CN107181066A - 一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器 - Google Patents

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魏治华
李晶
徐国庆
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    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters
    • H01Q15/246—Polarisation converters rotating the plane of polarisation of a linear polarised wave

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Abstract

一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，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金属背板。所述正面谐振结构包括两条中心带有凹槽的金属线，所述两条金属线具有完全相同的尺寸参数。从垂直于介质基板所在平面的方向上看，所述极化单元的横向长度与纵向长度相等，并具有沿着对角线的两个对称面。本发明可以在两个极宽频带范围内实现垂直极化波和水平极化波的相互转换，且转换效率接近100%。另外，本发明还具有结构紧凑，尺寸小，重量轻，易于制造与集成等优点。

Description

一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器
技术领域
本发明属于微波毫米波极化转换器领域，具体涉及一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器。
背景技术
极化是电磁波最重要的性质之一，如何精确调控电磁波的极化状态一直以来都是研究人员关注的焦点。传统的调控电磁波极化状态的方法主要基于光栅、双色晶体或利用双折射效应及法诺效应等，这些方法主要通过改变电磁波两个交叉极化分量的相位差来实现对极化状态的调控。然而电磁波的极化状态随着这个相位差改变的速度非常缓慢，因此在工程应用中通常需要较大的电磁波传输距离来获得足够多的相位延迟，这就导致了使用这些方法制成的极化转换器尺寸普遍较大，严重限制了它们在实际工程中的应用范围。
近年来新兴起的各向异性超表面被认为是一种能精确控制电磁波极化状态的新途径，通过改变各向异性超表面单元结构在各个方向上的结构参数，可以有效改变不同极化方向上电磁波的幅度与相位，进而达到调控电磁波极化状态的目的。此外，基于各向异性超表面的极化转换器相较于传统极化转换器还具有结构简单，设计灵活，可调控性高等优点。目前研究人员已设计出各种结构的各向异性超表面极化转换器。但从目前的文献及报道来看，现有的极化转换器依然存在频带范围窄，工作频段单一，转换效率低下等缺点。
发明内容
本发明提出一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，目的是解决现有极化转换器频带范围窄、工作频段单一、转换效率低的技术问题。该极化转换器可以在两个极宽频带范围内实现垂直极化波与水平极化波的相互转换，且转换效率接近100％。此外，该极化转换器还具有结构简单，尺寸小，易于制造与集成的优点。
本发明的技术方案如下：
一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，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金属背板。
所述正面谐振结构包括两条对称布置的金属弧形线，使所形成的极化单元具有沿着对角线的两条对称轴。这两条金属弧形线的圆心相同，且具有相同的尺寸参数。同样地，所述两条金属弧形线中的圆弧形凹槽也具有相同的圆心和尺寸参数。
两条金属弧形线呈对称分布，目的是为了使所形成的极化单元具有沿着对角线的两条对称轴，这样入射的x方向或y方向的电场即可分解为沿着对称轴方向的两个等幅正交极化分量。由于所设计的极化单元具有各向异性，其在这两个沿着对称轴的方向上具有不同的相对磁导率，当入射电场经由该极化转换器反射后，这两个正交方向上的等幅电场分量将会产生180°的相位差，此时电场极化方向将会发生转变，即x极化方向的入射波转换为y极化方向的反射波或y极化方向的入射波转换为x极化方向的反射波。
通过将圆弧形凹槽刻蚀在金属弧形线的中心，可以改变金属弧形线在电磁波垂直入射下的表面电流分布，在多个工作频点激发强烈的电谐振和磁谐振。通过合理设计圆弧形凹槽的尺寸参数即可使得这些工作频点分布在特定位置，从而形成两个极宽的极化转换频带。
金属背板的面积与所述介质基板相同，目的是为了将入射电磁波完全反射，通过合理设计介质基板的厚度，可以使正面谐振结构与金属背板之间产生干涉效应，从而使得电磁波在正面谐振结构与金属背板间多次反射，直到其极化方向完全改变，最终实现接近100％的转换效率。
通过改变所述正面谐振结构的尺寸参数可以有效调整极化转换器两个工作频带的范围，这些尺寸参数包括所述金属弧形线及圆弧形凹槽的圆心角、宽度及半径。
具体地，两条金属弧形线对应的圆心角θ1取值范围为0°<θ1<180°，圆弧形凹槽对应的圆心角θ2取值范围为0°<θ2<θ1。
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。
优选的，介质基板采用聚四氟乙烯高频板，其介电常数为2.65，磁导率为1.0，损耗正切角为0.001。正面谐振结构和金属背板均为铜箔。
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.本发明可以在两个极宽的频带范围内实现垂直极化波与水平极化波的相互转换，且转换效率接近100％，与现有极化转换器相比，本发明转换效率更高，工作频段更多样。
2.本发明通过改变设计结构的尺寸参数可以在极大范围内线性调节两个工作频带的位置及范围，可控性强，在实际工程中更具应用性。
3.本发明结构简单，尺寸小，利用现已非常成熟的标准印制电路板工艺或光刻工艺即可加工制造，同时也易于与其他器件集成。
附图说明
图1为本发明提出的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器的三维结构示意图；
图2为本发明提出的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器单元结构的侧视图；
图3为本发明提出的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器的正面谐振结构示意图；
图4(a)为本发明提出的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器的反射系数曲线图；
图4(b)为本发明提出的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器的极化转换比曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明提出的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器由同一平面内的多个极化单元(1)周期性矩阵排列组成，图中虚线框出的为一个极化单元，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，在本实施例中重复的单元数即为400个(20个×20个)。
参见图2，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金属背板(1-3)。从垂直于介质基板所在平面的方向看，所述极化单元(1)的横向长度与纵向长度相同，其长度P定义为周期长度，且具有沿着对角线的两个对称面。
所述介质基板(1-1)为F4B-2聚四氟乙烯高频板，其介电常数为2.65，磁导率为1.0，损耗正切角为0.001。所述正面谐振结构(1-2)与金属背板(1-3)均为铜箔。
作为优选，所述极化单元(1)的周期长度P为10mm。所述介质基板(1-1)的厚度t为3mm，正面谐振结构(1-2)及金属背板(1-3)的厚度均为0.035mm。
如图3所示，正面谐振结构由两条带有圆弧形凹槽(1-2-2)的金属弧形线(1-2-1)组成，两条金属弧形线的圆心位于同一点，且二者具有完全相同的尺寸参数。圆弧形凹槽位于金属弧形线的中心，且与金属弧形线具有相同的圆心。圆弧形凹槽的圆心角及宽度均小于金属弧形线。在本发明中，通过改变金属弧形线的圆心角、半径及宽度可以有效调节极化转换器工作频带的范围。
作为优选，所述金属弧形线(1-2-1)的半径R为3.5mm，宽度W1为0.8mm，对应的圆心角θ1为120°。所述圆弧形凹槽(1-2-2)的宽度W2为0.43mm，对应的圆心角θ2为110°。
图4(a)所示为本发明的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器在x极化入射波及y极化入射波下对应的反射系数仿真结果图，该仿真结果由有限积分法计算得到。如图4(a)所示，其横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为反射系数，单位为dB。从图中可以看出所设计的极化转换器对x极化入射波与y极化入射波具有相同的电磁响应，即Rxx＝Ryy,Rxy＝Ryx。图中可以明显观测到两个工作频带，其分别为9.5GHz到12.9GHz以及16.1GHz到20.2GHz。在9.5GHz到12.9GHz的频率范围内，共面极化反射系数Rxx和Ryy处于较低水平，其值均小于0.14，而对应的交叉极化反射系数Ryx和Rxy则接近于1。同样地，在16.1GHz到20.2GHz的频率范围内，共面极化反射系数Rxx和Ryy基本接近于0，而交叉极化反射系数Ryx和Rxy则基本接近于1。这说明在这两个频率范围内，入射的x极化波经该极化转换器反射后几乎被完全转换成y极化波，而入射的y极化波则几乎被完全转换成了x极化反射波。
图4(b)所示为相应的极化转换比，用以表征该极化转换器的转换效率，其计算公式为PCR＝Rxy 2/(Rxy 2+Ryy 2)。从图中可以看出，在所述第一个工作频带内，其转换效率大于98％，在所述第二个工作频带内，其转换效率大于99％。
上述仿真数据表明本发明的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器可以在两个极宽的频带范围内将x极化方向的线极化入射波转换为y极化方向的反射波或y极化方向的线极化入射波转换为x极化方向的反射波，且转换效率均接近100％。
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)

1.一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，所述极化转换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金属背板；
所述正面谐振结构包括两条对称布置的金属弧形线，使所形成的极化单元具有沿着对角线的两条对称轴；
金属弧形线的中心带有圆弧形凹槽，两条金属弧形线的圆心及圆心角相同，且二者具有完全相同的宽度和半径，位于两条金属弧形线上的圆弧形凹槽的圆心及尺寸参数也相同，通过改变所述金属弧形线及圆弧形凹槽的尺寸参数可以线性调节所述极化转换器两个工作频带的范围；
从垂直于介质基板所在平面的方向上看，所述极化单元的横向长度与纵向长度相等，且具有沿着对角线的两个对称面，其周期排列所形成的阵列结构可在两个极宽频带范围内实现垂直极化波与水平极化波的相互转换。
2.根据权利要求1所述的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，其特征在于：所述两条金属弧形线对应的圆心角θ1取值范围为0°<θ1<180°。
3.根据权利要求1所述的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，其特征在于：所述两条金属弧形线上的圆弧形凹槽对应的圆心角θ2取值范围为0°<θ2<θ1。
4.根据权利要求1-3之任一项所述的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，其特征在于，所述正面谐振结构与金属背板均为铜箔。
5.根据权利要求1-3之任一项所述的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，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所述的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，其特征在于，所述介质基板为聚四氟乙烯高频板，其介电常数为2.65，磁导率为1，损耗正切角为0.001。
7.根据权利要求1-3之任一项所述的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，其特征在于：所述极化单元的周期长度P为10mm，介质基板的厚度t为3mm，正面谐振结构及金属背板的厚度均为0.035mm。
8.根据权利要求1-3之任一项所述的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，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8所述的基于各向异性超表面的双宽频极化转换器，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。
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