黃曉俊 高煥煥 何嘉豪 欒蘇珍 楊河林

1)(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,西安 710051)

2)(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,武漢 430079)

設(shè)計(jì)任意調(diào)控極化的電磁器件是一個(gè)研究熱點(diǎn),其中多功能可重構(gòu)電磁器件在雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.本文設(shè)計(jì)了一種基于正本征負(fù)極(PIN)二極管可調(diào)諧的多功能可重構(gòu)極化轉(zhuǎn)換超表面,可以實(shí)現(xiàn)不同頻段內(nèi)的線極化波轉(zhuǎn)換、線極化波-圓極化波轉(zhuǎn)換和全反射功能的切換,在斜入射角小于30°時(shí),多功能轉(zhuǎn)換器能保持高效的寬帶極化轉(zhuǎn)換特性.這種轉(zhuǎn)換和重構(gòu)特性主要是由于結(jié)構(gòu)本身的各向異性和PIN 管不同狀態(tài)時(shí)耦合模式的改變.此外,利用表面電流解釋了偏振轉(zhuǎn)換的物理機(jī)理,電諧振和磁諧振的共同作用導(dǎo)致了偏振轉(zhuǎn)換.最后,對(duì)該結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其結(jié)果與仿真吻合較好.該器件在極化調(diào)控、頻率控制、智能反射面設(shè)計(jì)和天線設(shè)計(jì)等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

1 引言

極化是雷達(dá)通信、雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、光通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的物理屬性.目前,設(shè)計(jì)任意調(diào)控極化功能的電磁器件成為電磁領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)課題,傳統(tǒng)方法是利用自然材料的雙折射效應(yīng),通過(guò)增大厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)相位的累積,但會(huì)導(dǎo)致器件的體積過(guò)大,難以小型化;另外,自然材料的損耗較大,會(huì)導(dǎo)致極化調(diào)控的效率較低.電磁超表面作為超材料的二維平面結(jié)構(gòu),利用金屬結(jié)構(gòu)單元的電磁諧振實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的振幅、相位、頻率和極化的調(diào)控,為靈活高效地操縱電磁波提供了一種有效的途徑,并在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.目前,在極化轉(zhuǎn)換[1?7]、電磁吸收[8?10]、波束調(diào)控[11?16]、天線設(shè)計(jì)[17,18]和傳感器[19]等領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)多的成果.Wang等[20]設(shè)計(jì)了一種可拆卸的編碼超表面,通過(guò)手動(dòng)重新配置編碼元件的陣列布局,實(shí)現(xiàn)了對(duì)振幅、相位和偏振狀態(tài)的獨(dú)立控制,但存在重構(gòu)速度慢,集成度差的問(wèn)題.Tian等[21]提出了一種可重構(gòu)的超寬帶反射型極化轉(zhuǎn)換超表面,實(shí)現(xiàn)了線極化轉(zhuǎn)換和線-圓極化轉(zhuǎn)換功能.He等[22]設(shè)計(jì)了一種基于PIN 二極管的線極化可重構(gòu)超表面,實(shí)現(xiàn)了線極化全反射與線-圓極化轉(zhuǎn)換的雙功能.此外,更高集成度的多功能電磁器件也相繼被設(shè)計(jì)與驗(yàn)證,如Li等[3]提出了一種寬帶多功能可切換極化轉(zhuǎn)換超表面,實(shí)現(xiàn)了包括極化分離與極化轉(zhuǎn)換在內(nèi)的多種極化功能的可重構(gòu)功能.Liu等[23]提出了一種在頻域可操縱電磁波的可重構(gòu)超表面,實(shí)現(xiàn)了不同頻率下的線-圓極化轉(zhuǎn)換功能.Wang等[24]提出了一種電磁波全空間控制的可重構(gòu)多功能超表面,實(shí)現(xiàn)了電磁波的反射、透射和吸收功能,特別是在全反射狀態(tài)下驗(yàn)證了可重構(gòu)多功能超表面在隱身天線罩中的潛在應(yīng)用.上述成果都是利用PIN 二極管的通斷實(shí)現(xiàn)了多種電磁波極化可重構(gòu)這一功能.隨著大規(guī)模通信設(shè)備的發(fā)展和部署,電子通信設(shè)備之間的交互變得越來(lái)越復(fù)雜,這就要求電子設(shè)備系統(tǒng)中必須集成多種電磁調(diào)控器件,然而集成多種功能的器件必然會(huì)出現(xiàn)設(shè)備難以小型化這一問(wèn)題.因此,設(shè)計(jì)具有多功能集成于一體的電磁調(diào)控器件對(duì)于實(shí)現(xiàn)未來(lái)通信設(shè)備小型化具有重要意義.另外,同時(shí)實(shí)現(xiàn)極化和頻率重構(gòu)的多功能電磁器件的研究仍然很少,在這方面還存在諸多挑戰(zhàn).

本文設(shè)計(jì)了一種基于PIN 二極管的可調(diào)諧多功能可重構(gòu)極化轉(zhuǎn)換超表面,實(shí)現(xiàn)了不同頻帶內(nèi)的極化可重構(gòu).在3.70—4.16 GHz 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了相對(duì)帶寬為12.1%、轉(zhuǎn)換率大于0.9的線極化轉(zhuǎn)換;在4.25—4.95 GHz 實(shí)現(xiàn)了線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換,軸比小于3 dB的相對(duì)帶寬達(dá)到15.1%;在6.02—7.16 GHz 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了全反射功能,相對(duì)帶寬達(dá)到17.5%,極化轉(zhuǎn)換率和吸收率均小于0.1;在7.30—8.15 GHz 實(shí)現(xiàn)了相對(duì)帶寬為11.0%、轉(zhuǎn)換率大于0.9的線極化轉(zhuǎn)換.這種具有頻域極化選擇的超表面不僅具有頻率可重構(gòu)特性,還實(shí)現(xiàn)了不同極化波的轉(zhuǎn)換.該器件在極化調(diào)控、頻率控制、智能反射面設(shè)計(jì)和天線設(shè)計(jì)等方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

2 理論分析

在頻域中,電磁波可以調(diào)制為不同頻率分量的散射波.根據(jù)頻域調(diào)控電磁波的相關(guān)理論,超表面的反射電場(chǎng)和入射電場(chǎng)之間可用散射參數(shù)S來(lái)表征,散射參數(shù)S主要與頻率相關(guān).具體的表達(dá)式如下:

其中,i和r 分別表示電磁場(chǎng)的入射與反射,x和y分別表示電磁波的極化狀態(tài).對(duì)于第n個(gè)結(jié)構(gòu)單元的散射矩陣可表示為

其中,Sfn(f)表示第n個(gè)單元的散射參數(shù).由于散射矩陣S滿足Jordan 矩陣,所以在各個(gè)頻率范圍內(nèi)的電磁響應(yīng)將互不干擾.因此反射波的總電場(chǎng)可表示為

Sfn(f)可根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)進(jìn)行展開(kāi),其定義如下:

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種多縫隙的超表面結(jié)構(gòu),圖1(a)是該結(jié)構(gòu)的立體圖,圖1(b)為主視圖,圖1(c)是x-z平面的側(cè)視圖.基本單元由兩層介質(zhì)和三層金屬層組成,其中金屬層包括有源切換貼片層、金屬地層和偏置饋線層.金屬層的材料均為銅,厚度為0.035 mm,電導(dǎo)率為5.8× 107S/m,介質(zhì)基板為F4B 材料,介電常數(shù)為2.65,損耗正切值為0.001.具體幾何參數(shù)如下:P=15.0 mm,l0=14.2 mm,l1=4 mm,l2=14 mm,w=0.5 mm,t1=3.0 mm,t2=0.5 mm,g=1.5 mm,via=0.8 mm,n1=7.2 mm,n2=4.9 mm,n3=1.9 mm,n4=10.2 mm,m1=10.1 mm,m2=13.1 mm,m3=17.3 mm,m4=14.3 mm.有源切換層是由正方形貼片開(kāi)槽構(gòu)成的,其通過(guò)中間的導(dǎo)通孔與金屬地層相連接,兩個(gè)提供偏置電壓的導(dǎo)通孔距離中心導(dǎo)通孔的距離為5∶4,兩個(gè)二極管位于兩個(gè)開(kāi)槽的中心位置.值得注意的是,有源切換層上的3 個(gè)貼片的大小保證了超表面實(shí)現(xiàn)頻域可重構(gòu)的功能,且不同頻段的諧振頻率為f1,f2,f3,f4;多條縫隙型結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致更多的諧振點(diǎn)的產(chǎn)生,而這些諧振點(diǎn)的疊加有效拓寬了不同極化功能下的頻帶帶寬.此外,合理設(shè)計(jì)偏置饋線有利于降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的剖面,也降低了更大的損耗.

圖1 單元結(jié)構(gòu)示意圖(a)立體圖;(b)主視圖;(c)側(cè)視圖Fig.1.Schematics of unit cell:(a)Solid Shape;(b)main view;(c)side view.

3.2 仿真結(jié)果

使用CST Microwave studio 對(duì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行全波仿真計(jì)算,x,y方向分別設(shè)置為unit cell,–z方向設(shè)置為電邊界,+z方向設(shè)置為open and space邊界.結(jié)構(gòu)中加載的二極管型號(hào)為SMP2019-079 LF,在仿真中,二極管導(dǎo)通時(shí),定義為“1”狀態(tài),將其等效為電感Lp=0.7 nH 與電阻RS=0.5 Ω的串聯(lián)電路;二極管斷開(kāi)時(shí),定義為“0”狀態(tài),可等效為電感Lp=0.5 nH 與電阻Ct=0.24 pF的串聯(lián)電路[25].基本單元結(jié)構(gòu)上兩個(gè)二極管的狀態(tài)可用2 bit 編碼來(lái)表示(“10”,“01”,“00”,“11”),例如“10”表示PIN1 導(dǎo)通PIN2 斷開(kāi).圖2 所示為二極管位于不同狀態(tài)下單元結(jié)構(gòu)的等效電路,以TE 波入射為例,3 個(gè)縫隙貼片等效為電阻-電感-電容(RLC)串聯(lián)電路,圖2(a)可得,周期多縫隙型結(jié)構(gòu)平行于電場(chǎng)方向表現(xiàn)為電感,分別等效為L(zhǎng)1,L2,L3;C1,C2,C3分別為周期多縫隙貼片之間的等效電容;兩個(gè)相鄰縫隙型金屬貼片之間的耦合呈現(xiàn)為電容特性,則可等效為Cg1,Cg2;長(zhǎng)度為h的傳輸線表示介質(zhì)基板;Z0和Z1分別表示自由空間和介質(zhì)基板的等效阻抗;圖2(b)藍(lán)色區(qū)域展示了二極管處于導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)下的等效電路,當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí),可等效為電感Lp與電阻RS的串聯(lián);二極管截止時(shí),等效為電感Lp與電阻Ct的串聯(lián).

圖2 等效電路(a)等效電路分析;(b)等效電路模型Fig.2.Equivalent circuit:(a)Equivalent circuit analysis;(b)equivalent circuit model.

在頻域中,可重構(gòu)超表面可等效為一個(gè)多功能極化轉(zhuǎn)換器,通過(guò)計(jì)算軸比(AR)、極化轉(zhuǎn)換率(PCR)和吸收率(A)來(lái)描述超表面在不同頻率范圍內(nèi)的極化轉(zhuǎn)換能力,具體定義如下:

其中:

圖3為x極化波和y極化波入射時(shí),兩個(gè)二極管處于不同狀態(tài)時(shí)反射系數(shù)的仿真結(jié)果.當(dāng)PIN1 導(dǎo)通PIN2 斷開(kāi)時(shí),仿真結(jié)果如圖3(a)所示,從仿真結(jié)果可以清晰地看出,交叉極化的反射系數(shù)ryx與rxy在3.70—4.16 GHz 接近0 dB,而共極化反射系數(shù)rxx與ryy小于–10 dB.由此說(shuō)明,在二極管狀態(tài)為“10”時(shí),入射的線極化波轉(zhuǎn)化成為交叉極化波,超表面作為線極化轉(zhuǎn)換器.當(dāng)PIN1 斷開(kāi)PIN2 導(dǎo)通時(shí),仿真結(jié)果如圖3(b)所示,在4.35—4.90 GHz時(shí),交叉 極化ryx與rxy和共極化rxx與ryy的反射系數(shù)接近–3 dB,圖3(c)中可以看出相應(yīng)的相位差保持在–π/2.由此說(shuō)明,在二極管狀態(tài)為“01”時(shí),入射的線極化波轉(zhuǎn)換為左旋圓極化波,超表面是一個(gè)線-圓極化轉(zhuǎn)換器.當(dāng)PIN1和PIN2同時(shí)斷開(kāi)時(shí),仿真結(jié)果如圖3(d)所示,交叉極化的反射系數(shù)ryx與rxy在6.02—7.16 GHz 小于–10 dB,而共極化反射系數(shù)rxx與ryy接近0 dB.由此表明,在二極管狀態(tài)為“00”時(shí),入射的線極化波以共極化的形式全反射,超表面等效為一個(gè)完美電導(dǎo)體.當(dāng)PIN1和PIN2 同時(shí)導(dǎo)通時(shí),仿真結(jié)果如圖3(e)所示,共極化反射系數(shù)rxx與ryy在7.30—8.05 GHz小于–10 dB,而交叉極化反射系數(shù)ryx與rxy接近0 dB.由此說(shuō)明,在二極管狀態(tài)為“11”時(shí),入射的線極化波轉(zhuǎn)換為交叉極化波,超表面等效為一個(gè)線極化轉(zhuǎn)換器.因此,可以看出極化轉(zhuǎn)換器的這種多功能性在頻域上表現(xiàn)出可重構(gòu)特性.

圖3 二極管不同狀態(tài)下的仿真曲線(a)“10”-反射系數(shù);(b)“01”-反射系數(shù);(c)“01”-反射相位;(d)“10”-反射系數(shù);(e)“11”-反射系數(shù)Fig.3.Simulation curve of diodes in different states:(a)“10”-reflectance;(b)“01”-reflectance;(c)“01”-reflection phase;(d)“10”-reflectance;(e)“11”-reflectance.

為了更好地描述多功能頻域可重構(gòu)超表面的性能,根據(jù)反射系數(shù)計(jì)算了相應(yīng)的極化轉(zhuǎn)換率、吸收率和軸比,如圖4 所示.圖4(a)顯示了PIN 二極管在“10”和“01”兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換率和軸比,可以看出當(dāng)二極管處于“10”狀態(tài)時(shí),PCR 在3.70—4.16 GHz 大于0.9,這意味著將入射的x線極化波調(diào)控為與其垂直的y極化波,且相對(duì)帶寬達(dá)到12.1%.當(dāng)二極管處于“01”狀態(tài)時(shí),AR 在4.25—4.95 GHz 小于3 dB,相對(duì)帶寬達(dá)到了15.1%,這意味著入射的x線極化波調(diào)控為左旋圓極化波.同樣,圖4(b)計(jì)算了PIN 二極管在“00”和“11”兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換率和吸收率,當(dāng)二極管處于“00”狀態(tài)時(shí),PCR和A在6.02—7.16 GHz 小于0.1,相對(duì)帶寬達(dá)到了17.5%,這表明入射的線極化波在當(dāng)前二極管狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)完美的全反射;當(dāng)二極管處于“11”狀態(tài)時(shí),PCR 在7.30—8.15 GHz 大于0.9,這意味著將入射的x線極化波調(diào)控為y極化波,實(shí)現(xiàn)了線極化轉(zhuǎn)換.

圖4 二極管不同狀態(tài)下的極化轉(zhuǎn)換率、吸收率和軸比(a)“10”與“01”;(b)“00”與“11”Fig.4.Polarization conversion rate,absorptance and axial ratio of diodes in different states:(a)“10” and “01”,(b)“00” and “11”.

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的合理性和正確性,圖5(a)為一個(gè)15× 15 結(jié)構(gòu)單元的樣品模型,圖5(b)為該模型的饋線.采用PCB 工藝對(duì)樣品進(jìn)行加工,同樣包含了15× 15 個(gè)基本單元以及底部饋電層,如圖5(c)和(d)所示,每個(gè)單元結(jié)構(gòu)中嵌入兩個(gè)相同的PIN 二極管,導(dǎo)通孔與饋電層相連接,從而便于為樣品模型上的二極管提供偏置電壓,兩個(gè)二極管的負(fù)極采用共地的方式連接到金屬地層.在實(shí)際測(cè)試中,將樣品固定于暗室的吸波材料上,測(cè)試環(huán)境如圖6 所示,將一組工作在2—18 GHz 頻段內(nèi)的喇叭天線固定在三角支架上,通過(guò)同軸饋線連接到羅德施瓦茨矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上,天線距離可重構(gòu)超表面樣品為450 mm,喇叭天線與樣品應(yīng)處于同一水平位置上,天線之間的夾角為5°左右,為了保證二極管的導(dǎo)通狀態(tài),標(biāo)準(zhǔn)直流電源箱為PIN 二極管提供+3 V的偏置電壓,從而實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)極化功能的切換.

圖5 可重構(gòu)超表面樣品結(jié)構(gòu)與實(shí)際測(cè)試樣品(a)頂層結(jié)構(gòu);(b)底部饋線;(c)實(shí)驗(yàn)樣品頂層;(d)實(shí)驗(yàn)樣品底部饋線Fig.5.Reconfigurable metasurface sample structure with actual test sample:(a)Top structure;(b)bottom feeder;(c)top layer of experimental sample;(d)bottom feeder of experimental sample.

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境Fig.6.Experimental test environment.

入射為x極化波的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖7 所示.二極管狀態(tài)為“10”時(shí),在頻段3.80—4.22 GHz 內(nèi)極化轉(zhuǎn)換率超過(guò)0.9,且相對(duì)帶寬為10.9%,如圖7(a)所示;二極管狀態(tài)為“01”時(shí),在4.25—5.0 GHz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換,且軸比小于3 dB的相對(duì)帶寬為16.2%,如圖7(b)所示;二極管狀態(tài)為“00”時(shí),在5.8—7.3 GHz 實(shí)現(xiàn)全反射功能,且相對(duì)帶寬為22.9%,極化轉(zhuǎn)換率小于0.1,如圖7(c)所示;二極管狀態(tài)為“11”時(shí),在7.35—8.10 GHz 范圍內(nèi)的極化轉(zhuǎn)換率超過(guò)0.9,且相對(duì)帶寬為9.1%,如圖7(d)所示.相比4 個(gè)功能的仿真結(jié)果,可以清楚地看出實(shí)驗(yàn)測(cè)試的頻譜發(fā)生藍(lán)移,幅值略有偏差,但二者結(jié)果總體上吻合較好.可認(rèn)為造成二者誤差的主要原因是加工誤差,一方面來(lái)自于介質(zhì)基板的介電常數(shù)與正切損耗的誤差;另一方面來(lái)自于焊接二極管時(shí)引入的寄生電容與電感效應(yīng).

圖7 二極管不同狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)與仿真的性能對(duì)比(a)“10”;(b)“01”;(c)“00”;(d)“11”Fig.7.Comparison of experimental and simulated performance of diodes in different states:(a)“10”;(b)“01”;(c)“00”;(d)“11”.

4 分析與討論

一般情況下,電磁波的極化轉(zhuǎn)換特性采用本征模進(jìn)行分析.假設(shè)將x極化波入射到超表面,此時(shí),入射電場(chǎng)Ei可以分解為u,v方向上相互正交的電場(chǎng)分量同樣,反射電場(chǎng)Er分別在u,v方向上存在兩個(gè)相互正交的電場(chǎng)分量仿真結(jié)果如圖8 所示.從圖8(a)可以看出,共極化反射系數(shù)ruu和rvv在3.7—4.1 GHz內(nèi)幾乎相等且接近于1,相應(yīng)的反射相位差近似于π.圖8(d)中也顯示了共極化反射系數(shù)ruu和rvv在7.3—8.0 GHz 幾乎相等且為1,相應(yīng)的相位差也近似為π.因此,這兩個(gè)頻段下將入射的x極化波轉(zhuǎn)化為與其垂直的y極化波.于是反射波的電場(chǎng)可表示為

從圖8(b)可以看出,共極化ruu和rvv的反射系數(shù)在4.25—5.0 GHz 內(nèi)保持相等且為1,相位差大約為–π/2,這意味著入射的線極化波轉(zhuǎn)換成左旋圓極化波,于是反射電場(chǎng)可表示為

圖8 不同二極管狀態(tài)下在u、v 方向上的反射系數(shù)和相位差(a)“10”;(b)“01”;(c)“00”;(d)“11”Fig.8.Reflectances and phase differences in u and v directions for different diode states:(a)“10”;(b)“01”;(c)“00”;(d)“11”.

圖8(c)可以看出,共極化的反射系數(shù)在6.0—7.1 GHz 幾乎相等且接近1,相應(yīng)的相位差近似為0,這意味著該頻段下的超表面結(jié)構(gòu)可以等效為完美電導(dǎo)體,將入射的x極化波以相同的極化方式全反射.于是反射波的電場(chǎng)可表示為:

在實(shí)際的電磁環(huán)境中,電磁波除了垂直入射到物體的表面,還會(huì)存在任意角度入射的情況.因此,研究電磁波的斜入射特性對(duì)于超表面具有重要意義.以TE 波為例,不同入射角對(duì)不同二極管狀態(tài)下的極化特性影響結(jié)果如圖9 所示,從圖9(a)可以看出,二極管處于“10”狀態(tài),在3.7—4.16 GHz內(nèi)斜入射角小于30°時(shí),極化轉(zhuǎn)換效率仍能保持在0.83 以上,隨著斜入射角的增大,轉(zhuǎn)換效率也逐漸降低,但帶寬略有增大.圖9(b)可以看出,二極管處于“01”狀態(tài),斜入射角小于45°且頻率在4.25—4.95 GHz 范圍內(nèi),軸比均小于3 dB,這表明線-圓極化轉(zhuǎn)換具有良好的廣角特性,這可歸因于斜入射電場(chǎng)在水平和垂直方向上基本一致的分量和幾乎沒(méi)有變化的相位差.圖9(c)可以看出,在6.02—7.16 GHz 頻帶下二極管處于“00”狀態(tài),斜入射角小于30°時(shí)轉(zhuǎn)換率和吸收率均小于0.1,這表明入射的線極化波也具有良好的廣角特性,隨著角度的增大,極化轉(zhuǎn)化率和吸收率也在逐漸增大.從圖9(d)可以看出,二極管處于“11”狀態(tài)且斜入射角小于30°,在7.30—8.15 GHz 頻帶范圍時(shí)極化轉(zhuǎn)化率保持在0.83 以上,隨著斜入射角的增大,轉(zhuǎn)換率急劇下降且?guī)捴饾u變窄,這主要是因?yàn)橛性辞袚Q層與金屬地層之間磁耦合效應(yīng)的減弱,使得金屬層之間的諧振逐漸降低.

圖9 不同入射角對(duì)不同二極管狀態(tài)下可重構(gòu)極化調(diào)控性能的影響(a)“10”;(b)“01”;(c)“00”;(d)“11”Fig.9.Effect of different incidence angles on the reconfigurable polarization modulation performance in different diode states:(a)“10”;(b)“01”;(c)“00”;(d)“11”.

考慮到實(shí)際中電磁波入射時(shí)的方位角可能沿任意方向,因此,圖10 展示了不同二極管狀態(tài)下時(shí)在其他方位角下的斜入射特性.圖10(a),(b)和(d)可以看出,二極管處于“10”,“01”與“11”狀態(tài),方位角?為15°時(shí),該結(jié)構(gòu)的斜入射響應(yīng)較為良好;圖10(c)展示了二極管處于“00”狀態(tài),方位角?為10°時(shí),該結(jié)構(gòu)的斜入射響應(yīng)較為良好.由此也可知,對(duì)于電磁波偏振沿其他方向入射時(shí),對(duì)該器件的性能有一定的影響.

圖10 其他方位角的斜入射響應(yīng)(a)“10”狀態(tài);(b)“01”狀態(tài)(c)“00”狀態(tài);(d)“11”狀態(tài)Fig.10.Oblique incident response at other azimuths:(a)“10”;(b)“01”;(c)“00”;(d)“11”.

為了解釋極化轉(zhuǎn)換的物理機(jī)理,仿真了不同二極管狀態(tài)下各功能諧振點(diǎn)處的表面電流分布.當(dāng)二極管處于“10”狀態(tài)時(shí),監(jiān)測(cè)兩個(gè)諧振點(diǎn)f1=3.85 GHz,f2=4.13 GHz的表面電流分布,如圖11(a)和(b)所示.當(dāng)入射的電磁波為x極化時(shí),有源切換層的表面電流與金屬地層表面電流方向相反,使得感生磁場(chǎng)分量方向與原生磁場(chǎng)方向產(chǎn)生90°的偏轉(zhuǎn),這也是入射的x極化波調(diào)控為y極化波的原因.當(dāng)二極管處于“01”狀態(tài)時(shí),兩個(gè)諧振點(diǎn)f1=4.50 GHz和f2=4.75 GHz的表面電流分布如圖11(c)和(d)所示.有源切換層的表面電流和金屬地層的表面電流分別等效為I1和I2,由圖可知,表面電流I1和I2相互垂直,此時(shí)輸入阻抗呈高電感特性,有源切換層與金屬地層之間諧振引入了90°的相位差,導(dǎo)致入射的線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波,同時(shí),多個(gè)諧振點(diǎn)的疊加拓寬了該功能的有效帶寬.當(dāng)二極管處于“00”狀態(tài)時(shí),圖11(e)和(f)顯示了f1=6.30 GHz,f2=7.07 GHz 時(shí)的表面電流分布,有源切換層上的表面電流與金屬地層的表面電流方向一致,構(gòu)成了電偶極子,感生電場(chǎng)的方向與原生電場(chǎng)的方向保持一致,這表明入射電場(chǎng)被反射后并沒(méi)有發(fā)生變化,可重構(gòu)超表面則表現(xiàn)為全反射功能.當(dāng)二極管處于“11”狀態(tài)時(shí),圖11(g)和(h)展示了f1=7.36 GHz,f2=7.89 GHz的表面電流分布,這與二極管處于“10”狀態(tài)時(shí)的物理機(jī)理一致,也就是將入射的電場(chǎng)調(diào)控到與其相互垂直的方向上,此時(shí)入射波的極化狀態(tài)發(fā)生了變化.綜上所述,不同二極管狀態(tài)下有源切換層與金屬地層表面電流分布的不同會(huì)導(dǎo)致各諧振點(diǎn)處耦合響應(yīng)的不同,主要是將入射波的電場(chǎng)調(diào)控到不同方向上,從而表現(xiàn)為電磁波極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換.

圖11 不同二極管狀態(tài)下各極化轉(zhuǎn)換功能在諧振點(diǎn)處的表面電流分布(a)(b)“10”;(c)(d)“01”;(e)(f)“00”;(g)(h)“11”Fig.11.Surface current distribution of each polarization conversion function at the resonance point under different diode states:(a)(b)“10”;(c)(d)“01”;(e)(f)“00”;(g)(h)“11”.

5 結(jié)論

本文基于頻域調(diào)控理論設(shè)計(jì)了一種極化與頻率同時(shí)重構(gòu)的多縫隙型超表面,通過(guò)加載PIN 二極管實(shí)現(xiàn)了不同頻段內(nèi)的不同極化轉(zhuǎn)換功能,3.80—4.22 GHz和7.35—8.10 GHz 實(shí)現(xiàn)了極化轉(zhuǎn)換,極化轉(zhuǎn)換效率均大于0.9;4.25—5.0 GHz 頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了線-圓極化轉(zhuǎn)換;5.8—7.3 GHz 實(shí)現(xiàn)了全反射功能.對(duì)加工后的樣品進(jìn)行測(cè)試,其結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好.本文所提出的結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步應(yīng)用于空間波的極化調(diào)控和實(shí)現(xiàn)波束的控制,同時(shí),可應(yīng)用于新型數(shù)字通信系統(tǒng).