一種寬帶可重構反射型極化旋轉表面?

于惠存 曹祥玉 高軍 楊歡歡 韓江楓 朱學文 李桐

1)(空軍工程大學研究生院,西安 710077)

2)(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

(2018年5月28日收到;2018年9月12日收到修改稿)

1 引 言

隨著雷達、通信等技術的高速發展,復雜氣候條件及通信的保密性要求電磁波在傳播過程中要實時可控.極化是電磁波的重要特性,在增加通信容量、提高保密性等方面具有重要作用.通常,控制電磁波的極化主要有兩種實現方法,一是直接調控天線的極化[1?4],二是通過設計極化旋轉表面[5?18]并置于天線輻射口面前方或直接作為天線輻射面.其中,前者具有天線結構尺寸小、頻帶寬、損耗低等優點,但由于直接調控天線輻射,射頻偏置電路設計復雜;相對而言,后者則只需設計可重構極化旋轉表面(reconfigurable polarization rotation surfaces,RPRS)[9?18]便可以間接控制天線輻射性能,特別適合陣列應用.

現有的可重構極化旋轉表面按實現方式大致可以分為:改變介質材料[9?11]以及利用電子器件改變有效金屬結構[12?18].前者通常利用石墨烯[9]、液晶[10]、金屬微流體[11]等材料來代替傳統的金屬和介質材料,具有工作頻段高,設計加工難度大的特點;相比而言,后者利用PIN二極管、微電機系統(MEMS)開關等器件,具有易仿真加工、電可控性能好、結構靈活多樣等特點,研究成果相對較多.如文獻[14,15]在單元中加載四個PIN二極管,結合手性材料及圓的二分性理論,通過控制二極管的通斷狀態,實現了入射線極化波轉化為左、右旋圓極化波.其中,文獻[14]為透射型極化旋轉表面,工作頻帶為9.70—9.93 GHz,剖面厚度為1.63 mm.文獻[15]為反射型極化旋轉表面,工作頻帶為3.4—8.8 GHz(相對帶寬88.5%),其剖面厚度為12 mm.文獻[16]新穎地給出了一種上表面為金屬線結構的極化旋轉表面,下表面為PIN二極管連接金屬片的結構,通過控制二極管的通斷,分別實現了線極化波的同極化反射和交叉極化透射.文獻[17]實現了在太赫茲頻段內利用MEMS開關對交叉極化波透射率和極化旋轉角度的動態調控.文獻[18]則利用每個單元加載兩個PIN二極管設計了一種寬帶可重構極化旋轉表面,當二極管導通時該結構相當于金屬板,當二極管截止時該結構在6.4—10.3 GHz頻帶內(相對寬帶46.7%)具有線-線極化轉化功能,此外,文中還將設計的單元棋盤布陣實現了雷達散射截面的有效減縮.盡管上述研究已成功實現了極化旋轉表面(PRS)的性能可重構,但如何進一步減少器件、增大帶寬、降低剖面仍是研究人員不斷追求的目標.

本文利用MEMS開關,相比于PIN二極管開關,其具有插入損耗小、功耗低、尺寸小等優點,結合傳統極化旋轉表面,設計了一種寬帶可重構的反射型極化旋轉表面.該結構具有頻帶寬、器件個數少、結構簡單、損耗低等優點.經仿真和實驗驗證,當MEMS開關導通時,該結構能在7.78—14.10 GHz頻帶內將入射的線極化波轉化為極化轉化率大于80%的交叉極化反射波,相對帶寬為57.77%;當MEMS開關斷開時,入射波以同極化全反射.該結構在目標雷達散射截面動態減縮、天線極化動態調制等方面具有潛在的應用價值.

2 單元結構與仿真結果

本文提出的寬帶可控極化旋轉表面單元結構示意圖見圖1.該結構由上表面方形金屬貼片、介質層和金屬底板組成,貼片一角和中部分別經R1,R2兩個金屬通孔連接至金屬底板,所用介質板材為聚四氟乙烯玻璃布板,介電常數為2.65,電損耗角正切為0.001,介質板厚度h=2 mm(0.073λ,λ為10.94 GHz對應的自由空間波長).單元的結構參數為:p=7.9 mm,l=5.9 mm,w=0.6 mm,d=0.4 mm,r1=0.6 mm,r2=r3=0.3 mm.本文選用Radant公司型號為RMSW200 HP的單刀單擲射頻MEMS開關,其在7—15 GHz范圍內,插入損耗小于0.5 dB,回波損耗小于0.3 dB,端口隔離度大于17 dB.因此,為了便于仿真分析將其簡化為方形金屬貼片,若MEMS開關導通,單元處于如圖1(b)所示的通路狀態;若斷開,單元處于如圖1(c)所示的斷路狀態.

定義Ryx,Rxx分別表示x極化到y極化、x極化到x極化的反射系數;φyx,φxx分別表示x極化到y極化、x極化到x極化的反射相位;反射波相位差?φ= φxx?φyx.利用Ansoft HFSS全波電磁仿真軟件對該結構進行仿真,設置主從邊界條件,得到x極化波垂直入射時反射系數與反射相位曲線,如圖2所示.

當MEMS開關導通時,反射系數曲線如圖2(a)所示,在較寬的頻帶內Ryx遠大于Rxx,并且在8.05,10.4,13.35 GHz處Ryx接近1,此時反射波較入射波產生了如圖3(a)所示的極化旋轉現象;當MEMS開關斷開時,反射系數曲線如圖2(b)所示,Rxx遠大于Ryx,說明入射的x極化波經過反射后仍保持x極化特性,如圖3(b)所示,該結構處于斷路模式時將不改變電磁波極化狀態.反射相位及相位差曲線如圖2(c),(d)所示,當MEMS開關導通或斷開時,x極化與y極化反射波相位差?φ=±90?在仿真的7—15 GHz頻段內保持不變,結合開關導通時,7.62和12.56 GHz處x極化波與y極化波反射系數曲線出現重合的情況(如圖2(a))可知,在7.62和12.56 GHz頻點處,x極化入射波分別轉化為右旋、左旋圓極化反射波.

圖1 可重構極化旋轉表面單元結構示意圖 (a)單元結構;(b)MEMS導通;(c)MEMS斷開Fig.1.Schematic of the proposed reconfigurable polarization convertor:(a)The unit;(b)when MEMS is on;(c)when MEMS is o ff.

圖2 MEMS導通或斷開時反射系數和相位曲線 (a)導通時的反射系數;(b)斷開時的反射系數;(c)導通時的反射相位及相位差;(d)斷開時的反射相位及相位差Fig.2.(a)Reflection coefficients when MEMS is on;(b)reflection coefficients when MEMS is o ff;(c)phase and phase difference when MEMS is on;(d)phase and phase difference when MEMS is o ff.

圖3 可重構極化旋轉現象示意圖 (a)MEMS導通;(b)MEMS斷開Fig.3.Schematic of the reconfigurable polarization rotation phenomenon:(a)When MEMS is on;(b)when MEMS is o ff.

圖4 不同入射角的(a)反射系數曲線,(b)極化轉化率曲線Fig.4.(a)Reflection coefficients and(b)polarization conversion ratio in different incident angle.

3 原理分析

為了分析結構的工作機理,將x-y坐標系順時針旋轉45?得到u-v坐標系,如圖1(a).那么x極化波可以分解成u,v方向上等幅同相的線極化波.設Ruu,Rvu,Ruv,Rvv分別為u極化到u極化、u極化到v極化、v極化到u極化、v極化到v極化的反射系數.在MEMS開關導通和斷開模式下分別進行仿真,得到的反射系數曲見圖5(a)和圖5(b).可以看出Ruu=Rvv≈1,Ruv=Rvu≈0,說明無論開關導通還是斷開,當電磁波以u,v極化入射時,反射波全部為同極化波.并且同極化反射系數近似為1,表明電磁波在極化轉化過程中幾乎沒有能量損耗.

定義φuu,φvv分別表示u極化到u極化,v極化到v極化的反射相位,反射波相位差?φ′=φuu?φvv.MEMS開關導通時反射相位及相位差曲線如圖6(a)所示,在8.05,10.4,13.35 GHz處相位差等于180?,此時u極化與v極化反射波合成場必然沿y極化,這與x-y坐標系下的結果完全符合;MEMS開關斷開時反射相位及相位差曲線如圖6(b)所示,u極化與v極化波的反射相位幾乎重合相位差近似為0,因此合成場反射波為同極化波.比較圖6(a)與圖6(b)中的曲線,兩條φuu曲線幾乎重合,而φvv曲線則相差約180?.這說明MEMS開關的通斷并不影響u方向上電磁波的反射相位,但可以對v方向的反射相位進行180?調控.

圖5 u-v坐標系下反射系數曲線 (a)MEMS導通;(b)MEMS斷開Fig.5.Reflection coefficients in u-v coordinate system:(a)When MEMS is on;(b)when MEMS is o ff.

圖6 u-v坐標系下反射相位和相位差曲線 (a)MEMS導通;(b)MEMS斷開Fig.6.Phase and phase difference in the u-v coordinate system:(a)When MEMS is on;(b)when MEMS is o ff.

由于u極化波對該結構兩種狀態的反射相位影響幾乎一致,因此僅需分析開關通斷對v極化波的影響即可.因此,在v極化波入射時,分別繪制了MEMS開關導通和斷開時三個諧振點處的俯視與側視電流分布圖(側視圖中箭頭代表電流流向)如圖7和圖8所示.首先分析其上下表面電流流向.無論開關導通還是斷開,該結構上下表面電流在三個諧振點處均反向,屬于磁諧振[19].但MEMS開關導通時(見圖7)的電流強度明顯高于斷開時的電流強度,說明前者磁諧振效果明顯并且具備同相反射特性[20],而后者的諧振效果十分微弱且不具備同相反射特性.因此,二者在三個諧振點處會產生明顯的180?相位差.其次分析兩個金屬化過孔中通過的電流.當開關導通時,兩個金屬化過孔中產生強烈的感應電流,且在其兩側電流流向相同,說明兩個金屬化過孔對整個結構的表面電流分布起到了重要作用;當開關斷開時,兩個金屬化過孔中產生較弱的感應電流,且在其兩側電流流向相反,說明金屬化過孔中電流相互抵消,將不起作用.最后分析該結構整體電流流向.當開關斷開時,該結構內部存在兩個電流回路,類似于傳統的電磁帶隙結構,此時相當于在傳統蘑菇形電磁帶隙單元一側添加一個與之分離的金屬柱結構,因此無法產生180?的相位差;當開關導通時,該結構中出現了如圖7虛線所示的位移電流,使其內部出現了3個電流回路,此時相當于上述電磁帶隙單元一側添加一個與之相連的金屬柱結構,調節了v方向的反射相位,故可以產生180?相位差.

圖7 MEMS開關導通時三個諧振點處電流分布圖Fig.7.Schematic of current distributions at 8.05 GHz,10.40 GHz and 13.35 GHz when MEMS is on.

圖8 MEMS開關斷開時三個諧振點處電流分布圖Fig.8.Schematic of current distributions at 8.05 GHz,10.40 GHz and 13.35 GHz when MEMS is o ff.

4 樣品加工及測試

采用印刷電路板技術對極化旋轉表面進行了加工.如圖9(a)所示,加工樣品由1225(35×35)個單元組成,整體結構尺寸為273 mm×273 mm.采用空間波法[21]在微波暗室對該樣品進行了測試.如圖9(b)所示,首先將兩個喇叭天線按水平極化放置,分別測得開關導通和斷開時反射系數曲線;其次,將其中一個喇叭天線按垂直極化放置另一個喇叭天線保持不變,分別測得MEMS開關導通和斷開時的反射系數曲線.此外,樣品測試前首先對等大的金屬板進行了測試,并用測得的結果作為校準數據.

圖9 (a)加工樣品示意圖;(b)實測環境示意圖Fig.9.(a)Schematic of fabricated sample;(b)measured environment.

圖10 仿真與實測反射系數曲線 (a)MEMS開關導通;(b)MEMS開關斷開Fig.10.Simulated and measured reflection coefficients:(a)When MEMS is on;(b)when MEMS is o ff.

測試結果與仿真值對比如圖10所示. 當MEMS開關導通時,實測出現了明顯的極化旋轉現象,有三個諧振點,曲線整體較仿真略向低頻偏移;當MEMS開關斷開時,此時電磁波的極化狀態保持不變.分析認為:實測與仿真的誤差主要由于樣品尺寸有限、樣品擺放位置誤差等造成的.總之,實測反射系數曲線與仿真結果基本符合.

5 結 論

本文在超材料設計中利用MEMS開關技術設計了一種寬帶極化可重構的反射型極化旋轉表面.仿真表明,在相同線極化波入射的條件下,隨著MEMS開關由斷開到導通,反射波實現了由同極化到正交極化的寬帶可控轉變.通過電磁波的分解到疊加,闡明了其極化旋轉原理以及低損耗特性,并分析了表面電流分布,進一步解釋了其寬頻帶工作的機理.加工了實物并在微波暗室中進行了測試,所得結果與仿真符合較好,驗證了設計的可行性.所設計的可重構極化旋轉表面具有工作頻帶寬、結構簡單易加工、器件個數少、損耗低等優點,通過改進結構,增加介質層等方法可以進一步拓展其工作帶寬[22].該極化旋轉表面在天線輻射、雷達散射截面減縮等其他電磁波動態調控領域中具有潛在應用價值.