CN105390819B - 一种超宽带电磁超表面圆极化器 - Google Patents

一种超宽带电磁超表面圆极化器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超宽带电磁超表面圆极化器，由介质基板、印制在介质基板顶面的金属谐振阵列和印制在介质基板背面的金属接地板组成。金属谐振阵列由多个呈周期性矩阵排列的微缝耶路撒冷十字单元组成；每个微缝耶路撒冷十字单元的结构参数相同，并由2个正交的I形金属臂构成，即介质表面水平方向即X轴延伸的水平I形金属臂和介质表面垂直方向即Y轴延伸的垂直I形金属臂；水平I形金属臂的中部水平金属线的中心和垂直平I形金属臂的中部垂直金属线的中心相交；水平I形金属臂的中部水平金属线上刻蚀有2条贯穿该中部水平金属线的微型缝隙；这2条微型缝隙对称位于垂直I形金属臂的中部垂直金属线的左右两侧。本发明具有工作频率宽的特点。

Description

一种超宽带电磁超表面圆极化器
技术领域
本发明属于微波无源器件和微波通信技术领域，涉及一种极化器件，具体涉及一种超宽带电磁超表面圆极化器。
背景技术
电磁波的极化状态是电磁波的一个重要特性，表征为在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述，包含线极化、圆极化和椭圆极化三种极化类型。很多情况下，电磁波的极化方向在实际应用中起到十分关键的作用，这种特性被用于反射面天线、成像系统、传感器以及天线雷达罩等。传统的电磁波极化调控方法包括光栅调控，双色性晶体调控，以及双折射效应调控等。根据这些原理制造出的设备的尺寸远大于工作频段的电磁波波长，构造起来相当复杂而且制作成本很高。超材料(人工电磁材料)是一种人工构造的具有特殊电磁特性的材料，这些特殊的电磁特性使它能够控制电磁波的传输特性，其中就包括电磁波的极化特性。超材料所体现的亚波长结构的电磁特性使得其材料厚度往往只有工作频段波长的十几分之一。
在现代雷达和无线通信中，仅靠线极化天线已很难满足要求。高增益、圆极化天线由于其具有抗雨雾干扰、抗多径效应等特性受到了广泛的关注。将超材料圆极化器件与传统线极化天线集成实现圆极化电磁波的出射是满足高增益圆极化天线应用需求的一种方法。从微波频段到光波频段，已经有许多基于各向异性超材料和手征超材料的圆极化器件，但是这些极化转换器件的工作频率很窄，在实际应用中受到了很大的限制。
发明内容
本发明所要解决的是现有圆极化器件工作频率窄的问题，提供一种超宽带电磁超表面圆极化器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超宽带电磁超表面圆极化器，由介质基板、印制在介质基板顶面的金属谐振阵列和印制在介质基板背面的金属接地板组成。所述金属谐振阵列由多个呈周期性矩阵排列的微缝耶路撒冷十字单元组成；每个微缝耶路撒冷十字单元的结构参数相同，并由2个正交的I形金属臂构成，即介质表面水平方向即X轴延伸的水平I形金属臂和介质表面垂直方向即Y轴延伸的垂直I形金属臂；水平I形金属臂的中部水平金属线的中心和垂直I形金属臂的中部垂直金属线的中心相交；水平I形金属臂的中部水平金属线上刻蚀有2条贯穿该中部水平金属线的微型缝隙；这2条微型缝隙对称位于垂直I形金属臂的中部垂直金属线的左右两侧。
上述方案中，水平I形金属臂的中部水平金属线的长度与垂直平I形金属臂的中部垂直金属线的长度相异。
上述方案中，水平I形金属臂的中部水平金属线的宽度与垂直平I形金属臂的中部垂直金属线的宽度相等。
上述方案中，水平I形金属臂的2条端部垂直金属线以及垂直I形金属臂的2条端部水平金属线，这4者的宽度和长度均相同。
上述方案中，2条微型缝隙的结构参数相同。
上述方案中，微型缝隙均为沿介质表面垂直方向延伸的直条状缝隙。
上述方案中，微缝耶路撒冷十字单元在行方向与列方向上的排列个数相等。
上述方案中，所述金属谐振阵列和金属接地板均为铜箔。
本发明利用各向异性的电磁超表面在两个方向上的等效折射率不同的特性，使沿这两个正交方向上入射的等幅同相电磁波通过各向异性电磁超表面后会产生90°的相位差，将入射的线极化电磁波转换为圆极化电磁波。通过人为地设计人工电磁超表面的单元结构，让单元结构在两个正交方向上表现出极强的各向异性特性和色散特性，在超表面和金属地板之间设计特定厚度的介质板，让电磁波在超表面和金属地板之间来回反射，以消除超表面的色散特性，使得整个结构在很宽的频带内呈现非色散特性，拓展器件带宽，从而可以在极薄的材料厚度下实现超宽带的电磁波极化调控。
与现有技术相比，本发明具有如下特性：
1.可以在很宽的频带内实现线极化电磁波到圆极化电磁波的有效转换，转换得到的圆极化波具有很好的圆极化特性；
2.极化转换性能可以在很宽的入射角范围内保持稳定，便于实际应用；
3.基本结构简单，易于实现和加工，便于跟其他器件集成；
4.通过对本极化器件进行等比例缩减，其还可以工作于其他频段，如毫米波和太赫兹频段。
附图说明
图1为一种超宽带电磁超表面圆极化器的立体结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为单个微缝耶路撒冷十字单元的放大示意图。
图4为一种超宽带电磁超表面圆极化器的实验数据图。
图中标号：1、介质基板；2、微缝耶路撒冷十字单元；2-1、水平I形金属臂；2-2、垂直I形金属臂；2-3、微型缝隙；3、金属接地板。
具体实施方式
一种超宽带电磁超表面圆极化器，如图1和2所示，主要由介质基板1、金属谐振阵列和金属接地板3组成。介质基板1为绝缘材料，在本发明优选实施例中，介质基板1为F4B介质板。金属谐振阵列和金属接地板3为涂覆在介质基板1上的金属导电材料，在本发明优选实施例中，所述金属谐振阵列和金属接地板3均为铜箔。
所述介质基板1可以消除金属谐振阵列的色散，通过优选介质基板1的厚度可以使得整个结构在很宽的频带内呈现非色散特性，极大拓展了器件的带宽。
所述金属接地板3印制在介质基板1背面，构成全反射型极化器，使得线极化入射波到圆极化反射波的转换效率接近100％。
所述金属谐振阵列印制在介质基板1顶面，并由多个沿介质表面的X轴方向和Y轴方向呈周期性矩阵排列的微缝耶路撒冷十字单元2组成。微缝耶路撒冷十字单元2在进行周期性矩阵排列时，其行方向与列方向上的排列个数可以相等也可以不等。此外，金属谐振阵列所包含的微缝耶路撒冷十字单元2个数越多，性能越稳定。每个微缝耶路撒冷十字单元2的结构参数相同，每个微缝耶路撒冷十字单元2由2个正交的I形金属臂构成，即沿X轴方向延伸的水平I形金属臂2-1和沿Y轴方向延伸的垂直I形金属臂2-2。水平I形金属臂2-1的中部水平金属线的中心和垂直平I形金属臂的中部垂直金属线的中心相交，并使得微缝耶路撒冷十字单元2整体构成类十字形的结构单元。水平I形金属臂2-1的中部水平金属线上刻蚀有2条贯穿该中部水平金属线的微型缝隙2-3，即2条微型缝隙2-3将水平I形金属臂2-1的水平金属线分隔为3段。微型缝隙2-3可以为直条状缝隙或曲线状缝隙，但在本发明优选实施例中，2条微型缝隙2-3均为沿Y轴方向延伸的直条状缝隙。这2条微型缝隙2-3对称地位于垂直I形金属臂2-2的中部垂直金属线的左右两侧。参见图3。
由于材料的各向异性特性，材料在2个正交方向上的等效折射率不同。当极化方向与X轴和Y轴的夹角均为45°的线极化电磁波入射到各向异性电磁材料时，该线极化电场可以分解为沿着X轴方向和Y轴方向的两个振幅相同、相位等的正交电场，这两个正交方向电场经过材料反射后振幅相等，传输相位差值为90°，形成圆极化的反射波。
微缝耶路撒冷十字单元2沿水平方向和竖直方向都可以等效为电感L和电容C串联的谐振电路；其中电感L主要来自金属线部分，电容C则由金属线之间的微型缝隙2-3所形成的电容决定。通过改变2个正交的I形金属臂的长度和宽度，微缝耶路撒冷十字单元2在水平和竖直方向具有不同的谐振特性，表现为各向异性特性。通过在正交I形单元结构的水平I形金属臂2-1上对称刻蚀2个微型缝隙2-3，引入2个额外的电容，进一步改变了微缝耶路撒冷十字单元2水平方向电场的谐振特性。最终，微缝耶路撒冷十字单元2呈现出强各项异性特性和色散特性。在超表面和金属地板之间设计特定厚度的介质板，让电磁波在超表面和金属地板之间来回反射，以消除超表面的色散特性，使得整个结构在很宽的频带内呈现非色散特性，拓展器件带宽。
本发明可以通过调节极化器的参数，使其工作在不同的频段，这些参数包括微缝耶路撒冷十字单元2的周期，2个I形金属臂的长度和宽度，I形金属臂末端的短截线长度及宽度，水平I形金属臂2-1上两个微型缝隙2-3的宽度，以及微型缝隙2-3距离竖直I形金属臂的距离；介质基板1的介电常数、损耗角正切，以及介质基板1的厚度。通过优化选取相关结构的几何参数后可以在很宽的频带内实现线极化电磁波到圆极化电磁波的有效转换。
在本发明优选实施例中：圆极化器工作在微波频段，则采用的介质基板1为F4B双面敷铜介质板。该介质板的背面无需蚀刻，而金属谐振阵列通过蚀刻该介质板的顶面得出。介质基板1的厚度d＝2.5mm，介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。在本发明优选实施例中，金属接地板3为全覆盖在介质基板1背面的薄铜箔，起到全反射作用，使得圆极化器的转换效率接近100％。金属谐振阵列采用50×50的周期结构，即采用50×50个微缝耶路撒冷十字单元2组成。经优选数据，微缝耶路撒冷十字单元2具体参数如下：单元整体呈正方形，其边长P＝5mm。水平I形金属臂2-1的中部水平金属线的长度L1与垂直平I形金属臂的中部垂直金属线的长度L2不相等，L1＝4.1mm，L2＝2.9mm。水平I形金属臂2-1的中部水平金属线的宽度与垂直平I形金属臂的中部垂直金属线的宽度相等，W2＝0.5mmm。水平I形金属臂2-1的2条端部垂直金属线以及垂直I形金属臂2-2的2条端部水平金属线，这4者的宽度和长度相同，其中宽度W1＝0.3mm，长度L3＝2.4mm。微型缝隙2-3的宽度g＝0.15mm。微型缝隙2-3与垂直I形金属臂的中部垂直金属线的距离r＝0.75mm。由图4可见，本发明提供的圆极化器可以在很宽的频带内实现线极化电磁波到圆极化电磁波的转换，并且转换得到的圆极化波具有很高的圆极化程度。
本发明设计的一种基于超表面的反射型圆极化器，具有周期性排列的微缝耶路撒冷十字结构单元，能够实现宽频带内线极化电磁波到圆极化电磁波的转换。本圆极化器具有结构简单、厚度薄、易于加工、频带宽等特点，并且在整个频带内都具有很好的转换性能。此外，基于人工电磁超表面制造出的极化转换设备构造简单、体积小、厚度薄，在系统中更易于集成，在实际应用中的前景广阔。总之，本发明提供的圆极化器具有很好的性能，产品容易加工，且价格便宜，在很大程度上能适应工程需求。
以上介绍了本发明的原理、特性、功能以及相关优点，给出的相关参数是优选实施的方案，需要指出的是：对于本行业内的相关人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所进行的改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超宽带电磁超表面圆极化器，由介质基板(1)、印制在介质基板(1)顶面的金属谐振阵列和印制在介质基板(1)背面的金属接地板(3)组成；其特征在于：
所述金属谐振阵列由多个呈周期性矩阵排列的微缝耶路撒冷十字单元(2)组成；每个微缝耶路撒冷十字单元(2)的结构参数相同，并由2个正交的I形金属臂构成，即介质表面水平方向延伸的水平I形金属臂(2-1)和介质表面垂直方向延伸的垂直I形金属臂(2-2)；水平I形金属臂(2-1)的中部水平金属线的长度与垂直I形金属臂(2-2)的中部垂直金属线的长度相异；水平I形金属臂(2-1)的中部水平金属线的中心和垂直I形金属臂的中部垂直金属线的中心相交；水平I形金属臂(2-1)的中部水平金属线上刻蚀有2条贯穿该中部水平金属线的微型缝隙(2-3)；这2条微型缝隙(2-3)对称位于垂直I形金属臂(2-2)的中部垂直金属线的左右两侧。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带电磁超表面圆极化器，其特征在于：水平I形金属臂(2-1)的中部水平金属线的宽度与垂直I形金属臂的中部垂直金属线的宽度相等。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带电磁超表面圆极化器，其特征在于：水平I形金属臂(2-1)的2条端部垂直金属线以及垂直I形金属臂(2-2)的2条端部水平金属线，这4者的宽度和长度均相同。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带电磁超表面圆极化器，其特征在于：2条微型缝隙(2-3)的结构参数相同。
5.根据权利要求1或4所述的一种超宽带电磁超表面圆极化器，其特征在于：微型缝隙(2-3)均为沿介质表面垂直方向延伸的直条状缝隙。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带电磁超表面圆极化器，其特征在于：微缝耶路撒冷十字单元(2)在行方向与列方向上的排列个数相等。
7.根据权利要求1所述的一种超宽带电磁超表面圆极化器，其特征在于：所述金属谐振阵列和金属接地板(3)均为铜箔。
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