CN107565224A - 一种透射型极化转换超表面 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波频段电磁波调控技术领域，具体为一种透射型极化转换超表面。该极化超表面单元包含三层金属贴片，每两层金属贴片间为介质基板，顶层和底层金属贴片结构相同。本发明通过合理的设计顶层、中间层和底层金属贴片的结构尺寸，使得入射的线极化电磁波在经过该超表面结构后继续传播，透射的电磁波在水平方向和垂直方向满足电场幅度相等，相位相差90度的条件，从而使得透射的电磁波呈圆极化特性。本发明设计的透射型圆极化超表面具有宽带、超薄、结构简单、低成本等优势，可灵活的控制电磁波的极化状态，在天线、成像、通讯系统、电磁对抗和军事隐身等领域有广泛的应用前景。

Description

一种透射型极化转换超表面

技术领域

本发明属于微波频段电磁波调控技术领域，具体涉及一种新型透射型极化转换超表面。

背景技术

极化是表征电磁波的重要特征，根据电磁波传播过程中电场矢量的轨迹来区分，当电磁波沿着波矢k方向向前传播时，随着时间的变化，若电场矢量末端的轨迹为直线、圆和椭圆时，电磁波对应的极化状态分别为线极化、圆极化和椭圆极化。一般来说一种极化的电磁波只能被辐射同种极化的电子设备接收（如水平线极化发射，水平线极化接收；左旋圆极化发射左旋圆极化接收），否则会造成信号的损失和干扰。

现代雷达和无线通信系统中，紧靠线极化天线已经很难满足要求，高增益圆极化天线由于具有抗雨雾干扰、抗多径效应等特性受到越来越多的重视。同时极化转换作为重要的干扰、抗干扰技术在雷达目标识别和电磁对抗等领域也发挥了重大作用。

传统的透射型极化转换器大多利用不同的介质厚度产生特定频率下的特定相位差需求，存在体积过大的缺点，其他利用超表面设计的圆极化器件存在带宽较窄、结构复杂、层数过多等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种新型的透射型极化转换超表面，具有宽带、超薄的特性，整体结构简单、轻质、易加工。

本发明提供的新型透射型极化转换超表面，其结构如图1、图2、图3所示，由若干个结构相同的单元周期性排列组成，每个单元均由三层金属贴片和两层介质基板组成；所述的超表面单元顶层1和底层金属贴片3结构相同，中间层金属贴片2由刻蚀了一字形缝隙的矩形环2-1、矩形边框2-2和耶路撒冷十字组成2-3，每两层金属贴片间为一层介质基板。

当空气中的线极化电磁波入射到所述转换超表面的一侧表面上时,极化转换的每个单元都产生谐振，使得透射的电磁波在水平方向和垂直方向上幅度相等，相位相差90度，并从另一侧表面辐射出去，从而完成线极化到圆极化的转换。

本发明中，所述的超表面单元的顶层金属贴片1还可刻蚀十字形缝隙，该十字形缝隙在水平方向和垂直方向的长度相同，宽度不同，顶层金属贴片1和底层金属贴片3结构相同；

本发明中，所述的中间层金属贴片2的矩形环2-1共刻蚀四条一字形缝隙，分别沿水平方向和垂直方向，每条一字形缝隙和矩形环2-1内壁的距离相等，四条缝隙宽度相等，沿同一方向刻蚀的缝隙长度相等。

本发明中，所述的耶路撒冷十字2-3的中心和矩形环2-1的中心重叠，所述的耶路撒冷十字2-3由两个正交的“I”形金属臂组成，“I”形金属臂包含中部垂直金属线和两端水平金属线（或中部水平金属线和两端垂直金属线）， 两条“I”形金属的各个部分宽度相等。

本发明中，所述的垂直“I”形金属臂中部垂直金属线和水平“I”形金属臂中部水平金属线长度不同，所述的垂直“I”形金属臂两端水平金属线和水平“I”形金属臂两端垂直金属线长度不同。

本发明中，所述的垂直“I”形金属臂两端水平金属线和水平“I”形金属臂两端垂直金属线到矩形环2-1内壁的距离相等。

本发明中，所述的矩形边框2-2为不连续结构，边框的四条边的中心位置均开有槽，其中水平方向的槽和垂直方向的槽长度不同。所述的矩形边框宽度和耶路撒冷十字宽度相等，边框位于矩形环的内部，边框的四条边到矩形环内壁的距离相等。

本发明中，所述的金属均为铜箔，所述的极化转换超表面，在水平方向和垂直方向单元数量一致。

本发明和背景技术相比具有的有益效果是：

本发明设计结构简单、轻质、超薄（3 mm）,对应中心频率9.7 GHz波长的十分之一。

本发明设计的结构尺寸小，单元尺寸仅为工作波长的十分之三。

本发明型性能良好，仿真结果表明：在9.3 GHz到10.1 GHz, 线极化入射的电磁波产生圆极化透射的电磁波，极化转换超表面的插入损耗仅为0.2 dB左右。

本发明结构多变，可针对不同的频段要求设计不同的形状和大小，同时可以通过旋转超表面满足不同的透射波极化需求（左旋圆极化或右旋圆极化）。

本发明通过合理的设计顶层、中间层和底层金属贴片的结构尺寸，使得入射的线极化电磁波在经过该超表面结构后继续传播，透射的电磁波在水平方向和垂直方向满足电场幅度相等，相位相差90度的条件，从而使得透射的电磁波呈圆极化特性。本发明设计的透射型圆极化超表面具有宽带、超薄、结构简单、低成本等优势，可灵活的控制电磁波的极化状态，在天线、成像、通讯系统、电磁对抗和军事隐身等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明新型透射型极化转换超表面整体结构示意图。

图2为本发明新型透射型极化转换超表面单元顶层表面示意图。

图3为本发明新型透射型极化转换超表面单元中间层表面示意图。

图4为本发明新型透射型极化转换超表面轴比特性仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-3所示，本发明提供了一种新型透射型极化转换超表面，工作频段为X波段，整体尺寸220×220×3mm³（长×宽×高），本实施例包括：包括顶层金属贴片1、中间层金属贴片2、底层金属贴片3、起支撑作用的上层介质基板4、起支撑作用的下层介质基板5。

如图2所示，本实施例所述的超表面单元的顶层金属贴片1刻蚀了十字形缝隙，该十字形缝隙在水平方向和垂直方向的长度相同，均为单元周期尺寸（9 mm），宽度不同,其中水平方向宽度2.4 mm，垂直方向宽度3.6 mm，顶层金属贴片1和底层金属贴片3结构相同；

如图3所示，本实施例所述的中间层金属贴片2的矩形环2-1共刻蚀四条一字形缝隙，分别沿水平方向和垂直方向，每条一字形缝隙和矩形环2-1内壁的距离相等，均为0.8 mm，四条缝隙宽度相等,均为0.2 mm，沿同一方向刻蚀的缝隙长度相等,其中沿水平方向的缝隙长度为1 mm，沿垂直方向的缝隙长度为3.7 mm。

如图3所示，本实施例所述的耶路撒冷十字2-3的中心和矩形环2-1的中心重叠，所述的耶路撒冷十字2-3由两个正交的“I”形金属臂组成，“I”形金属臂包含中部垂直金属线和两端水平金属线（或中部水平金属线和两端垂直金属线）， 两条“I”形金属的各个部分宽度相等，均为0.2 mm。

如图3所示，本实施例所述的垂直“I”形金属臂中部垂直金属线长度为4.9 mm, 水平“I”形金属臂中部水平金属线长度为4 mm，所述的垂直“I”形金属臂两端水平金属线长度为1 mm,水平“I”形金属臂两端垂直金属线长度为0.6 mm。

如图3所示，本实施例所述的垂直“I”形金属臂两端水平金属线和水平“I”形金属臂两端垂直金属线到矩形环2-1内壁的距离相等,均为0.2 mm。

如图3所示，本实施例所述的矩形边框2-2为不连续结构，边框的四条边的中心位置均开了槽，其中水平方向的槽长度为1.1 mm,垂直方向的槽长度为0.8 mm。

如图3所示，本实施例所述的矩形边框宽度和耶路撒冷十字宽度相等，均为0.2mm, 边框位于矩形环的内部，边框的四条边到矩形环内壁的距离相等,均为0.2 mm。

如图1-3所示，本实施例所述的金属均为铜箔，铜箔厚度约0.035 mm,所述的极化转换超表面，在水平方向和垂直方向单元数量一致,均为21个，采用的介质基板为雅龙AD350，介电常数3.5，损耗正切角0.003，介质厚度1.5 mm。

当空气中的线极化电磁波入射到所述转换超表面的一侧表面上时,极化转换的每个单元都产生谐振，使得透射的电磁波在水平方向和垂直方向上幅度相等，相位相差90度，并从另一侧表面辐射出去，从而完成线极化到圆极化的转换。

本实施例实施过程中利用全波仿真软件HFSS进行仿真，利用周期性边界条件和Floquet端口得到该透射型极化转换表面的单元特性，使其满足透射的电磁波的两个正交分量幅度相等、相位相差90度，再利用喇叭天线作为馈源，仿真整个超表面阵列的特性，仿真结果如图4所示。由图可知在9.3 GHz到10.1 GHz的频率范围内，线极化入射的电磁波可以产生圆极化透射的电磁波。

本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，如本发明为X波段透射型极化转换超表面，改变尺寸可适用于其他微波波段，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透射型极化转换超表面，其特征在于，由若干个结构相同的单元周期性排列组成，每个单元均由三层金属贴片和两层介质基板组成；所述的超表面单元顶层和底层金属贴片结构相同，中间层金属贴片由刻蚀了一字形缝隙的矩形环、矩形边框和耶路撒冷十字组成，每两层金属贴片间为一层介质基板。

2.根于权利要求1所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，当空气中的线极化电磁波入射到所述转换超表面的一侧表面上时,极化转换的每个单元都产生谐振，使得透射的电磁波在水平方向和垂直方向幅度相等，相位相差90度，并从另一侧表面辐射出去，从而完成线极化到圆极化的转换。

3.根于权利要求1所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，超表面单元的顶层金属贴片刻蚀有十字形缝隙，该十字形缝隙在水平方向和垂直方向的长度相同，宽度不同，顶层金属贴片和底层金属贴片结构相同。

4.根于权利要求1或3所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，中间层金属贴片的矩形环共刻蚀四条一字形缝隙，分别沿水平方向和垂直方向，每条一字形缝隙和矩形环内壁的距离相等，四条缝隙宽度相等，沿同一方向刻蚀的缝隙长度相等。

5.根于权利要求4所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，所述的耶路撒冷十字的中心和矩形环的中心重叠，所述的耶路撒冷十字由两个正交的“I”形金属臂组成，“I”形金属臂包含中部垂直金属线和两端水平金属线，或中部水平金属线和两端垂直金属线， 两条“I”形金属的各个部分宽度相等。

6.根于权利要求5所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，所述的垂直“I”形金属臂中部垂直金属线和水平“I”形金属臂中部水平金属线长度不同，所述的垂直“I”形金属臂两端水平金属线和水平“I”形金属臂两端垂直金属线长度不同。

7.根于权利要求1、3、5或6所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，所述的垂直“I”形金属臂两端水平金属线和水平“I”形金属臂两端垂直金属线到矩形环内壁的距离相等。

8.根于权利要求7所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，所述的矩形边框为不连续结构，边框的四条边的中心位置均开有槽，其中水平方向的槽和垂直方向的槽长度不同。

9.根于权利要求1、3、5、6或8所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，所述的矩形边框宽度和耶路撒冷十字宽度相等，边框位于矩形环的内部，边框的四条边到矩形环内壁的距离相等。

10.根于权利要求9所述的透射型极化转换超表面，其特征在于，所述的金属均为铜箔，所述的透射型极化转换超表面，在水平方向和垂直方向单元数量一致。