[发明专利]太赫兹宽带圆极化频率扫描超表面

说明书

宽带圆极化频率扫描超表面，涉及无线通信技术。本发明包括按照M×N阵列排列的相移单元，每一相移单元包括重叠设置的金属底板和介质基板，在介质基板的上表面设置有一个相移结构，同一列相移单元的相移结构相同；所述相移结构包括一个工字形栅条和对称设置于工字形栅条两侧的矩形附属栅条，所述工字形栅条包括两个横向栅条部分和一个纵向栅条部分，横向栅条垂直于纵向栅条，两个附属栅条的长轴平行于纵向栅条的长轴；以纵向栅条的长轴为对称轴，相移结构为轴对称结构；同一行中，相移结构对称轴与列线的夹角度数为(n‑1)×180/N，本发明采用多谐振复合结构，通过调节单元尺寸使单元在宽频带范围内保持较高的反射效率。

技术领域

本发明涉及太赫兹成像、目标检测和无线通信技术。

技术背景

太赫兹(Terahertz,THz)波是一种亟待开发的新型电磁波谱，通常指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波。该频率范围位于毫米波与红外、光之间，具有许多独特的电磁特性。因而使其在物理、化学、电子信息、成像、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通信与雷达等领域具有极其重要的潜在利用价值。

超材料是一种由周期或非周期排布的亚波长单元组成,具有超常电磁特性的人工结构。超表面可以等效为二维超材料，对电磁波具有很强的调控能力，可以实现极化转换，极化旋转等功能。不仅如此，将超表面应用在频率扫描天线设计中，可以提高传统天线在工作带宽，方向性，辐射效率，增益等多个方面的性能，这种将超表面结构与传统天线相结合所设计的新型天线可以称为超表面天线。Chung，K.等人在2011年提出将传统的探针馈电的微带贴片天线与方形回路状超表面结合，同时实现了贴片天线在阻抗带宽和天线效率等方面性能的提高。

到目前为止，在THz波段，大多数成像系统通常采用机械扫描方法来实现目标定位和检测，但是这种方法的局限性是获得较低的帧速率。为了减少成像时间，获得较高的帧速率，由相控阵控制的波束方向是有希望的，但由于在太赫兹波段研制移相器的困难而受到限制。另一种方法是通过频率扫描实现波束控制，该方法具有快速成像和易制造的特点。

由于圆极化天线具有:1)可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线接收；2)圆极化天线具有旋向正交性；3)圆极化波入射到对称目标时旋向反转,，能抑制雨雾、干扰和抗多径反射等优点。所以，在现代无线通信系统,卫星导航、军事侦察与干扰等众多领域中越来越广泛地采用圆极化天线。现有的圆极化调控方式有手征，Pancharatnam-Berry和螺旋线等。传统的圆极化天线通常需要在线极化的馈电部分加以设计来产生等幅正交的线极化波，从而产生圆极化辐射，这不仅增大圆极化天线的设计难度，也可能使得整个天线结构更加复杂。到目前为止，超过0.1THz的圆极化频率扫描天线是相对比较少的。

本发明是基于1THz以上的工作频率范围内，并且采用了Pancharatnam-Berry原理和超表面的结构简化了圆极化天线的设计，从而实现宽带的波束扫描，具有设计简单，易制作和分辨率高的特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、易加工、损耗小的宽频带的太赫兹圆极化频率扫描超表面。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，太赫兹宽带圆极化频率扫描超表面，包括按照M×N阵列排列的相移单元，每一相移单元包括重叠设置的金属底板和介质基板，在介质基板的上表面设置有一个相移结构，M为行数，N为列数，其特征在于，

同一列相移单元的相移结构相同；

所述相移结构包括一个工字形栅条和对称设置于工字形栅条两侧的矩形附属栅条，所述工字形栅条包括两个横向栅条部分和一个纵向栅条部分，横向栅条垂直于纵向栅条，两个附属栅条的长轴平行于纵向栅条的长轴；以纵向栅条的长轴为对称轴，相移结构为轴对称结构；

同一行中，相移结构对称轴与列线的夹角度数为(n-1)×180/N，n为相移单元的列号，列号自1顺次递增至N。