一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板的制作方法

1.本技术涉及电磁波调控技术的领域，尤其是涉及一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板。


背景技术：

2.电磁波的波束指向的调控能力是电磁波传播领域中的重要技术指标，因此波束扫描功能在高频率，大辐射面，定向性要求高的电磁波传播场景中是不可缺少的功能，例如高定向信号塔，卫星通讯，高精度雷达等。
3.传统上，实现电磁波波束偏折有机械式与电控式两大类形式，机械式即为伺服转台旋转馈源天线，通过控制天线姿态指向来控制波束，电控式即为天线单元出射相位调控，利用相控阵原理实现出射波束偏折与扫描。
4.机械式由于对伺服装置与馈源天线都需要联动旋转，一般占用较大空间，对于设备的小型化，低剖面化带来不利影响，电控式则要求每个天线辐射单元都要配备较为昂贵的t\r组件，虽然相控阵在波束扫描等功能上具有不可替代的优势，但是居高不下的价格和复杂的配套系统，一直是制约相控阵更进一步发展的因素。
5.另外现今无线电技术的发展越来越注重天线的频率带宽属性，越宽的带宽能够携带更大的信息量，也能够有更大的冗余量来对抗电磁干扰等影响，那么当工作频段要求较宽的频段范围，甚至是多频段共口面时，对相控阵的t\r组件而言会是个非常大的困难。
6.因此，如何设计一款双频段高效率的波束偏折平板，对于大带宽多通道的波束调控是一件十分必要且迫切的需求。


技术实现要素：

7.为了改善现有技术方案在双频段波束偏折的局限性，本实用新型提供一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板。
8.本技术提供的一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板采用如下的技术方案：
9.一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，包括叠合设置的低偏高透组件和高偏低透组件，所述低偏高透组件和高偏低透组件上形成有供不同频率电磁波经过的低频通道和高频通道，低频电磁波经过低偏高透组件后发生偏折，经过高偏低透组件后直接透射，高频电磁波经过低偏高透组件后直接透射，经过高偏低透组件后发生偏折，所述低偏高透组件的一侧设置有与高偏低透组件连接的间隔板。
10.通过采用上述技术方案，低偏高透组件、间隔板和高偏低透组件压合形成超表面平板，间隔板对低偏高透组件和高偏低透组件进行分隔保护，高频电磁波通过超表面平板的高频通道依次经过低偏高透组件和高偏低透组件，高频电磁波依次发生透射和偏折，低频电磁波通过超表面平板的低频通道依次经过低偏高透组件和高偏低透组件，低频电磁波依次发生偏折和透射。如此设置，使得高频电磁波和低频电磁波经超表面平板的双通道发
生偏折，使得不同频率的电磁波在进行偏折时不易发生干扰。
11.优选的，所述低偏高透组件包括多个第一芯板、第一隔板和第一金属单元层，多个所述第一芯板堆叠设置，所述第一隔板位于相邻两个第一芯板之间，且所述第一芯板与第一隔板交错设置，所述第一金属单元层位于第一芯板表面，多个所述第一金属单元层构成金属单元结构并使高频电磁波发生透射，且当金属单元结构进行旋转时，金属单元结构使低频电磁波发生偏折。
12.通过采用上述技术方案，第一芯板、第一隔板和第一金属单元层压合形成低偏高透组件，电磁波经过第一芯板的第一金属单元层后发生透射和偏折，且第一隔板对第一芯板进行分隔保护。
13.优选的，所述第一金属单元层由多个第一矩形单元结构组合组成，所述第一矩形单元结构的中部和四角处为低频通道的第一各向异性单元，用以实现低频信号的波束偏折，所述第一各向异性单元周侧为高频通道的第一各向同性单元，用于实现高频信号的波束透射。
14.通过采用上述技术方案，低频电磁波经过第一各向异性单元后发生偏折，高频电磁波经过第一各向同性单元后发生透射，从而使得高频电磁波与低频电磁波在偏折时互不干扰。
15.优选的，所述间隔板的两侧均设置有第一粘连层，两个所述第一隔板的两侧均设置有第二粘连层。
16.通过采用上述技术方案，第一粘连层增加了低偏高透组件、间隔板和高偏低透组件之间的连接强度，第二粘连层增加了第一芯板和第一隔板之间的连接强度，从而使得超表面平板结构强度更高。
17.优选的，所述高偏低透组件包括多个第二芯板、第二隔板和第二金属单元层，多个所述第二芯板堆叠设置，所述第二隔板位于相邻两个第二芯板之间，且所述第二芯板与第二隔板交错设置，所述有第二金属单元层位于第二芯板表面，多个所述第二金属单元层构成金属单元结构并使低频电磁波发生透射，且当金属单元结构进行旋转时，金属单元结构使高频电磁波发生偏折。
18.通过采用上述技术方案，第二芯板、第二隔板和第二金属单元层压合形成高偏低透组件，电磁波经过第二芯板的金属单元结构后发生透射和偏折，且第二隔板对第二芯板进行分隔保护。
19.优选的，所述第二金属单元层由多个第二矩形单元结构组合组成，所述第二矩形单元结构的中部和四角处为低频通道的第二各向同性单元，用以实现低频信号的波束透射，所述第二各向同性单元周侧为高频通道的第二各向异性单元，用于实现高频信号的波束偏折。
20.通过采用上述技术方案，高频电磁波经过第二各向异性单元后发生偏折，低频电磁波经过第二各向同性单元后发生透射，从而使得高频电磁波与低频电磁波在偏转时互不干扰。
21.优选的，两个所述第二隔板的两侧均设置有第三粘连层。
22.通过采用上述技术方案，第三粘连层增加了第二芯板和第二隔板之间的连接强度，从而进一步提高超表面平板的结构强度。
23.优选的，所述间隔板、第一隔板和第二隔板均为pmi泡沫板。
24.通过采用上述技术方案，pmi泡沫板为硬质泡沫板，使用pmi泡沫板使得间隔板、第一隔板和第二隔板的保护效果更佳。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：
26.1.通过采用低偏高透组件和高偏低透组件，低偏高透组件和高偏低透组件内形成低频通道和高频通道，低频电磁波经过低频通道后发生透射和偏折，高频电磁波经过高频通道后发生透射和偏折，使得不同频率的电磁波在进行偏折时不易发生干扰；
27.2.通过采用第一各向异性单元、第一各向同性单元、第二各向异性单元和第二各向同性单元，低频电磁波经过第一各向异性单元后发生偏折，高频电磁波经过第一各向同性单元后发生透射，高频电磁波经过第二各向异性单元后发生偏折，低频电磁波经过第二各向同性单元后发生透射，从而使得高频电磁波与低频电磁波在偏转时互不干扰；
28.3.通过采用第一粘连层、第二粘连层和第三粘连层增加了超表面平板的结构强度。
附图说明
29.图1是本技术超表面平板的整体结构示意图；
30.图2是本技术超表面平板的结构剖视图；
31.图3是本技术超表面平板为突出展示第一金属单元层中结构a的部分结构示意图；
32.图4是本技术超表面平板为突出展示第一金属单元层中结构b的部分结构示意图；
33.图5是本技术超表面平板为突出展示第二金属单元层中结构c的部分结构示意图；
34.图6是本技术超表面平板为突出展示第二金属单元层中结构d的部分结构示意图；
35.图7是本技术超表面平板为突出展示低偏高透组件中低频通道单元晶轴依次旋转的示意图；
36.图8是本技术超表面平板为突出展示高偏低透组件中高频通道单元晶轴依次旋转的示意图。
37.附图标记说明：1、低偏高透组件；11、第一芯板；12、第一隔板；2、高偏低透组件；21、第二芯板；22、第二隔板；3、间隔板；4、第一矩形单元结构；41、第一各向异性单元；42、第一各向同性单元；5、第一粘连层；6、第二矩形单元结构；61、第二各向异性单元；62、第二各向同性单元；7、第二粘连层；8、第三粘连层。
具体实施方式
38.以下结合附图1—8对本技术作进一步详细说明。
39.本技术实施例公开一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板。
40.参照图1和2，一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板包括低偏高透组件1和高偏低透组件2，低偏高透组件1和高偏低透组件2之间放置有间隔板3，间隔板3对低偏高透组件1和高偏低透组件2进行分隔保护。间隔板3的两侧铺设有第一粘连层5，第一粘连层5对低偏高透组件1和高偏低透组件2进行粘连固定。本技术中，间隔板3可选用为pmi泡沫板，第一粘连层5可选用为氰酸酯胶膜。
41.参照图2和3，低偏高透组件1包括堆叠的三个第一芯板11、两个第一隔板12和四个
第一金属单元层，堆叠顺序为：第一芯板11－第一隔板12－第一芯板11－第一隔板12－第一芯板11，两个第一隔板12对三个第一芯板11进行分隔保护。两个第一隔板12的两对两表面上均铺设有第二粘连层7，本技术中，第一隔板12可选用为pmi泡沫板，第二粘连层7可选用为氰酸酯胶膜。使用四层第二粘连层7对三个第一芯板11和两个第一隔板12进行粘连固定，从而使得低偏高透组件1结构强度更高，且使用pmi硬质泡沫板，使得泡沫板的保护效果更佳。
42.第一金属单元层为铜箔材质刻印在第一芯板11表面上形成，其中，两个第一金属单元层分别位于低偏高透组件1中部的第一芯板11的相对两表面上，另两个第一金属单元层分别位于低偏高透组件1两侧的两个第一芯板11相互远离的表面上。第一金属单元层由多个第一矩形单元结构4组合而成，第一矩形单元结构4的横向和纵向尺寸分别为10mm和
43.第一矩形单元结构4的中部和四角处为第一各向异性单元41，此即为低频偏折通道，当四个第一矩形单元结构4组合后，四个第一矩形单元结构4连接处即可组合成一个第一各向异性单元41。四个第一金属单元层构成金属单元结构，金属单元结构进行旋转时，金属单元结构内的第一各向异性单元41发生旋转，此时ku频段低频电磁波经过低频偏折通道发生偏折。第一矩形单元结构4位于第一各向异性单元41的周侧围绕一圈近似三角形的结构为第一各向同性单元42，此即为高频透射通道，ka频段高频电磁波经过高频透射通道后发生透射。且低频偏折通道与高频透射通道共面。
44.参照图2，高偏低透组件2包括堆叠的三个第二芯板21、两个第二隔板22和四个第二金属单元层，堆叠顺序为：第二芯板21－第二隔板22－第二芯板21－第二隔板22－第二芯板21，两个第二隔板22对三个第二芯板21进行分隔保护。两个第二隔板22的两对两表面上均铺设有第三粘连层8，本技术中，第二隔板22可选用为pmi泡沫板，第三粘连层8可选用为氰酸酯胶膜。使用四层第三粘连层8对三个第二芯板21和两个第二隔板22进行粘连固定，从而使得高偏低透组件2结构强度更高。
45.参照图2和5，第二金属单元层为铜箔材质刻印在第二芯板21表面上形成，其中，两个第二金属单元层分别位于高偏低透组件2中部的第二芯板21的相对两表面上，另两个第二金属单元层分别位于高偏低透组件2两侧的两个第二芯板21相互远离的表面上。第二金属单元层由多个第二矩形单元结构6组合而成，且第二矩形单元结构6的横向和纵向尺寸分别为10mm和
46.第二矩形单元结构6的中部和四角处为第二各向同性单元62，此即为低频透射通道，当四个第二矩形单元结构6组合后，四个第二矩形单元结构6连接处即可组合成一个第二各向同性单元62，且ku频段低频电磁波经过低频偏折通道发生透射。第二矩形单元结构6位于第二各向同性单元62的周侧围绕一圈第二各向异性单元61，此即为高频偏折通道。四个第二金属单元层构成金属单元结构，金属单元结构进行旋转时，金属单元结构内的第二各向异性单元61发生旋转，此时ka频段高频电磁波经过高频偏折通道后发生偏折。且低频透射通道与高频偏折通道共面。
47.参照图2，低偏高透组件1和高偏低透组件2的低频通道对齐，同时高频通道也对齐，当入射电磁波从下往上经过超表面时，先经过低偏高透组件1，低偏高透组件1的双通道性能可以实现低频电磁波偏折和高频电磁波透射，电磁波再经过高偏低透组件2，高偏低透
组件2的双通道对在已经偏折的低频电磁波保持偏折角度不变透射，同时把仍然保持原入射角度的高频电磁波进行偏折后射出，从而使得低频和高频电磁波都能以相同偏折角度出射。如此，高频电磁波和低频电磁波经超表面平板的双通道发生偏折，使得不同频率的电磁波在进行偏折时不易发生干扰。
48.参照图3和5，确定各向异性透射单元以几何相位线性梯度排列作为超表面进行圆极化透射波束偏折的工作机理，具体表述如下：当电磁波沿z轴传播时并经过第一各向异性单元41和第二各向异性单元61时，x轴向的介电常数和y轴向的介电常数不同，导致电磁波的两个极化分量，ex分量和ey分量经过各向异性单元的光程长度不同，那么电磁波通过第一各向异性单元41和第二各向异性单元61后，ex分量和ey分量的累积相位也不同。经过设计，我们可以利用多层金属结构间产生的多层散射相消原理，实现正入射电磁波的ex极化分量和ey极化分量都高效率的透过多层金属结构，且ey极化分量的透射相位要比ex极化分量的透射相位多180
°
；此时若入射波为左旋圆极化电磁波，经过各向异性透射单元后就会转化为右旋圆极化电磁波，反之亦然。
49.当整个超表面阵面的各向异性单元都是均匀阵列排列时，入射波与透射波也仅仅是手性改变，即左旋改右旋，或右旋改左旋，如果各向异性单元沿某一个阵列方向进行晶轴旋转，就可以形成针对圆极化入射波的几何相位梯度，当各向异性单元的单元尺寸为a，且相邻两单元存在晶轴夹角θ，那么相邻单元局域透射电磁波的出射相位差即为2θ，整体透射电磁波的偏折角度β即为：
[0050][0051]
其中λ为对应的电磁波的波长。
[0052]
参照图3和4，位于低偏高透组件1中部的第一芯板11的两表面上的第一金属单元层形状相同，并记为结构a，位于低偏高透组件1两侧的两个第一芯板11相互远离的表面上的第一金属单元层形状相同，并记为结构b。结构a与结构b在x轴向和y轴向是不同的，且满足ku频段在此低频通道内的两个极化分量透射电磁波的透射相位达到180
°
相位差，从而能够实现低频信号的波束偏折。
[0053]
参照图5和6，位于高偏低透组件2中部的第二芯板21的两表面上的第二金属单元层形状相同，并记为结构c，位于高偏低透组件2两侧的两个第二芯板21相互远离的表面上的第二金属单元层形状相同，并记为结构d。结构c与结构d在x轴向和y轴向是不同的，且满足ka频段在此高频通道内的两个极化分量透射电磁波的透射相位达到180
°
相位差，从而能够实现高频信号的波束偏折。
[0054]
参照图7和8，由于本技术中工作带宽为双频段，那么在上述偏折角度β的表达式中，低频段和高频段对应不同的波长λ，且λ
ku
》λ
ka
，即ku频段的波长要大于ka频段的波长。那么若是想让电磁波经过单元尺寸a固定的超表面后，高低频都具有相同的偏折角度，则要求λ
ku
θ
ku
＝λ
ka
θ
ka
，其中θ
ku
《θ
ka
。所以我们需要设计两套相互嵌套但独立的单元格子，分别负责ku频段和ka频段的各向异性透射单元的晶轴旋转阵列。当相邻的各向异性单元晶轴旋转才能实现入射电磁波的反常偏折透射，其中低偏高透组件1中低频通道相邻单元晶轴夹角为31
°
，高偏低透组件2中高频通道相邻单元晶轴夹角为50
°
。如此，能够实现高低频电磁波都具有相同的偏折角度。
[0055]
综上，超表面平板对于ku频段正入射的圆极化电磁波，整个频段12.25～12.75ghz内透射率达到94％，ka频段19.6～21.2ghz内，透射率达到91％，且双频段透射波的偏折角度都为设计值22.5
°
。
[0056]
本技术实施例的实施原理为：当入射电磁波从下往上经过超表面时，先经过低偏高透组件，低偏高透组件的双通道性能可以实现低频电磁波偏折和高频电磁波透射，电磁波再经过高偏低透组件，高偏低透组件的双通道对在已经偏折的低频电磁波保持偏折角度不变透射，同时把仍然保持原入射角度的高频电磁波进行偏折后射出，从而使得低频和高频电磁波都能以相同偏折角度出射。如此，高频电磁波和低频电磁波经超表面平板的双通道发生偏折，使得不同频率的电磁波在进行偏折时不易发生干扰。
[0057]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，其特征在于：包括叠合设置的低偏高透组件(1)和高偏低透组件(2)，所述低偏高透组件(1)和高偏低透组件(2)上形成有供不同频率电磁波经过的低频通道和高频通道，低频电磁波经过低偏高透组件(1)后发生偏折，经过高偏低透组件(2)后直接透射，高频电磁波经过低偏高透组件(1)后直接透射，经过高偏低透组件(2)后发生偏折，所述低偏高透组件(1)的一侧设置有与高偏低透组件(2)连接的间隔板(3)。2.根据权利要求1所述的一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，其特征在于：所述低偏高透组件(1)包括多个第一芯板(11)、第一隔板(12)和第一金属单元层，多个所述第一芯板(11)堆叠设置，所述第一隔板(12)位于相邻两个第一芯板(11)之间，且所述第一芯板(11)与第一隔板(12)交错设置，所述第一金属单元层位于第一芯板(11)表面，多个所述第一金属单元层构成金属单元结构并使高频电磁波发生透射，且当金属单元结构进行旋转时，金属单元结构使低频电磁波发生偏折。3.根据权利要求2所述的一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，其特征在于：所述第一金属单元层由多个第一矩形单元结构(4)组合组成，所述第一矩形单元结构(4)的中部和四角处为低频通道的第一各向异性单元(41)，用以实现低频信号的波束偏折，所述第一各向异性单元(41)周侧为高频通道的第一各向同性单元(42)，用于实现高频信号的波束透射。4.根据权利要求2所述的一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，其特征在于：所述间隔板(3)的两侧均设置有第一粘连层(5)，两个所述第一隔板(12)的两侧均设置有第二粘连层(7)。5.根据权利要求2所述的一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，其特征在于：所述高偏低透组件(2)包括多个第二芯板(21)、第二隔板(22)和第二金属单元层，多个所述第二芯板(21)堆叠设置，所述第二隔板(22)位于相邻两个第二芯板(21)之间，且所述第二芯板(21)与第二隔板(22)交错设置，所述第二金属单元层位于第二芯板(21)表面，多个所述第二金属单元层构成金属单元结构并使低频电磁波发生透射，且当金属单元结构进行旋转时，金属单元结构使高频电磁波发生偏折。6.根据权利要求5所述的一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，其特征在于：所述第二金属单元层由多个第二矩形单元结构(6)组合组成，所述第二矩形单元结构(6)的中部和四角处为低频通道的第二各向同性单元(62)，用以实现低频信号的波束透射，所述第二各向同性单元(62)周侧为高频通道的第二各向异性单元(61)，用于实现高频信号的波束偏折。7.根据权利要求5所述的一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，其特征在于：两个所述第二隔板(22)的两侧均设置有第三粘连层(8)。8.根据权利要求6所述的一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，其特征在于：所述间隔板(3)、第一隔板(12)和第二隔板(22)均为pmi泡沫板。

技术总结
本申请涉及电磁波调控技术领域，公开了一种基于双通道几何相位的双频段波束偏折超表面平板，包括低偏高透组件和高偏低透组件，低偏高透组件和高偏低透组件上形成有供不同频率电磁波经过的低频通道和高频通道，低频电磁波经过低偏高透组件后发生偏折，经过高偏低透组件后直接透射，高频电磁波经过低偏高透组件后直接透射，经过高偏低透组件后发生偏折。本申请具有能够通过采用低偏高透组件和高偏低透组件内形成低频通道和高频通道，低频电磁波经过低频通道后发生透射和偏折，高频电磁波经过高频通道后发生透射和偏折，使得不同频率的电磁波在进行偏折时不易发生干扰。电磁波在进行偏折时不易发生干扰。电磁波在进行偏折时不易发生干扰。


技术研发人员：杨光武 孙午炯 肖诗逸 郭会杰
受保护的技术使用者：上海府大科技有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/21