面向6G 毫米波通信的超宽带超材料圆偏振器设计与研究

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)

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。

上述的超材料极化变换器难以克服由于其谐振电路高Q 特性或手性超材料带特性等造成的带宽窄的问题。本文基于双折射谐振超材料设计原理，采用低Q 的谐振表面设计，并通过降低超表面的金属性实现了超宽带的极化变换器设计，设计了一种中心带宽39%、插入损耗小于5 dB 的6G 毫米波线性双折射谐振超宽带圆偏振器。

1 设计及原理分析

1.1 圆极化偏振器设计

本文设计的超材料采用10 μm 聚酰胺薄膜作为基底，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损耗。单晶格的设计和具体参数如图1 所示。本文通过降低器件的Q 值进行带宽的扩展，并保证工作带宽内的性能稳定性，仿真结果验证了理论的正确性。

引入的圆偏振器可以在正交偏振入射波的作用下由各向异性谐振腔诱导相位调制，实现线-圆转换。在两个共振频率之间的中频处，两个正交波之间会产生90°的相位差，如图2 所示，线偏振入射波的透射方向与偏振器表面正交，电场与金属线栅呈45°，它可以分解为x 和y 偏振分量和，这两个分量的幅值和相位相同，通过所设计的超材料圆偏振器的相位和振幅调制，使透射波达到圆极化。

1.2 圆极化偏振器工作原理

圆偏振波的轴向比是分析偏振器性能的有效方法之一。假设入射电磁波的方向垂直于器件表面，电场与金属线栅呈45°，可分解为x和y极化分量和，这两个分量的幅值和相位相同。入射波可表示为：

两个谐振结构对两个正交分量进行不同的相位和振幅调制，透射系数分别为TX和TY，则透射波可表示为：

透射波的偏振状态可表示为：

(1)当|TX|=|TY|并 且arg(TX)-arg(TY)=(1/2+n)π时，出射波为圆极化；

(2)当|TX|=|TY|并且arg(TX)-arg(TY)=(2n+1)π时，出射波为的交叉极化波；

(3)当|TX|≠|TY|或 者arg(TX)-arg(TY)≠(1/2+n)π或者二者兼具时，出射波为椭圆极化波。

参照式(2)，归一化振幅差为：

传输相位差Δφ 可以表示为：

圆极化轴比可以表示为：

本文引入另一种方法来分析，由式(7)～式(10)表示的极化的性能如斯托克斯参数，以应用此参数来评估线性到圆极化的转换程度。

归一化的轴向方位角可以表示为：

从图3 可以看出，轴向方位角α 表示椭圆偏振长轴的轴向偏置角。当发现方位角接近等于0时，表示椭圆偏振长轴的轴向偏置角接近0，可保证极好的偏振对准性能。

2 仿真及分析

仿真结果如图4～图7 所示。

图4 为相位差，由式(4)计算，112 GHz～166 GHz 之间的相位延迟小于90°±2°，说明所设计的圆偏振器具有良好的相位调制性能。

图5 为引入的圆偏振器的轴比，轴比由式(5)～式(6)计算得到，在112 GHz～166 GHz 轴比小于3 dB，在工作中心频率140 GHz时，轴比可达0.2 dB，显示出良好的圆偏振调制性能。

图6 为轴向方位角，方位角由式(11)计算，112 GHz～166 GHz 之间的方位角小于1°，说明透射波的轴向偏置角小到可以忽略。在某些通信或成像系统中，在某些情况下，发射-接收波的极化状态应为线性-圆-线性，因此在将接收波调制为正交极化波的同时，极化对准接收天线的极化方向会影响接收机的性能。设计的偏光器成功地解决了这一问题。

图7 为偏振器的插入损耗，由式(2)计算，工作频率下插片损耗小于5 dB。线性双折射谐振超材料偏振器的一个典型缺陷是插入损耗大，但其工作原理是由超材料构造的低Q 谐振电路调制相位延迟，这就解释了为什么在其中心工作频率工作时不可避免地会出现3 dB 的插入损耗。从图7 可以看出，设计的器件在140 GHz 时成功地将插入损耗压缩到近3 dB，这与采用10 μm 超薄聚酰亚胺基板和超材料的设计成功地降低了谐振功率有关。

3 结论

本文设计了6G 毫米波超宽带谐振超材料圆偏振器。该偏光片为单层结构，基片采用10 μm 超薄聚酰亚胺薄膜。它可以调制两个正交偏振波的相位，低Q 设计有效地将带宽提高到39%。仿真结果表明，在140 GHz工作时，3 dB 轴向比可以达到54 GHz 的带宽，插入损耗小于5 dB。在后续的设计中，将采用多层堆叠的方式进一步增加带宽，并且尝试增加匹配层以减小插入损耗。