面向6G毫米波通信的超寬帶超材料圓偏振器設計與研究
2022年電子技術應用第10期
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
摘要： 介紹了一種6G毫米波超寬帶諧振超材料圓偏振器。該偏振器為單層結構，基底采用10 μm超薄聚酰亞胺薄膜，有效降低了偏振器的剖面厚度，并且在一定程度上降低了基底的損耗。圓極化偏振器采用低Q的設計鏡像對稱T形金屬表面，金屬厚度為0.6 μm，小于該頻段的金屬趨膚深度，在一定程度上降低了金屬超表面結構的金屬性，低金屬性以及低Q的超表面設計有效提高了該超材料圓偏振器的工作帶寬。諧振器采用雙諧振型超材料設計方法，對正交等幅同相位正交極化波進行相位調制，從而達到90°相位差形成圓極化波，在中心頻率為140 GHz時，3 dB軸向比可以達到54 GHz的帶寬，中心帶寬可達到39%，插入損耗小于5 dB。
中圖分類號： TN929.5
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.223393
中文引用格式： 侯佳，周秀杰，李艷芬，等. 面向6G毫米波通信的超寬帶超材料圓偏振器設計與研究[J].電子技術應用，2022，48(10)：5-8.
英文引用格式： Hou Jia，Zhou Xiujie，Li Yanfen，et al. Design and research of 6G millimeter wave UWB resonant metamaterial circular polarizer[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：5-8.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.223393
中文引用格式： 侯佳，周秀杰，李艷芬，等. 面向6G毫米波通信的超寬帶超材料圓偏振器設計與研究[J].電子技術應用，2022，48(10)：5-8.
英文引用格式： Hou Jia，Zhou Xiujie，Li Yanfen，et al. Design and research of 6G millimeter wave UWB resonant metamaterial circular polarizer[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(10)：5-8.
Design and research of 6G millimeter wave UWB resonant metamaterial circular polarizer
Hou Jia，Zhou Xiujie，Li Yanfen，Yuan Xueqi
Research Institute of China Telecom.，Ltd.，Beijing 102209，China
Abstract： A 6G millimeter wave ultra-wideband resonant metamaterial circular polarizer is presented in this paper. The polarizer is a single-layer structure with 10 μm ultra-thin polyimide film as the substrate, which effectively reduces the profile thickness of the polarizer and reduces the substrate loss to a certain extent. The circular polarization polarizer uses a low-Q design to mirror the symmetrical T-shaped metal surface, and the metal thickness is 0.6 μm, which is less than the skin depth of the metal in this frequency band. To some extent, the gold properties of the metal metasurface structure are reduced. The low-gold properties and low-Q metasurface design effectively improve the operating bandwidth of the metasurface. The resonator adopts a double resonant metamaterial design method to modulate the phase of orthogonal polarization wave with the same amplitude and phase, so as to achieve a 90° phase difference to form a circularly polarized wave. When the center frequency is 140 GHz, the 3 dB axial ratio can reach the bandwidth of 54 GHz, the center bandwidth can reach 39%, and the insertion loss is less than 5 dB.
Key words : 6G；millimeter wave；UWB；circular-polarization
0 引言
偏振器等控制電磁波偏振態方法在6G毫米波通信系統和太赫茲通信與成像以及光學系統中廣泛使用[1]。根據工作模式，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，傳統的線柵反射型偏振變換器可以實現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]。多種超材料設計協議具有結構緊湊、集成靈活等優點，并可采用石墨烯、VO2、GaAs等可調方案，通過電壓控制、溫度控制、激光輻射[6]實現人工極化狀態調優。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[7]可實現線-圓極化或共極化到交叉極化，能提供足夠高質量的圓極化轉化率，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制，從而實現線-圓極化的轉換，但是由于諧振材料的特點，存在插入損耗高、帶寬窄等缺點。
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作者信息；
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)
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