CN108183291A - 一种基于siw的透射型多层极化转换结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种基于SIW的透射型多层极化转换结构。本发明通过在三个金属层中采用SIW结构，结合SIW高阶场耦合的作用，结构中只存在TM模式，在TM120与TM210模式的电场耦合下，对入射电场进行调控，进而实现电场在该结构中的偏转。本发明实现的极化调控结构具有超薄，高效，结构简单等特点，且可以通过调节几何尺寸来实现作用在不同波段满足极化转换的效果，并且制作工艺和成本都较低，使其大批量、标准化生产成为可能。

Description

一种基于SIW的透射型多层极化转换结构
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及通过超材料实现电磁波的极化调控，具体涉及一种基于SIW的透射型多层极化转换结构。
背景技术
电磁波的极化是电磁学理论中一个重要的物理概念，它是由电磁波传输过程中电场矢量E随时间的振荡轨迹来表征。超材料作为一种具有奇特物理现象的人工电磁复合结构材料，利用其结构中亚波长周期金属单元的电磁耦合效应，可实现自然界媒质所不具有的物理特性。许多超材料结构，例如开口谐振环展现出了对电磁波的良好调控特性，在航空、航天、医疗和卫生等领域都有着重要的应用前景。如何利用超材料的电磁谐振特性对电磁波的极化状态进行有效地调控成为超材料领域中的研究热点之一。
目前，传统极化调控材料很多，常见的有天然双折射材料、手征超材料和各向异性超材料；但是，传统的极化调控材料存在极化转换效率低、极化机理单一和极化状态模式单一等问题。因此探索新的极化机理以及实现高效率传输值得探究，其中，SIW(substrateintegrated waveguide)作为一种微波波导器件，其具有聚集场分布、引导电磁波的作用，进而通过高阶电场耦合实现极化调控。区别于传统的电磁耦合，这种场增强的效果具有制备简单，传输效率高，结构设计简单等优点，因此，该方法已经初步应用于设计极化调控结构。基于SIW的两层结构极化调控已经被广泛应用，但是，基于SIW的透射型多层极化调控结构还未报道。
随着超材料的蓬勃发展，各种透射型多层极化调控结构也越来越多，但是在结构的设计阶段缺少公式的指导一直都是存在的问题，结构设计与应用频段无法存在明确的关系；其次则是众多结构的表面图形的设计较为复杂，其极化调控机理是通过表面结构改变电流或电场分布，其极化机理较为单一、设计较为困难；基于SIW的双层结构设计也开始出现，但是其目前所实现带宽较窄以及大多数为反射型，但是结合SIW的三层透射型极化调控结构还未报道。
现阶段许多三层超材料结构也可以很好的实现电磁波的极化调控，但是由于其只能通过结构设计来实现电场的偏转，因此只有通过设计复杂的表面图形来实现；近几年，许多三层结构均是通过顶层与底层来实现电场的偏转，中间层则是起到滤波的作用，因此基于传统开口环、“S”型结构的设计被广泛应用到顶层与底层的设计，但是由于传统结构层与层之间的耦合作用很难调节到相近的频点，三层之间作用频带往往不会有重合，因此传统三层结构的设计较少以及限制较多。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有三层结构设计复杂和难以实现层与层之间难以实现同频带等缺点，本发明提供了一种基于SIW的透射型多层极化转换结构，在CST仿真及实验过程中通过三层结构及其电场分布的耦合，实现电场y-x的极化转换。
该基于SIW的透射型多层极化转换结构包括，底部金属层、中间金属层、顶部金属层、金属圆柱或金属通孔以及介质基板。
其中介质基板有2个，分别位于顶部金属层和中间金属层、中间金属层和底部金属层之间。三层金属层以及介质基板均为正方形，且大小相适应，各层完全重叠的堆叠设置，边长W为14～26mm。三层金属层的厚度相同，为0.005～0.5mm，二层介质基板的厚度相同，为1.3～1.9mm。
三层金属层及介质基板大小由矩形波导谐振频率公式推导而来，如下公式(a)
由公式可知，本发明的极化转换结构各层设计边长W与其应用频段有一一对应的关系，各层边长W为14～26mm，器件对应的频段f为9.3～17GHz；其中m、n为高阶模模式数取1、2或2、1，D为金属圆柱或金属通孔直径，P为相邻金属圆柱或金属通孔的圆心距，εr为介质基板的介电常数，c0为真空中光速。
其中SIW金属圆柱或金属通孔的设计按照公式(b)，其中λ0为空气中电磁波的波长，
三个金属层中均设有一个贯穿所属金属层的矩形槽，矩形槽的长边与所属金属层的一边平行。顶部金属层的矩形槽其长边距所属金属层的最近平行边距离≤0.35W，矩形槽的长l为9～15mm，宽为0.25～2mm；将带矩形槽的顶部金属层以其物理中心成旋转90度即带矩形槽的底部金属层；中间金属层的矩形槽与其物理中心重合，矩形槽的长边与底层金属层的矩形槽长边平行，长为8～16mm，宽为7～13mm。
所述顶部金属层矩形槽的长边l的公式如下：
本发明通过在三个金属层中采用SIW结构，结合SIW高阶场耦合的作用，结构中只存在TM模式，公式(a)中m、n取1、2或2、1，因此在TM120与TM210模式的电场耦合下，对入射电场进行调控，进而实现电场在该结构中的偏转。
综上所述，本发明实现的极化调控结构具有超薄，高效，结构简单等特点，且可以通过调节几何尺寸来实现作用在不同波段满足极化转换的效果，并且制作工艺和成本都较低，使其大批量、标准化生产成为可能。
附图说明
图1为实施例的透射型多层极化转换结构示意图；
图2为实施例制备的样品，其中图2-1为正面，图2-2为背面；
图3为实施例仿真结果与测试结果的对比示意图实施例；
图4为实施例的仿真电场示意图，。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
CST中：W＝20mm，两层介质介电常数为2.2，损耗为0.0007，厚度均为1.6mm；底部金属层、中间金属层和顶部金属层均为0.01mm厚的铜层；l＝12mm，底部金属层、顶部金属层上的矩形槽宽度为1.5mm；中间金属层上的矩形槽长宽为12、10mm。
在微波暗室中完成测试，分析仿真结果与测试结果的误差；
得到的仿真测试对比(图3)可知二者差别不大，且很好的达到了预期的效果，验证了该结构的可行性；图3中实线与虚线分别为实施例仿真与实际测试得到的y-x的极化转换数据，其中横坐标为应用频段，纵坐标为线性传输幅值。
接入y方向的入射电场，即电场方向与顶部金属层矩形槽的长边相垂直，入射电场经过该结构会发生极化转换；出射电场会与入射电场相比偏转90度，即x方向。图4为实施例的电场分析图，图4-1、4-2、4-3代表随着电磁波在该结构的传输，y方向电场逐渐减小，4-4、4-5、4-6代表随着电磁波在该结构的传输，x方向电场逐渐增强，因此产生了y-电场转化为x-电场，验证了y-x的极化转换；可见，本发明可在不同几何参数下实现y-x的极化调控。

Claims (1)

1.一种基于SIW的透射型多层极化转换结构，包括底部金属层、中间金属层、顶部金属层、金属圆柱或金属通孔以及介质基板，其特征在于：
介质基板有2个，分别位于顶部金属层和中间金属层、中间金属层和底部金属层之间；三层金属层以及介质基板均为正方形，且大小相适应，各层完全重叠的堆叠设置，其边长W为14～26mm；三层金属层的厚度相同，为0.005～0.5mm，二层介质基板的厚度相同，为1.3～1.9mm；
三层金属层及介质基板大小由矩形波导谐振频率公式推导而来，公式如下：
其中m、n为高阶模模式数取1、2或2、1，D为金属圆柱或金属通孔直径，P为相邻金属圆柱或金属通孔的圆心距，εr为介质基板的介电常数，c0为真空中光速；
其中SIW金属圆柱或金属通孔的设计按照公式(b)，λ0为空气中电磁波的波长；
三个金属层中均设有一个贯穿所属金属层的矩形槽，矩形槽的长边与所属金属层的一边平行；
顶部金属层的矩形槽其长边距所属金属层的最近平行边距离≤0.35W，矩形槽的长l为9～15mm，宽为0.25～2mm；将带矩形槽的顶部金属层以其物理中心成旋转90度即带矩形槽的底部金属层；中间金属层的矩形槽与其物理中心重合，矩形槽的长边与底层金属层的矩形槽长边平行，长为8～16mm，宽为7～13mm；
所述顶部金属层矩形槽的长边l的公式如下：
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