CN102694274B - 一种通信的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信的方法，包括：S1.接收电磁波；S2.利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料使得所述平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)相位差Δφ，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换；S3.接收所述的极化转换后的电磁波并加以发送。本发明还公开了一种通信的装置。根据本发明的通信的方法和装置，实现通信系统中电磁波极化方式的相互转换较为容易、效率高、成本低。

Description

一种通信的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体地涉及一种通信的方法和装置。

背景技术

电磁波极化状态在卫星通信中有着广泛的应用，传统的接收电磁波加以极化转换是通过极化转换器实现的，即：天线馈源输出端通常要与带有矩形接口的室外接收单元联接，所以，反射面天线的馈源通常需要一段极化转换器和矩圆过渡波导，例如：对于接收采用圆极化波的卫星广播信号，装在接收天线馈源后的极化器先将圆极化波转换为线极化波，再通过矩圆过渡波导将圆波导中的波型变换为矩形波导中的波型，以便与其后的卫星接收高频头(LNB)接口配接。

传统的卫星通信在实施过程中，不仅需要经过一系列复杂的器件，还要考虑各器件在不同的频段的匹配问题，例如：在国内很难找得到专用的圆极化馈源和高频头，一般是用线极化馈源高频头来接收圆极化波，但直接用线极化馈源收视圆极化波信号要损失3dB。

且，传统的卫星通信方式中，极化转换器件通常限制一种极化波透射，将不需要的极化波反射；或者将波分为两束具有不同极化状态的波束，因此一种极化波只能携带不到一半的能量，并且工艺要求和成本高。此外，利用截面渐变的波导可以实现圆极化波与线极化波之间的转换。前者具有较大的能量损耗，后者能量损耗小但所要得到极化隔离度好的出射波对加工精度要求相当高，实现难度较大。

在各种天线及微波与光学的仪器设备中，经常需要实现不同极化状态之间的转换，以获得某种单极化波或双极化波。极化转换主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，接近所需要的极化状态。

2)低损耗。具有较高的能量转换效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，极化转换方法应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。

超材料由介质基材和设置上基材上的多个人造微结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人造微结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人造微结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人造微结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现极化转换提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种低成本、高效率、功能多样、便于控制和设计的基于超材料的通信的方法。

本发明解决其技术问题所采用的第一个技术方案是：一种通信的方法，

S1.接收电磁波；

S2.利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料使得所述平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)的相位差Δ□，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换；

S3.接收所述的极化转换后的电磁波并加以发送。

在本发明所述的通信方法中，所述基材由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所有的人造微结构在空间中形成周期阵 列。

在本发明所述的通信方法中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的通信方法中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的相位差Δ□。

在本发明所述的通信方法中，若要实现水平极化与垂直极化的相互转换，需Δ□＝(2K+1)·π，其中K为整数。

在本发明所述的通信方法中，若要实现线极化与圆极化的相互转换，需Δ□＝(2K+1)·(π/2)，且所述平面电磁波离开超材料极化转换器时，所述电场矢量的两个正交分量幅度相等，其中K为整数。

在本发明所述的通信方法中，若要实现线极化与椭圆极化的相互转换，需Δ□不等于(2K+1)·(π/2)且Δ□不等于(2K+1)·π且Δ□不等于2Kπ，或者所述平面电磁波离开超材料极化转换器时，所述电场矢量的两个正交分量幅度不相等，其中K为整数。

在本发明所述的通信方法中，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形。

在本发明所述的通信方法中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板上。

在本发明所述的通信方法中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。

在本发明所述的通信方法中，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。

在本发明所述的通信方法中，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

在本发明所述的通信方法中，所述金属线为铜线或银线。

本发明解决其技术问题所采用的第二个技术方案是：一种通信的装置，包 括：

接收电磁波单元，用于接收电磁波；

超材料，与所述的接收电磁波单元相对设置，用于将接收的电磁波进行极化转换；其中，所述的转换电磁波单元为超材料，所述超材料使得所述平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生一个等于2Kπ(K为整数)的相位差Δ□，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换；

接收极化转换后的电磁波的单元，与所述超材料相对设置，用于接收极化转换后的电磁波并加以发送。

在本发明所述的通信装置中，所述接收电磁波的单元为天线馈源。

在本发明所述的通信装置中，所述接收极化转换后的电磁波的单元为矩形波导。

根据本发明的通信的方法和装置，通过所述人造微结构影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)的相位差Δ□，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换。上述的通信的方法和装置，制造成本低、转换效率高、并且功能多样、便于控制和设计。

附图说明

图1为现有技术极化转换结构示意图；

图2为本发明通信的方法流程图；

图3为本发明通信装置结构方框图；

图4是本发明通信的方法实施例中超材料结构示意图；

图5是本发明通信的方法一个实施例中人造微结构的示意图；

图6图5所示图案衍生得到的一个人造微结构的图案；

图7图5所示图案变形得到的一个人造微结构的图案；

图8图5所示图案变形得到的另一个人造微结构的图案。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，现有技术极化电磁波的装置，由馈源10、极化转换器20、圆矩过渡段30以及矩形波导段40顺序相连，由于馈源10输出端通常要与带有矩形接口的室外接收单元联接，所以，反射面天线的馈源通常需要一段极化转换器20和矩圆过渡波导30，举例来说，对于接收采用圆极化波的卫星广播信号，极化转换器20接收馈源10中的电磁波，再通过矩圆过渡波导30将圆极化波型变换为矩形波导中40的波型，以便与其后的卫星接收高频头(LNB)接口配接。

由于圆极化波可以看成是由2个正交、等幅、相位差90°的线极化波分量合成的，所以，极化转换器20的工作原理就是用一个分量移相器使其中一个线极化波改变相位，经一段传输路程后，二个分量的相位变成相同，其合成场变成了线极化波，反之，若将线极化波转化为圆极化波相反变换即可。

请参阅图2，本发明实施例一，一种通信的方法，包括：

S1.接收电磁波，如可用天线作为馈源接收电磁波。

S2.利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料使得所述平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)的相位差Δ□，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换；

S3.接收所述的极化转换后的电磁波并加以发送。

请参阅图3，一种通信装置，包括：

接收电磁波单元10，用于接收电磁波；优选地，该接收电磁波单元10为天线馈源。

超材料50，与接收电磁波单元10相对设置，用于将接收的电磁波进行极化转换；所述超材料使得所述平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交 分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)的相位差Δ□，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换；

接收极化转换后的电磁波的单元40，与超材料50相对设置，用于接收极化转换后的电磁波并加以发送，优选地，接收极化转换后的电磁波的单元40为矩形波导。

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

我们知道平面电磁波具有极化特性，它的极化方式是指线极化、圆极化及椭圆极化，其中线极化包括水平极化和垂直极化，极化方式的相互转换包括线极化与圆极化之间的相互转换，线极化与椭圆极化之间的相互转换，以及水平极化与垂直极化之间的相互转换。

由天线辐射原理可知，自由空间电磁波通常以电场 的取向作为电波极化方向。 是随时间而变化的，如果 的矢量端点随时间变化的轨迹是一直线，则称此电磁波为线极化波。若 的大小不变而方向随时间而变，在观察点处与传播方向垂直的平面内，矢量端点的变化轨迹是一个圆，称为圆极化波。 的大小和方向都随时间变化，矢量端点的轨迹为椭圆的波则叫椭圆极化波。

请参阅图4，一种超材料，作为本发明的一个实施例，所述超材料由多个片状基板11堆叠形成，图4基材1上均附着有多个人造微结构2，所有的人造微结构2在空间中形成周期阵列。优选地，所述所有的人造微结构2在空间中呈均匀性的周期阵列。优选地，人造微结构为金属人造微结构，以便更高效 率地对电磁场进行响应。

我们可以将整个超材料分为多个单元，每个单元都具有一个人造微结构，整个超材料就是由这多个单元组成，每一个单元都会对通过其的电磁波产生响应，从而影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，而经过一特定时间t后，平面电磁波的电场矢量受到累加效应，从而使得所述平面电磁波经过t时间后离开超材料时，所述平面电磁波的电场矢量的两个正交分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)的相位差Δ□，将两个已经产生了相位差Δ□的正交分量合成后，即可得到平面电磁波离开超材料后的电场矢量，实现了穿过所述超材料后的平面电磁波极化方式的改变。

在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的相位差Δ□，这是因为，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，即可改变超材料空间中每一单元的电磁参数ε和μ，从而改变相应单元的折射率n，超材料可以看成是由多个这样的单元组成的，因此通过合理计算可以得到想要的Δ□，从而实现极化转换。至于怎么得到人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，先确定Δ□的数值(即需要什么样的极化转换方式)，根据此数值去设计超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一单元的电磁参数分布，根据这每一单元的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)。

做为公知常识，我们可知：

在三维空间，沿Z轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为： 若  且 与 的相位差nπ(n＝1，2，3，...)，则合成矢量的模为： 这是一个随时间变化而变化的量，合成矢量的相位θ为：θ＝tg^-1(Ey/Ex)＝tg^-1(ym/Exm)，合成矢量的相位为常数。可见合成矢量的端点的轨迹为一条直线。

与传播方向构成的平面称为极化面，当极化面与地面平行时，为水平极化；当极化面与地面垂直时，为垂直极化。

若 与 的幅度相等，相位差为(2n+1)π/2时， 是常数，而相位随时间t而变化：θ＝tg^-1(Ey/Ex)＝wt，故合成矢量端点的轨迹为一个圆，称为圆极化。

根据电场旋转方向不同，圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋转(满足右手定测)称右旋极化，逆时针方向旋转(满足左手定测)称左旋极化。因此，若 超前 则为右旋极化波，若 落后 则为左旋极化波。

若 与 的幅度和相位差均不满足上述条件时，即合成矢量 的大小和方向都随时间变化(都不是常数)，则合成矢量端点的轨迹为一个椭圆，称为椭圆极化。

根据电场旋转方向不同，椭圆极化和圆极化可分为右旋和左旋两种。观察者沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋称右旋极化，逆时针方向旋转称左旋极化。

若要实现水平极化与垂直极化的相互转换，需Δ□＝(2K+1)·π，其中K为整数。

若要实现线极化与圆极化的相互转换，需Δ□＝(2K+1)·(π/2)，且所述平面电磁波离开超材料极化转换器时，所述电场矢量的两个正交分量幅度相等，其中K为整数。

若要实现线极化与椭圆极化的相互转换，需Δ□不等于(2K+1)·(π/2)且Δ□不等于(2K+1)·π且Δ□不等于2Kπ，且所述平面电磁波离开超材料极化转换器时，所述电场矢量的两个正交分量幅度不相等，其中K为整数。

作为一个实施例，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板11上的金属线。所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形，非旋转90度对称图形是旋转90度对称的相对概念，所谓旋转90度对称是指，一图形沿其对称中心向任意方向旋转90度后都与原图形重合。具有非旋转90度对称图形的人造微结构构成的空间单元结构表现出各向异性(即空间单元结构每点的电磁参数不同)。反之，具有旋转90度对称的图形的人造微结构构成的空间单元结构则表现为各向同性(即空间单元结构每点的电磁参数相同)。人造微结构构成的空间单元结构若表现为各向异性，则会影响通过其中的电磁波的电场矢量，从而使得所述电场矢量的两个正交分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)的相位差Δ□，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在片状基板11上。

如图6所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。在这个实施例中，各向同性的情况为：

第一主线与第二主线长度相同；

第一分支与第二分支长度也相同；

因此，只要不同时满足上面的条件，则上述图案的人造微结构构成的空间单元结构表现为各向异性。

进一步地，所述入射的平面电磁波的电场矢量沿第一主线21所在的直线有分量。这样一来，平面电磁波的电场矢量的两个正交分量一个是在第一主线21的直线方向，另外一个则在第二主线22的直线方向，使得人造微结构2对电磁波的两个正交分量都有影响(电场响应)，这种影响经过一定时间叠加后，则会使平面电磁波的电场矢量的两个正交分量产生一个相位差(平面电磁波未进入通信的方法之前的两个正交分量没有相位差)，从而改变出射平面电磁波的极性，实现了极化方式的转换。在由水平极化转换成垂直极化时，出射的平面电磁波的电场矢量的两个分量的幅度可以相等也可以不等。但是在由线极化转换为圆极化时，则需要出射的平面电磁波的电场矢量的两个分量的幅度相同，因此在设计由线极化转换为圆极化的超材料时，第一主线21与入射的电磁波的电场矢量呈45度夹角，这样电场矢量沿第一主线21及第二主线22的两个分量幅度相等。当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线的图案还可以为其它的，如图6-图8所示。其中图6为上述图案的衍生，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；其中图6至图8为上述图案的变形；另外还有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举。

本发明的所述片状基板11可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、使用寿命长，作为人造微结构附着的基材是很好的选择。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线，铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

根据本发明的通信的方法，通过所述人造微结构影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生相位差Δ□，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换。上述的通信的方法，制造成本低、转换效率高、并且功能多样、便于控制和设计。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种通信的方法，其特征在于，包括：

S1.接收电磁波；

S2.利用超材料将电磁波极化转换，其中，所述超材料使得平面电磁波离开超材料时，电场矢量的两个正交分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)的相位差Δφ，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换，其中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形，其中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线；

S3.接收所述的极化转换后的电磁波并加以发送。

2.根据权利要求1所述的通信的方法，其特征在于，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的相位差Δφ。

3.根据权利要求1所述的通信的方法，其特征在于，若要实现水平极化与垂直极化的相互转换，需Δφ＝(2K+1)·π，其中K为整数。

4.根据权利要求1所述的通信的方法，其特征在于，若要实现线极化与圆极化的相互转换，需Δφ＝(2K+1)·(π/2)，且所述平面电磁波离开超材料极化转换器时，所述电场矢量的两个正交分量幅度相等，其中K为整数。

5.根据权利要求1所述的通信的方法，其特征在于，若要实现线极化与椭圆极化的相互转换，需Δφ不等于(2K+1)·(π/2)且△ω不等于(2K+1)·π且Δφ不等于2Kπ，且所述平面电磁波离开超材料极化转换器时，所述电场矢量的两个正交分量幅度不相等，其中K为整数。

6.根据权利要求1所述的通信的方法，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。

7.根据权利要求1所述的通信的方法，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。

8.根据权利要求1所述的通信的方法，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

9.根据权利要求1所述的通信的方法，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

10.一种通信的装置，用于实现权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信的装置包括：

接收电磁波单元，用于接收电磁波；

超材料，与所述的接收电磁波单元相对设置，用于将接收的电磁波进行极化转换；所述超材料使得平面电磁波离开超材料时，电场矢量的两个正交分量产生一个不等于2Kπ(K为整数)的相位差Δφ，从而实现上述平面电磁波极化方式的相互转换，其中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非旋转90度对称图形，其中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线；

接收极化转换后的电磁波的单元，与所述超材料相对设置，用于接收极化转换后的电磁波并加以发送。

11.根据权利要求10所述的通信的装置，其特征在于，所述接收电磁波单元为天线馈源。

12.根据权利要求10所述的通信的装置，其特征在于，所述接收极化转换后的电磁波的单元为矩形波导。