一種寬帶可重構(gòu)反射型極化旋轉(zhuǎn)表面?

于惠存 曹祥玉 高軍 楊歡歡 韓江楓 朱學(xué)文 李桐

1)(空軍工程大學(xué)研究生院,西安 710077)

2)(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)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(dá)、通信等技術(shù)的高速發(fā)展,復(fù)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)方法,一是直接調(diào)控天線的極化[1?4],二是通過設(shè)計(jì)極化旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)尺寸小、頻帶寬、損耗低等優(yōu)點(diǎn),但由于直接調(diào)控天線輻射,射頻偏置電路設(shè)計(jì)復(fù)雜;相對而言,后者則只需設(shè)計(jì)可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)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(yīng)用.

現(xiàn)有的可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面按實(shí)現(xiàn)方式大致可以分為:改變介質(zhì)材料[9?11]以及利用電子器件改變有效金屬結(jié)構(gòu)[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?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬和介質(zhì)材料,具有工作頻段高,設(shè)計(jì)加工難度大的特點(diǎn);相比而言,后者利用PIN二極管、微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)等器件,具有易仿真加工、電可控性能好、結(jié)構(gòu)靈活多樣等特點(diǎn),研究成果相對較多.如文獻(xiàn)[14,15]在單元中加載四個(gè)PIN二極管,結(jié)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(tài),實(shí)現(xiàn)了入射線極化波轉(zhuǎn)化為左、右旋圓極化波.其中,文獻(xiàn)[14]為透射型極化旋轉(zhuǎn)表面,工作頻帶為9.70—9.93 GHz,剖面厚度為1.63 mm.文獻(xiàn)[15]為反射型極化旋轉(zhuǎn)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(xiàn)[16]新穎地給出了一種上表面為金屬線結(jié)構(gòu)的極化旋轉(zhuǎn)表面,下表面為PIN二極管連接金屬片的結(jié)構(gòu),通過控制二極管的通斷,分別實(shí)現(xiàn)了線極化波的同極化反射和交叉極化透射.文獻(xiàn)[17]實(shí)現(xiàn)了在太赫茲頻段內(nèi)利用MEMS開關(guān)對交叉極化波透射率和極化旋轉(zhuǎn)角度的動態(tài)調(diào)控.文獻(xiàn)[18]則利用每個(gè)單元加載兩個(gè)PIN二極管設(shè)計(jì)了一種寬帶可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面,當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于金屬板,當(dāng)二極管截止時(shí)該結(jié)構(gòu)在6.4—10.3 GHz頻帶內(nèi)(相對寬帶46.7%)具有線-線極化轉(zhuǎn)化功能,此外,文中還將設(shè)計(jì)的單元棋盤布陣實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)散射截面的有效減縮.盡管上述研究已成功實(shí)現(xiàn)了極化旋轉(zhuǎn)表面(PRS)的性能可重構(gòu),但如何進(jìn)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(biāo).

本文利用MEMS開關(guān),相比于PIN二極管開關(guān),其具有插入損耗小、功耗低、尺寸小等優(yōu)點(diǎn),結(jié)合傳統(tǒng)極化旋轉(zhuǎn)表面,設(shè)計(jì)了一種寬帶可重構(gòu)的反射型極化旋轉(zhuǎn)表面.該結(jié)構(gòu)具有頻帶寬、器件個(gè)數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡單、損耗低等優(yōu)點(diǎn).經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,當(dāng)MEMS開關(guān)導(dǎo)通時(shí),該結(jié)構(gòu)能在7.78—14.10 GHz頻帶內(nèi)將入射的線極化波轉(zhuǎn)化為極化轉(zhuǎn)化率大于80%的交叉極化反射波,相對帶寬為57.77%;當(dāng)MEMS開關(guān)斷開時(shí),入射波以同極化全反射.該結(jié)構(gòu)在目標(biāo)雷達(dá)散射截面動態(tài)減縮、天線極化動態(tài)調(diào)制等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

2 單元結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果

本文提出的寬帶可控極化旋轉(zhuǎn)表面單元結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.該結(jié)構(gòu)由上表面方形金屬貼片、介質(zhì)層和金屬底板組成,貼片一角和中部分別經(jīng)R1,R2兩個(gè)金屬通孔連接至金屬底板,所用介質(zhì)板材為聚四氟乙烯玻璃布板,介電常數(shù)為2.65,電損耗角正切為0.001,介質(zhì)板厚度h=2 mm(0.073λ,λ為10.94 GHz對應(yīng)的自由空間波長).單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(guān),其在7—15 GHz范圍內(nèi),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(guān)導(dǎo)通,單元處于如圖1(b)所示的通路狀態(tài);若斷開,單元處于如圖1(c)所示的斷路狀態(tài).

定義Ryx,Rxx分別表示x極化到y(tǒng)極化、x極化到x極化的反射系數(shù);φyx,φxx分別表示x極化到y(tǒng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真,設(shè)置主從邊界條件,得到x極化波垂直入射時(shí)反射系數(shù)與反射相位曲線,如圖2所示.

當(dāng)MEMS開關(guān)導(dǎo)通時(shí),反射系數(shù)曲線如圖2(a)所示,在較寬的頻帶內(nèi)Ryx遠(yuǎn)大于Rxx,并且在8.05,10.4,13.35 GHz處Ryx接近1,此時(shí)反射波較入射波產(chǎn)生了如圖3(a)所示的極化旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象;當(dāng)MEMS開關(guān)斷開時(shí),反射系數(shù)曲線如圖2(b)所示,Rxx遠(yuǎn)大于Ryx,說明入射的x極化波經(jīng)過反射后仍保持x極化特性,如圖3(b)所示,該結(jié)構(gòu)處于斷路模式時(shí)將不改變電磁波極化狀態(tài).反射相位及相位差曲線如圖2(c),(d)所示,當(dāng)MEMS開關(guān)導(dǎo)通或斷開時(shí),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(nèi)保持不變,結(jié)合開關(guān)導(dǎo)通時(shí),7.62和12.56 GHz處x極化波與y極化波反射系數(shù)曲線出現(xiàn)重合的情況(如圖2(a))可知,在7.62和12.56 GHz頻點(diǎn)處,x極化入射波分別轉(zhuǎn)化為右旋、左旋圓極化反射波.

圖1 可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面單元結(jié)構(gòu)示意圖 (a)單元結(jié)構(gòu);(b)MEMS導(dǎo)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(dǎo)通或斷開時(shí)反射系數(shù)和相位曲線 (a)導(dǎo)通時(shí)的反射系數(shù);(b)斷開時(shí)的反射系數(shù);(c)導(dǎo)通時(shí)的反射相位及相位差;(d)斷開時(shí)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(gòu)極化旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象示意圖 (a)MEMS導(dǎo)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(shù)曲線,(b)極化轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的工作機(jī)理,將x-y坐標(biāo)系順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45?得到u-v坐標(biāo)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(shè)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(shù).在MEMS開關(guān)導(dǎo)通和斷開模式下分別進(jìn)行仿真,得到的反射系數(shù)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(guān)導(dǎo)通還是斷開,當(dāng)電磁波以u,v極化入射時(shí),反射波全部為同極化波.并且同極化反射系數(shù)近似為1,表明電磁波在極化轉(zhuǎn)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(guān)導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(biāo)系下的結(jié)果完全符合;MEMS開關(guān)斷開時(shí)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(guān)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(jìn)行180?調(diào)控.

圖5 u-v坐標(biāo)系下反射系數(shù)曲線 (a)MEMS導(dǎo)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(biāo)系下反射相位和相位差曲線 (a)MEMS導(dǎo)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(jié)構(gòu)兩種狀態(tài)的反射相位影響幾乎一致,因此僅需分析開關(guān)通斷對v極化波的影響即可.因此,在v極化波入射時(shí),分別繪制了MEMS開關(guān)導(dǎo)通和斷開時(shí)三個(gè)諧振點(diǎn)處的俯視與側(cè)視電流分布圖(側(cè)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(guān)導(dǎo)通還是斷開,該結(jié)構(gòu)上下表面電流在三個(gè)諧振點(diǎn)處均反向,屬于磁諧振[19].但MEMS開關(guān)導(dǎo)通時(shí)(見圖7)的電流強(qiáng)度明顯高于斷開時(shí)的電流強(qiáng)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(gè)諧振點(diǎn)處會產(chǎn)生明顯的180?相位差.其次分析兩個(gè)金屬化過孔中通過的電流.當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),兩個(gè)金屬化過孔中產(chǎn)生強(qiáng)烈的感應(yīng)電流,且在其兩側(cè)電流流向相同,說明兩個(gè)金屬化過孔對整個(gè)結(jié)構(gòu)的表面電流分布起到了重要作用;當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),兩個(gè)金屬化過孔中產(chǎn)生較弱的感應(yīng)電流,且在其兩側(cè)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(jié)構(gòu)整體電流流向.當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),該結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在兩個(gè)電流回路,類似于傳統(tǒng)的電磁帶隙結(jié)構(gòu),此時(shí)相當(dāng)于在傳統(tǒng)蘑菇形電磁帶隙單元一側(cè)添加一個(gè)與之分離的金屬柱結(jié)構(gòu),因此無法產(chǎn)生180?的相位差;當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí),該結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了如圖7虛線所示的位移電流,使其內(nèi)部出現(xiàn)了3個(gè)電流回路,此時(shí)相當(dāng)于上述電磁帶隙單元一側(cè)添加一個(gè)與之相連的金屬柱結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)了v方向的反射相位,故可以產(chǎn)生180?相位差.

圖7 MEMS開關(guān)導(dǎo)通時(shí)三個(gè)諧振點(diǎn)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(guān)斷開時(shí)三個(gè)諧振點(diǎn)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(shù)對極化旋轉(zhuǎn)表面進(jìn)行了加工.如圖9(a)所示,加工樣品由1225(35×35)個(gè)單元組成,整體結(jié)構(gòu)尺寸為273 mm×273 mm.采用空間波法[21]在微波暗室對該樣品進(jìn)行了測試.如圖9(b)所示,首先將兩個(gè)喇叭天線按水平極化放置,分別測得開關(guān)導(dǎo)通和斷開時(shí)反射系數(shù)曲線;其次,將其中一個(gè)喇叭天線按垂直極化放置另一個(gè)喇叭天線保持不變,分別測得MEMS開關(guān)導(dǎo)通和斷開時(shí)的反射系數(shù)曲線.此外,樣品測試前首先對等大的金屬板進(jìn)行了測試,并用測得的結(jié)果作為校準(zhǔn)數(shù)據(jù).

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

圖10 仿真與實(shí)測反射系數(shù)曲線 (a)MEMS開關(guān)導(dǎo)通;(b)MEMS開關(guān)斷開Fig.10.Simulated and measured reflection coefficients:(a)When MEMS is on;(b)when MEMS is o ff.

測試結(jié)果與仿真值對比如圖10所示. 當(dāng)MEMS開關(guān)導(dǎo)通時(shí),實(shí)測出現(xiàn)了明顯的極化旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,有三個(gè)諧振點(diǎn),曲線整體較仿真略向低頻偏移;當(dāng)MEMS開關(guān)斷開時(shí),此時(shí)電磁波的極化狀態(tài)保持不變.分析認(rèn)為:實(shí)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(shí)測反射系數(shù)曲線與仿真結(jié)果基本符合.

5 結(jié) 論

本文在超材料設(shè)計(jì)中利用MEMS開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種寬帶極化可重構(gòu)的反射型極化旋轉(zhuǎn)表面.仿真表明,在相同線極化波入射的條件下,隨著MEMS開關(guān)由斷開到導(dǎo)通,反射波實(shí)現(xiàn)了由同極化到正交極化的寬帶可控轉(zhuǎn)變.通過電磁波的分解到疊加,闡明了其極化旋轉(zhuǎn)原理以及低損耗特性,并分析了表面電流分布,進(jìn)一步解釋了其寬頻帶工作的機(jī)理.加工了實(shí)物并在微波暗室中進(jìn)行了測試,所得結(jié)果與仿真符合較好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性.所設(shè)計(jì)的可重構(gòu)極化旋轉(zhuǎn)表面具有工作頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單易加工、器件個(gè)數(shù)少、損耗低等優(yōu)點(diǎn),通過改進(jìn)結(jié)構(gòu),增加介質(zhì)層等方法可以進(jìn)一步拓展其工作帶寬[22].該極化旋轉(zhuǎn)表面在天線輻射、雷達(dá)散射截面減縮等其他電磁波動態(tài)調(diào)控領(lǐng)域中具有潛在應(yīng)用價(jià)值.