一種新型可重構極化變換器設計

摘要 ：針對當前極化變換器的痛點，本文從超材料調控電磁波極化理論出發，創新地提出一種加載開關器件的極化變換超材料結構。該可重構極化變換器由光柵層、可重構相位調節層、可重構極化選擇層三層介質板組成，通過控制加載在相位調節層和極化選擇層上的PIN二極管狀態，可在線性極化保持和正交極化轉換兩種功能間快速切換，具備工作帶寬寬、損耗小、極化隔離度高等優點，可廣泛應用于各種天線收發系統。

關鍵詞：超材料；線極化；正交極化；可重構； PIN二極管

一、引言

隨著雷達技術與無線通信技術的快速發展，極化得到了越來越廣泛的應用。極化是電磁波的基本參量，通過極化變換，能幫助雷達系統提升目標檢測和識別等能力。在通信技術方面，極化變換可提升通信系統的抗干擾能力和抗多徑能力。通過收發極化快速變換，可支撐奪取掌控電磁頻譜域的主動權與控制權[1]。

在傳統天線上加載極化變換器是調節極化狀態的常見做法。傳統的極化變換器[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，能耗非常高。近年來，國內外有許多研究者開展了基于超材料的極化轉換研究。超材料是一種由人工設計的亞波長周期性結構[5]，可用來對電磁波進行高效的相位、極化等參量的調控，其具有體積小、重量輕、能耗低和易與射頻器件集成等優點，但現有的大多數極化轉換超材料僅能實現某一種固定的極化轉換，并不具備多種極化的收發能力。針對現有極化轉換超材料功能單一的問題，本文以微波電子開關器件為基礎，提出了一種基于諧振腔型超材料的可重構極化變換器。通過控制加載在超材料結構單元中的PIN二極管狀態，可重構極化變換器能在保持線極化不變和正交線極化轉換兩種功能間快速切換。本文所提出的可重構極化變換器不僅可以提高系統的極化適應能力，還具備透射率高、控制簡單、響應速度快、適應性好、重量輕、功耗低和成本低等優點，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。各向異性結構材料是指其在不同方向上的具有相異的電磁參數，其介電常數和磁導率可用張量表示為：

（1）

當電磁波在各向異性材料中傳播時，其電磁關系可表示為：

（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）兩端同時乘以磁導率張量矩陣可得式（7）：

（7）

根據矢量計算公式，可得式（8）：

（8）

根據式（7）（8），可得式（9）：

（9）

對于x極化入射波，由Ex≠0，Ey=0，帶入式（9）可得其傳播常數為：

（10）

同理，可求得y極化波入射的傳播常數為：

（11）

若Ex μy≠εy μx，則對x極化入射波和y極化入射波而言，材料表現為各向異性。如圖1所示，當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），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），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），透射波為圓線極化波。

三、基于超材料的極化變換器設計

（一）可重構極化變換器單元結構

可重構極化變換器的單元結構如圖2所示，由光柵層、可重構相位調節層、可重構極化選擇層三層超表面組成。三層介質基板均為相對介電常數為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；中間層為可重構相位調節層，通過控制二極管的導通和關斷可使中間層表現出各向同性或各向異性，實現極化保持或者極化變換；底層為可重構極化選擇層，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，實現對透射波的極化選擇。以極化變換為例，電磁波在極化轉換超材料中的反射與透射過程如圖3所示。

（二）可重構極化變換器的仿真結果

圖4給出了可重構極化變換器的傳輸系數和極化隔離度。其中，極化保持狀態下的極化隔離度為：20log（|Tyy|/|Txy|），而正交極化轉換狀態下的計算方式是：20log（|Txy|/|Tyy|）。由仿真結果可知，該極化變換器單元在5GHz～6GHz內兩種功能狀態下透射系數皆高于-1.85dB，且極化隔離度高于20dB。在4.5GHz～6.5GHz頻段范圍內，透射系數高于-3dB且極化隔離度高于20dB。

四、結束語

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

作者單位：曹磊 粟勇 王巍偉 電子信息控制重點實驗室

參考文獻

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[3] 張洪濤，汪偉，梁仙靈，等，寬頻帶低軸比雙極化波導陣列天線設計[J].雷達科學與技術，2017，15（1）：50-54.

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[5] 韓江楓，曾祥玉，高軍等.一種基于超材料的寬帶、反射型90度極化旋轉體設計[J].物理學報，2016，65（4）：75-82.