CN107528128A - 一种基于频率选择平面的极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于频率选择平面的极化转换器，由多个谐振单元阵列组成，每个谐振单元包括五层，第一层由四个开缝金属圆阵列组成，第二层、第四层为F4B介质板，第三层为中间金属板，第五层由四个开缝金属圆阵列组成，第一层四个开缝金属圆与第五层四个开缝金属圆对称布于谐振单元的两外侧；第一层四个开缝金属圆的每个圆上均开有过圆心的缝和位于缝一侧的圆孔，且四个圆上的缝与水平方向均成45°或135°夹角；第五层四个开缝金属圆的每个圆上均开有过圆心的缝和位于缝一侧的圆孔，且相邻两个圆上的缝与水平方向分别成45°、135°夹角；F4B介质板、中间金属板上也设有圆孔，五层结构上的通孔形成四个贯穿谐振单元的通孔。

Description

一种基于频率选择平面的极化转换器
技术领域
本发明属于电磁技术领域，涉及一种基于频率选择平面的极化转换器。
背景技术
信息化条件下，来自外界的电磁干扰对用频设备的威胁越来越大，电磁波的传播控制成为电磁领域研究的热点，在雷达目标识别、通信、航空航天、电磁对抗等领域，电磁波的传播以及信号的接收性能均与波的极化形式有关。电磁波的极化控制是电磁波空间传播控制的重要研究内容。极化技术作为一项重要的干扰、抗干扰技术也成为了军事科研领域的一个研究热点。因此，为适应现代信息密集多变的特点，仅具有单极化特性的天线已经不能满足要求，极化转换器能任意地控制电磁波的极化状态以及选择性的透射和反射，在成像、天线、通讯系统、电磁对抗与治理以及军事隐身等领域有许多重要的应用。不同的极化有不同特点，线极化天线只能接受圆极化电磁波一半的能量，圆极化天线只能接受线极化电磁波一般的能量。如果通信双方的天线极化特性不一样，比如一个线极化，一个圆极化，则需要极化转换器将电磁波的极化进行转换以达到能量的最佳发射和接收。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种平面结构圆极化波到线极化波的极化转换器，以用于提高能量发射和接收效率。
本发明技术方案如下：
一种基于频率选择平面的极化转换器，由多个谐振单元阵列组成，每个谐振单元均包括五层结构，第一层由四个开缝金属圆按2×2阵列组成，第二层、第四层分别为F4B介质板，第三层为中间金属板，第五层由四个开缝金属圆按2×2阵列组成，第一层四个开缝金属圆与第五层四个开缝金属圆对称布于谐振单元的两外侧；所述第一层四个开缝金属圆的每个圆上均开有过圆心的缝和位于缝一侧的圆孔，且四个圆上的缝与水平方向均成45°或135°夹角；所述第五层四个开缝金属圆的每个圆上均开有过圆心的缝和位于缝一侧的圆孔，且相邻两个圆上的缝与水平方向分别成45°、135°夹角；所述F4B介质板、中间金属板上也设有圆孔，五层结构上的通孔形成四个贯穿谐振单元的通孔。
优选地，中间金属板圆孔直径大于通孔直径。
优选地，F4B介质板介电常数为2.65。
优选地，该极化转换器的厚度为3mm。
优选地，各谐振单元的尺寸为30*30*3mm。
优选地，各开缝金属圆的直径为14.56mm，缝的宽度为0.7mm，缝的长度为10mm。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出了一种新的极化转换方式，基于该极化转换方式，本发明提供的极化转换器能通过其中的谐振单元结构进行周期性扩展。
(2)与传统的极化转换器相比，本发明提供的极化转换器结构简单、易加工，通过调节结构的大小，可以方便实现谐振频率的调谐。
(3)本发明提供的极化转换器的厚度只有3mm，占用体积小，完全符合现代无线电通信技术低剖面的要求。
附图说明
图1A是9个谐振单元按3×3阵列排布的正面图，右侧为单个谐振单元示意图；
图1B是9个谐振单元按3×3阵列排布的背面图，右侧为单个谐振单元示意图；
图2是单个谐振单元的侧面结构示意图；
图3是单个谐振单元的正面示意图，图4是单个谐振单元的背面示意图；
图5是中间金属板的正面示意图；
图6是单个谐振单元和两个端口的结构示意图；
图7是S1(L)1(L)的仿真图，表示左旋圆极化波的反射系数；
图8是S2(R)1(L)和S2(L)1(L)的仿真图，表示左旋圆极化电磁波从端口1入射，右旋圆极化和左旋圆极化透射系数；
图9是S2(R)1(L)和S2(L)1(L)的相位仿真示意图，即左旋圆极化和左旋圆极化透射相位示意图；图10是左旋圆极化与线极化相互转换单元结构正面图。
其中：1-第一层四个开缝金属圆；2-第二层F4B介质板；3-中间金属板；4-第四层F4B介质板；5-第五层四个开缝金属圆；6-四个金属化通孔。
具体实施方式
下面结合实施例具体介绍本发明的技术方案。
如图1A、1B和图2所示的一种基于频率选择平面的极化转换器，由9个谐振单元按3×3阵列组成，每个谐振单元均包括五层结构，第一层由四个开缝金属圆1按2×2阵列组成，第二层、第四层分别为F4B介质板2、4，第三层为中间金属板3，第五层由四个开缝金属圆5按2×2阵列组成，第一层四个开缝金属圆1与第五层四个开缝金属圆5对称布于谐振单元的两外侧；第一层四个开缝金属圆1的每个圆上均开有过圆心的缝和位于缝一侧的圆孔，且四个圆上的缝与水平方向均成45°夹角(也可以设成或135°)；第五层四个开缝金属圆5的每个圆上均开有过圆心的缝和位于缝一侧的圆孔，且相邻两个圆上的缝与水平方向分别成45°、135°夹角；F4B介质板2、4、中间金属板3上也设有圆孔，五层结构上的通孔形成四个贯穿谐振单元的通孔6。中间金属板圆孔直径大于通孔直径。
本实施例提供的基于频率选择表面的圆极化电磁波到线极化电磁波转换器，即圆极化电磁波从端口1入射，线极化电磁波从端口2透射，可以实现圆极化波到线极化波转换的功能。该极化转换器由多个谐振单元结构沿着横向和纵向排列构成的阵列结构，图1A是9个谐振单元按3×3阵列排布的正面图，右侧为单个谐振单元示意图，每个谐振单元的尺寸是30*30*3mm。图1B是9个谐振单元按3×3阵列排布的背面图，右侧为单个谐振单元示意图，图2是单个谐振单元的侧面结构示意图，每个结构单元共有5层，如图3所示第一层四个开缝金属圆1，圆的直径是14.56mm，每个缝隙倾斜45度，缝隙的宽度是0.7mm，长度是10mm。第二层是F4B(聚四氟乙烯)介质板2，其介电常数是2.65，其损耗为0.001。第四层4和第二层2一样，第二层2和第四层4每层都有四个圆孔。如图5是中间金属板(防投射层)3，其四个圆孔的直径比通孔6的直径要大以防止与其接触。如图4所示第五层四个开缝金属圆5，相邻圆的两个缝方向垂直，其尺寸与第一层一样。金属化通孔6将第一层1和第五层5连接。如图6是一个谐振单元和两个端口示意图。当左旋圆极化电磁波从端口1垂直入射时，在第一层上下四个金属缝隙圆表面产生旋向相同感应电流，感应电流通过金属化通孔传导耦合到第五层上下四个金属缝隙圆，形成四个中相邻两个旋向相反的辐射电流，相邻两个旋向相反的辐射电流辐射旋向相反的圆极化波，根据电磁场理论，旋向相反并且幅度相位相同的圆极化电磁波叠加形成线极化电磁波，所以y方向的线极化电磁波从端口2透射。图7是S1(L)1(L)仿真图，表示的是反射系数，即左旋圆极化波从端口1入射，左旋圆极化波从端口1的反射系数。图8是S2(R)1(L)，S2(L)1(L)幅度仿真结果，其中R表示右旋圆极化电磁波，L表示的是左旋圆极化电磁波，S2(R)1(L)和S2(L)1(L)表示透射系数，即端口1右旋圆极化波从端口1入射，右旋圆极化波和左旋圆极化波从端口2透射的透射系数。在频率5.8G时左右旋极化波透射为-3.1dB。图9是S2(R)1(L)，S2(L)1(L)相位仿真结果。频率在5.8G时透射幅度相同，相位一样。根据电磁场理论，旋向相反并且幅度相位相同的圆极化电磁波叠加形成线极化电磁波。左旋圆极化波从端口1入射，y方向的线极化波从端口2透射。经过计算在5.8G转换效率为97％。本专利的结构是左旋圆极化波与线极化波的相互转换，只要将第一层结构中开缝隙的角度变成与本发明提出的缝隙角度垂直的方向，其它结构不变，则形成右旋圆极化波与线极化波相互转换。其转换的形式和右旋圆极化波和线极化转换一样，其正视图如图10所示。
上述实施例可以看出，本发明提出了一种新的极化转换方式，基于该极化转换方式，本发明提供的极化转换器能通过其中的谐振单元结构进行周期性扩展；与传统的极化转换器相比，本发明提供的极化转换器结构简单、易加工，通过调节结构的大小，可以方便实现谐振频率的调谐；本发明提供的极化转换器的厚度只有3mm，占用体积小，完全符合现代无线电通信技术低剖面的要求。
上述实施例的作用仅在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。对本发明技术方案进行简单修改或者简单替换不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。

Claims (6)

1.一种基于频率选择平面的极化转换器，其特征在于：由多个谐振单元阵列组成，每个谐振单元均包括五层结构，第一层由四个开缝金属圆按2×2阵列组成，第二层、第四层分别为F4B介质板，第三层为中间金属板，第五层由四个开缝金属圆按2×2阵列组成，第一层四个开缝金属圆与第五层四个开缝金属圆对称布于谐振单元的两外侧；所述第一层四个开缝金属圆的每个圆上均开有过圆心的缝和位于缝一侧的圆孔，且四个圆上的缝与水平方向均成45°或135°夹角；所述第五层四个开缝金属圆的每个圆上均开有过圆心的缝和位于缝一侧的圆孔，且相邻两个圆上的缝与水平方向分别成45°、135°夹角；所述F4B介质板、中间金属板上也设有圆孔，五层结构上的通孔形成四个贯穿谐振单元的通孔。
2.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于：中间金属板圆孔直径大于通孔直径。
3.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于：F4B介质板介电常数为2.65。
4.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于：该极化转换器的厚度为3mm。
5.根据权利要求4所述的极化转换器，其特征在于：各谐振单元的尺寸为30*30*3mm。
6.根据权利要求5所述的极化转换器，其特征在于：各开缝金属圆的直径为14.56mm，缝的宽度为0.7mm，缝的长度为10mm。
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