CN105811116B - 一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于COS型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法，极化鉴别器包括位于第一圆极化器和第二圆极化器之间的线极化器，考虑电磁波在空间介质中的传播特性，经过优化后将设计结构分为三部分，第一部分和第三部分是两个COS型金属带互相垂直的两个圆极化器，第二部分是一个线极化器，等间距排列；本发明能够通过一种旋向的圆极化器波而反射另一种旋向的圆极化波，实现了X波段的宽带极化选择器；本发明提供的极化鉴别器的设计方法，让用户能够根据设计有限快速的加工出极化鉴别器，并且实现对于任意波的极化鉴别功能，提高效率，省时省力。

Description

一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法

技术领域

本发明属于极化鉴别器技术领域，涉及一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法。

背景技术

随着圆极化波在通信电子侦察和卫星通信中的普遍应用，线—圆极化的转换以及鉴别成了重要的研究方向，尤其随着超材料在频率选择表面中的应用，频率选择表面在雷达系统和卫星通信中应用广泛，具有巨大的潜在商业价值，已然成为亚毫米波微波技术领域的潜力发展方向。尤其随着航空航天技术的快速发展更是带来频率选择表面研究热潮。

频率选择表面可以应用于所有的电磁频谱频段，范围囊括了整个电磁领域，在微波波段，主要用来做多频天线的副反射器，雷达散射截面，滤波器，雷达天线罩，以及极化鉴别器等。

随着技术发展，频率选择表面FSS(Frequency Selective surface)的单元结构也趋于多样化，基于传输特性以及制作工艺，已经存在的结构有十字单元，耶路撒冷十字单元，线性普偶极子，圆环型结构单元，正方形缝隙单元等。

而极化选择表面(CPSS)即极化鉴别器结构被设计出来，一般系统生成的圆极化波并不是单纯的左旋圆极化波或者右旋圆极化波，而往往具有较大的交叉极化分量，鉴于FSS易于实现极化鉴别(Polarization discrimination)的功能，因此可以采用FSS选择性通过以提高圆极化波单一旋向的纯度。文献L.Martinez-Lopez,J.Rodriguez-Cuevas,J.I.Martinez-Lopez and A.E.Martynyuk,“Cascaded circular-polarisation-selective surface based on bisected split rings,”Electron.Lett.,vol.50,no.19,pp.1335–1336,Sep.2014.通过一个9层的FSS级联结构来实现透射左旋圆极化波(left-handcircularly polarized wave:LHCPW)而反射右旋圆极化波(right-hand circularlypolarized wave：RHCPW)，结果显示在26GHz-35GHz频段内能够获得单纯旋向的LHCPW。但是其结构缺点也是很明显的，层数很多，设计难度大，装配误差也大。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法，将超材料FSS应用在极化鉴别中，其结构简洁，且易于加载其他天线以及扩展应用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，包括位于第一圆极化器和第二圆极化器之间的线极化器；

所述的第一圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与地面垂直，包括介质基板以及在其正反面设置的FSS曲折线单元；其中FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；

所述的线极化器包括介质基板以及在其正反面设置的平行线单元，其线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向；

所述的第二圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与第一圆极化器相垂直，包括介质基板以及在其正反面设置曲折线单元；其FSS曲折线单元为第一圆极化器曲折线单元旋转90°。

所述的第一圆极化器、第二圆极化器的FSS曲折线单元，对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容；

线极化器只允许栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波通过。

所述的FSS曲折线单元中的波浪曲线为正弦曲线或余弦曲线，其宽度为1～2mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷外线的距离为2.5～5mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷内线的距离为1.5～2.5mm，圆形单元的半径为1.5～2mm；FSS曲折线单元长度为10.5～11.5mm；

所述的线极化器的平行线单元为与y轴方向成45°方向的金属带，金属带的宽度为0.1～0.3mm，金属带之间的间距为0.3～0.5mm，金属带之间的间距大于金属带的宽度。

所述的第一圆极化器、第二圆极化器中，介质板的厚度h＝2mm，相对介电常数为ε_r＝2.65，损耗角正切tanδ＝0.001；

所述的第一圆极化器、第二圆极化器与线极化器的距离相等，且在3～8mm之间。

当波数为k的LHCPW沿着-z方向通过极化鉴别结构时，其入射波的电场矢量表述为：

E_i＝E₀(a_x-ja_y)e^jkz (1)

沿-z方向看去，一个左旋圆极化波入射到第一圆极化器，入射波的电场矢量表示为：

E_i＝E₀(a_x-ja_y)e^jkz (2)

-z方向看去的LHCPW的两个正交线极化分量，x极化分量超前y极化分量90°；

通过第一个极化器后的电场矢量表示为：

E_t＝E₀(T_xa_x-jT_ya_y)e^jkz (3)

其中E₀为入射波的电场大小，k为波数，电磁场沿着-z方向传播，j是复数，j²＝-1，和分别是x和y极化分量的透射系数，y极化分量相位超前于x极化分量，两者相位差正好弥补了之前LHCPW的x极化超前y极化的相位差90°，其两个分量相位差为0，则LHCPW变成了与一个与x轴呈-45°的线极化波；

电磁波继续向-z方向传播，通过线极化器时，传输的线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向，线极化波通过了线极化器到达第二圆极化器为第一部分圆极化器顺时针转置90°，第二圆极化器对y极化和x极化会产生负的90°相位差线极化波又转化成LHCPW。

一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器的设计方法，包括以下操作：

1)设计圆极化器的FSS曲折线单元，使得对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容；

2)根据FSS曲折线单元性能在CST中进行仿真，根据仿真结果优化参数，通过级联改善带宽，以及增加介质板的厚度来增加入射角的稳定性，使得通过极化器的入射波与透射波两者的相位差为90°；

在介质版上印制呈阵列排列的FSS曲折线单元，得到第一圆极化器；

将第一圆极化器的FSS曲折线单元旋转90°并呈阵列的印制在介质版上，得到第二圆极化器；

3)线极化器设计为只允许栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波可以通过；

4)极化鉴别器的结构设计组合：按照第一圆极化器和第二圆极化器之间放置线极化器的结构排布，其中第一个圆极化器余弦方向与地面垂直，第二个为线极化器，第三部分为与第一部分垂直的一个圆极化器；并进行在CST中进行参数扫描进行极化器的间距优化：当一束混合波入射时，选择可以鉴别出左旋圆极化波或右旋圆极化波的极化器的间距为优化结果。

所述的圆极化器的FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；

所述的线极化器设计为与y轴方向成45°方向的金属带。

所述的FSS曲折线单元中的波浪曲线为正弦曲线或余弦曲线，其宽度为1～2mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷外线的距离为2.5～5mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷内线的距离为1.5～2.5mm，圆形单元的半径为1.5～2mm；FSS曲折线单元的长度为10.5～11.5mm；

所述的线极化器中，金属带的宽度为0.1～0.3mm，金属带之间的间距为0.3～0.5mm，金属带之间的间距大于金属带的宽度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，包括圆极化器的以及线极化器，考虑电磁波在空间介质中的传播特性，经过优化后将设计结构分为三部分，第一部分和第三部分是两个余弦型金属带互相垂直的两个圆极化器，第二部分是一个线极化器，等间距排列。当一个左旋圆极化波入射到第一部分的圆极化器时，由于第一圆极化器的相移作用，使得y极化分量相位超前于x极化分量，正好弥补了之前LHCPW的x极化超前y极化的相位差90°，使其两个分量相位差为0，则LHCPW恰好变成了与一个与x轴呈-45°的线极化波；通过第二部分的线极化器时，由于传输的线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向，所以线极化波通过了线极化器到达了第三部分，第三部分的圆极化器只是第一部分圆极化器顺时针转置90°，通过前面设计的圆极化器原理可知，第三部分圆极化器对y极化和x极化会产生负的90°相位差则正好把线极化波又转化成LHCPW。

本发明能够通过一种旋向的圆极化器波而反射另一种旋向的圆极化波，实现了X波段的宽带极化选择器。圆极化器加载双层FSS结构，一方面是因为单层FSS产生的相位差不够，另一方面是为了增大圆极化器的工作带宽。在9.2GHz-11.2GHz频段内，RHCPW的传输系数小于-20dB而LHCPW的传输系数均大于-2.5dB，可见在此频段内本节设计的结构能够很好的透射LHCPW而反射RHCPW。

在极化鉴别器领域，频率选择表面能起到滤波器的作用，FSS对于某些频带内的入射波几乎没有影响，但是另一些频带的波会被反射，其FSS谐振单元的组阵方式，几何以及加载性质决定了其频率特性，本发明将超材料FSS应用在极化鉴别中，其结构简洁，且易于加载其他天线以及扩展应用。

本发明提供的极化鉴别器的设计方法，让用户能够根据设计有限快速的加工出极化鉴别器，并且实现对于任意波的极化鉴别功能，提高效率，省时省力。

附图说明

图1为极化鉴别器的结构示意图；

图2为圆极化器单元立体示意图；

图3为圆极化器单元结构示意图；

图4为线极化器结构示意图；

图5为圆极化器的单元设计流程图；

图6为线极化器的过程设计流程图；

图7为极化鉴别器的过程设计流程图；

图8为余弦型圆极化器对于两正交极化的传输系数和透射圆极化波的轴比；

图9为极化选择器的仿真结果与实测结果对比。

具体实施方式

本发明在X波段的宽带圆极化器的基础上提供极化鉴别器(即极化选择器)，从阵元的设计到有限个阵元组阵仿真设计，后期的实物加工测试，测试结果与仿真设计结果相吻合。在实现圆极化器的基础上，通过组合两个圆极化器和一个线极化器，组合之后得到一个极化鉴别器，通过综合其圆极化正交分量的性质，以及两极化的相移特性，HFSS设计以及优化FSS单元的过程，以及最终的加工测试，数据后处理过程，通过运用电磁场基础理论，达到良好的工程结果。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1、一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，包括位于第一圆极化器(CP)和第二圆极化器之间的线极化器(LP)；

所述的第一圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与地面垂直，包括介质基板以及在其正反面设置的FSS曲折线单元；其中FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；

所述的线极化器包括介质基板以及在其正反面设置的平行线单元，其线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向；

所述的第二圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与第一圆极化器相垂直，包括介质基板以及在其正反面设置曲折线单元；其FSS曲折线单元为第一圆极化器曲折线单元旋转90°。

所述的第一圆极化器、第二圆极化器的FSS曲折线单元，对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容；线极化器只允许栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波通过。

本发明提出的余弦型的频率选择表面，基于余弦型的一条带状金属线，以及两个类似半圆环贴片和一个圆形贴片上下表面结构完全相同，此单元结构作为圆极化器的设计单元，圆极化器是由于此单元进行周期性排列。

参见图2、图3，所述的FSS曲折线单元中的波浪曲线为正弦曲线或余弦曲线，其宽度为1～2mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷外线的距离r2(FSS曲折线外径)为2.5～5mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷内线的距离r1(FSS曲折线内径)为1.5～2.5mm，圆形单元的半径r0为1.5～2mm；FSS曲折线单元的长度L为10.5～11.5mm；

具体的，尺寸优化为r2＝3.55mm，r1＝2.05mm，r0＝1.85mm；L＝11.2mm。

参见图4，线极化器中，金属带的宽度W为0.1～0.3mm，金属带之间的间距S为0.3～0.5mm，金属带之间的间距大于金属带的宽度。

所述的第一圆极化器、第二圆极化器中，介质板的厚度h＝2mm，相对介电常数为ε_r＝2.65，损耗角正切tanδ＝0.001；

所述的第一圆极化器、第二圆极化器与线极化器的距离g相等，且在3～8mm之间。

图5、图6、图7所示的流程示意图，基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器的设计方法，包括下述步骤：

1)设计圆极化器单元，通过FSS中曲折线的使用应用，对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容，根据电感电容的等效作用；

2)根据单元性能在CST中进行仿真，根据仿真结果优化参数，通过级联改善带宽，以及增加介质板的厚度来增加入射角的稳定性，使得通过极化器两者的相位差为90°；

在介质版上印制呈阵列排列的FSS曲折线单元(使用20×20阵列)，得到第一圆极化器；

将第一圆极化器的FSS曲折线单元旋转90°并呈阵列的印制在介质版上，得到第二圆极化器；

3)线极化器的设计，对于线极化器只有栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波可以通过。

4)按照第一圆极化器和第二圆极化器之间放置线极化器的结构排布，其中第一个圆极化器余弦方向与地面垂直，第二个为线极化器，第三部分为与第一部分垂直的一个圆极化器；并进行在CST中进行参数扫描进行极化器的间距优化：当一束混合波入射时，选择可以鉴别出左旋圆极化波或右旋圆极化波的极化器的间距为优化结果。

本极化鉴别器工作在9GHz～11GHz之间，可以在一个混合波通过该结构时，可以鉴别出其中的左旋极化波或右旋圆极化波。下面给出具体的说明。

选用入射电磁波为左旋圆极化波(LHCPW)，左旋；考虑一个波数为k的LHCPW沿着-z方向通过图1的极化鉴别结构，假设入射波的电场矢量表述为：

E_i＝E₀(a_x-ja_y)e^jkz (1)

根据圆极化器CP的工作原理，沿-z方向看去，一个左旋圆极化波入射到极化选择结构，入射波的电场矢量表示为：

E_i＝E₀(a_x-ja_y)e^jkz (2)

-z方向看去的LHCPW的两个正交线极化分量，x极化分量超前y极化分量90°。

首先通过第一个极化器后的电场矢量表示为：

E_t＝E₀(T_xa_x-jT_ya_y)e^jkz (3)

其中和分别是x和y极化分量的透射系数，由于第一圆极化器的相移作用，使得y极化分量相位超前于x极化分量，两者相位差正好弥补了LHCPW的x极化超前y极化的相位差，使其两个分量相位差为0，则LHCPW恰好变成了与一个与x轴呈-45°的线极化波。

电磁波继续向-z方向传播，通过第二部分的线极化器时，由于传输的线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向，所以线极化波通过了线极化器到达了第三部分，第三部分的圆极化器只是第一部分圆极化器顺时针转置90°，通过前面设计的圆极化器原理可知，第三部分圆极化器对y极化和x极化会产生负的90°相位差则正好把线极化波又转化成LHCPW。

考虑一个RHCPW沿着-z方向通过图1的极化选择结构，当通过第一部分后，由于圆极化的极化转换作用会产生一个与x轴呈45°的线极化波，由于电场矢量方向平行于线极化器的金属栅方向，所以被第二部分的线极化器反射回去。

综上所述，该结构能够通过一种旋向的圆极化器波而反射另一种旋向的圆极化波，实现了X波段的宽带极化选择器。圆极化器加载双层FSS结构，一方面是因为单层FSS产生的相位差不够，另一方面是为了增大圆极化器的工作带宽。

当45°线极化波垂直入射余弦型FSS圆极化器后得到TE极化和TM极化的传输系数幅度以及形成圆极化波的轴比如图8所示，在9GHz-11GHz带宽内，两个正交分量的传输系数幅度都大于0.8，圆极化波轴比均小于1.5dB，显然该圆极化器轴比小，工作频带宽以及插入损耗小。

为了验证本发明提出的极化选择结构，两个20×20个单元圆极化器和一个同样尺寸大小的线极化器加工、组装并且测试，FSS印制在厚度h＝2mm，相对介电常数为ε_r＝2.65，损耗角正切tanδ＝0.001的F4BM-2介质基板两侧，使用尼龙螺钉来固定以确保极化器之间的间距g。同极化器的测试环境一样，测试系统包括两个带有方圆过渡的波纹喇叭天线和一台矢量网络分析仪，测试在微波暗室中完成。当入射LHCPW和RHCPW时该结构传输系数仿真和实测结果如图9所示，显而易见仿真结果与实物测试结果比较吻合，加工实物具有良好的圆极化选择功能，在9.2GHz-11.2GHz频段内，RHCPW的传输系数小于-20dB而LHCPW的传输系数均大于-2.5dB，可见在此频段内本节设计的结构能够很好的透射LHCPW而反射RHCPW。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，包括位于第一圆极化器和第二圆极化器之间的线极化器；

所述的第一圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与地面垂直，包括介质基板以及在其正反面设置的FSS曲折线单元；其中FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；

所述的线极化器包括介质基板以及在其正反面设置的平行线单元，其线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向；

所述的第二圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与第一圆极化器相垂直，包括介质基板以及在其正反面设置曲折线单元；其FSS曲折线单元为第一圆极化器曲折线单元旋转90°。

2.如权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，所述的第一圆极化器、第二圆极化器的FSS曲折线单元，对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容；

线极化器只允许栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波通过。

3.如权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，所述的FSS曲折线单元中的波浪曲线为正弦曲线或余弦曲线，其宽度为1～2mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷外线的距离为2.5～5mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷内线的距离为1.5～2.5mm，圆形单元的半径为1.5～2mm；FSS曲折线单元长度为10.5～11.5mm；

所述的线极化器的平行线单元为与y轴方向成45°方向的金属带，金属带的宽度为0.1～0.3mm，金属带之间的间距为0.3～0.5mm，金属带之间的间距大于金属带的宽度。

4.如权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，所述的第一圆极化器、第二圆极化器中，介质板的厚度h＝2mm，相对介电常数为ε_r＝2.65，损耗角正切tanδ＝0.001；

所述的第一圆极化器、第二圆极化器与线极化器的距离相等，且在3～8mm之间。

5.如权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，当波数为k的LHCPW沿着-z方向通过极化鉴别结构时，其入射波的电场矢量表述为：

E_i＝E₀(a_x-ja_y)e^jkz (1)

沿-z方向看去，一个左旋圆极化波入射到第一圆极化器，入射波的电场矢量表示为：

E_i＝E₀(a_x-ja_y)e^jkz (2)

-z方向看去的LHCPW的两个正交线极化分量，x极化分量超前y极化分量90°；

通过第一个极化器后的电场矢量表示为：

E_t＝E₀(T_xa_x-jT_ya_y)e^jkz (3)

其中E₀为入射波的电场大小，k为波数，电磁场沿着-z方向传播，j是复数，j²＝-1，和分别是x和y极化分量的透射系数，y极化分量相位超前于x极化分量，两者相位差正好弥补了之前LHCPW的x极化超前y极化的相位差90°，使其两个分量相位差为0，则LHCPW变成了一个与x轴呈-45°的线极化波；

电磁波继续向-z方向传播，通过线极化器时，传输的线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向，线极化波通过了线极化器到达第二圆极化器为第一部分圆极化器顺时针转置90°，第二圆极化器对y极化和x极化会产生负的90°相位差线极化波又转化成LHCPW。

6.权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器的设计方法，其特征在于，包括以下操作：

1)设计圆极化器的FSS曲折线单元，使得对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容；

2)根据FSS曲折线单元性能在CST中进行仿真，根据仿真结果优化参数，通过级联改善带宽，以及增加介质板的厚度来增加入射角的稳定性，使得通过极化器的入射波与透射波两者的相位差为90°；

在介质版上印制呈阵列排列的FSS曲折线单元，得到第一圆极化器；

将第一圆极化器的FSS曲折线单元旋转90°并呈阵列的印制在介质版上，得到第二圆极化器；

3)线极化器设计为只允许栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波可以通过；

4)极化鉴别器的结构设计组合：按照第一圆极化器和第二圆极化器之间放置线极化器的结构排布，其中第一个圆极化器余弦方向与地面垂直，第二个为线极化器，第三部分为与第一部分垂直的一个圆极化器；并进行在CST中进行参数扫描进行极化器的间距优化：当一束混合波入射时，选择可以鉴别出左旋圆极化波或右旋圆极化波的极化器的间距为优化结果。

7.如权利要求6所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器的设计方法，其特征在于，所述的圆极化器的FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；

所述的线极化器设计为与y轴方向成45°方向的金属带。

8.如权利要求7所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器的设计方法，其特征在于，所述的FSS曲折线单元中的波浪曲线为正弦曲线或余弦曲线，其宽度为1～2mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷外线的距离为2.5～5mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷内线的距离为1.5～2.5mm，圆形单元的半径为1.5～2mm；FSS曲折线单元的长度为10.5～11.5mm；

所述的线极化器中，金属带的宽度为0.1～0.3mm，金属带之间的间距为0.3～0.5mm，金属带之间的间距大于金属带的宽度。