CN108429015B - 一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜 - Google Patents

一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，主要解决现有电磁波调控设备无法在凹面表面上同时调控极化状态与波束指向的问题，包括载体和覆贴在该载体圆柱形凹面上的超表面，超表面由m×n个超表面单元周期性排列而成，超表面单元包括介质板、金属谐振环贴片和金属地板，金属谐振环贴片采用矩形环结构，其任意一边与入射线极化电磁波的电场方向之间的夹角为45度，用于产生呈90°相位差的主极化和交叉极化两个电场分量，且通过调整矩形环结构的两个边长的尺寸，可以调控极化转换效率和反射相位。本发明可以实现线极化电磁波转换成其它任意极化的电磁波，同时实现波束指向的调控，可用于微波通信与雷达探测系统。

Description

一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，特别涉及一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，可用于微波通信与雷达探测系统。
技术背景
在无线通信系统中，极化状态与传播方向是利用电磁波进行微波通信的两个最基本的参数。对于不同的无线通信系统，对电磁波的极化状态和传输方向的要求都不尽相同，例如，手机无线通信网络中一般使用全向线极化电磁波进行通信，地面与卫星通信一般使用高定向圆极化电磁波进行通信，而雷达探测则需要多种不同类型的天线以适应不同的探测需求。
为了使电磁波满足不同的无线通信系统的需求，需要对电磁波的极化状态或者传播方向进行调控。现有研究对于电磁波的调控设计，通常只能单一地实现极化转换或者改变电磁波的传输方向，难以实现极化状态与波束指向的同时调控。例如，授权公告号为CN104638321 B，名称为“基于多层频率选择表面的极化转换器”的中国专利，公开了一种周期性单元组成的平面结构，周期性单元使用切角型方形贴片和方环组合的结构，实现了线极化电磁波到其它极化电磁波的转化，但是每个周期性单元的结构尺寸都是相同的，无法同时调控电磁波的传输方向，且很难应用于凹形结构的曲面外形上。再如，授权公告号为CN102983413 B，名称为“反射阵列天线的反射面”的中国专利，公开了一种平面反射面结构，该结构使用不同尺寸的人造结构单元，实现了对波束指向的调控，提高了天线的增益，但是该人造结构单元使用了平面雪花状的结构，无法同时调控电磁波的极化状态，同样很难应用于凹形结构的曲面外形上。
综上所述，现有研究对于电磁波极化状态或者传输方向的调控，只能实现其中一个参数的调控，且仅限于平面结构。然而，随着科技的日益发展，卫星等无线通信系统朝着多功能化、小型化、易于集成到载体的方向发展，把天线等电磁波的发射和接收设备覆贴到卫星等通信载体的圆柱腔体内部的凹形曲面上将进一步实现一体化设计，可以大大减小通信设备的尺寸，对卫星等无线通信系统具有重要的意义。但利用凹形曲面操控电磁波很难实现极化在不同位置处都转换成相同的状态，更难以同时调控电磁波的方向，因此现有的电磁波极化转换装置和波束指向调控的设备的应用范围难以推广到凹形曲面上进行加载。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，通过在圆柱形凹面载体上覆贴一层超表面结构，利用多个不同尺寸斜45度的亚波长矩形环贴片，可以将线极化平面电磁波转换成其它任意极化的平面电磁波，同时实现对反射波束方向的自由调控。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，包括载体1和超表面2，其中：
所述载体1，采用外侧表面为圆柱形凹面的立体结构。
所述超表面2，由m×n个超表面单元21周期性排列而成，m≥5，n≥5，所述超表面单元21包括介质板211、印制在介质板211一个侧面的金属谐振环贴片212和另一个侧面的金属地板213，所述金属谐振环贴片212采用矩形环结构，其任意一边与入射线极化电磁波的电场
Figure BDA0001623635540000021
方向之间的夹角为45度，用于产生呈90°相位差的主极化
Figure BDA0001623635540000022
和交叉极化两个电场分量，所述矩形环结构两个边长的尺寸，由该矩形环结构在超表面2上所处位置的极化转换效率η和主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000024
确定。
所述超表面2覆贴在载体1的圆柱形凹面上，用于实现将入射的线极化平面电磁波转换成其它任意极化状态的平面电磁波，同时实现波束指向的调控。
所述主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000025
的计算公式为：
Figure BDA0001623635540000026
其中，θ是超表面2所要实现的反射波束指向，k是传播常数，△x和△h是矩形环结构分别在x和z方向上到反射镜凹面上中心点的距离，
Figure BDA0001623635540000027
是任意相位常数。
上述极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，所述矩形环结构，其在超表面2上所处位置的极化转换效率η，由所述超表面2所要实现的反射电磁波的极化状态确定，且0≤η≤1，其中当反射电磁波的极化状态为主线极化时η＝0，当反射电磁波的极化状态为圆极化时η＝0.5，当反射电磁波的极化状态为交叉线极化时η＝1，当反射电磁波的极化状态为其它类型的椭圆极化时，η为除0、0.5和1以外的其它数值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明由于超表面覆贴在载体的圆柱形凹面上，超表面由多个超表面单元周期性排列而成，超表面单元的金属谐振环贴片采用矩形环结构，矩形环任意一边与入射线极化电磁波的电场方向之间的夹角为45度，可以产生呈90°相位差的主极化和交叉极化两个电场分量，且矩形环的两个边长的尺寸由该矩形环在载体的圆柱形凹面上所处位置的极化转换效率和主极化反射相位确定，可以将入射的线极化平面电磁波转换成其它任意极化状态的平面电磁波，同时实现波束指向的调控，扩大了现有电磁波调控设备的应用范围。
2、本发明的超表面由于覆贴在载体的圆柱形凹面上，因此易于覆贴到卫星等通信载体的圆柱腔体内部的凹形曲面上。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的超表面单元结构示意图；
图3是本发明的波束指向调控的原理图；
图4是本发明实施例的超表面单元的反射相位随频率变化仿真图；
图5是本发明实施例的超表面单元的极化转换效率随频率变化仿真图；
图6是本发明实施例的超表面凹面反射镜的反射电场的仿真图；
图7是本发明实施例的超表面凹面反射镜的远场轴比的仿真图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明包括载体1和超表面2，载体1采用外侧表面为圆柱形凹面的立体结构，超表面2由40×40个超表面单元21周期性排列而成，超表面2覆贴在载体1的圆柱形凹面上，用于实现将入射的线极化平面电磁波转换成其它任意极化状态的平面电磁波，同时实现波束指向的调控。
超表面单元21，其结构如图2所示，包括介质板211、印制在介质板211一个侧面的金属谐振环贴片212和另一个侧面的金属地板213。介质板211的相对介电常数为4.4，其在x和y方向上的周期都是5mm。金属谐振环贴片212采用矩形环结构，以便于使矩形环的两条边都可以与x或者y方向形成的夹角为45度，其中环宽为0.3mm。入射电磁波的电场
Figure BDA0001623635540000031
方向为y方向，频率范围为14.8GHz到15.2GHz，矩形环任意一边与入射线极化电磁波的电场
Figure BDA0001623635540000032
方向之间的夹角为45度，可以使反射电磁波产生主极化和交叉极化
Figure BDA0001623635540000034
两个电场分量，且
Figure BDA0001623635540000035
和
Figure BDA0001623635540000036
的相位差
Figure BDA0001623635540000037
保持90°不变，若夹角不是45度，则
Figure BDA0001623635540000038
和
Figure BDA0001623635540000041
的相位差会随着频率和矩形环的尺寸变化，无法实现相位差不变的特点。矩形环结构的两个边长的尺寸a和b，由其在超表面2上所处位置的极化转换效率η和主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000042
确定，其中矩形环边长尺寸为a的边所在的方向，与x轴逆时针旋转45度的方向相同，矩形环边长尺寸为b的边所在的方向，与x轴顺时针旋转45度的方向相同。通过调整矩形环边长的尺寸a和b，可以实现任意0到1之间的交叉线极化转换效率η，以及0°到360°之间的主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000043
由于
Figure BDA0001623635540000044
保持90°不变，因此也可以实现任意0°到360°之间的交叉线极化反射相位
Figure BDA0001623635540000045
本实施例选取a＝3.46mm和b＝2.42mm，以及a＝1.16mm和b＝5.62mm两种尺寸作解释说明。
矩形环结构在超表面2上所处位置的极化转换效率η，定义为
Figure BDA0001623635540000046
由所述超表面2所要实现的反射电磁波的极化状态确定，且0≤η≤1，其中ry和rx分别指的是电磁波在主极化y方向上和交叉极化x方向上的反射系数。当反射电磁波的极化状态为主线极化时，此时无交叉极化反射系数rx产生，因此η＝0；当反射电磁波的极化状态为圆极化时，此时主极化反射系数ry和交叉极化反射系数rx相等，因此η＝0.5；当反射电磁波的极化状态为交叉线极化时，此时无主极化反射系数ry产生，因此η＝1；主线极化、圆极化和交叉线极化都属于一种特殊的椭圆极化，当反射电磁波的极化状态为其它类型的椭圆极化时，η为除0、0.5和1以外的其它数值，其可以由所需的椭圆极化轴比来确定。本实施例选用η＝0.5的矩形环尺寸a和b用于实现圆极化反射，入射的y方向主极化电磁波可以反射产生y方向主极化和x方向交叉极化两个分量的线极化电磁波，这两个极化分量组合叠加后形成了圆极化电磁波，从而说明其它任意极化的电磁波同样可以通过这两个极化分量进行组合实现。
矩形环结构在超表面2上所处位置C点的主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000047
可以根据光程相位相等的特点进行计算，其工作原理如图3所示。平面电磁波沿着z轴的负方向入射，其中P点和Q点是等相位点，入射波照射到超表面2后会被反射，通过超表面2的相位调控后，反射波在超表面2的不同位置处全部指向角度θ，其中路径
Figure BDA0001623635540000048
与路径
Figure BDA0001623635540000049
的长度差为
Figure BDA00016236355400000410
由于波前B和D点的相位差为0，可得
Figure BDA00016236355400000411
因此C点的主极化反射相位
Figure BDA00016236355400000412
为：
Figure BDA00016236355400000413
其中，△x和△h是C点分别在x和z方向上到A点的距离,A点是反射镜凹面上的中心点，其具体指的是凹面的对角点连接而成的两条最短弧线在该凹面上的交点，k是传播常数，
Figure BDA0001623635540000051
是A点的反射相位，其是任意常数。当所需反射角度θ确定后，就可以计算得到主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000052
交叉线极化反射相位
Figure BDA0001623635540000053
也可以随之确定，本实施例选取θ＝30°，平面电磁波的工作频率为15GHz，极化方向为y方向。
本发明的设计流程为：首先对超表面单元21进行仿真，得到极化转换效率η和主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000054
随矩形环的尺寸a和b变化的数据库，然后根据所需要实现的反射电磁波的极化状态和波束指向θ来确定超表面2在载体1的圆柱形凹面上不同位置处的η和
Figure BDA0001623635540000055
以及通过入射电磁波的极化方向确定矩形环的方向，最后根据所需的η和
Figure BDA0001623635540000056
从数据库中选取矩形环的尺寸a和b，实现超表面凹面反射镜的设计。
以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步说明。
1、仿真条件及内容
1.1仿真条件：使用商业仿真软件CST Microwave Studio对上述实施例进行仿真。
1.2仿真内容：
(1)对上述实施例的超表面单元的反射相位和极化转换效率随频率变化关系进行仿真计算，结果分别如图4和图5所示。
(2)对上述实施例的超表面凹面反射镜的反射电场和远场轴比进行仿真计算，结果分别如图6和图7所示。
2、仿真结果分析
参照图4，当矩形环分别取a＝3.46mm和b＝2.42mm，以及a＝1.16mm和b＝5.62mm两种尺寸时，主极化与交叉极化的反射相位差
Figure BDA0001623635540000057
在14.8GHz-15.2GHz频率下始终保持90°不变，当频率为15GHz时，主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000058
在两种不同矩形环尺寸下分别是145°和50°，实现了了不同的主极化反射相位
Figure BDA0001623635540000059
参照图5，当矩形环分别取a＝3.46mm和b＝2.42mm，以及a＝1.16mm和b＝5.62mm两种尺寸时，极化转换效率在15GHz时可以保持相同的η＝0.5，实现了对极化转换效率的调控。
图4和图5的仿真结果说明，矩形环尺寸a和b变化时，可以在反射相位差保持不变的前提下，实现对反射相位
Figure BDA00016236355400000511
的调控，同时使反射电磁波为圆极化状态。
参照图6，在15GHz时，电场的反射方向为30度方向，与设计的反射角度θ＝30°一致，实现了对电磁波束指向的调控。
参照图7，在15GHz时，30度方向的远场轴比基本上是接近于1的，表现出良好的圆极化特性，实现了线极化到圆极化的转换。
以上仿真结果说明，本发明的超表面凹面反射镜，超表面覆贴在载体的圆柱形凹面上，超表面单元的金属谐振环贴片采用了斜45°的矩形环贴片结构，通过调节矩形环贴片在超表面不同位置处的尺寸，实现了线极化的平面电磁波转换成了圆极化的平面电磁波，同时把波束指向调控为30度方向。
以上描述仅是本发明的优选实施例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，其特征在于，包括载体(1)和超表面(2)，其中：
所述载体(1)，采用外侧表面为圆柱形凹面的立体结构，圆柱形凹面的轴线和位置最低的母线确定坐标yz平面，且z轴正方向由位置最低的母线垂直指向轴线；
所述超表面(2)，由m×n个超表面单元(21)周期性排列而成，m≥5，n≥5，所述超表面单元(21)包括介质板(211)、印制在介质板(211)一个侧面的金属谐振环贴片(212)和另一个侧面的金属地板(213)，所述金属谐振环贴片(212)采用矩形环结构，其任意一边与沿z轴负方向入射的线极化电磁波的电场
Figure FDA0002281483280000011
方向之间的夹角为45度，用于产生呈90°相位差的反射电磁波的主极化
Figure FDA0002281483280000012
和交叉极化
Figure FDA0002281483280000013
两个电场分量，所述矩形环结构两个边长的尺寸，由该矩形环结构在超表面(2)上所处位置的极化转换效率η和主极化反射相位
Figure FDA0002281483280000014
确定；
所述超表面(2)覆贴在载体(1)的圆柱形凹面上，用于实现将入射的线极化平面电磁波转换成其它任意极化状态的平面电磁波，同时实现波束指向的调控；
所述极化转换效率η和主极化反射相位的计算公式分别为：
Figure FDA0002281483280000016
Figure FDA0002281483280000017
其中，ry和rx分别表示反射电磁波在主极化y方向上和交叉极化x方向上的反射系数；θ是超表面(2)所要实现的反射波束指向，k是传播常数，Δx和Δh是矩形环结构分别在x和z方向上到反射镜凹面上中心点的距离，是圆柱形凹面位置最低的母线处的反射相位，可取任意常数。
2.根据权利要求1所述的一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，其特征在于，所述矩形环结构，其在超表面(2)上所处位置的极化转换效率η，由所述超表面(2)所要实现的反射电磁波的极化状态确定，且0≤η≤1，其中当反射电磁波的极化状态为主线极化时η＝0，当反射电磁波的极化状态为圆极化时η＝0.5，当反射电磁波的极化状态为交叉线极化时η＝1，当反射电磁波的极化状态为其它类型的椭圆极化时，η为除0、0.5和1以外的其它数值。
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