CN102790285A - 线极化波收发装置 - Google Patents

Abstract

一种线极化波收发装置包括电磁波线极化单元、传动组件及驱动模块；所述电磁波线极化单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括基材以及设置在基材上的电磁特性呈各向异性的多个人造微结构，所述多个人造微结构分布在垂直于电磁波的入射方向的一平面上；所述传动组件基于驱动模块驱动而转动电磁波线极化单元，使所述电磁波线极化单元接收线极化波的方向与入射电磁波极化方向相同。通过旋转电磁波线极化单元使其接收极化波的方向与入射电磁波的极化方向相同，从而及时调整地面基站天线或无线移动通讯设备接收极化波的极化方向，以提高电磁波通讯的效率。

Description

线极化波收发装置

技术领域

本发明涉及基于超材料实现电磁波线极化领域，具体地涉及一种基于超材料的线极化波收发装置。

背景技术

卫星通信使用微波频段300MHz-30GHz，采用高频信号的目的是保证地面上发射的电磁波能够穿透电离层到达卫星。在卫星通信中，不同的卫星，或者同一颗卫星上的转发器所使用的频率范围不同，不同频率范围有不同的代号。如3.95-5.85GHz频率范围的代号是C，该频率范围简称C波段；12.24-18GHz频率范围的代号是Ku，该频率范围简称Ku波段。

项目卫星通信所用的电磁波在12.24-18GHz频率范围，属于微波范围的Ku波段，极化方式为线极化。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。电场是随时间而变化的，如果电场的矢量端点随时间变化的轨迹是一直线，则称此电波为线极化波。

项目卫星通信通常向地球地面上的各个固定收发站或移动收发站传送线极化波。但是，地球是个球体，因此收发站所在的地理位置不同，而卫星信号的下行波束却是直线传播，而这就造成了地面上的各个固定收发站不同所在方位接收的同一极化信号，从而使收发站接收的信号极化方向(指电磁波的电场极化方向)偏差而影响通讯质量。同理，由于移动收发站的地理位置或电磁波接收的方向随时改变，导致其接收同一极化信号时极化方向也会发生偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种电磁波线极化转换装置，应用于固定收发站或移动收发站上，以及时调整以对准通讯卫星发射电磁波的极化方同。

一种线极化波收发装置包括电磁波线极化单元、传动组件及驱动模块；所述电磁波线极化单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括基材以及设置在基材上的电磁特性呈各向异性的多个人造微结构，所述多个人造微结构分布在垂直于电磁波的入射方向的一平面上；所述传动组件基于驱动模块驱动而转动电磁波线极化单元，使所述电磁波线极化单元接收线极化波的方向与入射电磁波极化方向相同。

进一步地，所述电磁波线极化单元由多片超材料层叠加形成，所述多个人造微结构均匀分布在垂直于电磁波的入射方向的多个平面上。

进一步地，所述超材料片状基材可选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种。

进一步地，所述人造微结构是以几何图案附着在所述基材上的金属线，所述几何图案为在工字形、工字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形中的任意一种。

进一步地，所述人造微结构为附着在所述基材上的孔微结构。

进一步地，所述电磁波线极化单元为圆盘形状。

进一步地，所述传动组件采用齿轮传动、传动杆传动或皮带传动中任意一种。

进一步地，所述驱动模块为电机。

进一步地，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材上。

进一步地，所述孔微结构通过冲压工艺形成于所述基材上且立体结构为圆柱体、球体、四面体或不规则立体几何形状中任意一种。

相对于现有技术，利用由基于超材料技术设计的电磁波线极化单元，并将其应用于地面基站天线或无线移动通讯设备上，通过旋转电磁波线极化单元使其接收极化波的方向与入射电磁波的极化方向相同，从而及时调整地面基站天线或无线移动通讯设备接收极化波的极化方向，以提高电磁波通讯的效率。

附图说明

图1为本发明中线极化波收发装置的模块图。

图2为图1所示线极化波收发装置中的电磁波线极化单元的部分结构示意图。

图3为图2所示电磁波线极化单元一状态的平面俯视图。

图4为图3所示电磁波线极化单元的线极化转换示意图。

图5是图3所示电磁波线极化单元被旋转至另一状态的示意图。

图6为图2所示电磁波线极化单元从一状态旋转另一状态时，其电磁波电场方向的变化坐标示意图。

图7为图2所示电磁波线极化单元中的一种平面金属微结构图。

图8为图2所示电磁波线极化单元中的另一种平面金属微结构图。

图9为图2所示电磁波线极化单元中的一种立体金属微结构图。

图10为图9所示结构衍生得到的一种立体金属微结构图。

图11为图10所示结构衍生得到的一种立体金属微结构图。

具体实施方式

“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″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。做为公知常识，我们可知：

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。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。圆极化与椭圆极化可以合称为非线极化，其中线极化还具有两个特例：水平极化和垂直极化。

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

其中，Exm及Eym分别为电场在X轴及Y轴方向上的幅值，w为电磁波波动的角频率，θx及θy分别为X轴方向及Y轴方向的两个分量的相位。

若

与

的相位差为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(Eym/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。

下面结合相关附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：

请参阅图1，为本发明线极化波收发装置的模块图，线极化波收发装置10应用于地面天线基站或无线移动通讯设备上，其包括电磁波线极化单元101、传动组件103及驱动模块105。所述传动组件103基于驱动模块105驱动而转动所述电磁波线极化单元101，将所述电磁波线极化单元101对准目标通讯卫星，使地面天线基站或无线移动通讯设备的接收极化波方向与入射电磁波的极化方向相同。

在本实施方式中，所述电磁波线极化单元101加工成型的圆盘形状，以便于设计出基于齿轮或皮带传动方式的传动组件103。所述驱动模块105可以采用电机驱动或者手动驱动等方式。通过沿着圆盘形状电磁波线极化单元101的中心轴旋转一定角度来对准目标通讯卫星电磁波的极化方向。

请参阅图2，为电磁波线极化单元101部分结构示意图，其由多片超材料层叠加形成，每一片超材料层包括片状基材11以及设置在基材11上的电磁特性呈各向异性的多个人造微结构2，所述多个人造微结构2均匀分布在垂直于电磁波的入射方向的一个或多个平面上。所述电磁波线极化单元101内部的折射率呈均匀分布，此处的折射率均匀分布是指每个人造微结构的所在位置的折射率分布相同，又由于电磁波是垂直入射的，因此出射时电磁波的传播方向不会发生改变。所述入射电磁波的电场矢量在上述一个或多个平面上分解成两个不为零的正交分量，两个分量分别与人造微结构所处位置的光轴平行和垂直，此处的光轴是指人造微结构的折射率椭球的长轴，此处的折射率椭球指的是每一人造微结构的折射率的空间分布；光轴与电磁波的电场矢量方向的夹角不为0，则电场矢量在垂直于电磁波的入射方向的平面内分解成两个正交分量都不为零。在电磁波穿过电磁波线极化单元101后，所述的两个正交分量具有了一与入射前不同的相位差Δθ，则出射后两个正交分量合成后得到的电场矢量(出射电磁波的电场矢量)与入射前的电磁波的电场矢量必然不相同，从而实现了入射电磁波与出射电磁波的极化方向转换。上述的人造微结构通常是指金属微结构或孔微结构，当然也可是其它已知的其它人造微结构。其中，所述孔微结构的立体几何形状包括但不限于圆柱体、球体、四面体或不规则立体几何形状。只要能满足对入射电磁波的电场矢量的两个正交分量都有电响应即可。

作为本发明的一个实施例，电磁波线极化单元101由多个相互平行的片状基材11堆叠形成，每个片状基材11上均附着有多个人造微结构2，所述片状基材11垂直于电磁波的入射方向，所有的人造微结构在片状基材11上周期排布。图3所示为电磁波线极化单元101一个实施例中片状基材11及多个人造微结构2的平面结构示意图，电磁波线极化单元101实际上是由多个片状基材11沿与纸面垂直的方向堆叠，电磁波也是沿垂直纸面的方向垂直射入的。

我们可以将整个电磁波线极化单元101(事实上就是一种超材料)分为多个相同的单元格，每个单元格都包括一个人造微结构及该人造微结构所附着的基材，整个超材料极化转换器可以看成是由这多个单元格组成，每一个单元格都会对通过其的电磁波产生电场和/或磁场响应，即电磁波通过每一个单元格时，所述两个正交分量都会受到影响，即两个正交分量的相位发生变化，只是由于人造微结构具有各向异性的电磁特性，两个正交分量受到的影响不一样，即两个正交分量的振动会有快有慢，两个正交分量的相位变化的大小不相同，因此两个正交分量的相位差不断变化，而在电磁波离开超材料转换器时，其经过了多个单元格，相位差的变化得到累加，因此，若出射后的相位差Δθ与入射前的相位差不同，则两个正交分量的合成后的电场矢量(出射电磁波的电场矢量)将相对于入射前发生了极化特性的改变。人造微结构电磁参数的各向异性是指人造微结构所在的单元格的电磁参数并不是每一点都相同。

若我们定义电磁波的传播方向为三维直角坐标系中的z轴，则由电磁波的基本原理可知，电场矢量E在x与y轴所构成的平面内，我们假定入射的电磁波的电场矢量为E_r，其两个正交分量为E_1r与E_2r；刚好离开超材料极化转换器时电磁波的电场矢量为E_c，其两个正交分量为E_1c与E_2c；其中E_1r表示沿光轴方向的分量，E_2r则表示另一个分量，E_1c与E_2c分别为E_1r与E_2r出射时的两个分量；此处，E_c假定为电磁波刚好离开超材料极化转换器的电场矢量只是为了方便描述，因为电磁波离开超材料后，其不再受到人造微结构的影响，其极化特性已经稳定。如图4所示，其表示电磁波极化转换的示意图(在x轴与y轴构成的平面内)，我们假设电磁波在未入射之前E_r与E_1r的夹角为a，且刚好穿过电磁波线极化单元101后，电磁波的电场矢量E_c的分量E_1c与E_1r完全重合，E_c与E_1c的夹角为b，以下描述本发明中电磁波的线极化相互转换：任意夹角的两个线极化电磁波的相互转换，此时Δθ＝Kπ(K为整数)，此时两个正交分量E_1c与E_2c合成后得到的电场矢量E_c的相位为一常数，则实现了任意极化状态的电磁波到线极化电磁波的转换；如图4所示，假设其表示的任意夹角的两个线极化电磁波的转换，则由于E_1c与E_2c相位差为Kπ，E_2c在如图4所示的位置上，根据几何原理，合成后的E_c与E_r的模相等，只是E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了(a+b)的角度，由几何原理同样可得，a＝b，即E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了2a的角度，若人造微结构的光轴方向与电场矢量的方向呈45度夹角(即a＝45度)，即E_r与E_1r的夹角为45度，则经过此种超材料极化转换器后，E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了90的角度，则此种结构的超材料极化转换器可以实现了水平极化与垂直极化的相互转换(即入射电磁波的电场矢量方向在y轴或x轴的方向上)。若人造微结构的光轴方向与电场矢量的方向不是呈45度夹角(即a不等于45度)，则经过此种超材料极化转换器后，E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了的角度2a不等于90度，此时可以实现水平极化与另一种水平极化的转换，或者是垂直极化与另一种垂直极化的转换。

应当指出，上述的每一相位差对应一类(不是一个)电磁波极化单元101，特定的电磁波极化单元101功能是单一的，只能实现特定的极化转换，这是因为根据入射电磁波的极化特性不同，虽然出射电磁波的电场矢量的两个正交分量具有相同的相位差，但是不同入射的电磁波，电磁波极化单元101对其影响是不相同的，因此可以认为它们是通过了不同的极化转换。

人造微结构通常采用金属微结构，在入射电磁波的极化特性确定的情况下，根据需要的出射电磁波的极化特性来设计超材料电磁波极化单元101。例如，可以先选定基材与金属微结构的材料，再通过改变金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布可以获得想要的相位差Δθ。这是因为，通过改变金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，即可改变超材料极化转换器空间中每一单元格的电磁参数ε和μ，从而改变相应单元格的折射率n，超材料极化转换器可以看成是由多个这样的单元格组成的，因此通过合理计算可以得到想要的Δθ，从而实现想要的极化转换。至于怎么得到金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属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Δθ的数值，根据此数值去设计超材料极化转换器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格的电磁参数分布，根据这每一单元格的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种金属微结构数据)。对每个单元格的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的金属微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了金属微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的金属微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的金属微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

请再次参阅图2，图中上方的多个箭头表示的是入射的电磁波，下方的箭头表示出射的电磁波，电磁波沿人造微结构所在平面垂直射入。电磁波穿过该电磁波线极化单元101后，其电场的极化方向为

。当将所述电磁波线极化单元101相对旋转角度θ后(即从图2状态旋转至图5所示状态)，由于该电磁波线极化单元101对同一电磁波的极化方向不变。请一并参阅图6，图2所示状态的电磁波线极化单元101对电磁波极化方向为m，而图5所示状态的电磁波线极化单元101对电磁波极化方向为n。因此当电磁波线极化单元101沿着其中心轴旋转角度θ后，其极化波的电场方向为

也相应地旋转了角度θ，从而通过旋转电磁波线极化单元101来完成从一种线极化转换为另一种线极化。这样一来，基站天线或移动通讯设备可随时被调整来对准通讯卫星，从而使得地面天线基站或无线移动通讯设备的接收方向与电磁波的极化方向保持一致。在本实施方式中，电磁波线极化单元101被封装并加工成需要的形状，如圆盘等形状。

针对基材11上金属微结构2的设计：

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材11上。

如图7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。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。在这个实施例中，各向同性的情况为，在具备前特征外，金属线同时还应当满足以下两个条件：

1)第一主线与第二主线长度与宽度相同；

2)第一分支与第二分支长度与宽度也相同；

因此，只要不同时满足上面的条件，则由上述图案的金属微结构构成的单元结构表现为各向异性。

在本实施例中，所述入射电磁波的电场矢量的两个正交分量分解在第一主线21与第二主线22所在的直线上，即第一主线21与第二主线22中的一条的方向为光轴的方向。这样一来，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，使得金属微结构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，则会使电磁波的电场矢量的两个正交分量产生相位差的变化，从而使得两个正交分量的合成矢量(出射电磁波的电场适量)发生改变，实现了电磁波的极化转换。在由任意极化状态的电磁波转换为线极化波时，出射的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，若相等则可实现水平极化与垂直极化的相互转换，此时，第一主线21与入射的电磁波的电场矢量呈45度夹角。并且在由任意极化状态的电磁波转换为圆极化波时，出射的电磁波的电场矢量的两个分量的幅度也要相等，此时，第一主线21与入射的电磁波的电场矢量也要呈45度夹角。

如图3所示，同一平面内金属微结构呈4X6的矩阵排列，并且在电磁波的入射方向上排布有6层(6块片状基材)，这只是个示意性表示，根据不同需要可以有不同的平面排列，并且在电磁波入射方向上金属微结构的排布也可以有其它层数。例如，在每一平面中的金属微结构的排布确定的情况下，可以通过平面的个数(片状基材的个数)来控制超材料极化转换器在电磁波垂直入射方向上的厚度，从而获得所需要的相位差，实现不同的极化转换。

当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线还可以有其它的图案(或拓扑结构)，如图8至图11所示。另外还有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举。

针对基材11上孔微结构的设计：

由于孔微结构与金属微结构2设计原理相似，通过设计基材11各个单元的介电常数来实现电磁波线极化单元101线极化方向的预期效果。但是他们之间的制造工艺不同，孔微结构通过冲压工艺形成于所述基材11上。

本发明的所述片状基材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材。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，作为金属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。

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 (10)

1.一种线极化波收发装置，其特征在于，所述线极化波收发装置包括电磁波线极化单元、传动组件及驱动模块；所述电磁波线极化单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括基材以及设置在基材上的电磁特性呈各向异性的多个人造微结构，所述多个人造微结构分布在垂直于电磁波的入射方向的一平面上；所述传动组件基于驱动模块驱动而转动电磁波线极化单元，使所述电磁波线极化单元接收线极化波的方向与入射电磁波极化方向相同。

2.根据权利要求1所述的线极化波收发装置，其特征在于，所述电磁波线极化单元由多片超材料层叠加形成，所述多个人造微结构均匀分布在垂直于电磁波的入射方向的多个基材上。

3.根据权利要求1所述的线极化波收发装置，其特征在于，所述超材料片状基材可选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的线极化波收发装置，其特征在于，所述人造微结构是以几何图案附着在所述基材上的金属线，所述几何图案为在工字形、工字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的线极化波收发装置，其特征在于，所述人造微结构为附着在所述基材上的孔微结构。

6.根据权利要求1所述的线极化波收发装置，其特征在于，所述电磁波线极化单元为圆盘形状。

7.根据权利要求1所述的线极化波收发装置，其特征在于，所述传动组件采用齿轮传动、传动杆传动或皮带传动中任意一种。

8.根据权利要求1所述的线极化波收发装置，其特征在于，所述驱动模块为电机。

9.根据权利要求4所述的线极化波收发装置，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材上。

10.根据权利要求5所述的线极化波收发装置，其特征在于，所述孔微结构通过冲压工艺形成于所述基材上且立体结构为圆柱体、球体、四面体或不规则立体几何形状中任意一种。

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