[发明专利]一种基于超表面的空间波定向耦合器

说明书

本发明提出一种基于超表面的空间波定向耦合器，旨在将频率选择性超表面与相位梯度性超表面相结合，实现空间波的频选定向耦合传输；包括平行平板波导、设置在平行平板波导内的透射性相位梯度超表面模块、第一频率选择超表面模块、第二频率选择超表面模块、第一平面波馈源、第二平面波馈源、第三平面波馈源和第四平面波馈源，所述透射性相位梯度超表面模块由多个等相位梯度排列的相位补偿超表面单元组成；所述第一频率选择超表面模块与第二频率选择超表面模块构成V字形结构，所述透射性相位梯度超表面模块位于第一频率选择超表面模块和第二频率选择超表面模块之间，且对V字形结构形成角分割，使得本发明具有高方向性和结构设计难度低的特点。

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种基于超表面的空间波定向耦合器，可应用于多个终端信号的分频通信操控。

技术背景

耦合器是一种广泛应用于微波电路中的多端口器件，具有众多功能各异的微波分支器件。其中定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合器件，能够实现信号的隔离、分离和混合，因而大量应用于微波测量、功率检测等复杂的微波网络系统。定向耦合器在设计中遵循着高方向性以及高隔离度的设计需求。

传统的定向耦合器基于相位迭加原理，通过小孔耦合或耦合段等方式将主线中特定频率的信号按照一定的功率比例分配到副线中，并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。基于相位迭加原理的传统定向耦合器在波导、微带线、同轴线、光纤等微波电路形式中均能够实现，但其方向性等参数的实现十分依赖于耦合孔间距或耦合段的长度。

电磁超材料具有电性能参数可调的特点，在射频和微波信号传输领域具有十分广阔的应用前景，可以通过对电磁波进行相位调制来实现互相干涉，使得电磁波在副线中只沿一个方向传输，不再依赖于耦合孔间距或耦合段的长度。

例如深圳光启高等理工研究院在其申请的名称为“一种定向耦合器”的(申请号201110148973.6，授权公告号CN 102903993B)专利申请中，公开了一种定向耦合器，包括所述的定向耦合器的耦合端前设置超材料及切换部，所述的超材料使得第一路信号离开所述的超材料进入所述的耦合端时，超材料调制第一路信号相位，使其变化为：(2K+1)π(k为整数)，所述切换部用于切换开超材料，使第二路信号进入耦合端时相位无变化。但是，所述超材料由多个超材料片状基板堆叠形成，超材料片状基板由基材以及多个人造微结构组成，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得内部的空间调制结果，因此，导致设计难度大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足,提出了一种基于超表面的空间波定向耦合器，实现对多个终端信号的分频通信操控，并降低结构设计的难度。

本发明的技术思路是：

首先利用相位补偿超表面单元相位补偿值的可控特性，通过设置透射性相位梯度超表面模块上每一个相位补偿超表面单元的相位补偿值来实现对透射波束光路偏转的精准调控，并在透射性相位梯度超表面模块改变特定频率电磁波束传输方向的基础上，利用第一频率选择超表面模块和第二频率选择超表面模块的透射频率与反射频率的同时可控特点，将透射频率设置为透射性相位梯度超表面模块的工作频率，将反射频率设置为空间波定向耦合器的耦合频率，同时将第一频率选择超表面模块和第二频率选择超表面模块放置在透射性相位梯度超表面模块的两侧，在保证透射性相位梯度超表面模块工作的同时，实现对反射波束光路的控制，和反射波束频率的方向性以及隔离度；此外，通过改变透射性相位梯度超表面模块的相位梯度值以及第一频率选择超表面模块和第二频率选择超表面模块与透射性相位梯度超表面模块的夹角，可以适应输入端、输出端、耦合端和隔离端的位置变化。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：