包含Cs。本實(shí)施例中PIN二極管采用PIN管采用MA4PBL027，其中L s=O. 7nH，Cj=0.0 3pF， 當(dāng)漏電流為IOmA時(shí)Rs約為3.5 Ω。電場(chǎng)沿y軸極化時(shí)，受χ軸方向磁場(chǎng)的作用，金屬地板與上 層金屬結(jié)構(gòu)之間的耦合形成兩個(gè)局部磁諧振，產(chǎn)生了兩個(gè)工作模式，其中，其中開(kāi)口微帶線 產(chǎn)生磁響應(yīng)由第一個(gè)串聯(lián)支路1^ XdPR1來(lái)等效，而兩邊y方向?qū)ΨQ金屬貼片產(chǎn)生的磁響應(yīng) 由兩個(gè)串聯(lián)支路1^、(：2和1? 2并聯(lián)等效，這里電感1^包含微帶線的線電感和？]管的引線電感， 電容C1由管芯電容C j和管殼電容Cs組成，L2表示貼片的線電感，C2表示貼片對(duì)地形成的平板 電容，而Ri和R2分別用來(lái)表征兩個(gè)諧振結(jié)構(gòu)的損耗。電磁波在介質(zhì)板中的傳輸由阻抗為Z。， 長(zhǎng)度為h的傳輸線等效，金屬地板由接地等效。電場(chǎng)沿χ軸極化時(shí)，電場(chǎng)將驅(qū)動(dòng)χ方向金屬貼 片產(chǎn)生磁響應(yīng)并由L 3X3和R3等效，由于兩個(gè)方向極化時(shí)貼片的尺寸不同，因此磁諧振強(qiáng)度 和頻率均不同。根據(jù)傳輸線理論，上述三個(gè)串聯(lián)回路將產(chǎn)生三個(gè)磁諧振頻率且分別由
[0025] 圖3給出了 TGMS單元的反射系數(shù)隨貼片尺寸變化的曲線，可以看出當(dāng)沒(méi)有貼片時(shí)， 從幅度和相位響應(yīng)曲線中明顯可以看到一個(gè)劇烈變化的諧振，在諧振頻率7.46GHz處存在 一個(gè)反射谷，幅度為S 11=O. 8，相位變化劇烈且遠(yuǎn)離諧振時(shí)相位呈現(xiàn)一個(gè)漸近行為，相位調(diào)控 的頻率范圍非常窄，Q值很高。相反，當(dāng)引入貼片時(shí)單元的諧振強(qiáng)度明顯變?nèi)跚译S著貼片長(zhǎng) 度的不斷增大逐漸減弱，此時(shí)貼片的諧振頻率#·^與開(kāi)口微帶線的諧振頻率_^非常接 近，當(dāng)貼片長(zhǎng)度增加到一定程度時(shí)，由于的降低使得逐漸與分離，出現(xiàn) 了兩個(gè)諧振點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整貼片和開(kāi)口微帶線的尺寸可以任意調(diào)整和的頻比，從 而極大地拓展TGMS單元的相位調(diào)控范圍并展寬TGMS單元的工作帶寬。
[0026] 根據(jù)光子自旋霍爾效應(yīng)理論，當(dāng)TGMS單元的主軸方向u、v與單元二維周期延拓所 在平面的坐標(biāo)x、y重合時(shí)，在圓極化基下TGMS單元的反射矩陣:mi)可以表示為三個(gè)Pauli矩 陣和一個(gè)單位矩陣的線性組合：
其中/
為線極化基下的反射瓊斯矩陣。經(jīng)繞ζ軸旋轉(zhuǎn)Φ后的反射矩 陣蹲餐! ? M %?)輝)M(f?)可表示為：
這里旋轉(zhuǎn)矩陣_
為自旋轉(zhuǎn)換算子且當(dāng)入射 波為右旋或（左旋|-4)圓極化波時(shí)，滿足
由于中間層 金屬地板的作用，下層金屬結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性產(chǎn)生的電磁響應(yīng)被屏蔽掉，不會(huì)對(duì)上層結(jié)構(gòu)的 電磁特性產(chǎn)生任何影響。由于上層結(jié)構(gòu)的二重對(duì)稱特性，rxy=ryx ? O，同時(shí)rxx+ryy=0，因此反 射矩陣Iff#可以化簡(jiǎn)為：
根據(jù)式(3)可知，反射幅度
，達(dá)到了近100%的轉(zhuǎn)換效率，而反射相 位(幾何貝爾相位)會(huì)有-2 Φ或2 Φ的變化。因此當(dāng)入射波為單一圓極化波時(shí)，反射波為一同 極化且攜帶-2 Φ或2 Φ的相位，且由于左旋和右旋圓極化波產(chǎn)生的幾何貝爾相位相差180°， 因此左旋和右旋圓極化入射波經(jīng)TGMS反射后將被反射到兩個(gè)相反方向上。
[0027] 圖4、圖5給出了開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和導(dǎo)通兩種情形下TGMS單元的反射幅度和相位曲線，可 以看出開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，從ryy的幅度曲線上可以觀察到兩個(gè)諧振點(diǎn)/J30 ?6.07GHz和/$>S)= 8.51GHz，諧振強(qiáng)度較弱且諧振谷深度S11均大大于0.89，同時(shí)諧振率處TGMS單元的反射相位 變化加劇，隨頻率呈現(xiàn)強(qiáng)色散關(guān)系，且相位變化劇烈程度與諧振強(qiáng)度成正比，而從rxx的幅度 曲線上觀察不到任何諧振。整個(gè)觀察頻段范圍內(nèi)I rxx卜I ryy I且Φ dlff在6GHz附近接近180 度。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，由于速降低，從ryy的幅度曲線上僅可觀察到一個(gè)諧振，且由于 貼片和開(kāi)口微帶線之間耦合作用較開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)發(fā)生了高頻偏移。整個(gè)觀察頻段范圍 內(nèi) |rxx| ? |ryy| ?1且 在8.6GHz附近接近 180度。
[0028] 對(duì)TGMS單元進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角Φ，其中下層微帶偏置線、集總電感以及兩層介質(zhì) 板固定，其余均隨共同旋轉(zhuǎn)。第一個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)角度為(6:=0°，第二個(gè)~第六個(gè)單元的旋轉(zhuǎn) 角度依次為Φ 2=30°，Φ 3=60°，Φ 4=90°，Φ 5=120°和Φ 6=150°。將上述6個(gè)具有不同旋轉(zhuǎn)角度 和相位的TGMS單元按旋轉(zhuǎn)角度增加的順序沿X方向依次排列且上、中、下三層結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng) 連接，則可以合成具有相位梯度的TGMS超單元。
[0029] 由于本發(fā)明TGMS超單元中相鄰2個(gè)子單元之間的旋轉(zhuǎn)角度為30°且包含6個(gè)單元， 因此相鄰單元產(chǎn)生的反射相位差為(幾何貝爾相位梯度）A φ =±60°且TGMS超單元能完整 覆蓋360°的相位變化。對(duì)TGMS超單元在水平面內(nèi)沿x，y兩個(gè)正交方向上進(jìn)行二維周期延拓 Nx*Ny個(gè)(其中Nx、Ny分別為x、y方向上超單元的數(shù)目）并通過(guò)TGMS下層的微帶偏置線對(duì)X方向 上的每排TGMS單元進(jìn)行饋電，則可設(shè)計(jì)出具有多種功能的可調(diào)線極化波束分離器，也即 TGMS，最終線極化波束分離器的版圖如圖6所示。由于x方向上每個(gè)單元的偏置線首尾相連， 因此每排6NX個(gè)TGMS單元可由兩根偏置線進(jìn)行統(tǒng)一饋電。當(dāng)電壓大于OV(正向偏置)時(shí)，PIN 管導(dǎo)通;當(dāng)電壓為OV(反向偏置)時(shí)，PIN管斷開(kāi)。
[0030] 根據(jù)廣義反射、折射率定律
當(dāng)電磁波以入射角91照 射到TGMS時(shí)，反射角01滿足
這里為單位長(zhǎng)度TGMS產(chǎn) 生的相位梯度，可以計(jì)算為
，λ為電磁波在自由空間中的波長(zhǎng)，為折射率。當(dāng) 電磁波由自由空間垂直入射到TGMS時(shí)反射角可簡(jiǎn)化為
，通過(guò)合 理設(shè)計(jì)f可使工作頻率5處_ 1:1，也即焉:?'?和|:念為，根據(jù)超單元的尺寸 :_|%可計(jì)算臨界頻率f。。當(dāng)爲(wèi) >:尤時(shí)，此時(shí)§<:鳥(niǎo)，散射的左旋和右旋圓極化波均為傳 播模式，當(dāng)if不斷增大時(shí)，g在不斷減小，通過(guò)合理設(shè)計(jì)TGMS可控制線極化波束的偏折方 向。由于任意線極化波均可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波，因此根據(jù)前面的理論，線極化 波入射到TGMS上時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)幅度相同但偏折方向相反的反射左旋和右旋圓極化波。因此 通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)可以控制線極化波束分離器的工作頻率和波束的偏折方向。
[0031] 如圖7所示，當(dāng)PIN開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，分離器明顯工作于6.07GHz附近，分解的左旋、右旋 圓極化波分別被近似等幅反射到兩個(gè)相反方向上，且從圖9(a)可計(jì)算該頻率處奇異分離波 束的相對(duì)效率為89.1%，偏折角度為? ，而在9.5GHz附近雖然鏡像散射得到一定程 度壓制，但由于Φ dlff=140°并未達(dá)到所需要的Φ dlff=180°，因此根據(jù)公式(2)可知其它分量 并未壓制干凈。如圖8所示，當(dāng)PIN開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，分離器明顯工作于8.6GHz附近，偏折角度為 ^二士之f，且從圖9(b)可計(jì)算該頻率處奇異分離波束的相對(duì)效率高達(dá)93%，分解的左旋和 右旋圓極化波同樣被等幅度反射到兩個(gè)相反方向上，且具有較寬的工作帶寬。綜上，本發(fā)明 線極化波束分離器在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和斷開(kāi)兩種情形下，能將線極化波被分成兩個(gè)波束且分別被 散射到兩個(gè)相反方向上，達(dá)到了對(duì)線極化波分解和分離的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)波束分離工 作頻率和偏折方向的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于梯度超表面的可調(diào)線極化波束分離器，其特征在于，以TGMS單元為基礎(chǔ)，將 6個(gè)TGMS單元按順時(shí)針?lè)较蛞来涡D(zhuǎn)30°，得到具有相位梯度的TGMS超單元;再將TGMS超單 元在水平面內(nèi)沿X和y兩個(gè)正交方向上進(jìn)行若干個(gè)二維周期延拓，并通過(guò)TGMS下層的微帶偏 置線對(duì)X方向上的每排TGMS單元進(jìn)行饋電，即得到具有多種功能的可調(diào)線極化波束分離器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于梯度超表面的可調(diào)線極化波束分離器，其特征在于，所述 的TGMS單元由三層金屬結(jié)構(gòu)、兩層介質(zhì)板以及連接三層金屬結(jié)構(gòu)的金屬化過(guò)孔組成;其中， 上層金屬結(jié)構(gòu)由一對(duì)等大金屬貼片和開(kāi)口微帶線組成，微帶線中間的開(kāi)口用于加載PIN二 級(jí)管；中層金屬結(jié)構(gòu)為金屬地板且中心由兩層金屬圓柱和包裹上層圓柱的圓環(huán)槽組成，圓 柱與金屬化過(guò)孔完全電連接，圓環(huán)槽用于隔離圓柱和地板;下層金屬結(jié)構(gòu)為電刷結(jié)構(gòu)，由對(duì) 稱開(kāi)口的圓環(huán)結(jié)構(gòu)（SRR)以及上下對(duì)稱且加載集總電感的兩根高阻抗細(xì)微帶線組成；工作 時(shí)，通過(guò)上層旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生線極化波束分離需要的幾何貝爾相位，下層SRR結(jié)構(gòu)保持同步旋 轉(zhuǎn)并通過(guò)金屬化過(guò)孔對(duì)上層PIN管進(jìn)行直流偏置，同時(shí)下層結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱效應(yīng)將會(huì)被中間 地板層隔離。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于梯度超表面的可調(diào)線極化波束分離器，其特征在于，具有 相位梯度的TGMS超單元由6個(gè)TGMS單元按順時(shí)針?lè)较蛞来涡D(zhuǎn)30°得到，其中下層微帶偏置 線、集總電感以及兩層介質(zhì)板固定，其余均隨共同旋轉(zhuǎn);第一個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)角度為(6:=0°， 第二個(gè)~第六個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)角度依次為Φ2=30°，Φ3=60°，Φ4=90°，Φ5=120°和Φ6=150° ;上 述6個(gè)具有不同旋轉(zhuǎn)角度和相位的TGMS單元按旋轉(zhuǎn)角度增加的順序沿X方向依次排列且上、 中、下三層結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于梯度超表面的可調(diào)線極化波束分離器，其特征在于，對(duì)于 TGMS單元，px、py分別為T(mén)GMS單元沿x、y方向的周期，選取11.5mm<px=py〈15mm;di為貼片與開(kāi) 口微帶線之間的間距，選取0.3mm<di< 0.5mm;開(kāi)口微帶線的寬度d2大于過(guò)度孔直徑d3,即 d3〈d2,選取0 · 3mm<d3 < 0 · 5mm;W2為電刷結(jié)構(gòu)中高阻抗細(xì)微帶線的寬度，選取0 · 15mm<W2 < 為電刷結(jié)構(gòu)中圓環(huán)的外、內(nèi)半徑，其大小受約束，h4為開(kāi)口微 帶線上半部分金屬的長(zhǎng)度，h5為開(kāi)口的長(zhǎng)度;hi和h2分別為上、下層介質(zhì)板的厚度，選取3mm 《hi< 6mm，選取h2< 0.5mm;h6為電刷結(jié)構(gòu)中圓環(huán)缺口的大小，選取h6 2 0.8mm。
【專利摘要】本發(fā)明屬于超表面技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于梯度超表面的可調(diào)線極化波束分離器。本發(fā)明以TGMS單元為基礎(chǔ)，將6個(gè)TGMS單元按順時(shí)針?lè)较蛞来涡D(zhuǎn)30°，得到具有相位梯度的TGMS超單元；再將TGMS超單元在水平面內(nèi)沿x和y兩個(gè)正交方向上進(jìn)行若干個(gè)二維周期延拓，并通過(guò)TGMS下層的微帶偏置線對(duì)x方向上的每排TGMS單元進(jìn)行饋電，即得到具有多種功能的可調(diào)線極化波束分離器；所述的TGMS單元為三層金屬結(jié)構(gòu)，上層由一對(duì)等大金屬貼片和開(kāi)口微帶線組成，微帶線中間的開(kāi)口用于加載PIN二級(jí)管；中層為金屬地板且中心由兩層金屬圓柱和包裹上層圓柱的圓環(huán)槽組成；下層金屬結(jié)構(gòu)為電刷結(jié)構(gòu)。本發(fā)明大大提高了線極化波束分離器的轉(zhuǎn)換效率（達(dá)到89%以上），實(shí)現(xiàn)了波束分離工作頻段的切換和調(diào)控。
【IPC分類(lèi)】H01Q15/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105470656
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510882672
【發(fā)明人】許河秀, 羅偉杰, 蔡通, 周磊
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年12月7日