[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

说明书

本发明属于反射体系技术领域，具体为一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法。本发明的圆极化旋向调控器主要由上层微带导带层、中层电介质板和下层金属接地板组成；上层微带导带层为电刷结构，主要由圆形电谐振（ELC）结构、偏置电路和PIN二级管组成，圆形ELC结构由上下半圆弧臂、圆弧中间开口、中心垂直臂和缝隙组成。本发明通过控制PIN管的通、断，圆极化旋向调控器实现旋向转换到旋向保持功能的切换，旋向杂化到旋向保持功能的切换。本发明将两种或多种功能器件集成在一个板子上，降低了制作成本，提高了效率和复用性，且不需要多层扭转手性结构即可实现，具有结构简单、体积小、损耗低、频带宽和重量轻等优良特性。

技术领域

本发明属于反射体系技术领域，具体涉及一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法。

背景技术

圆极化器由于能接收任意线极化和椭圆极化方式的无线电波，且其透射波也可由任意极化方式的天线接收，因此具有很高的可靠性和安全性。另一方面，将圆极化器做成天线辐射器，还能抑制雨雾干扰和抗多径反射，广泛用于卫星导航和移动通信中，同时圆极化天线的旋向正交性使得其在雷达的极化分集和电子对抗中具有重要应用。

超表面(Metasurface，MS)作为人工特异介质的一种二维形式，由于奇异电磁特性以及能突破三维异向介质的损耗、带宽以及体积等独特优势，近年来成为学术界的研究热点。同时由于超表面能与飞机、导弹、火箭以及卫星等高速运行目标共形而不破坏其外形结构及空气动力学等特性，广受工程研究人员的青睐。随着研究的深入，超表面逐渐由前沿理论研究走向应用研究。在应用超表面控制电磁波极化方面，一些极化控制器诸如线-线极化转换器(线极化器)和线-圆极化转换器(圆极化器)被不断报道出来。最近，研究人员还采用超表面实现了一些双/多功能器件，如将线-圆极化转换、线-线极化转换功能分别和奇异波束偏折功能结合起来。与传统方法相比，采用超表面实现极化转换和波束控制有两大优势，一是构成超表面的单元工作于亚波长且排列方式可以多样，具有更大的自由度和灵活性；二是超表面在传输方向上的厚度可以非常薄，极大地缩小了极化器的尺寸。尽管如此，公开文献显有关于圆-圆极化转换的报道，而且至今还未有同时实现线极化器和圆极化器的公开报道。

如图1所示，当圆极化波入射到完美金属导体(PEC)时，由于反射电磁波的传输方向反向，其旋向会发生逆转，即入射波为左旋圆极化(LCP)时，反射波变为右旋圆极化(RCP)，反之则右旋变左旋。虽然多数情形下这种旋向变化影响较小，但对于一些要求比较苛刻的应用场合，影响很大且需要进行旋向纠正。同时还可以看出，PEC和金属良导体的功能非常单一，某种程度上说是一种资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可调超表面(Tunable MS，TMS)的圆极化旋向调控器及其设计方法，以克服现有技术存在的不足，其中圆极化旋向调控器单元采用TMS单元来实现。

圆极化旋向调控器设计的技术方案主要包括实现应满足的基本条件、器件的基本组成、调控机理、最优带宽设计等。

实现圆极化旋向调控器(TMS)的基本条件：如图2所示，本发明TMS可以实现复杂的旋向调控功能。PIN管导通时，TMS不仅能将R/LCP波完全转化成交叉极化L/RCP波，而且能将R/LCP波同时转化成主极化和交叉极化L||RCP波，分别实现了圆极化旋向转换和杂化功能。PIN断开时，TMS将R/LCP波完全转化成主极化R/LCP波，具有圆极化旋向保持功能。这里将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，将同时实现圆极化主、交叉极化转换的器件称为旋向杂化器，而将实现上述功能动态切换的器件称为圆极化旋向调控器。下面我们将给出反射体系下圆极化旋向调控器的相关理论，建立实现上述功能需要的条件和准则，形成相关设计方法。