面向6G毫米波通信的超宽带超材料圆偏振器设计与研究
2022年电子技术应用第10期
侯 佳，周秀杰，李艳芬，袁雪琪
中国电信股份有限公司研究院，北京102209
摘要： 介绍了一种6G毫米波超宽带谐振超材料圆偏振器。该偏振器为单层结构，基底采用10 μm超薄聚酰亚胺薄膜，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损耗。圆极化偏振器采用低Q的设计镜像对称T形金属表面，金属厚度为0.6 μm，小于该频段的金属趋肤深度，在一定程度上降低了金属超表面结构的金属性，低金属性以及低Q的超表面设计有效提高了该超材料圆偏振器的工作带宽。谐振器采用双谐振型超材料设计方法，对正交等幅同相位正交极化波进行相位调制，从而达到90°相位差形成圆极化波，在中心频率为140 GHz时，3 dB轴向比可以达到54 GHz的带宽，中心带宽可达到39%，插入损耗小于5 dB。
中图分类号： TN929.5
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.223393
中文引用格式： 侯佳，周秀杰，李艳芬，等. 面向6G毫米波通信的超宽带超材料圆偏振器设计与研究[J].电子技术应用，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.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.223393
中文引用格式： 侯佳，周秀杰，李艳芬，等. 面向6G毫米波通信的超宽带超材料圆偏振器设计与研究[J].电子技术应用，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
偏振器等控制电磁波偏振态方法在6G毫米波通信系统和太赫兹通信与成像以及光学系统中广泛使用[1]。根据工作模式，圆偏振器可分为透射型[2]和反射型[3]两种类型。与透射型相比，反射型对放置角度要求严格，对衬底厚度的灵敏度高，传统的线栅反射型偏振变换器可以实现4%～8%的带宽，插入损耗低。线性双折射晶体是一种透射型偏振器[4]，在正交偏振分量之间产生相位延迟，具有体积大、带宽窄、插入损耗大、积分困难等缺点。超材料偏振器可以克服这些限制[5]。多种超材料设计协议具有结构紧凑、集成灵活等优点，并可采用石墨烯、VO2、GaAs等可调方案，通过电压控制、温度控制、激光辐射[6]实现人工极化状态调优。但它也存在加工要求高、插入损耗大等缺陷。三维手性超材料利用光子二色效应[7]可实现线-圆极化或共极化到交叉极化，能提供足够高质量的圆极化转化率，但是存在加工工艺复杂等缺点。文献[8]给出了另一种基于平面线性双折射谐振超材料的偏振器设计，与三维手性超材料原理相同，此种超材料通过谐振型拟合电路引入交叉极化方向上的光子二色性，对入射波进行相位调制，从而实现线-圆极化的转换，但是由于谐振材料的特点，存在插入损耗高、带宽窄等缺点。
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作者信息；
侯 佳，周秀杰，李艳芬，袁雪琪
(中国电信股份有限公司研究院，北京102209)
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