[发明专利]一种基于超薄透射梯度超表面的极化分离器

说明书

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种基于超薄透射梯度超表面的极化分离 器。

背景技术

目前操控电磁波的幅度、相位和极化特性已成为国际前沿课题。极化分离器，作为 电磁波极化控制的重要器件，在通讯工程、雷达系统和波前控制系统等领域具有重要应用 前景。

对于极化分离器的实现主要有5种。传统技术上主要采用天然的双折射晶体来实 现，基于晶体的双折射特性，对于不同极化的电磁波可以形成不同的电磁相应；上世纪末， 随着超材料发现并被广泛用于微波器件设计，采用二维光子晶体结构使得极化分离器的设 计摆脱了对自然材料的依赖，从而可以根据科学家的意愿来进行不同功能的设计；有源器 件的引入，如半导体器件、光子集成电路的使用，大大减小了极化分离器的尺寸；近年来，随 着超材料技术的发展，尤其是渐变折射率超材料的提出，采用各向异性超材料、二维渐变折 射率超材料设计的极化分离器实现了对不同极化电磁波的独立操控。

以上极化分离器存在如下缺陷：

采用双折射晶体设计的极化分离器必须依赖自然的双折射晶体来实现，且对于电 磁波入射角度及其敏感；采用光子晶体设计的极化分离器结构复杂，电磁能量损耗较大，同 时极化分离角度受限；采用半导体器件、集成电路设计的极化分离器引入了有源元件，价格 昂贵，同时有源元件破坏了两个维度的极化独立特性，使得极化分离程度有所降低；采用各 向异性超材料和二维渐变折射率超材料设计的极化分离器，主要基于光程差来实现波束控 制，器件比较笨重，同时极化分离程度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提一种供基于超薄透射梯度超表面的极化分离器， 提高了极化分离程度，同时降低了极化分离器的厚度。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于超薄透射梯度超表面的极化分离器包括：底板，在所述底板设有基于矩 阵结构的多个6×6超表面单元阵列，每个所述超表面单元为基于三层贴片级联耦合的超表 面单元，所述超表面单元包括：第一介质板和第二介质板，在所述第一介质板的上表面设有 第一级联金属贴片，在所述第一介质板的下表面和第二介质板的上表面之间设有第二级联 金属贴片，在第二介质板的下表面设有第三级联金属贴片，所述第一级联金属贴片、第二级 联金属贴片、第三级联金属贴片的尺寸和厚度相同；所述第一级联金属贴片尺寸根据实现 的传输相位确定。

作为优选，第一介质板和第二介质板均采用厚度为1.5mm，介电常数为2.65的F4B 介质板。

作为优选，每个超表面单元周期为Px×Py＝11mm×11mm。

作为优选，所述第一级联金属贴片的厚度为0.018mm。

本发明的有益效果如下：

1.采用二维超薄梯度超表面单元，实现了透射相位0～360°连续变化，与传统采用 光程差控制相位相比，极大的减小了超表面单元的厚度，且同一厚度的单元可以实现不同 的相位分布；

2.利用超表面单元的极化独立特性，在不同极化电磁波激励下，实现了电磁特性 的独立操控；

3.基于超表面单元设计的极化分离器，实现了电磁波束的独立操控，采用平行极 化波激励时，波束在xoz平面实现了27°的波束偏折，采用垂直极化波激励时，波束在yoz平 面实现了-27°的波束偏折；

4.由于超表面单元的极化独立特性，实现了良好的波束分离特性，采用45°极化波 激励时，两种极化波的分离程度达到18dB；

5.由于超表面单元采用非谐振元结构，不同尺寸单元的透射相位在一定带宽范 围具有一致性，研制的极化分离器带宽相对较宽，达到了600MHz。

附图说明

图1为基于混合极化波入射的二维TPGMs奇异偏折效应的示意图，其中，图1(a)为 混合极化波入射TPGM1，图1(b)为混合极化波入射TPGM2，图1(c)为混合极化波入射TPGM3， 图1(d)为混合极化波入射TPGM4；

图2为超表面单元的拓扑机构以及仿真设置的示意图，其中，图2(a)为超表面单元 的俯视图和几何参数的示意图，图2(b)为对于//和⊥极化波的仿真设置的示意图，图2(c) 为超表面单元的结构示意图；