時(shí)提高電 磁波的傳輸幅度。
[0041] 如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于超薄透射梯度超表面的極化分離器包 括:底板，在所述底板設(shè)有基于矩陣結(jié)構(gòu)的多個(gè)6 X 6超表面單元陣列，每個(gè)所述超表面單元 為基于=層貼片級(jí)聯(lián)禪合的超表面單元，所述超表面單元包括:第一介質(zhì)板1和第二介質(zhì)板 2,在所述第一介質(zhì)板1的上表面設(shè)有第一級(jí)聯(lián)金屬貼片3,在所述第一介質(zhì)板1的下表面和 第二介質(zhì)板2的上表面之間設(shè)有第二級(jí)聯(lián)金屬貼片4,在第二介質(zhì)板2的下表面設(shè)有第=級(jí) 聯(lián)金屬貼片5,所述第一級(jí)聯(lián)金屬貼片3、第二級(jí)聯(lián)金屬貼片4、第=級(jí)聯(lián)金屬貼片5的尺寸和 厚度相同；所述第一級(jí)聯(lián)金屬貼片3的尺寸為dx Xdy，dx和dy根據(jù)實(shí)現(xiàn)的傳輸相位確定，通 過(guò)FDTD軟件(基于矢量3維麥克斯維方程求解軟件)進(jìn)行電磁仿真確定，所述第一級(jí)聯(lián)金屬 貼片3的厚度為0.018mm。
[0042] 作為優(yōu)選，第一介質(zhì)板1和第二介質(zhì)板2均采用厚度為1.5mm，介電常數(shù)為2.65的 F4B介質(zhì)板。
[0043] 作為進(jìn)一步優(yōu)選，每個(gè)超表面單元周期為Px X Py = 1 Imm X 1 Imm，其外層金屬結(jié)構(gòu) 相同，用于確保單元相同的邊界環(huán)境，保證單元周期邊界條件的準(zhǔn)確性。
[0044] 超表面單元電磁仿真設(shè)置如圖2(b)所示，對(duì)于//極化波，單元由電場(chǎng)沿X方向，由Z 向入射的電磁波進(jìn)行激勵(lì)，對(duì)于丄極化波，單元由電場(chǎng)沿y方向，由Z向入射的電磁波進(jìn)行激 勵(lì)。
[0045] 圖3(a)給出了 =層貼片級(jí)聯(lián)單元的傳輸系數(shù)和傳輸相位，可W看出該單元在5.4 ~10.35G化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了寬頻傳輸，同時(shí)傳輸相位從-131°變化到-623°。為了實(shí)現(xiàn)極化分 離，TPGM在X和y方向必須滿(mǎn)足不同的相位梯度，運(yùn)里X方向的相位梯度為60°，y方向?yàn)?60°， 圖3(b)給出了X和y方向單元的電磁響應(yīng)。由圖可知單元在X和y方向的傳輸幅度均大于0.8， 同時(shí)傳輸相位滿(mǎn)足梯度要求。為了驗(yàn)證單元的極化獨(dú)立特性，采用CST軟件對(duì)單元進(jìn)行參數(shù) 掃描，當(dāng)dx從3mm增加到8mm時(shí)，采用//極化激勵(lì)時(shí)，傳輸相位從-275°變化到-543°，而采用 I極化波激勵(lì)時(shí)，單元的傳輸相位變化小于20%也就是說(shuō)，單元隨dx變化時(shí)對(duì)于I極化波 電磁響應(yīng)不變，即單元具有極化獨(dú)立特性。
[0046] 為了驗(yàn)證極化獨(dú)立性原理并為極化分離器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，運(yùn)里提出了TPGM的4 步設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:第一，首先根據(jù)需求計(jì)算兩個(gè)維度的相位梯度;第二，依據(jù)方程(4)和相位梯 度計(jì)算點(diǎn)（x，y)處的相位分布;第=，仿真得到單元對(duì)于不同極化激勵(lì)波的相位響應(yīng)，然后 依據(jù)計(jì)算的(X，y)處相位分布挑選合適的單元;第四，將挑選的單元組合成相應(yīng)的超單元并 進(jìn)行周期延拓，設(shè)計(jì)出二維TPGM。如圖5所示，X和y方向分別滿(mǎn)足d 4 x/dx = -60°和d 4 y/dy = 60°，通過(guò)計(jì)算不同位置單元相位分布，精屯、挑選36個(gè)相應(yīng)單元構(gòu)成一個(gè)超單元，隨后4 X 4 個(gè)超單元構(gòu)成了響應(yīng)的TPGM。當(dāng)采用混合極化波激勵(lì)時(shí)，波束在XOZ和yoz平面分別實(shí)現(xiàn)了 01 = -27°和02 = 27°的波束偏折，運(yùn)與依據(jù)方程(2)計(jì)算結(jié)果吻合的很好。
[0047] 為了從實(shí)驗(yàn)層次對(duì)不同極化波進(jìn)行獨(dú)立操控，我們對(duì)設(shè)計(jì)的TPGM進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu) 化，設(shè)計(jì)了工作于X波段的新型極化分離器。由圖6(a)可知，超單元由6X6個(gè)基本單元構(gòu)成， 尺寸為66 X 66mm2，相當(dāng)于2.2A〇 X 2.2A〇。極化分離器的加工樣品如圖6 (C)所示，采用傳統(tǒng)的 PCB技術(shù)進(jìn)行加工，厚度為0. Uo,由于采用相位梯度實(shí)現(xiàn)對(duì)相位和極化的操控，因此具有最 小的樣品厚度。
[0048] 我們加工了極化分離器的樣品并進(jìn)行了組裝。如圖7(a)所示，卿趴天線作為激勵(lì) 源，用于提供不同極化電磁波。卿趴天線和樣品之間加入了20mm的泡沫層，用于起固定作 用，同時(shí)不影響系統(tǒng)性能。反射系數(shù)由ME7808A型矢網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。可W看出， 仿真和測(cè)試結(jié)果吻合的很好，且均低于-25地反射谷驗(yàn)證了良好的匹配特性。對(duì)于//極化激 勵(lì)波，極化分離器仿真的10地阻抗帶寬為8.76~10.33G化，相對(duì)帶寬為16.45%，測(cè)試結(jié)果 顯示其10地阻抗帶寬為8.62~10.39GHz，相對(duì)帶寬為18.62 %。對(duì)于丄極化激勵(lì)波，仿真(測(cè) 試）的 10 地阻抗帶寬分別為 1.6(8.62-10.22)GHz 和 1.62(8.6-10.22)GHz，相當(dāng)于 16.99%和 17.20 %?；旌蠘O化波激勵(lì)時(shí)，其IOdB仿真和測(cè)試的相對(duì)帶寬分別為18.81%(8.62-10.4IGHz)和18.66 % (8.65-10.43GHz)?？傊O(shè)計(jì)的極化分離器匹配特性良好，且不依賴(lài) 于激勵(lì)波的極化狀態(tài)。
[0049] 為了對(duì)極化分離器的功能有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，分別對(duì)卿趴天線W及基于不同極化波 激勵(lì)的極化分離器進(jìn)行仿真，其=維遠(yuǎn)場(chǎng)福射方向圖如圖8所示。由圖8(a)可W看出，卿趴 天線沿Z方向福射，沒(méi)有發(fā)生波束偏折。當(dāng)采用//極化波激勵(lì)極化分離器時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如 圖8(b)所示，波束在XOZ平面實(shí)現(xiàn)了目1 = -26.7°，運(yùn)與理論預(yù)測(cè)完全一致。對(duì)于丄極化激勵(lì) 波，波束在yoz平面實(shí)現(xiàn)了02 = 27°的波束偏折。對(duì)于混合極化波激勵(lì)，波束實(shí)現(xiàn)了良好的極 化分離特性，如圖8(d)所示。
[0050] 在微波暗室中對(duì)極化分離器的遠(yuǎn)場(chǎng)特性進(jìn)行仿真，其歸一化方向圖如圖9所示，仿 真和測(cè)試結(jié)果吻合良好?？蒞看出，/Al和混合極化波激勵(lì)時(shí)，極化分離器均具有良好的 波束偏折特性。采用仿真中，副瓣電平為12地，測(cè)試中副瓣電平約為10地，副瓣電平的惡化 主要是由測(cè)試環(huán)境引起的。測(cè)試中，波束的前后比為13地，交叉極化電平優(yōu)于15地。
[0051] 為了研究極化分離器的福射帶寬特性，對(duì)其在9.6~10.2GHz的方向圖進(jìn)行測(cè)試， 結(jié)果如圖10所示。由圖可知，極化分離器的半波束寬度約為16°。采用//極化波激勵(lì)時(shí)，偏折 角度由9.6G化時(shí)的-26.5°變化到10.2細(xì)Z時(shí)的-28°，運(yùn)主要是由不同頻率的工作波長(zhǎng)不同 引起。類(lèi)似的，對(duì)于丄極化激勵(lì)波，波束偏折角度由9.6G化的27°變化到10.2G化的29°。因 此，極化分離器的工作帶寬由于600MHz，相對(duì)帶寬優(yōu)于6 %。
[0052] 對(duì)于極化分離器，不同極化波之間的極化分離程度是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指 標(biāo)。所謂的極化分離比，即當(dāng)采用混合極化波進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，選取兩波束峰值所在的平面，計(jì) 算并測(cè)試該平面上的福射特性，兩峰值間的凹谷值即為極化分離比。運(yùn)里對(duì)極化分離比進(jìn) 行了仿真和測(cè)試，結(jié)果如圖11所示?？蒞看出，兩波束實(shí)現(xiàn)了良好的波束分離，仿真(測(cè)試） 的極化分離比分別為30(18)地。
[0053] 本發(fā)明首次提出采用二維TPGM的極化獨(dú)立特性實(shí)現(xiàn)極化分離器;極化分離器具有 超薄特性:采用TPGM的實(shí)現(xiàn)相位操控，而非光程差實(shí)現(xiàn)相位積累，極大的降低了極化分離器 的厚度，其厚度僅0. Uo。
[0054] W上實(shí)施例僅為本發(fā)明的示例性實(shí)施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍 由權(quán)利要求書(shū)限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可W在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出各 種修改或等同替換，運(yùn)種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于超薄透射梯度超表面的極化分離器，其特征在于，包括:底板，在所述底板 設(shè)有基于矩陣結(jié)構(gòu)的多個(gè)6X6超表面單元陣列，每個(gè)所述超表面單元為基于三層貼片級(jí)聯(lián) 耦合的超表面單元，所述超表面單元包括:第一介質(zhì)板（1)和第二介質(zhì)板(2)，在所述第一介 質(zhì)板（1)的上表面設(shè)有第一級(jí)聯(lián)金屬貼片(3)，在所述第一介質(zhì)板（1)的下表面和第二介質(zhì) 板(2)的上表面之間設(shè)有第二級(jí)聯(lián)金屬貼片(4)，在第二介質(zhì)板(2)的下表面設(shè)有第三級(jí)聯(lián) 金屬貼片(5)，所述第一級(jí)聯(lián)金屬貼片(3)、第二級(jí)聯(lián)金屬貼片(4)、第三級(jí)聯(lián)金屬貼片(5)的 尺寸和厚度相同；所述第一級(jí)聯(lián)金屬貼片尺寸根據(jù)實(shí)現(xiàn)的傳輸相位確定。2. 如權(quán)利要求1所述的基于超薄透射梯度超表面的極化分離器，其特征在于，第一介質(zhì) 板(1)和第二介質(zhì)板(2)均采用厚度為1.5mm，介電常數(shù)為2.65的F4B介質(zhì)板。3. 如權(quán)利要求1所述的基于超薄透射梯度超表面的極化分離器，其特征在于，每個(gè)超表 面單元周期為PxXPy = 11mm X llmm〇4. 如權(quán)利要求1所述的基于超薄透射梯度超表面的極化分離器，其特征在于，所述第一 級(jí)聯(lián)金屬貼片(3)的厚度為0.018mm。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于超薄透射梯度超表面的極化分離器，包括：底板，在所述底板設(shè)有基于矩陣結(jié)構(gòu)的多個(gè)6×6超表面單元陣列，每個(gè)所述超表面單元為基于三層貼片級(jí)聯(lián)耦合的超表面單元，所述超表面單元包括：第一介質(zhì)板和第二介質(zhì)板，在所述第一介質(zhì)板的上表面設(shè)有第一級(jí)聯(lián)金屬貼片，在所述第一介質(zhì)板的下表面和第二介質(zhì)板的上表面之間設(shè)有第二級(jí)聯(lián)金屬貼片，在第二介質(zhì)板的下表面設(shè)有第三級(jí)聯(lián)金屬貼片，所述第一級(jí)聯(lián)金屬貼片、第二級(jí)聯(lián)金屬貼片、第三級(jí)聯(lián)金屬貼片的尺寸和厚度相同；所述第一級(jí)聯(lián)金屬貼片尺寸根據(jù)實(shí)現(xiàn)的傳輸相位確定。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，提高了極化分離程度，同時(shí)降低了極化分離器的厚度。
【IPC分類(lèi)】H01P5/16, H01Q15/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105552569
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510973707
【發(fā)明人】蔡通, 王光明, 許河秀, 梁建剛, 高向軍, 劉丹, 趙輝, 莊亞強(qiáng), 李唐景
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月22日