CN105870639A - 一种基于有源器件的极化转换器及其对入射波的响应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有源器件的极化转换器及其对入射波的响应方法，包括PCB板、极化转换结构、所示极化转换结构包括根金属斜棒(2)、二极管(3)以及金属背板(4)；其响应时，则以z方向入射的波，当入射波是x方向上的线极化时，入射波以x方向上的线极化波反射回去；当入射波是y方向上的线极化时，如果二极管处于导通状态，入射波以y方向上的线极化波反射回去；同时如果二极管处于导通状态，入射波能透过极化转换器，并且转换成x方向的线极化波。本发明可以使一个极化方向上波的传输受到二极管的调控，同时使另一个极化方向上的波的传输特性基本不受影响；本发明结构简单，易于加工，传输效率。

Description

一种基于有源器件的极化转换器及其对入射波的响应方法
技术领域
本发明涉及一种极化转换器，尤其涉及一种可调控、各向异性的极化转换器，属于微波、通信的技术领域。
背景技术
电磁波在空间传播时，其电场矢量的瞬时取向称为极化。极化方式有两种：一种是线极化，一种是圆极化。其中线极化又有水平极化波和垂直极化波之分。可以改变电磁波极化方向的器件称为极化转换器。在工程应用时，一般的天线上均装有极化器，以适应不同的极化需求的情况。
新型人工电磁材料是目前很热的一个研究方向，它可以在很薄的情况下对电磁波进行比较自由的调控，可以很好的满足极化转换器实际工作的需求。
二极管是在电路应用中很常用的器件。它们具有可靠，轻便，易加工，成本低等优点。通过调节直流偏压的大小，可以明显的改变二极管的工作特性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于有源器件的极化转换器及其对入射波的响应方法，是一种印制在PCB板子上的可调的各向异性的多功能极化转换器，本发明可以使一个极化方向上波的传输受到二极管的调控，同时使另一个极化方向上的波的传输特性基本不受影响，同时结构简单，易于加工，传输效率高。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于有源器件的极化转换器，包括PCB板(1)、一个以上的极化转换结构，所述极化转换结构在PCB板(1)上周期性排列；所述极化转换结构包括金属斜棒(2)、二极管(3)、金属背板(4)，所述金属斜棒(2)设置于PCB板(1)的一面上，而所述开关二极管(3)和金属背板(4)设置于PCB板(1)的另一面上；所述金属背板(4)上蚀刻有矩形缝隙(41)，而所述二极管(3)焊接在矩形缝隙(41)之间，同时所述二极管(3)由金属斜棒(2)馈电；所述金属背板(4)与金属斜棒(2)之间的夹角在40-50度之间。
优选的：所述金属背板(4)与金属斜棒(2)之间的夹角为45度。
优选的：所述金属背板上(4)的矩形缝隙(41)与金属斜棒(2)的几何中心正对。
优选的：所述极化转换结构在PCB板(1)上均匀分布。
一种基于有源器件的极化转换器对入射波的响应方法，选极化转换器上的任一点作为坐标原点，以金属斜棒(2)到金属背板(4)的水平直线为z轴，同时以金属斜棒(2)到金属背板(4)的方向为Z轴正方向；以极化转换器上的竖直直线为y轴，同时以竖直直线向上为y轴正方向，根据左手定则，建立坐标系xyz；当入射波是x方向上的极化时，无论二极管(3)处于导通状态还是关闭状态，入射波以x方向上的极化波反射回去；当入射波是y方向上的极化时，如果二极管处于导通状态，入射波以y方向上的极化波反射回去；同时，如果二极管(3)处于导通状态，入射波能透过极化转换器，并且转换成x方向的极化波。
一种基于有源器件的极化转换器对入射波的响应方法，当入射波是x方向上的极化时，无论二极管处于导通状态还是关闭状态，入射波以x方向上的极化波反射回去；当入射波是y方向上的极化时，如果二极管处于导通状态，入射波以y方向上的极化波反射回去；另一方面，如果二极管处于导通状态，入射波能透过极化转换器，并且转换成x方向的极化波。
本发明提供的一种基于有源器件的极化转换器及其对入射波的响应方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)机构简单，易于加工，厚度很薄。
(2)采用电调控，操作方便。
(3)极化转换的效率高。
(4)当入射波是x方向上的极化时，无论二极管处于导通状态还是关闭状态，入射波以x方向上的极化波反射回去；当入射波是y方向上的极化时，如果二极管处于导通状态，入射波以y方向上的极化波反射回去；另一方面，如果二极管处于导通状态，入射波能透过极化转换器，并且转换成x方向的极化波，因此本发明可以使一个极化方向上波的传输受到二极管的调控，同时使另一个极化方向上的波的传输特性基本不受影响
附图说明
图1为本发明结构的结构示意图。
图2为本发明结构的俯视示意图。
图3为本发明的渲染结构示意图，图3(a)是极化转换单元的整体示意图，图3(b)是极化转换单元的正面结构示意图，图3(c)是极化转换单元的背面结构示意图，图3(d)是极化转换单元的侧面图。
图4为本发明不加二极管时对不同极化入射波的频率响应，其中图4(a)为当二极管关闭的时候，入射波主要以交叉极化的分量透射了过去频率响应。图4(b)为当二极管关闭的时候，入射波主要以同极化的分量反射了回来频率响应。
图5为本发明加二极管后对y极化入射波的调控作用，其中，图5(a)表示二极管处于导通和关闭两种状态下，透射波的交叉极化分量的幅度的仿真结果。图5(b)表示二极管处于导通和关闭两种状态下，透射波的交叉极化分量的幅度的实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于有源器件的极化转换器，参见图1和图2。选极化转换器上的任一点作为坐标原点，以金属斜棒2到金属背板4的水平直线为z轴，同时以金属斜棒2到金属背板4的方向为Z轴正方向；如图1所示，一纸面上的任一点为原点，水平向左为x轴，x周的正方向指向左，以竖直直线为y轴，以向上为y轴正方向，垂直于纸面的直线为z轴，以指向纸面的方向为z轴正方向，其包括PCB板1、一个以上的极化转换结构，所述极化转换结构在PCB板1上周期性排列；所述极化转换结构包括金属斜棒2、二极管3、金属背板4，所述金属斜棒2设置于PCB板1的一面上，而所述开关二极管3和金属背板4设置于PCB板1的另一面上；所述金属背板4上蚀刻有矩形缝隙41，而所述二极管3焊接在矩形缝隙41之间，同时所述二极管3由金属斜棒2馈电；所述金属背板4与金属斜棒2之间的夹角在40-50度之间。优选的，所述金属背板4与金属斜棒2之间的夹角为45度。所述矩形金属贴片和金板上蚀刻出的矩形的夹角的大小可以控制在二极管关闭时，透射交叉极化波的幅度，在该夹角为45度时，交叉极化的幅度最高，在夹角为零时，交叉极化的幅度最低。所述金属背板上4的矩形缝隙41与金属斜棒2的几何中心正对。
所述极化转换结构在PCB板1上均匀分布。
一种基于有源器件的极化转换器对入射波的响应方法，当入射波是x方向上的极化时，无论二极管3处于导通状态还是关闭状态，入射波以x方向上的极化波反射回去；当入射波是y方向上的极化时，如果二极管处于导通状态，入射波以y方向上的极化波反射回去；另一方面，如果二极管3处于关闭状态，入射波能透过极化转换器，并且转换成x方向的极化波。
如图3所示，为本实施例的极化转换的过程：电场方向在E方向上的入射波以k方向照射到极化转换单元上。当波通过金属斜棒2的时候，入射波Eco可以按照不同的频率响应分解为垂直于金属斜棒2的分量E1和平行于金属斜棒2的分量E2。其中E1分量发生全透射，而E2分量部分透射。在传播到开缝金属背板4的时候，E1和E2过通过矢量叠加可以重新组合为垂直于矩形缝隙41(金属缝)的分量Ecr和平行于矩形缝隙41(金属缝)的分量Eco。其中Ecr分量部分反射，而Eco分量全反射，反射回去的能量又通过转化成E1分量和E2分量而发生不同的响应，留在两个金属结构(金属斜棒2和金属背板4)之间的能量不停重复这一过程，直到残留的能量可以忽略不计。如果所有向入射方向的传播的波矢量叠加后幅度接近于0，则大部分能量以交叉极化波穿透过去，完成极化转换的过程。图3中其他参数l1,l2,w1,w2,g为单元结构的结构尺寸，l1表示PCB板的长度，w1表示PCB板的宽度，t表示PCB板的厚度，l2表示金属背板上的二极管焊接端头的宽度，w2表示金属背板上两个焊接端头直接的距离,g表示矩形缝隙的宽度,g表示,g表示,a表示金属背板的长度，通过调整结构的尺寸，可以改变极化转换单元的工作频带。可变的参数包括金属斜棒的长度和宽度，背板缝隙的宽度，以及开关二极管的控制电压。
如图4a所示，当二极管关闭的时候，入射波主要以交叉极化的分量透射了过去频率响应。图4b所示，当二极管关闭的时候，入射波主要以同极化的分量反射了回来频率响应。
图5a所示，二极管处于导通和关闭两种状态下，透射波的交叉极化分量的幅度的仿真结果。图5b所示，二极管处于导通和关闭两种状态下，透射波的交叉极化分量的幅度的实验结果。由图5可知，在所设计的工作频率9.7GHz时，仿真结果与实验结果基本吻合
本发明中制作极化转换器结构简单，适用于不同的频段。例如微波段，毫米波段和太赫兹波段。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于有源器件的极化转换器，其特征在于：包括PCB板(1)、一个以上的极化转换结构，所述极化转换结构在PCB板(1)上周期性排列；所述极化转换结构包括金属斜棒(2)、二极管(3)、金属背板(4)，所述金属斜棒(2)设置于PCB板(1)的一面上，而所述开关二极管(3)和金属背板(4)设置于PCB板(1)的另一面上；所述金属背板(4)上蚀刻有矩形缝隙(41)，而所述二极管(3)焊接在矩形缝隙(41)之间，同时所述二极管(3)由金属斜棒(2)馈电；所述金属背板(4)与金属斜棒(2)之间的夹角在40-50度之间。
2.根据权利要求1所述的基于有源器件的极化转换器，其特征在于：所述金属背板(4)与金属斜棒(2)之间的夹角为45度。
3.根据权利要求1所述的基于有源器件的极化转换器，其特征在于：所述金属背板上(4)的矩形缝隙(41)与金属斜棒(2)的几何中心正对。
4.根据权利要求1所述的基于有源器件的极化转换器，其特征在于：所述极化转换结构在PCB板(1)上均匀分布。
5.一种基于权利要求1至5任一所述的基于有源器件的极化转换器对入射波的响应方法，其特征在于：选极化转换器上的任一点作为坐标原点，以金属斜棒(2)到金属背板(4)的水平直线为z轴，同时以金属斜棒(2)到金属背板(4)的方向为Z轴正方向；以极化转换器上的竖直直线为y轴，同时以竖直直线向上为y轴正方向，根据左手定则，建立坐标系xyz；当入射波是x方向上的极化时，无论二极管(3)处于导通状态还是关闭状态，入射波以x方向上的极化波反射回去；当入射波是y方向上的极化时，如果二极管处于导通状态，入射波以y方向上的极化波反射回去；同时，如果二极管(3)处于导通状态，入射波能透过极化转换器，并且转换成x方向的极化波。
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