摘要 ：針對當(dāng)前極化變換器的痛點(diǎn)，本文從超材料調(diào)控電磁波極化理論出發(fā)，創(chuàng)新地提出一種加載開關(guān)器件的極化變換超材料結(jié)構(gòu)。該可重構(gòu)極化變換器由光柵層、可重構(gòu)相位調(diào)節(jié)層、可重構(gòu)極化選擇層三層介質(zhì)板組成，通過控制加載在相位調(diào)節(jié)層和極化選擇層上的PIN二極管狀態(tài)，可在線性極化保持和正交極化轉(zhuǎn)換兩種功能間快速切換，具備工作帶寬寬、損耗小、極化隔離度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種天線收發(fā)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：超材料；線極化；正交極化；可重構(gòu)； PIN二極管

一、引言

隨著雷達(dá)技術(shù)與無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，極化得到了越來越廣泛的應(yīng)用。極化是電磁波的基本參量，通過極化變換，能幫助雷達(dá)系統(tǒng)提升目標(biāo)檢測和識別等能力。在通信技術(shù)方面，極化變換可提升通信系統(tǒng)的抗干擾能力和抗多徑能力。通過收發(fā)極化快速變換，可支撐奪取掌控電磁頻譜域的主動權(quán)與控制權(quán)[1]。

在傳統(tǒng)天線上加載極化變換器是調(diào)節(jié)極化狀態(tài)的常見做法。傳統(tǒng)的極化變換器[2-3]有利用雙折射晶體制作的波片或基于鐵氧體的變極化變換器件，但這類器件均有體積較大、不易集成、損耗高的缺陷，其中，鐵氧體變極化變換器[4]還需要高功率電源和繞組線圈來提供足夠的偏置場強(qiáng)，能耗非常高。近年來，國內(nèi)外有許多研究者開展了基于超材料的極化轉(zhuǎn)換研究。超材料是一種由人工設(shè)計的亞波長周期性結(jié)構(gòu)[5]，可用來對電磁波進(jìn)行高效的相位、極化等參量的調(diào)控，其具有體積小、重量輕、能耗低和易與射頻器件集成等優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有的大多數(shù)極化轉(zhuǎn)換超材料僅能實現(xiàn)某一種固定的極化轉(zhuǎn)換，并不具備多種極化的收發(fā)能力。針對現(xiàn)有極化轉(zhuǎn)換超材料功能單一的問題，本文以微波電子開關(guān)器件為基礎(chǔ)，提出了一種基于諧振腔型超材料的可重構(gòu)極化變換器。通過控制加載在超材料結(jié)構(gòu)單元中的PIN二極管狀態(tài)，可重構(gòu)極化變換器能在保持線極化不變和正交線極化轉(zhuǎn)換兩種功能間快速切換。本文所提出的可重構(gòu)極化變換器不僅可以提高系統(tǒng)的極化適應(yīng)能力，還具備透射率高、控制簡單、響應(yīng)速度快、適應(yīng)性好、重量輕、功耗低和成本低等優(yōu)點(diǎn)，對安裝平臺十分友好。

二、電磁波極化變換的理論模型

利用超材料各向異性的物理特性，可以靈活地控制電磁波的傳輸特性。各向異性結(jié)構(gòu)材料是指其在不同方向上的具有相異的電磁參數(shù)，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可用張量表示為：

（1）

當(dāng)電磁波在各向異性材料中傳播時，其電磁關(guān)系可表示為：

（2）

由矢量計算公式可得：

（3）

（4）

對于沿+z方向正入射到各向異性材料的線極化波（kx=0， ky=0， Ez=0， Hz=0），可將式（3） （4）寫為下式：

（5）

（6）

在式（5）兩端同時乘以磁導(dǎo)率張量矩陣可得式（7）：

（7）

根據(jù)矢量計算公式，可得式（8）：

（8）

根據(jù)式（7）（8），可得式（9）：

（9）

對于x極化入射波，由Ex≠0，Ey=0，帶入式（9）可得其傳播常數(shù)為：

（10）

同理，可求得y極化波入射的傳播常數(shù)為：

（11）

若Ex μy≠εy μx，則對x極化入射波和y極化入射波而言，材料表現(xiàn)為各向異性。如圖1所示，當(dāng)u極化（或v極化）入射波通過該材料后，若兩正交電場分量Ex和Ey的相位差為2nπ（n為整數(shù)），透射波極化與入射波極化相同；若兩正交電場分量的相位差為（2n±1）π（n為整數(shù)），透射波極化與入射波極化正交；若相位差為2nπ±π/2（n為整數(shù)），透射波為圓線極化波。

三、基于超材料的極化變換器設(shè)計

（一）可重構(gòu)極化變換器單元結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)極化變換器的單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，由光柵層、可重構(gòu)相位調(diào)節(jié)層、可重構(gòu)極化選擇層三層超表面組成。三層介質(zhì)基板均為相對介電常數(shù)為4.3的FR4材料，極化變換器單元周期為18mm，剖面尺寸為32 mm。

工作時，極化變換器頂層的光柵層對入射波進(jìn)行極化選擇，該層只允許y極化波透過，x極化波則被全部反射；中間層為可重構(gòu)相位調(diào)節(jié)層，通過控制二極管的導(dǎo)通和關(guān)斷可使中間層表現(xiàn)出各向同性或各向異性，實現(xiàn)極化保持或者極化變換；底層為可重構(gòu)極化選擇層，通過控制正面或背面二極管的通斷，可以使該層等效為平行于x或者y方向的光柵，實現(xiàn)對透射波的極化選擇。以極化變換為例，電磁波在極化轉(zhuǎn)換超材料中的反射與透射過程如圖3所示。

（二）可重構(gòu)極化變換器的仿真結(jié)果

圖4給出了可重構(gòu)極化變換器的傳輸系數(shù)和極化隔離度。其中，極化保持狀態(tài)下的極化隔離度為：20log（|Tyy|/|Txy|），而正交極化轉(zhuǎn)換狀態(tài)下的計算方式是：20log（|Txy|/|Tyy|）。由仿真結(jié)果可知，該極化變換器單元在5GHz～6GHz內(nèi)兩種功能狀態(tài)下透射系數(shù)皆高于-1.85dB，且極化隔離度高于20dB。在4.5GHz～6.5GHz頻段范圍內(nèi)，透射系數(shù)高于-3dB且極化隔離度高于20dB。

四、結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有極化轉(zhuǎn)換超材料功能單一的問題，從各向異性材料特性出發(fā)，推導(dǎo)了極化轉(zhuǎn)換超材料的工作原理，提出了一種加載PIN二極管的可重構(gòu)極化變換超材料，實現(xiàn)了線極化保持和正交極化轉(zhuǎn)換兩種功能。仿真計算結(jié)果表明，該可重構(gòu)極化變換器具有工作帶寬寬、極化隔離度高、易加工、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可快速應(yīng)用于低成本實現(xiàn)變極化收發(fā)能力的各種無線信息系統(tǒng)中。

作者單位：曹磊 粟勇 王巍偉 電子信息控制重點(diǎn)實驗室

參考文獻(xiàn)

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