CN105206940B - 基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板。该结构基于蘑菇型人工磁导体，通过改变金属通孔的数量和位置，从而破坏该结构的阻抗对称性，激励起正交极化的电场，实现极化扭转的特性。适当地调节金属通孔的位置，可以实现较大的极化扭转带宽。此外，该结构还保留了人工磁导体的低剖面反射特性，巧妙地把极化扭转板和反射板合二为一，同时实现了宽带极化扭转和低剖面反射特性。该极化扭转反射板采用双面微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。

Description

基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板
技术领域
本发明涉及一种极化扭转板，特别是一种基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板。
背景技术
在微波和光学系统中，极化扭转技术是一种非常重要的技术，用来改变电磁波的极化特性，可以应用在隐身技术及天线极化转换上。在天线方面，极化扭转板应用于卡塞格伦天线中，可以减小口面遮挡和馈源失配；应用于相控阵天线中，可以减小不希望有的镜面反射；应用于目标跟踪或探测类的毫米波雷达系统中，可以提高增益，实现快速的空间扫描。但是，传统的极化扭转板的工作带宽较窄，而且与反射板结合，形成的极化扭转反射板的厚度约为四分之一波长。近几年来，结合频率选择表面技术，人们提出了许多新型的极化扭转反射板，结构多为正方形贴片、C型贴片或金属条带等，可以获得较宽的带宽，但是厚度至少为0.15λ。
人工磁导体具有增大带宽、降低剖面等优点，可以有效地降低结构的高度，实现带宽更宽、剖面更低的极化扭转反射板。但是现有技术中尚无将人工磁导体运用到极化扭转反射板的相关报道。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，它能在较低的剖面下实现入射波的90度极化扭转。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，以蘑菇型人工磁导体结构为基础，通过改变金属通孔的位置与数量，破坏该结构的阻抗对称性，激励起正交极化的反射电场，从而实现极化扭转的反射特性。该极化扭转反射板包括若干个呈周期性排列的极化扭转单元，每个极化扭转单元均包括正方形金属贴片、介质基板、金属地板和两个金属通孔，正方形金属贴片印制在介质基板的上表面，介质基板下方设置金属地板，金属通孔均插入介质基板中，金属通孔的上下端分别与正方形金属贴片和金属地板相连接，两个金属通孔到正方形金属贴片中心的距离相等，该两个金属通孔的中心连线与正方形金属贴片的一条对角线相重合。
介质基板的介电常数εr为2.2～10.2，厚度H为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
相邻两个极化扭转单元的正方形金属贴片的间距G为0.001λ～0.015λ，正方形金属贴片的边长W均为0.05λ～0.2λ，两个金属通孔的半径R相等，均为0.1mm～0.5mm，金属通孔偏离正方形金属贴片中心的距离dt为W/8～(W/2)-R。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出的基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，可以在两个工作频带上实现入射波的90°极化扭转。通过调节金属通孔的位置，可以灵活地改变这两个极化扭转的频带。2)本发明提出的基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，当调节金属通孔的位置使得两个极化扭转频带相互靠近时，可以实现较大的极化扭转带宽，最大带宽可以达到29.1％。而且，该频带中心频点处入射波和反射波的相位差在90°附近，这说明反射波发生了90°相位延迟。将极化扭转和相位延迟的反射波与入射波相结合，可以形成右旋圆极化波。3)本发明提出的基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，保留了人工磁导体的低剖面反射特性。该结构厚度仅为0.01λ～0.1λ(其中λ为自由空间波长)，远小于普通反射板的0.25λ厚度。4)本发明提出的基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，对大角度入射波仍能实现极化扭转特性和90°相位延迟特性。5)本发明提出的基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，采用双面微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于人工磁导体的极化扭转反射板的俯视图。
图2为本发明基于人工磁导体的极化扭转单元的三维图、俯视图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图，图(c)为侧视图。
图3为本发明基于人工磁导体的极化扭转反射板在金属通孔偏置距离dt＝3.5mm时不同极化波之间的反射系数，其中图(a)为反射系数的幅度，图(b)为反射系数的相位。
图4为本发明基于人工磁导体的极化扭转反射板在不同金属通孔偏置距离dt下反射系数对比图，其中图(a)为相同极化波的反射系数，图(b)为不同模极化波之间的反射系数。
图5为本发明基于人工磁导体的极化扭转反射板在金属通孔偏置距离dt＝2mm时不同极化波之间的反射系数，其中图(a)为反射系数的幅度，图(b)为反射系数的相位。
图6为本发明基于人工磁导体的极化扭转反射板在金属通孔偏置距离dt＝2mm时圆极化波的轴比。
图7为本发明基于人工磁导体的极化扭转反射板在不同角度的入射波下反射系数对比，其中图(a)为反射系数的幅度，图(b)为反射系数的相位。
具体实施方式
结合图1和图2，本发明一种基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，以蘑菇型人工磁导体结构为基础，通过改变金属通孔的位置与数量，破坏该结构的阻抗对称性，激励起正交极化的反射电场，从而实现极化扭转的反射特性。该极化扭转反射板具体包括若干个呈周期性排列的极化扭转单元1，每个极化扭转单元1均包括正方形金属贴片2、介质基板3、金属地板4和两个金属通孔5，正方形金属贴片2印制在介质基板3的上表面，介质基板3下方设置金属地板4，金属通孔5均插入介质基板3中，金属通孔5的上下端分别与正方形金属贴片2和金属地板4相连接，两个金属通孔5到正方形金属贴片2中心的距离相等，该两个金属通孔5的中心连线与正方形金属贴片2的一条对角线相重合。
所述介质基板3的介电常数εr为2.2～10.2，厚度H为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
相邻两个极化扭转单元1的正方形金属贴片2的间距G为0.001λ～0.015λ，正方形金属贴片2的边长W均为0.05λ～0.2λ，两个金属通孔5的半径R相等，均为0.1mm～0.5mm，金属通孔5偏离正方形金属贴片2中心的距离dt为W/8～(W/2)-R。通过调节dt的数值，可以得到不同的极化扭转频带。
下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
实施例1
结合图1和图2，该极化扭转反射板由多个极化扭转单元1组成，每个极化扭转单元1包括四部分，分别为正方形金属贴片2、介质基板3、金属地板4和两个金属通孔5。其中相邻极化扭转单元1的正方形金属贴片2的间距G为0.4mm，正方形金属贴片2的边长W为8mm，两个金属通孔5的半径R均为0.3mm，两个金属通孔5偏离正方形金属贴片2的中心距离均为dt，在1到3.5mm范围内；介质基板3材料为国产FR4，介电常数εr为4.4，介质损耗角为0.02，厚度H为2.4mm，约为0.04λ0(其中λ0为5GHz处的自由空间波长)。
结合图3，当x方向的平面波垂直入射到该极化扭转反射板时，在两个工作频点f1和f2上出现x方向的平面波的反射系数|Sxx|远小于-10dB，而x方向转化到y方向的平面波的反射系数|Syx|接近于0dB，这说明反射波的x方向极化分量接近于0，y方向极化分量接近于1，x方向的入射波基本上转变成y方向的反射波。此时金属通孔5偏置dt＝3.5mm，获得的两个极化扭转频带分别为4.4～4.7GHz和8～8.4GHz。
结合图2和图4，金属通孔5偏置dt对极化扭转反射板的极化扭转频带有很大的影响。当偏置距离dt逐渐减小时，两个金属通孔5向正方形金属贴片2中心靠拢，高频的极化扭转频点f2逐渐向低频移动，低频的频点f1基本不变；当偏置距离dt小于1mm时，两个金属通孔5几乎连在一起，与蘑菇型人工磁导体类似，失去了极化扭转的特性。
结合图4和图5，当偏置距离dt为2mm时，两个极化扭转频带合并到一起，实现了一个较大的极化扭转频带，频带范围为4.4～5.9GHz(阴影区域)，相对带宽可以达到29.1％。而且，从图5(b)可以看出，该频带中心频点处x方向转化到y方向的平面波的反射系数的相位在90°附近，这说明反射波y方向极化分量发生了90°相位延迟。将相位延迟的y方向反射波与x方向入射波相结合，可以形成右旋圆极化波。图6给出了该圆极化波的轴比分布，发现在5.2GHz处轴比低于3dB。
结合图7，当入射到该极化扭转反射板的角度逐渐增大时，极化扭转频带逐渐向高频偏移，带宽逐渐变小，90°相位点也向高频偏移，相位曲线逐渐陡峭。当入射角度增大至80°时，仍能实现极化扭转和90°相位延迟特性。
由上可知，本发明的基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板可以有效地实现低剖面宽带的极化扭转特性。

Claims (1)

1.一种基于人工磁导体的低剖面极化扭转反射板，其特征在于，包括若干个呈周期性排列的极化扭转单元（1），每个极化扭转单元（1）均包括正方形金属贴片（2）、介质基板（3）、金属地板（4）和两个金属通孔（5），正方形金属贴片（2）印制在介质基板（3）的上表面，介质基板（3）下方设置金属地板（4），金属通孔（5）均插入介质基板（3）中，金属通孔（5）的上下端分别与正方形金属贴片（2）和金属地板（4）相连接，两个金属通孔（5）到正方形金属贴片（2）中心的距离相等，该两个金属通孔（5）的中心连线与正方形金属贴片（2）的一条对角线相重合；当调节金属通孔的位置使得两个极化扭转频带相互靠近时，极化扭转带宽达到29.1％；
介质基板（3）的介电常数εr为2.2～10.2，厚度H为0.01λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长；相邻两个极化扭转单元（1）的正方形金属贴片（2）的间距G为0.001λ～0.015λ，正方形金属贴片（2）的边长W均为0.05λ～0.2λ，两个金属通孔（5）的半径R相等，均为0.1mm～0.5mm，金属通孔（5）偏离正方形金属贴片（2）中心的距离dt为W/8～(W/2)-R。
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