一种基于领结型超表面的宽带圆极化转换器

黄俊翔， 高 喜

(桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林 541004)

极化是电磁波的重要特性之一。按照极化特性可将电磁波分为线极化波、圆极化波和椭圆极化波，其中圆极化波普遍用于远程通信和遥感系统中。为了能有效控制电磁波的极化状态，人们做了许多研究工作。传统的极化控制器件通常利用双折射晶体制作而成，但这些器件存在厚度大、加工困难、效率低、带宽窄等缺点。近年来，超表面发展给电磁波调控提供了可选择的方案，由此设计出的极化器具有转换效率高、厚度超薄等优点[1-13]。Ye等[2]设计了一种手性结构的极化转换器，在11.66～12.10 GHz频段实现了交叉极化转换。Wu等[5]设计了一种各向异性的开口环结构，该结构能够在9.4 GHz频点处实现高效的交叉极化转换。Zhang等[13]提出了一种以十字结构与矩形框相结合的组合结构，该结构能够在宽频带范围内将线极化波转换为圆极化波，其相对带宽为30%。

为了进一步拓展器件的工作带宽，提出了一种新型超表面结构，并由此实现了高性能的反射型线-圆极化转换器。电磁仿真结果表明，该器件能够在13.7～23.3 GHz的宽频带范围内将线极化波转换为圆极化波，器件工作的相对带宽达52%。为了分析器件的工作机理，进一步提取了x、y方向的等效电路，且等效电路的计算结果与CST的仿真结果具有很好的一致性。

1 极化转换器的物理模型及仿真分析

图1为基于领结型超表面的极化转换器。该转换器由领结型金属超表面、介质层和金属反射地板组成，顶层的超表面结构由领结型结构单元沿x轴和y轴周期性排列而成；中间的介质层为F4B，其相对介电常数εr=2.65，损耗正切为0.001，厚度td=2 mm；底层是金属反射地板，金属选用电导率为5.9×107S/m的铜，厚度为0.035 mm。单元结构的几何参数为：P=10 mm，S=6.8 mm，W1=1.6 mm，W2=2 mm。

图1 基于领结型超表面的极化转换器

为了研究器件的极化转换性能，采用CST Microwave Studio软件对该极化转换器的性能进行仿真分析。在仿真中，选取一个单元结构，并结合周期边界条件(即x与y方向的边界条件均设置为周期边界)，来模拟周期结构。此外，采用沿-z方向传播的平面波激励单元结构，激励源的电场方向Eu与x轴和y轴均呈45°夹角。图2为模拟得到的交叉极化(Rvu)和同极化(Ruu)反射系数。从图2可看出，在13.6～23.3 GHz频段，同极化反射系数的幅值与交叉极化反射系数的幅值近似相等(|Ruu|≈|Rvu|≈0.7)，且在该频段内它们的相位差(Δφ=φuu-φvu)近似等于270°或-90°。这表明反射波为圆极化波，即该器件实现了将线极化波转换为圆极化波的功能。

图2 极化转换器的反射系数

为了进一步研究反射波的圆极化特性，根据式(1)计算反射波的轴比：

(1)

图3 反射波轴比

其中，a=|Rvu|4+|Ruu|4+2|Rvu|2|Ruu|2cos(2Δφ)，相位差Δφ=arg(Ruu)-arg(Rvu)。根据计算结果得到的反射波轴比如图3所示。从图3可看出，在13.6～23.3 GHz频段，轴比RA<3 dB，表明反射波的极化状态为圆极化。值得注意的是，在14.4～23.1 GHz的频率范围内RA<1 dB，这表明器件在该频带范围内具有非常优异的线-圆极化转换性能，且相对带宽为46%。

此外，为了进一步分析器件的结构参数W1、W2、td和S对轴比RA的影响规律，对参数进行扫参。图4(a)为轴比随W1的变化曲线。从图4(a)可看出，低频谐振点随W1的增加而蓝移，且在W1=1.2 mm时，RA<3 dB的带宽最大，但RA的波动较大。而当W1=1.6 mm时，RA<3 dB的带宽略小于W1=1.2 mm时的情况，但轴比RA<1 dB的带宽明显高于W1=1.2 mm时的情况，表明W1=1.6 mm时器件具有更好的综合性能。图4(b)为不同S情况下对应的轴比曲线。由图4(b)可知，低频谐振频点随着S的降低而升高，且RA<3 dB的带宽也随着变窄。图4(c)、(d)分别为器件性能随参数td、W2的变化曲线。图4(c)表明器件的圆极化性能随td增加而快速恶化；图4(d)表明高频谐振点随W2的减少而发生蓝移。

图4 不同结构参数的RA

2 等效电路模型的构建与分析

(2)

图5 表面电流与相邻结构之间的电场分布

图6 等效电路

于是，等效电路的反射系数Γ可以由输入阻抗Zin和空气阻抗Z0表示为

(3)

文献[16]给出了周期性金属贴片中的电容与电感的估算方法：

(4)

(5)

其中：ε0、μ0分别为自由空间的介电常数、磁导率；εeff=(εd+1)/2为超表面的有效介电常数；W为金属贴片宽度；g为相邻两金属贴片之间的间隙；P为周期结构周期。由方程(4)、(5)可获得图5(b)、(d)中Cx,y和Lx,y的初始值，在此基础上，对电路参数按如图7所示的方案进行优化，最终得到电路的最佳参数，如表1所示。

表1 等效电路参数的估算值与优化值

图7 等效电路参数优化流程图

基于表1中的优化参数，计算等效电路的反射系数Rxx、Ryy，并将CST的仿真结果进行对比，结果如图8所示。从图8可看出，由等效电路获得的反射系数与CST计算得到的反射系数具有很好的一致性，证实了所提取的等效电路的正确性。同时，在13.6～23.3 GHz，反射系数的幅值|Rxx|=|Ryy|≈1，且相位差为90°或-270°，这意味着入射波能量被全反射，并且反射波的合成波是圆极化波。因此，当u极化波(如图1(a)所示)入射到结构表面上时，可以将其分解为x、y方向的分量，且它们的幅值相等，相位相同。而x、y方向的分量场将按照图8显示的规律进行反射，使得反射波变成圆极化波，最终实现了线-圆极化转换。

图8 等效电路与CST仿真的反射系数(Rxx与Ryy)

3 结束语

设计了一种领结型结构的宽带线-圆极化转换器。该器件能够在13.6～23.3 GHz的频率范围内，将入射的线极化波反射为圆极化波，相对带宽达52%。同时，正确提取了沿x、y方向的等效电路，并从等效电路角度分析了器件的工作机理。利用缩比原理，能够将器件的工作频率提高到THz频段，从而实现高性能的THz线-圆极化转换器。该器件具有结构简单、工作频带宽、转换效率高等优点，在微波及THz频段具有重要的应用价值。