面向6G 毫米波通信的超寬帶超材料圓偏振器設(shè)計與研究

侯佳，周秀杰，李艷芬，袁雪琪

(中國電信股份有限公司研究院，北京 102209)

0 引言

偏振器等控制電磁波偏振態(tài)方法在6G 毫米波通信系統(tǒng)和太赫茲通信與成像以及光學系統(tǒng)中廣泛使用[1]。根據(jù)工作模式，圓偏振器可分為透射型[2]和反射型[3]兩種類型。與透射型相比，反射型對放置角度要求嚴格，對襯底厚度的靈敏度高，傳統(tǒng)的線柵反射型偏振變換器可以實現(xiàn)4%～8%的帶寬，插入損耗低。線性雙折射晶體是一種透射型偏振器[4]，在正交偏振分量之間產(chǎn)生相位延遲，具有體積大、帶寬窄、插入損耗大、積分困難等缺點。超材料偏振器可以克服這些限制[5]。多種超材料設(shè)計協(xié)議具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成靈活等優(yōu)點，并可采用石墨烯、VO2、GaAs 等可調(diào)方案，通過電壓控制、溫度控制、激光輻射[6]實現(xiàn)人工極化狀態(tài)調(diào)優(yōu)。但它也存在加工要求高、插入損耗大等缺陷。三維手性超材料利用光子二色效應(yīng)[7]可實現(xiàn)線-圓極化或共極化到交叉極化，能提供足夠高質(zhì)量的圓極化轉(zhuǎn)化率，但是存在加工工藝復雜等缺點。文獻[8]給出了另一種基于平面線性雙折射諧振超材料的偏振器設(shè)計，與三維手性超材料原理相同，此種超材料通過諧振型擬合電路引入交叉極化方向上的光子二色性，對入射波進行相位調(diào)制，從而實現(xiàn)線-圓極化的轉(zhuǎn)換，但是由于諧振材料的特點，存在插入損耗高、帶寬窄等缺點。

上述的超材料極化變換器難以克服由于其諧振電路高Q 特性或手性超材料帶特性等造成的帶寬窄的問題。本文基于雙折射諧振超材料設(shè)計原理，采用低Q 的諧振表面設(shè)計，并通過降低超表面的金屬性實現(xiàn)了超寬帶的極化變換器設(shè)計，設(shè)計了一種中心帶寬39%、插入損耗小于5 dB 的6G 毫米波線性雙折射諧振超寬帶圓偏振器。

1 設(shè)計及原理分析

1.1 圓極化偏振器設(shè)計

本文設(shè)計的超材料采用10 μm 聚酰胺薄膜作為基底，有效降低了器件的剖面厚度，并且有效降低了超材料的插入損耗。單晶格的設(shè)計和具體參數(shù)如圖1 所示。本文通過降低器件的Q 值進行帶寬的擴展，并保證工作帶寬內(nèi)的性能穩(wěn)定性，仿真結(jié)果驗證了理論的正確性。

引入的圓偏振器可以在正交偏振入射波的作用下由各向異性諧振腔誘導相位調(diào)制，實現(xiàn)線-圓轉(zhuǎn)換。在兩個共振頻率之間的中頻處，兩個正交波之間會產(chǎn)生90°的相位差，如圖2 所示，線偏振入射波的透射方向與偏振器表面正交，電場與金屬線柵呈45°，它可以分解為x 和y 偏振分量和，這兩個分量的幅值和相位相同，通過所設(shè)計的超材料圓偏振器的相位和振幅調(diào)制，使透射波達到圓極化。

1.2 圓極化偏振器工作原理

圓偏振波的軸向比是分析偏振器性能的有效方法之一。假設(shè)入射電磁波的方向垂直于器件表面，電場與金屬線柵呈45°，可分解為x和y極化分量和，這兩個分量的幅值和相位相同。入射波可表示為：

兩個諧振結(jié)構(gòu)對兩個正交分量進行不同的相位和振幅調(diào)制，透射系數(shù)分別為TX和TY，則透射波可表示為：

透射波的偏振狀態(tài)可表示為：

(1)當|TX|=|TY|并 且arg(TX)-arg(TY)=(1/2+n)π時，出射波為圓極化；

(2)當|TX|=|TY|并且arg(TX)-arg(TY)=(2n+1)π時，出射波為的交叉極化波；

(3)當|TX|≠|(zhì)TY|或 者arg(TX)-arg(TY)≠(1/2+n)π或者二者兼具時，出射波為橢圓極化波。

參照式(2)，歸一化振幅差為：

傳輸相位差Δφ 可以表示為：

圓極化軸比可以表示為：

本文引入另一種方法來分析，由式(7)～式(10)表示的極化的性能如斯托克斯參數(shù)，以應(yīng)用此參數(shù)來評估線性到圓極化的轉(zhuǎn)換程度。

歸一化的軸向方位角可以表示為：

從圖3 可以看出，軸向方位角α 表示橢圓偏振長軸的軸向偏置角。當發(fā)現(xiàn)方位角接近等于0時，表示橢圓偏振長軸的軸向偏置角接近0，可保證極好的偏振對準性能。

2 仿真及分析

仿真結(jié)果如圖4～圖7 所示。

圖4 為相位差，由式(4)計算，112 GHz～166 GHz 之間的相位延遲小于90°±2°，說明所設(shè)計的圓偏振器具有良好的相位調(diào)制性能。

圖5 為引入的圓偏振器的軸比，軸比由式(5)～式(6)計算得到，在112 GHz～166 GHz 軸比小于3 dB，在工作中心頻率140 GHz時，軸比可達0.2 dB，顯示出良好的圓偏振調(diào)制性能。

圖6 為軸向方位角，方位角由式(11)計算，112 GHz～166 GHz 之間的方位角小于1°，說明透射波的軸向偏置角小到可以忽略。在某些通信或成像系統(tǒng)中，在某些情況下，發(fā)射-接收波的極化狀態(tài)應(yīng)為線性-圓-線性，因此在將接收波調(diào)制為正交極化波的同時，極化對準接收天線的極化方向會影響接收機的性能。設(shè)計的偏光器成功地解決了這一問題。

圖7 為偏振器的插入損耗，由式(2)計算，工作頻率下插片損耗小于5 dB。線性雙折射諧振超材料偏振器的一個典型缺陷是插入損耗大，但其工作原理是由超材料構(gòu)造的低Q 諧振電路調(diào)制相位延遲，這就解釋了為什么在其中心工作頻率工作時不可避免地會出現(xiàn)3 dB 的插入損耗。從圖7 可以看出，設(shè)計的器件在140 GHz 時成功地將插入損耗壓縮到近3 dB，這與采用10 μm 超薄聚酰亞胺基板和超材料的設(shè)計成功地降低了諧振功率有關(guān)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了6G 毫米波超寬帶諧振超材料圓偏振器。該偏光片為單層結(jié)構(gòu)，基片采用10 μm 超薄聚酰亞胺薄膜。它可以調(diào)制兩個正交偏振波的相位，低Q 設(shè)計有效地將帶寬提高到39%。仿真結(jié)果表明，在140 GHz工作時，3 dB 軸向比可以達到54 GHz 的帶寬，插入損耗小于5 dB。在后續(xù)的設(shè)計中，將采用多層堆疊的方式進一步增加帶寬，并且嘗試增加匹配層以減小插入損耗。