一种基于梯度超表面的透射双功能器件制造技术

本发明专利技术公开一种基于梯度超表面的透射双功能器件，包括：一底板，在所述底板上设有基于矩阵结构的12×12极化独立性单元阵列，所述每个极化独立性单元包含一印刷电路板，所述印刷电路板上表面刻有一沿电路板上表面边缘设置的金属框以及位于所述金属框内的四层级联透射结构，所述四层级联透射结构为4层金属贴片和3层介质交叠级联结构。采用本发明专利技术的技术方案，可以实现透射聚焦和偏折功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超表面电磁
，尤其涉及一种基于梯度超表面的透射双功能器件。
技术介绍
近年来，对于电磁波幅度、相位和极化操控已经成为研究者重点关注的课题，2011年，YU等提出了广义折射/反射定律，并采用梯度超表面进行了实验验证，掀起了超表面(MS)的研究热潮。随着无线通讯技术、雷达系统和波前工程的发展，尤其是高集成电路的发展，对于双功能器件的研制提出了更高要求。基于梯度超表面的双功能器件研制具有重要理论意义和实际应用价值。目前，对于梯度超表面的研究主要集中于以下三个方面。第一，对于广义折射/反射定律的验证。2011年，Yu等采用8种不同形态的“V”型天线实现了相位覆盖2π范围的超单元(metacell)结构，验证了波束的奇异折射和反射现象，随后，该课题组基于V型超单元设计了超薄平面透镜和轴锥透镜，实现了良好的聚焦效果；Alù等采用理论方法证明了交叉极化转化效率的上限为25％，同时通过采用Pancharatnam-Berry超表面将交叉极化转化效率在实验上提高到了24.7％。第二，在提高透射梯度超表面性能方面。Gbig等人从传输线的角度出发，采用传输矩阵的方法从理论分析了多层结构高效传输和相位控制需要满足的条件，并进行了实验验证，该课题组采用4层级联GMS设计了平面聚焦透镜，在2μm波长获得了良好的聚焦效果，并有效控制了传输波的极化，级联技术极大的扩展了透射波相位的覆盖范围，并使其变化趋势变缓，有效增加了带宽；随后，又采用3层级联技术实现了波束的连续扫描；最近，该课题组采用ABA结构，通过对不同极化电磁波的独立控制，在梯度相位设计了四分之一波片结构，同时实现了波束偏折和极化转化；H.Li等人采用3层级联环形缝隙阵列(Coaxialannularaperture，CAA)在x波段验证了电磁波的奇异偏折现象，实验表明设计的GMS在10GHz获得了18°的透射波偏转，且效率达到了65％以上；H.Yu等人构造了3层级联超表面，实现了圆极化波间的高效转化，平均转化效率达到了76％，同时基于此结构设计了一维和二维聚焦透镜。第三，在各向异性梯度超表面研究方面，采用极化独立控制理论，H.Mosallaei等人提出了双折射反射阵超表面，对于不同极化方式的电磁波，实现了不同方向的奇异折射；随后，采用透射GMS实现了任意角度平面电磁波的聚焦；S.Qu等采用沿二维梯度突变的反射相位GMS将空间传输电磁波转化为表面波，与相同大小的金属平板相比，构造GMS的RCS显著降低了10dB；Cui等采用各向异性GMS实现了对不同极化电磁波的操控，获得了极化波束分离的优良性能；该课题组采用任意相位分布的GMS，采用散射相消原理，实现了宽频范围RCS的缩减。目前存在以下问题：设计单元透射系数不高，相位调控范围较小，且单元厚度较大；各向同性单元两个维度影响较大，不利于二维独立操控；基于梯度超表面设计的器件仅能实现一个功能，不利于满足如今对高集成多功能器件的需求；各向异性单元大多采用谐振结构，带宽较窄。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种基于梯度超表面的透射双功能器件。可以实现透射聚焦和偏折功能。为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于梯度超表面的透射双功能器件，包括：一底板，所述底板上设有基于矩阵结构的12×12极化独立性单元阵列，所述每个极化独立性单元包含一印刷电路板，所述印刷电路板上表面刻有一沿电路板上表面边缘设置的金属框以及位于所述金属框内的四层级联透射结构，所述四层级联透射结构为4层金属贴片和3层介质交叠级联结构。作为优选，所述印刷电路板采用厚度为1.5mm，介电常数为2.65的F4B介质板；所述极化独立性单元的单元周期为11×11mm，所述金属框的内边长度为10mm，所述四层级联透射结构的长度由实现不同极化波入射时的相位分布决定，所述四层级联透射结构厚度为0.018mm。本专利技术的有益效果如下：1.基于广义折射定律，采用多模耦合原理，提出了二维透射梯度超表面单元，实现了透射相位0～360°连续变化，且透射系数均高于0.7。2.设计的梯度超表面单元具有极化独立特性，极大的简化了二维梯度超表面的设计，提出了透射双功能器件设计的一般方法。3.基于超表面单元设计的双功能器件，采用x极化波激励时，实现了良好的波束聚焦效果，采用y极化波激励时，实现了25.5°的波束偏折。4.具有双功能器件的性能，对于聚焦功能，其带宽达到了3GHz，对于偏折功能，在8-12GHz范围内，均实现了良好的波束偏折效应，在中心频率10.5GHz处，偏折效率达到了72％。采用本专利技术技术方案首次实现了双功能器件，采用不同的极化激励波，在一块板子上同时实现了聚焦和波束偏折；双功能器件具有较宽带宽，可以覆盖整个X波段。附图说明图1a为聚焦效应示意图；图1b为球面波转平面波效应示意图；图1c为偏折效应的示意图；图2为双功能器件设计与单元特性示意图，其中，图2a为x方向的相位分布示意图，图2b为y方向的相位分布示意图，图2c为同一单元在不同极化波激励下传输系数和相位分布示意图，图2d为z方向入射y极化波激励时不同单元参数的相位分布示意图，图2e为z方向入射y极化波激励时不同单元参数的幅度分布示意图，图2f为加工的样品，图2g为x极化波激励时样品中每个单元的传输系数，图2h为y极化波激励时样品中每个单元的传输系数；图3为聚焦特性实验原理示意图；图4为聚焦效应仿真和测试结果示意图；图5为高增益天线在yoz和xoz平面处的电场分布和远场方向图，其中，图5a为yoz平面近场电场分布意图，图5b为波导馈源与高增益天线在yoz平面的远场辐射方向图，图5c为xoz平面的近场电场分布示意图，图5d为波导馈源与高增益天线在xoz平面的远场辐射方向图；图6为偏折效应仿真测试结果示意图，其中，图6a为偏折效应仿真结果示意图，图6b为近场测试结果示意图；图7为理论、仿真和测试的双功能器件偏折效应验证示意图；其中，图7a为远场辐射方向图，图7b为10.5GHz时喇叭天线和双功能器件远场辐射方向图，图7c为正入射时理论、仿真和测试的最大波束指向比较图，图7d为斜入射时理论、仿真和测试的最大波束指向比较图；图8为本专利技术的极化独立性单元的结构示意图。具体实施方式YU等提出了广义折射/反射定律，并基于相位梯度超表面(PhaseGradientMetas本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于梯度超表面的透射双功能器件，其特征在于，包括：一底板，所述底板上设有基于矩阵结构的12×12极化独立性单元阵列，所述每个极化独立性单元包含一印刷电路板，所述印刷电路板上表面刻有一沿电路板上表面边缘设置的金属框(1)以及位于所述金属框(1)内的四层级联透射结构(2)，所述四层级联透射结构为4层金属贴片和3层介质交叠级联结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度超表面的透射双功能器件，其特征在于，包括：一底板，
所述底板上设有基于矩阵结构的12×12极化独立性单元阵列，所述每个极化
独立性单元包含一印刷电路板，所述印刷电路板上表面刻有一沿电路板上表
面边缘设置的金属框(1)以及位于所述金属框(1)内的四层级联透射结构
(2)，所述四层级联透射结构为4层金属贴片和3层介质交叠级联结构。
2....

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡通，王光明，汤世伟，许河秀，庄亚强，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61