一款基于多物理場(chǎng)調(diào)控的超寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換器*

曾立 劉國(guó)標(biāo) 章海鋒2)3)4)? 黃通

1) (南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院, 南京 210023)

2) (南京郵電大學(xué), 電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 南京 210023)

3) (南京郵電大學(xué), 信息電子技術(shù)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 南京 210023)

4) (東南大學(xué), 毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

為了在微波波段實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的線-圓極化轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì), 結(jié)合固態(tài)等離子體與二氧化釩設(shè)計(jì)了一種基于多物理場(chǎng)調(diào)控的超寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換器, 通過(guò)改變固態(tài)等離子體諧振單元激勵(lì)狀態(tài)和人為改變外部溫度(T )來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該線-圓極化轉(zhuǎn)換器工作頻段的調(diào)控. 采用了全波仿真的方法對(duì)該極化轉(zhuǎn)換器的極化轉(zhuǎn)換率曲線、反射相位曲線、軸比曲線、表面電流圖進(jìn)行了計(jì)算, 并討論了參數(shù)r1與r3對(duì)軸比的影響. 仿真結(jié)果表明, 當(dāng)固態(tài)等離子體區(qū)域均未激勵(lì)且 T < 68 ℃ 時(shí), 3 dB 軸比頻帶為 14.3—29.7 GHz, 相對(duì)帶寬為 70%; 當(dāng)固態(tài)等離子體區(qū)域均被激勵(lì)且 T < 68 ℃ 時(shí), 3 dB 軸比頻帶為 14.4—23.4 GHz 與 28.6—35.9 GHz, 相對(duì)帶寬分別為47.61% 和 22.64%; 當(dāng) 固 態(tài) 等 離 子 體 區(qū) 域 未 激 勵(lì) 且 T ≥ 68 ℃ 時(shí), 3 dB軸 比 頻 帶 為 8.4—11.2 GHz與18.7—29.5 GHz, 相對(duì)帶寬分別為28.57%與44.81%. 通過(guò)改變固態(tài)等離子體的激勵(lì)狀態(tài)和外部溫度, 實(shí)現(xiàn)了該超寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換器工作帶寬向高頻和低頻區(qū)域的移動(dòng).

1 引 言

隨著圓極化波在軍用與民用領(lǐng)域的使用愈來(lái)愈廣泛, 線-圓極化轉(zhuǎn)換器成為人們研究的熱點(diǎn). 因?yàn)閭鹘y(tǒng)意上的極化轉(zhuǎn)換器主要是利用自然界的雙折射材料或手性材料的弱各向異性, 所以導(dǎo)致極化轉(zhuǎn)換器體積十分龐大. 周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的超表面具有的一些特殊物理特性, 如: 負(fù)折射率[1]、圓二色性[2]、極化調(diào)控[3]等, 因此利用超表面的強(qiáng)各向異性來(lái)控制電磁波的極化形式能構(gòu)建物理尺寸較小的線-圓極化轉(zhuǎn)換器.

盡管超表面極化轉(zhuǎn)換器有著許多先天的優(yōu)勢(shì),但現(xiàn)在超表面極化轉(zhuǎn)換器在功能上大多為線極化波轉(zhuǎn)換線極化波, 如: 南京航空航天大學(xué)的楊化[3]在9.5—15.41 GHz的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了極化轉(zhuǎn)換率大于90%的交叉線極化轉(zhuǎn)換. Cheng等[4]實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段內(nèi)超寬帶交叉線極化轉(zhuǎn)換. 而在實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換方面, Su等[5]利用開(kāi)口矩形環(huán)實(shí)現(xiàn)了多頻點(diǎn)線-圓極化轉(zhuǎn)換; Ma等[6]采用了兩個(gè)交叉擺放的“工”形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了9.2—11.0 GHz內(nèi)的寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換, 但有關(guān)超寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換器的報(bào)道并不多見(jiàn). 并且, 一旦超表面極化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)固定后, 其工作頻帶通常無(wú)法調(diào)整, 難以實(shí)現(xiàn)小型化和集成, 因此通常需要引入新穎可調(diào)諧材料來(lái)實(shí)現(xiàn)工作頻帶的動(dòng)態(tài)調(diào)控.

固態(tài)等離子體是一種可調(diào)諧的材料, 它具有優(yōu)良導(dǎo)電性[7]、快速重構(gòu)性[8]等一系列物理特性. 一方面, 固態(tài)等離子體的物理特性能夠通過(guò)外部可編程邏輯陣列進(jìn)行調(diào)控. 當(dāng)固態(tài)等離子體未被激勵(lì)時(shí), 其表現(xiàn)為介質(zhì)特性; 當(dāng)固態(tài)等離子體被激勵(lì)時(shí),表現(xiàn)為金屬特性. 因此固態(tài)等離子體能用于設(shè)計(jì)可調(diào)諧的功能性器件[9,10]. 另一方面, 二氧化釩(VO2)因具有隨溫度變化的相變特性而備受人們關(guān)注. VO2在溫度小于68 ℃[11]時(shí)可視為絕緣相,表現(xiàn)為介質(zhì)特性; 而在溫度大于68 ℃時(shí)可視為金屬相, 體現(xiàn)為金屬特性. 同時(shí), VO2具有相變過(guò)程可逆[12]、相變速度快[13]等物理特性, 使得 VO2在設(shè)計(jì)吸波器[14,15]、開(kāi)關(guān)[16,17]、天線[18]等器件方面有著極其廣泛的應(yīng)用前景.

但單一的調(diào)控手段所能達(dá)到的調(diào)控性能效果經(jīng)常受限于外界環(huán)境和可調(diào)控器件對(duì)單一物理場(chǎng)的響應(yīng)程度, 難以適應(yīng)當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的要求. 而多物理場(chǎng)調(diào)控器件, 其調(diào)控手段更加多樣, 對(duì)于單一器件而言, 能對(duì)更加復(fù)雜的外界環(huán)境做出多種響應(yīng), 例如: Cai等[19]利用 VO2與金屬非對(duì)稱開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)合, 設(shè)計(jì)了一種多功能可調(diào)諧復(fù)合超表面,通過(guò)加熱和施加電流兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)透射太赫茲波的振幅調(diào)控. 因此多物理場(chǎng)調(diào)控方式為未來(lái)的極化轉(zhuǎn)換器、吸波器、電子開(kāi)關(guān)、光學(xué)存儲(chǔ)器件等的研究與設(shè)計(jì)提供了一種新思路.

本文結(jié)合固態(tài)等離子體和VO2的各自的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了一款能夠工作在微波波段內(nèi)的反射式線-圓極化轉(zhuǎn)換器, 并且能夠通過(guò)多個(gè)物理場(chǎng)對(duì)其工作頻段進(jìn)行調(diào)控, 可以采用電控和溫控兩種手段使該線-圓極化轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)三種工作狀態(tài), 采用電控手段(切換工作狀態(tài)一與工作狀態(tài)二)可以實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換工作頻帶向高頻段轉(zhuǎn)移; 采用溫控手段(切換工作狀態(tài)一與工作狀態(tài)三)可以實(shí)現(xiàn)線-圓極化轉(zhuǎn)換工作頻帶向低頻段轉(zhuǎn)移. 合理的參數(shù)優(yōu)化可以使得圓極化的頻帶動(dòng)態(tài)調(diào)控范圍橫跨4個(gè)波段:X波段、Ku波段、K波段和Ka波段.

2 線-圓極化轉(zhuǎn)換器模型

該款基于多物理場(chǎng)調(diào)控的超寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換器單元結(jié)構(gòu)如圖1所示, 圖1(a)—(c)分別為該線-圓極化轉(zhuǎn)換器正視圖、側(cè)視圖和立體圖, 其中坐標(biāo)軸設(shè)定如圖1所示. 由圖1可知, 該線-圓極化轉(zhuǎn)換器單元由四層組成, 自下而上分別為: 第一層為銅反射板 (電導(dǎo)率為 5.8 × 107S/m), 第二層為Neltec NY9220 介質(zhì)基板 (相對(duì)介電常數(shù)為 2.2, 損耗角正切為0.0009), 第三層為二氧化硅 (SiO2)介質(zhì)基板 (相對(duì)介電常數(shù)為4, 損耗角正切為0), 第四層為諧振單元層, 它由三種諧振單元構(gòu)成, 分別為“糖果”形銅質(zhì)諧振單元、四個(gè)“缺口直角梯”形VO2諧振單元和四個(gè)“梯形”固態(tài)等離子體諧振單元. Neltec NY9220 介質(zhì)基板的厚度 h1= 1.5 mm,邊長(zhǎng)p = 4.8 mm. SiO2介質(zhì)基板的厚度 h2= 0.5 mm,邊長(zhǎng) p = 4.8 mm. 銅質(zhì)諧振單元、銅反射板、固態(tài)等離子體諧振單元、VO2諧振單元的厚度均為w =0.018 mm. “糖果”形銅質(zhì)諧振單元是由短軸 r1=0.81 mm, 長(zhǎng)軸 r2= 1.1583 mm 的橢圓與兩個(gè)左右對(duì)稱的“弓形”三部分組成, 左側(cè)弓形對(duì)應(yīng)圓心角為 86°41′、半徑 r3= 1.87 mm 的扇形, 該扇形的頂點(diǎn)與所述橢圓中心點(diǎn)的距離為a = 0.2417 mm.“梯形”固態(tài)等離子體諧振單元上底 d = 0.35 mm,下底 c = 0.47 mm, 高 b = 0.48 mm, 從此梯形上底一端點(diǎn)引出的腰與兩底邊之間的垂線的夾角為45°. “缺口直角梯”形 VO2諧振單元由一個(gè)上底 r =0.68 mm, 下底 g = 0.8 mm, 高 f = 1.2 mm 的直角梯形剪去與銅質(zhì)諧振單元重疊部分構(gòu)成. 詳細(xì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列.

圖1 線-圓極化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)單元示 意圖 (a)正視圖;(b)側(cè)視圖; (c)立體圖Fig. 1. Structure schematic of the unit cell for linear-tocircular polarization converter: (a) Front view; (b) side view; (c) stereogram.

表1 線-圓極化轉(zhuǎn)換器的參數(shù)Table 1. Parameters of linear-to-circular polarization converter.

“梯形”固態(tài)等離子體由PIN單元組成的陣列實(shí)現(xiàn), PIN單元之間有隔離層進(jìn)行隔離, 如圖1(a)所示. 固態(tài)等離子體構(gòu)成的諧振單元通過(guò)激勵(lì)PIN單元陣列實(shí)現(xiàn), 采取臨近耦合串饋的方式, 通過(guò)兩條長(zhǎng)條狀微帶耦合饋線進(jìn)行饋電, 從而對(duì)固態(tài)等離子體諧振單元兩端加載偏置電壓進(jìn)行激勵(lì)[20].未激勵(lì)時(shí)固態(tài)等離子體諧振單元表現(xiàn)出介質(zhì)特性,即為未激勵(lì)狀態(tài); 激勵(lì)時(shí)表現(xiàn)為金屬特性, 即為激勵(lì)狀態(tài). 采用Drude模型來(lái)描述其介電常數(shù)[21], 如(1)式所示:

同時(shí), 還可以采用電導(dǎo)率[20]來(lái)描述其物理特性, 如 (2)式所示:

對(duì)于缺口直角梯形VO2, 可用電導(dǎo)率來(lái)描述其物理特性[22,23]. 當(dāng)溫度 T < 68 ℃ 時(shí), VO2為絕緣態(tài), 表現(xiàn)為介質(zhì)特性, 采用在 T = 50 ℃ 時(shí)的電導(dǎo)率10.62 S/m來(lái)等效VO2絕緣態(tài)的電導(dǎo)率; 當(dāng)溫度 T ≥ 68 ℃ 時(shí), VO2為金屬態(tài), 表現(xiàn)為金屬特性, 采用在 T = 80 ℃ 時(shí)的電導(dǎo)率 2.76 × 105S/m來(lái)等效VO2金屬態(tài)的電導(dǎo)率[24].

本文所有結(jié)果均由全波仿真軟件HFSS (high frequency structure simulator)仿真得出, 在進(jìn)行仿真時(shí), 電磁波沿–z軸方向垂直入射, 電場(chǎng)E沿u 軸方向 (與 x 軸呈 45°), 如圖 1(a)所示.

3 結(jié)果討論與分析

極化轉(zhuǎn)換率表示電磁波從一種極化形式轉(zhuǎn)換到另一種極化形式比例的參數(shù), 因?yàn)榈讓訛殂~反射板, 所以無(wú)透射分量. 定義rvu為交叉極化反射系數(shù), ruu為同極化反射系數(shù),與分別為對(duì)應(yīng)的反射相位, 相位差為, 定義極化轉(zhuǎn)換率公式[25]:

式中 PCR 為極化轉(zhuǎn)換率, 當(dāng) PCR = 0.5(即 rvu=ruu)且(k為整數(shù))時(shí), 表示實(shí)現(xiàn)了完全線-圓極化轉(zhuǎn)換.

圖2(a)—(c)分別給出了該線-圓極化轉(zhuǎn)換器在工作狀態(tài)一、二和三下的極化轉(zhuǎn)換率和相位差曲線. 由圖 2(a)能看出, 在 14.75—29.64 GHz (反射相位差始終為–90°或270°)頻帶內(nèi)極化轉(zhuǎn)換率基本處在 0.5 附近. 由圖 2(b)可知, 在 15.39—23.02 GHz(反射相位差始終為–90°或 270°), 29.27—35.92 GHz(反射相位差始終為90°或–270°)頻帶內(nèi)極化轉(zhuǎn)換率基本位于在0.5附近. 從圖2(c)可看出, 在9—10.34 GHz (反射相位差始終為 90°或–270°)和19.4—28.9 GHz(反射相位差始終為–90°或 270°)頻帶內(nèi)極化轉(zhuǎn)換率基本處在0.5附近. 結(jié)合圖2(a),(b)和(c)可知, 該線-圓極化轉(zhuǎn)換器在三種工作狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)工作頻帶均滿足產(chǎn)生圓極化波的條件(交叉極化與同極化反射系數(shù)近似相等, 交叉極化與同極化反射相位差為, k為整數(shù)).

任意極化波的瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡為一橢圓, 橢圓的長(zhǎng)軸和短軸之比稱之為軸比(axial ratio, AR). 而軸比是線-圓極化轉(zhuǎn)換器或圓極化天線的一個(gè)重要的性能指標(biāo), 它代表圓極化的純度,工程上通常定義極化波軸比不大于3 dB為圓極化 波, 軸比表達(dá)式為[26]

圖2 線-圓極化轉(zhuǎn)換器在三種工作狀態(tài)下的極化轉(zhuǎn)換率和反射相位差曲線 (a)工作狀態(tài)一; (b)工作狀態(tài)二;(c)工作狀態(tài)三Fig. 2. Polarization conversion rate curves and reflection phase difference curves of linear-to-circular polarization converter in three states: (a) No.1 state; (b) No.2 state;(c) No.3 state.

為了進(jìn)一步說(shuō)明該線-圓極化轉(zhuǎn)換器的可調(diào)諧性, 圖3給出了該線-圓極化轉(zhuǎn)換器在電控和溫控時(shí)的軸比曲線. 圖3(a)為該線-圓極化轉(zhuǎn)換器在電控時(shí)的軸比曲線, 其中實(shí)線表示工作狀態(tài)一的軸比曲線, 3 dB 軸比頻帶為 14.3—29.7 GHz, 相對(duì)帶寬為70%; 虛線表示為工作狀態(tài)二的軸比曲線, 3 dB軸比頻帶為 14.4—23.4 GHz和 28.6—35.9 GHz,其相對(duì)帶寬分別為48.28%和22.64%. 對(duì)比圖3(a)的實(shí)線和虛線, 可以看出采用電控的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該線-圓極化轉(zhuǎn)換器時(shí), 其工作頻帶將向高頻方向移動(dòng). 圖3(b)為線-圓極化轉(zhuǎn)換器工作在溫控時(shí)的軸比曲線, 其中實(shí)線表示工作狀態(tài)一的軸比曲線,3 dB 軸比頻帶為 14.3—29.7 GHz, 其相對(duì)帶寬為70%; 虛線表示工作狀態(tài)三軸比曲線, 3 dB 軸比頻帶為 8.4—11.2 GHz 與 18.7—29.5 GHz, 其相對(duì)帶寬分別為28.57%和44.81%. 對(duì)比圖3(b)的實(shí)線和虛線, 可以看出可以采用溫控的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該線-圓極化轉(zhuǎn)換器時(shí), 其工作頻帶將向低頻方向移動(dòng).

圖3 線-圓極化轉(zhuǎn)換器在電控和溫控時(shí)的軸比曲線(a)電控時(shí), 工作狀態(tài)一、二的軸比曲線; (b) 溫控時(shí), 工作狀態(tài)一、三的軸比曲線Fig. 3. Axial ratio curves of linear-to-circular polarization converter when using electric control and temperature control: (a) Axial ratio curves in No. 1 state and in No. 2 state when using electric control; (b) axial ratio curves in No. 1 state and in No. 3 state when using temperature control.

圖4 線-圓極化轉(zhuǎn)換器在三種工作狀態(tài)下, 頂層諧振單元與底層反射板在不同頻點(diǎn)處的表面電流圖 (a)工作狀態(tài)一時(shí), 15.03 GHz頻點(diǎn)處; (b)工作狀態(tài)一時(shí), 21.3 GHz 頻點(diǎn)處; (c)工作狀態(tài)二時(shí), 32.5 GHz 頻點(diǎn)處; (d)工作狀態(tài)三時(shí), 10 GHz 頻點(diǎn)處Fig. 4. Surface current diagrams of the top resonant unit and the bottom reflector at different frequency points in three states,respectively: (a) No.1 state at 15.03 GHz; (b) No.1 state at 21.3 GHz; (c) No.2 state at 32.5 GHz; (d) No.3 state at 10 GHz.

為了進(jìn)一步說(shuō)明該線-圓極化轉(zhuǎn)換器的工作原理, 本文分別分析了三種工作狀態(tài)下的表面電流圖.圖4(a)和(b)給出了工作在狀態(tài)一時(shí), 頂層諧振單元和底層銅反射板在頻點(diǎn)15.03 GHz和21.3 GHz處的表面電流圖. 由圖 4(a)看出, 在頻點(diǎn) 15.03 GHz處底層反射板電流2可以分解成兩個(gè)相互垂直的分量(電流3、電流4). 可以看出, 電流3與頂層諧振單元的電流1方向相反, 從而產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)H1, 并且可以分解為在u軸和v軸上的兩個(gè)相互垂直的分量, 分別是 H1u和 H1v. 因此, 從圖 4(a)可以看出, H1v與入射磁場(chǎng)H方向均在v軸上不會(huì)產(chǎn)生交叉極化, H1u與入射磁場(chǎng)H相互垂直而產(chǎn)生了交叉極化. 圖4(b)中頻點(diǎn)21.3 GHz處產(chǎn)生極化轉(zhuǎn)換原理與此相同. 當(dāng)該線-圓極化轉(zhuǎn)換器工作在狀態(tài)二時(shí), 工作頻帶向高頻區(qū)域轉(zhuǎn)移, 圖4(c)給出了在工作在狀態(tài)二時(shí), 頂層的諧振單元和底層銅反射板在頻點(diǎn)32.5 GHz處的表面電流圖. 從圖4(c)可以看出, 頂層電流 11, 14, 17, 20 均可以分解成垂直和水平兩個(gè)分量. 其中, 它們對(duì)應(yīng)的水平分量電流 13, 15, 18, 21 的方向與底層銅反射板電流23 相反, 從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng) H13, H15, H18, H21,感應(yīng)磁場(chǎng)分解在 u軸的分量 H13u, H15u, H18u,H21u與入射磁場(chǎng)H方向相互垂直從而導(dǎo)致交叉極化的產(chǎn)生, 而感應(yīng)磁場(chǎng)分解在v軸的分量H13v,H15v, H18v, H21v與入射磁場(chǎng)H方向相同則不會(huì)產(chǎn)生交叉極化. 當(dāng)該線-圓極化轉(zhuǎn)換器工作在狀態(tài)三時(shí), 工作頻帶向低頻區(qū)域轉(zhuǎn)移, 圖4(d)給出了在工作在狀態(tài)三時(shí), 頂層的諧振單元和位于底層的銅反射板在10 GHz處的表面電流圖. 從圖4(d)可以看出, 頂層電流24, 25與底層銅反射板電流26相反, 從而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng) H24, H25, 感應(yīng)磁場(chǎng)分解在u軸的分量H24u, H25u與入射磁場(chǎng)H方向相互垂直從而導(dǎo)致交叉極化的產(chǎn)生, 而感應(yīng)磁場(chǎng)分解在v軸的分量H24v, H25v與入射磁場(chǎng)H方向相同則不會(huì)產(chǎn)生交叉極化. 而當(dāng)三種工作狀態(tài)下的反射波中交叉極化分量與同極化分量幅值相等且相位相差為(k為整數(shù))時(shí), 則產(chǎn)生了線-圓極化轉(zhuǎn)換.

為了進(jìn)一步說(shuō)明該線-圓極化轉(zhuǎn)換器的特性,本文基于工作狀態(tài)一討論了參數(shù)r1和r3對(duì)該線-圓極化轉(zhuǎn)換器軸比曲線的影響. 圖5(a)給出了當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下, r1= 0.71, 0.81, 0.91 mm時(shí)的軸比曲線. 當(dāng) r1= 0.71 mm 時(shí), 該線-圓極化轉(zhuǎn)換器的 3 dB 軸比頻帶為 16.16—29.19 GHz, 相對(duì)帶寬 57.46%; 當(dāng) r1= 0.81 mm 時(shí), 3 dB 軸比頻帶變?yōu)?14.3—29.7 GHz, 相對(duì)帶寬為 70%; 當(dāng) r1=0.91 mm 時(shí), 3 dB 軸比頻帶為 13.01—15.02 GHz和18.27—30.82 GHz, 相對(duì)帶寬分別為14.34%和51.13%. 由上述可知隨著 r1增大, 3 dB 軸比頻帶有增大的趨勢(shì), 但增大到一定程度后, 低頻部分軸比將會(huì)惡化從而大于3 dB, 從而導(dǎo)致軸比帶寬的減小. 經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)當(dāng) r1= 0.81 mm 時(shí), 既能滿足低軸比又能滿足寬帶寬的條件, 該值為最優(yōu)值. 同理, 圖 5(b) 為當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下, r3=1.82, 1.87, 1.92 mm 時(shí)的軸比曲線. 當(dāng) r3= 1.82 mm時(shí), 該線-圓極化轉(zhuǎn)換器 3 dB軸比頻帶分別為16.20—23.84 GHz 和 28.02—31.65 GHz, 相對(duì)帶寬分別為 38.16% 和 12.17%; 當(dāng) r3= 1.87 mm 時(shí),3 dB 軸比頻帶為 14.3—29.7 GHz, 相對(duì)帶寬為70%; 當(dāng) r3= 1.92 mm 時(shí), 3 dB 軸比頻帶分別為12.90—14.82 GHz和 18.37—29.02 GHz, 相對(duì)帶寬分別為 13.85%和 44.95%. 由上述可知, 隨著r3增大, 3 dB 軸比頻帶先增大后減小, 且整體有向低頻轉(zhuǎn)移的趨勢(shì). 經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后, 發(fā)現(xiàn)當(dāng) r3=1.87 mm時(shí)為最優(yōu)值, 此時(shí)3 dB軸比頻帶最大.

圖5 當(dāng)其他參數(shù)不變, 結(jié)構(gòu)參數(shù) r1 和 r3 在不同取值時(shí)的軸比曲線 (a) r1 = 0.71, 0.81, 0.91 mm; (b) r3 = 1.82, 1.87, 1.92 mmFig. 5. Axial ratio curves for parameters r1 and r3 at different values when other parameters remain unchanged: (a) r1 = 0.71, 0.81,0.91 mm; (b) r3 = 1.82, 1.87, 1.92 mm.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款基于多物理場(chǎng)調(diào)控的超寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換器. 電磁波沿–z軸垂直入射(電場(chǎng)方向與x軸正方向呈45°). 并用全波仿真方法計(jì)算了該線-圓極化轉(zhuǎn)換器的極化轉(zhuǎn)換率曲線、反射相位曲線、軸比曲線、表面電流圖, 并對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析. 并在該線-圓極化轉(zhuǎn)換器工作在狀態(tài)一時(shí), 探討了結(jié)構(gòu)參數(shù)r1和r3對(duì)其軸比曲線的影響. 經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn), 該線-圓極化轉(zhuǎn)換器可工作在三種狀態(tài), 當(dāng)工作在狀態(tài)一時(shí), 3 dB 軸比頻帶可覆蓋 14.3—29.7 GHz, 其相對(duì)帶寬為 70%; 當(dāng)工作在狀態(tài)二時(shí), 3 dB 軸比頻帶將分別位于 14.4—23.4 GHz與28.6—35.9 GHz, 其相對(duì)帶寬分別為48.28%和22.64%; 當(dāng)工作在狀態(tài)三時(shí), 3 dB 軸比頻帶分別為 8.4—11.2 GHz 與 18.7—29.5 GHz, 其相對(duì)帶寬分別為28.57%和44.81%. 計(jì)算結(jié)果還發(fā)現(xiàn), 改變參數(shù) r1和 r3會(huì)對(duì) 3 dB軸比頻帶產(chǎn)生影響. 當(dāng)r1與r3增大時(shí), 3 dB軸比頻帶均發(fā)生先增大后減小的現(xiàn)象. 由上述可知, 對(duì)于該線-圓極化轉(zhuǎn)換器而言, 可采用電控方式對(duì)固態(tài)等離子體諧振單元的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)諧(切換工作狀態(tài)一與工作狀態(tài)二),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作頻帶的調(diào)控. 類似地, 可以采用溫控方式對(duì)VO2的相性進(jìn)行調(diào)控(切換工作狀態(tài)一與工作狀態(tài)三), 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該線-圓極化轉(zhuǎn)換器工作頻帶的調(diào)諧. 綜上所述, 該線-圓極化轉(zhuǎn)換器的工作帶寬為超寬帶, 且能構(gòu)通過(guò)多物理場(chǎng)進(jìn)行調(diào)諧(電控和溫控), 具有頻帶覆蓋范圍寬、調(diào)控手段多樣、工作頻帶可調(diào)諧等特點(diǎn).