CN104577352B - 一种微波频段有源频率选择表面可调极化转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，包括介质基板、第一PIN管、第二PIN管及若干第三PIN管，介质基板的前表面及后表面上正对刻蚀有若干金属环折线栅，同一表面上各组金属环折线栅等间距分布，各组金属环折线栅均包括第一金属环、第二金属环、第三金属环、第四金属环、若干第一半椭圆金属环及若干第二半椭圆金属环，第一金属环、第二金属环、第三金属环及第四金属环均为四分之一椭圆结构，第一金属环的开口、各第一半椭圆金属环的开口及第二金属环的开口均向下，第三金属环的开口、各第二半椭圆金属环的开口及第四金属环的开口均向上；本发明具备自动极化转换可控制的能力，调节速度快，结构简单。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种微波频段有源频率选择表面可调极化转换器。
背景技术
空间传播的电磁波按照极化方式分为线极化波、椭圆极化波和圆极化波；目前的大部分微波发生器产生的波都是线极化波，必须利用圆极化转换器等将线极化波转换为圆极化波。1964年J.R.Pyle首次在文献中提出用金属细丝组成的栅条做圆极化器，随后就有了各种金属线式的光栅圆极化器问世。但是它们或者轴比不稳定，或者频带较窄，而且损耗也比较大。1984年，Level等人首次提出可以使用频率选择表面(FSS)来设计圆极化器，这种频率选择表面是由在介质板上印刷多层金属折线栅的方式制成。之后对基于频率选择表面的圆极化器做了大量的研究，使这种线/圆极化转换器在高频、宽带、厚度等方面日益成熟。目前频率选择表面式的圆极化器由于具有体积小，易于加工，工作频率高等优点在毫米、亚毫米波段广泛应用。但是这些圆极化转换器是固定的转换，不具有可调性。
随着技术的发展，越来越多的场合需要实现极化复用。而目前应用的可调极化转换器大部分是利用机械移动进行调节，速度较慢已不能满足实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，该转换器具备自动极化转换可控制的能力，同时调节速度快、体积小，结构简单。
为达到上述目的，本发明所述的微波频段有源频率选择表面可调极化转换器包括介质基板、第一PIN管、第二PIN管及若干第三PIN管，介质基板的前表面及后表面上正对刻蚀有若干组金属环折线栅，同一表面上各组金属环折线栅等间距分布，各组金属环折线栅均包括第一金属环、第二金属环、第三金属环、第四金属环、若干第一半椭圆金属环及若干第二半椭圆金属环，第一金属环、第二金属环、第三金属环及第四金属环均为四分之一椭圆结构，第一金属环的开口、各第一半椭圆金属环的开口及第二金属环的开口均向下，第三金属环的开口、各第二金属半椭圆环的开口及第四金属环的开口均向上；
在同一组金属环折线栅中，所述第一金属环的下端与第一个第一半椭圆金属环的一端相连接，相邻两个第一半椭圆金属环的端部之间相连接，第二金属环的下端与最后一个第一半椭圆金属环的一端相连接；第三金属环的下端与第一个第二半椭圆金属环的一端相连接，相邻两个第二半椭圆金属环的端部之间相连接，第四金属环的下端与最后一个第二半椭圆金属环的一端相连接，且第一金属环正对第三金属环，第二金属环正对第四金属环，各第一半椭圆金属环正对对应的第二半椭圆金属环；所述第一金属环与第一个第一半椭圆金属环的连接处和第三金属环与第一个第二半椭圆金属环的连接处通过第一PIN管相连接，相邻两个第一半椭圆金属环的连接处与对应相邻两个第二半椭圆金属环的连接处通过第三PIN管相连接，第二金属环与最后一个第一半椭圆金属环的连接处和第四金属环与最后一个第二半椭圆金属环的连接处通过第二PIN管相连接；
使用时，各第一金属环的上端与电源的正极相连接，各第三金属环的上端与电源的负极相连接。
所述介质基板的厚度为h；
所述第一半椭圆金属环的宽度及第二半椭圆金属环的宽度均为h1；
相邻两组金属环折线栅的顶部之间的间距为h2；
第一半椭圆金属环内侧面长轴的长度、第二半椭圆金属环内侧面长轴的长度、第一金属环内侧面长轴的长度、第二金属环内侧面长轴的长度、第三金属环内侧面长轴的长度及第四金属环内侧面长轴的长度均为r1；
第一半椭圆金属环内侧面短轴的长度、第二半椭圆金属环内侧面短轴的长度、第一金属环内侧面短轴的长度、第二金属环内侧面短轴的长度、第三金属环内侧面短轴的长度及第四金属环内侧面短轴的长度均为r2；
第一半椭圆金属环的壁面宽度、第二半椭圆金属环的壁面宽度、第一金属环的壁面宽度、第二金属环的壁面宽度、第三金属环的壁面宽度及第四金属环的壁面宽度均为w；
所述第一金属环与第一个第一半椭圆金属环的连接处与第三金属环与第一个第二半椭圆金属环的连接处之间的间距、相邻两个第一半椭圆金属环的连接处与对应相邻两个第二半椭圆金属环的连接处之间的间距、以及第二金属环与最后一个第一半椭圆金属环的连接处与第四金属环与最后一个第二半椭圆金属环的连接处之间的间距均为g；
其中，h：h1：h2：r1：r2：w：g＝3：6.58：14：3.556：2.91：0.38：1.09。
所述第一PIN管的工作频率、第二PIN管的工作频率、以及第三PIN管的工作频率均大于等于10GHz。
所述介质基板为F4B-2基板，介质基板的介电常数为2.65。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的微波频段有源频率选择表面可调极化转换器在使用时，通过调节第一PIN管、第二PIN管及第三PIN管的开关状态实现输出电磁波极化的自动转换控制，从而实现极化复用，实用性极强，同时通过第一金属环、第二金属环、第三金属环、第四金属环、第一半椭圆金属环及第二半椭圆金属环将第一PIN管、第二PIN管及各第三PIN管相连接，省去第一PIN管、第二PIN管及各第三PIN管的馈电电路，结构简单，性能稳定、调节速度快，体积小，具有良好的应用前景，可以广泛的应用于天线设计中以实现极化复用天线。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中单个单元的结构示意图；
图3为本发明的实施例中第一PIN管31、第二PIN管32及第三PIN管33的馈电方式示意图；
图4为本发明的实施例中第一PIN管31、第二PIN管32及第三PIN管33开状态TE极化和TM极化幅频特性仿真结果图；
图5为本发明的实施例中第一PIN管31、第二PIN管32及第三PIN管33关状态TE极化和TM极化幅频特性仿真结果图；
图6为本发明的实施例中第一PIN管31、第二PIN管32及第三PIN管33的开状态轴比仿真结果图；
图7为本发明的实施例中第一PIN管31、第二PIN管32及第三PIN管33的关状态椭圆度仿真结果图。
其中，1为介质基板、21第一金属环、22为第二金属环、23为第三金属环、24为第四金属环、25为第一半椭圆金属环、26为第二半椭圆金属环、31为第一PIN管、32为第二PIN管、33为第三PIN管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图3，本发明所述的微波频段有源频率选择表面可调极化转换器包括介质基板1、第一PIN管31、第二PIN管32及若干第三PIN管33，介质基板1的前表面及后表面上正对刻蚀有若干金属环折线栅，同一表面上各组金属环折线栅等间距分布，各组金属环折线栅均包括第一金属环21、第二金属环22、第三金属环23、第四金属环24、若干第一半椭圆金属环25及若干第二半椭圆金属环26，第一金属环21、第二金属环22、第三金属环23及第四金属环24均为四分之一椭圆结构，第一金属环21的开口、各第一半椭圆金属环25的开口及第二金属环22的开口均向下，第三金属环23的开口、各第二半椭圆金属环26的开口及第四金属环24的开口均向上；在同一组金属环折线栅中，所述第一金属环21的下端与第一个第一半椭圆金属环25的一端相连接，相邻两个第一半椭圆金属环25的端部之间相连接，第二金属环22的下端与最后一个第一半椭圆金属环25的一端相连接；第三金属环23的下端与第一个第二半椭圆金属环26的一端相连接，相邻两个第二半椭圆金属环26的端部之间相连接，第四金属环24的下端与最后一个第二半椭圆金属环26的一端相连接，且第一金属环21正对第三金属环23，第二金属环22正对第四金属环24，各第一半椭圆金属环25正对对应的第二半椭圆金属环26；所述第一金属环21与第一个第一半椭圆金属环25的连接处与第三金属环23与第一个第二半椭圆金属环26的连接处通过第一PIN管31相连接，相邻两个第一半椭圆金属环25的连接处与对应相邻两个第二半椭圆金属环26的连接处通过第三PIN管33相连接，第二金属环22与最后一个第一半椭圆金属环25的连接处与第四金属环24与最后一个第二半椭圆金属环26的连接处通过第二PIN管32相连接；
使用时，各第一金属环21的上端与电源的正极相连接，各第三金属环23的上端与电源的负极相连接。需要说明的是，所述第一PIN管31的工作频率、第二PIN管32的工作频率、以及第三PIN管33的工作频率均大于等于10GHz，介质基板1为F4B-2基板，介质基板1的介电常数为2.65。
其中，所述介质基板1的厚度为h；
所述第一半椭圆环25的宽度及第二半椭圆环26的宽度均为h1；
相邻两组金属环折线栅的顶部之间的间距为h2；
第一半椭圆金属环25内侧面长轴的长度、第二半椭圆金属环26内侧面长轴的长度、第一金属环21内侧面长轴的长度、第二金属环22内侧面长轴的长度、第三金属环23内侧面长轴的长度及第四金属环24内侧面长轴的长度均为r1；
第一半椭圆金属环25内侧面短轴的长度、第二半椭圆金属环26内侧面短轴的长度、第一金属环21内侧面短轴的长度、第二金属环22内侧面短轴的长度、第三金属环23内侧面短轴的长度及第四金属环24内侧面短轴的长度均为r2；
第一半椭圆金属环25的壁面宽度、第二半椭圆金属环26的壁面宽度、第一金属环21的壁面宽度、第二金属环22的壁面宽度、第三金属环23的壁面宽度及第四金属环24的壁面宽度均为w；
所述第一金属环21与第一个第一半椭圆金属环25的连接处与第三金属环23与第一个第二半椭圆金属环26的连接处之间的间距、相邻两个第一半椭圆金属环25的连接处与对应相邻两个第二半椭圆金属环26的连接处之间的间距、以及第二金属环22与最后一个第一半椭圆金属环25的连接处与第四金属环24与最后一个第二半椭圆金属环26的连接处之间的间距均为g；
其中，h：h1：h2：r1：r2：w：g＝3：6.58：14：3.556：2.91：0.38：1.09。
本发明的工作原理为：
线极化入射波的电场可分解为TE极化和TM极化两个分量Ex、Ey，如图1所示，给各PIN管施加正向电压使各PIN管处于导通状态时，参考图2，单个单元为第一PIN管31、以及与所述第一PIN管31的四个四分之一椭圆环折线栅组成单个单元，第二PIN管32、以及与所述第二PIN管32相连接的四个四分之一椭圆环折线组成单个单元，第三PIN管33、以及与所述第三PIN管33相连接的四个四分之一椭圆环折线组成单个单元，所述单个单元的特性类似于椭圆环单元，则对Ex和Ey的等效电路基本相同，对两者的影响也相同，则输出这两种极化的相位差为0，合成的输出即为线极化波；若各PIN管处于截止状态，则对Ex和Ey其等效电路分别为感性及容性，则经过本发明后，Ex和Ey的相位差可以达到90度，则合成的出射波就是圆极化波。
本发明能够在微波频段的13～14.247GHz产生响应，并在该频段实现极化转换电可调控。
经过仿真分析，本发明可以通过调节各PIN管的通断，将线极化波的输入变为线极化波或者圆极化波的输出。
本发明中的半椭圆环折线栅金属为铜材质，介质基板1为F4B-2，介质基板1的相对介电常数为2.65，h为3mm，单个单元尺寸为14mm×6.58mm，几何参数分别为：w＝0.38mm，r1＝3.556mm，r2＝2.91mm，g＝1.09mm。
本发明提供的微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，其各PIN管馈电方式均如图3所示。当端口a为高电平，b为低电平时，各PIN管导通，处于关状态，如图3中状态；当端口a和b同时为低电平时或者端口b为高电平，a为低电平时，各PIN管截止，处于开状态。使用时可采用脉冲供电，高电平宽度即为导通时间。
本发明提供的微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，其幅频特性仿真结果如图4及图5所示。该结构在微波频段13～14.247GHz PIN导通和断开状态下的同极化透射系数均大于0.9，反射系数均小于0.3；且交叉极化透射系数均小于0.002，表明其透射效率很高。
本发明中PIN管开状态的轴比及关状态的椭圆度均如图6及图7所示。从图中可以看出，频率13～14.247GHz时，开状态的轴比小于3dB；关状态的椭圆度小于5度，这表明在13～14.247GHz频段处，线极化波输入时，PIN管开状态输出的是圆极化波，而在PIN管关状态输出的是线极化波。同时表明本发明的工作性能优良，实用性强。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于由本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (4)
1.一种微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，其特征在于，包括介质基板(1)、第一PIN管(31)、第二PIN管(32)及若干第三PIN管(33)，介质基板(1)的前表面及后表面上正对刻蚀有若干组金属环折线栅，同一表面上各组金属环折线栅等间距分布，各组金属环折线栅均包括第一金属环(21)、第二金属环(22)、第三金属环(23)、第四金属环(24)、若干第一半椭圆金属环(25)及若干第二半椭圆金属环(26)，第一金属环(21)、第二金属环(22)、第三金属环(23)及第四金属环(24)均为四分之一椭圆结构，第一金属环(21)的开口、各第一半椭圆金属环(25)的开口及第二金属环(22)的开口均向下，第三金属环(23)的开口、各第二半椭圆金属环(26)的开口及第四金属环(24)的开口均向上；
在同一组金属环折线栅中，所述第一金属环(21)的下端与第一个第一半椭圆金属环(25)的一端相连接，相邻两个第一半椭圆金属环(25)的端部之间相连接，第二金属环(22)的下端与最后一个第一半椭圆金属环(25)的一端相连接；第三金属环(23)的上端与第一个第二半椭圆金属环(26)的一端相连接，相邻两个第二半椭圆金属环(26)的端部之间相连接，第四金属环(24)的上端与最后一个第二半椭圆金属环(26)的一端相连接，且第一金属环(21)正对第三金属环(23)，第二金属环(22)正对第四金属环(24)，各第一半椭圆金属环(25)正对对应的第二半椭圆金属环(26)；第一金属环(21)与第一个第一半椭圆金属环(25)的连接处与第三金属环(23)与第一个第二半椭圆金属环(26)的连接处通过第一PIN管(31)相连接，相邻两个第一半椭圆金属环(25)的连接处与对应相邻两个第二半椭圆金属环(26)的连接处通过第三PIN管(33)相连接，第二金属环(22)与最后一个第一半椭圆金属环(25)的连接处与第四金属环(24)与最后一个第二半椭圆金属环(26)的连接处通过第二PIN管(32)相连接；
使用时，各第一金属环(21)的上端与电源的正极相连接，各第三金属环(23)的下端与电源的负极相连接。
2.根据权利要求1所述的微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，其特征在于，
所述介质基板(1)的厚度为h；
所述第一半椭圆金属环(25)的宽度及第二半椭圆金属环(26)的宽度均为h1；
相邻两组金属环折线栅的顶部之间的间距为h2；
第一半椭圆金属环(25)内侧面长轴的长度、第二半椭圆金属环(26)内侧面长轴的长度、第一金属环(21)内侧面长轴的长度、第二金属环(22)内侧面长轴的长度、第三金属环(23)内侧面长轴的长度及第四金属环(24)内侧面长轴的长度均为r1；
第一半椭圆金属环(25)内侧面短轴的长度、第二半椭圆金属环(26)内侧面短轴的长度、第一金属环(21)内侧面短轴的长度、第二金属环(22)内侧面短轴的长度、第三金属环(23)内侧面短轴的长度及第四金属环(24)内侧面短轴的长度均为r2；
第一半椭圆金属环(25)的壁面宽度、第二半椭圆金属环(26)的壁面宽度、第一金属环(21)的壁面宽度、第二金属环(22)的壁面宽度、第三金属环(23)的壁面宽度及第四金属环(24)的壁面宽度均为w；
所述第一金属环(21)与第一个第一半椭圆金属环(25)的连接处与第三金属环(23)与第一个第二半椭圆金属环(26)的连接处之间的间距、相邻两个第一半椭圆金属环(25)的连接处与对应相邻两个第二半椭圆金属环(26)的连接处之间的间距、以及第二金属环(22)与最后一个第一半椭圆金属环(25)的连接处与第四金属环(24)与最后一个第二半椭圆金属环(26)的连接处之间的间距均为g；
其中，h：h1：h2：r1：r2：w：g＝3：6.58：14：3.556：2.91：0.38：1.09。
3.根据权利要求1所述的微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，其特征在于，所述第一PIN管(31)的工作频率、第二PIN管(32)的工作频率、以及第三PIN管(33)的工作频率均大于等于10GHz。
4.根据权利要求1所述的微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，其特征在于，所述介质基板(1)为F4B-2基板，介质基板(1)的介电常数为2.65。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170627 Termination date: 20211225 |