场分量可得反射波的总场E_r：

这些E_rx，E_ry分量相互干涉，可以产生任意旋向的圆极化波；为简化设计和实现高效率，线极化系数必须满足r_xy＝r_yx≈0，r_yy＝r_yx≈1或者r_yy＝r_yx≈0，r_xy＝r_yx≈1，因此公式(3)化简为：

由于反射波的传输方向发生180°改变，若要保持反射圆极化波的旋向，则上述正交线极化分量的相位必须满足则得两种情形下圆极化旋向保持的条件：

若要实现圆极化旋向转换，两个正交线极化分量的相位必须满足得两种情形下圆极化旋向转换的条件为：

某些情形下为获得等幅的左旋和右旋圆极化波分量旋向杂化，两个正交线极化波的相位必须满足则得两种情形下圆极化旋向杂化的条件为：

公式(5a)-(7a)以及公式(5b)-(7b)分别代表主极化、交叉极化体系下旋向调控的条件；当可调超表面受45°极化的线极化波激励时，公式(5a)-(7b)也是实现线极化器和圆极化器的条件；

其次，初步在预定频段设计满足上述条件的圆极化旋向调控器单元，通过PIN开关通、断两种情形下的电响应对比分析，得到圆极化旋向调控器的调控机理；

最后，基于传输线理论得到最优化带宽准则，基于上述调控机理、准则，通过优化圆极化旋向调控器单元的结构参数，获得最优化旋向保持、转换和杂化带宽，同时兼顾带内极化纯度特性。

2.一种根据权利要求1所述设计方法设计的基于可调超表面的圆极化旋向调控器，其特征在于：由上层微带导带层、中层电介质板和下层金属接地板共三层组成；其中：

所述上层微带导带层为电刷结构，由圆形ELC结构、偏置电路和PIN二级管组成，所述圆形ELC结构由上半圆弧臂、下半圆弧臂、圆弧中间开口、中心垂直臂和缝隙组成；上半圆弧臂和下半圆弧臂相对设置，两个对接的圆弧臂之间留有空隙h3，形成两个所述圆弧中间开口；中心垂直臂两个，分别设置于上半圆弧臂和下半圆弧臂的圆弧边中心位置，且指向各自圆弧的圆心；两个中心垂直臂在一条直线上，两个中心垂直臂之间留有空隙h1，作为所述缝隙；

所述偏置电路由上、下两根均加载有集总电感的高阻抗细微带线组成，所述偏置电路与ELC结构保持良好的电接触并分别提供零偏置和正向偏置电压；PIN开关导通时，所述圆极化旋向调控器在高、低两个频段分别具有圆极化旋向转换和杂化功能；PIN开关断开时，所述圆极化旋向调控器具有圆极化保持功能；其中：

当两个正交方向上的相位满足或其中n≥0时，圆极化旋向调控器具有圆极化旋向保持功能；当两个正交方向上的相位满足或其中n≥0时，圆极化旋向调控器具有圆极化旋向转换功能；当两个正交方向上的相位满足和其中n≥0时，圆极化旋向调控器具有圆极化旋向杂化功能；同时当极化旋向调控器受45°极化的线极化波激励时，圆极化旋向调控器又充当了线极化器和圆极化器的功能；这里，以及分别表示x/y极化波经可调超表面后向x/y或y/x极化波转换的散射相位。