CN107171076A - 一种基于手征超表面的多频带圆极化器 - Google Patents

Abstract

一种基于手征超表面的多频带圆极化器，由同一平面内的多个极化单元周期性矩阵排列组成。每个极化单元包括一层介质基板、位于介质基板正面的正面谐振结构及位于介质基板背面的背面谐振结构。所述正面谐振结构包括对向放置的一个大U型金属环和一个小U型金属环以及分别与所述大U型金属环和小U型金属环相连接的金属条带。所述背面谐振结构由正面谐振结构绕图形中心逆时针旋转90°得到，其几何尺寸与正面谐振结构完全相同。本发明可以在四个工作频点将线极化入射波转换为两种具有不同旋向的圆极化透射波，同时还具有结构尺寸小，转换效率高及易于集成和加工的优点。

Description

一种基于手征超表面的多频带圆极化器

技术领域

本发明属于微波毫米波圆极化器领域，具体涉及一种基于手征超表面的多频带圆极化器。

背景技术

极化是电磁波最重要的特性之一。根据不同的极化状态，电磁波可以分为线极化波、椭圆极化波以及圆极化波。与线极化波和椭圆极化波相比，圆极化波具有稳定性高、抗干扰能力强等优点，因此它被广泛应用于卫星通信、雷达、电子对抗等方面。在工程应用中，要得到圆极化波，除了利用圆极化天线自身直接产生外，还可以利用圆极化器将入射的线极化波转换为圆极化波。传统的圆极化器例如波导圆极化器、栅条圆极化器等都具有结构复杂、难以制造等缺点。

近年来新兴的手征超表面因其特有的巨圆二色性以及巨旋光性等特点，被认为是一种能实现线极化入射波到圆极化透射波转换的新途径。与传统圆极化器相比，基于手征超表面的圆极化器具有结构简单、设计灵活、尺寸小、重量轻等特点，且其可利用现已非常成熟的标准印制电路板工艺及光刻工艺轻易加工，因此研究人员设计并制造了各种不同手征超表面结构的圆极化器。然而早期设计的圆极化器都具有工作频点少，转换效率低的缺点，这在一定程度上限制了这些手征超表面圆极化器在实际工程中的应用。为了解决这一问题，研究人员提出了两种方案，一种是在一个极化单元内放置多个具有不同尺寸的谐振单元，另一种则是在垂直方向上堆叠手征超表面的层数。虽然这两种方法都能有效增加圆极化器的工作频点，但也不可避免地增大了极化单元的尺寸与厚度，使得所设计的圆极化器不易于加工或与其他电路结构集成。

发明内容

本发明提出一种基于手征超表面的多频带圆极化器，目的是利用简单的新型单图案谐振结构实现多个工作频点，有效缩减手征超表面的尺寸及厚度，解决现有圆极化器工作频点少、结构复杂、不易于加工与集成的技术问题。另外，本发明中的每个工作频点均可通过改变谐振结构的尺寸参数加以调谐，在实际工程中更具实用性。

本发明的技术方案如下：

一种基于手征超表面的多频带圆极化器，包括在同一平面内周期性矩阵排列的多个极化单元。

每个极化单元包括一层介质基板、位于介质基板正面的正面谐振结构及位于介质基板背面的背面谐振结构。所述介质基板、正面谐振结构及背面谐振结构的中心位于同一条垂直线上。

正面谐振结构由对向放置的一个大U型金属环和一个小U型金属环以及将大U型金属环和小U型金属环相连接的金属条带组成。大U型金属环和小U型金属环具有同一条中轴线，所述金属条带即位于这条中轴线上。

背面谐振结构由正面谐振结构绕图形中心顺时针或逆时针旋转90°得到，其几何尺寸与正面谐振结构完全相同。

由于正面谐振结构与背面谐振结构互为90°旋转，二者所构成的极化单元不再具有对称特性，而是具有手征特性。

进一步，正面谐振结构和背面谐振结构中的大U型金属环和小U型金属环的开口方向相反，且具有不同的结构参数，通过调节二者的宽度可以有效改变每个工作频点的位置。

进一步，所述正面谐振结构与背面谐振结构均为铜箔。

进一步，所述介质基板包括聚四氟乙烯高频板、FR-4玻璃布基板、罗杰斯系列、Taconic系列介质基板材料。优选FR-4玻璃布基板，其介电常数为4.3，磁导率为1，损耗正切角为0.025。

进一步，极化单元在进行周期延拓时，横向和纵向上所重复的单元个数相同，即所形成的周期阵列结构为正方形阵列。为实现周期阵列响应，所重复的极化单元个数不少于400个(20×20)。

本发明的有益效果具体如下：

1.本发明可以在四个工作频点以极高转换效率将线极化入射波转换为两种具有不同旋向的圆极化透射波，相较于传统的单频点圆极化器，本发明工作模式更加高效化及多样化。

2.本发明仅由一个单一的简单谐振结构即可实现四个工作频点，大大缩减了极化单元的尺寸面积，其极化单元的边长仅为工作频率所对应波长的1/5，相较于传统的利用多个不同尺寸谐振结构实现多频点的圆极化器，本发明具有更简单紧凑的结构，更易于与其他平面电路结构集成的优点。

3.所设计的手征超表面为双层结构，其厚度仅为工作频率所对应波长的1/23，相较于传统的多层结构圆极化器，本发明具有更轻薄的体积，且易于加工制造，利用现已非常成熟的标准印制电路板工艺和光刻工艺即可实现。

4.本发明中四个工作频点的位置均可通过改变圆极化器的结构参数加以调谐，在工程应用中可根据实际要求灵活改变。

附图说明

图1为本发明提出的基于手征超表面的多频圆极化器的三维结构示意图；

图2(a)为本发明提出的基于手征超表面的多频圆极化器单元结构的侧视图；

图2(b)为本发明提出的基于手征超表面的多频圆极化器的正面谐振结构示意图；

图2(c)为本发明提出的基于手征超表面的多频圆极化器的背面谐振结构示意图；

图3为本发明提出的基于手征超表面的多频圆极化器的圆极化传输系数曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明提出的基于手征超表面的多频圆极化器由同一平面内的多个极化单元(1)周期性矩阵排列组成，注意极化单元(1)在横向和纵向上周期延拓的重复个数相同，且重复的单元数不少于400个，在本实施例中，所述圆极化器的单元数为1225个(35个×35个)。

参见图2(a)，极化单元(1)包括介质基板(1-1)、位于介质基板正面的正面谐振结构(1-2)以及位于介质基板背面的背面谐振结构(1-3)。

所述介质基板、正面谐振结构及背面谐振结构的中心位于同一条垂直线上。从垂直于介质基板所在平面的方向上看，所述极化单元(1)的横向长度与纵向长度相同，其边长P定义为周期长度。

所述介质基板(1-1)为FR-4玻璃布基板，其介电常数为4.3，磁导率为1.0，损耗正切角为0.025。所述正面谐振结构(1-2)与背面谐振结构(1-3)均为铜箔。

作为优选，所述极化单元(1)的周期长度为7mm。所述介质基板(1-1)的厚度t为1.6mm，正面谐振结构(1-2)及背面谐振结构(1-3)的厚度为0.035mm。

如图2(b)所示，正面谐振结构由对向布置的一个大U型金属环(1-2-1)和一个小U型金属环(1-2-2)以及将大U型金属环和小U型金属环相连接的一个金属条带(1-2-3)组成。大U型金属环和小U型金属环具有同一条中轴线，所述金属条带(1-2-3)即位于这条中轴线上。所述大U型金属环(1-2-1)与小U型金属环(1-2-2)的开口方向相反，并包围住小U型金属环(1-2-2)，且二者具有不同的尺寸参数。在本发明中，通过改变所述大U型金属环(1-2-1)与小U型金属环(1-2-2)的尺寸参数可以有效改变所述圆极化器的工作频点。

作为优选地，所述大U型金属环(1-2-1)的边长S为4.99mm，宽度W₁为0.7mm。所述小U型金属环(1-2-2)的边长S₁为2mm，宽度W₂为0.5mm。所述金属条带(1-2-3)的长度L为3.98mm宽度W₃为0.57mm。

参见图2(b)及图2(c)，为使超表面结构具有手征特性，背面谐振结构(1-3)由正面谐振结构(1-2)绕图形中心逆时针旋转90°得到，且二者的尺寸参数完全相同。当电磁波垂直照射到所述手征超表面的正面时，电磁波中的电场能量通过强烈的电耦合及磁耦合效应耦合到正面谐振结构中，再由正面谐振结构通过近场耦合效应耦合到背面谐振结构中，并与此同时完成从入射的线极化波到圆极化波的转换，最终从背面谐振结构中辐射出圆极化透射波。

图3所示为本发明的基于手征超表面的多频圆极化器的传输系数仿真结果图，该仿真结果由有限积分法计算得到。如图3所示，其横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为线极化入射波到圆极化透射波的传输系数，单位为dB。图中实线和虚线分别对应右旋圆极化波与左旋圆极化波。从图中可以看出，左旋圆极化波的传输系数曲线在6.56GHz与7.38GHz处衰减到谷值，而这两个频点对应的右旋圆极化波的传输系数衰减却很小，这说明入射的线极化波在6.56GHz和7.38GHz被转换成了纯净的右旋圆极化波。同样地，右旋圆极化波的传输系数在7.11GHz及7.96GHz处衰减到最小值，此时对应的左旋圆极化波的传输系数几乎没有衰减，这说明入射的线极化波在7.11GHz和7.96GHz处被转换为了纯净的左旋圆极化波。仿真数据表明，所设计的基于手征超表面的多频圆极化器具有四个工作频点，可以将入射的线极化波以极高转换率转换为两种具有不同旋向的纯净圆极化波。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (9)

1.一种基于手征超表面的多频带圆极化器，所述圆极化器包括在同一平面内周期性矩阵排列的多个极化单元；其特征在于：

每个极化单元包括一层介质基板、位于介质基板正面的正面谐振结构及位于介质基板背面的背面谐振结构，所述介质基板、正面谐振结构及背面谐振结构的中心位于同一条垂直线上；

所述正面谐振结构由对向布置的一个大U型金属环和一个小U型金属环以及分别与所述大U型金属环和小U型金属环相连接的金属条带组成；所述大U型金属环和小U型金属环具有同一中轴线，所述金属条带即位于这条中轴线上；

所述背面谐振结构由正面谐振结构绕图形中心顺时针或逆时针旋转90°得到，其几何尺寸与正面谐振结构完全相同；

所述正面谐振结构和背面谐振结构的组合，可以在四个工作频点将线极化入射波转换为两种具有不同旋向的圆极化透射波；

所述正面谐振结构与背面谐振结构的尺寸参数决定所述圆极化器的工作频点。

2.根据权利要求1所述的基于手征超表面的多频带圆极化器，其特征在于：所述大U型金属环与小U型金属环具有不同的长度及宽度，且二者的开口方向相反，通过调节二者的宽度可以有效改变每个工作频点的位置。

3.根据权利要求2所述的基于手征超表面的多频带圆极化器，其特征在于：所述大U型金属环包围住小U型金属环。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于手征超表面的多频带圆极化器，其特征在于，所述正面谐振结构与背面谐振结构均为铜箔。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于手征超表面的多频带圆极化器，其特征在于，所述介质基板包括聚四氟乙烯高频板、FR-4玻璃布基板、罗杰斯系列、Taconic系列介质基板材料。

6.根据权利要求5所述的基于手征超表面的多频带圆极化器，其特征在于：所述介质基板为FR-4玻璃布基板，其介电常数为4.3，磁导率为1，损耗正切角为0.025。

7.根据权利要求1、2或3所述的基于手征超表面的多频带圆极化器，其特征在于：所述极化单元的周期长度为7mm。所述介质基板的厚度t为1.6mm，正面谐振结构及背面谐振结构的厚度为0.035mm。

8.根据权利要求1、2或3所述的基于手征超表面的多频带圆极化器，其特征在于：从垂直于介质基板所在平面的方向上看，所述极化单元在横向及纵向上的重复个数相等，即所形成的周期阵列为正方形阵列。

9.根据权利要求7所述的基于手征超表面的多频带圆极化器，其特征在于：为实现周期阵列响应，重复的极化单元个数不少于20×20＝400个。