CN108461926A - 基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面 - Google Patents

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李波
章雄
章一雄
赵轩楷
刘雨柔
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    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/22—Reflecting surfaces; Equivalent structures functioning also as polarisation filter

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Abstract

本发明公开一种基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，由若干个相同的单元结构在二维方向上周期排列而成，其单元结构包括两个相互交错的Pierrot结构，该Pierrot结构是经过两次弯折的导体棒，单元结构中的一个Pierrot结构是通过另一个围绕单元中心轴旋转180度，再沿中心轴平移一段距离得到。本发明的圆极化频率选择表面能在其工作带宽内完全反射左旋圆极化波而无损地传输右旋圆极化波，当垂直于周期表面方向入射左旋圆极化波时，单元结构中的两个Pierrot结构能够同时谐振，其相对工作带宽可提高至19％。本发明能够覆盖X波段的上行频率和下行频率，有着很好的实际应用价值。

Description

基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面
技术领域
本发明涉及一种基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，属于电磁场与微波技术领域。
背景技术
频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是由若干相同的单元按二维周期性排列而成的阵列结构，它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有频率选择滤波特性。圆极化FSS作为FSS的一种，它对圆极化电磁波具有频率选择滤波作用，即在谐振频率处，其能够使入射的左旋圆极化电磁波(或右旋圆极化电磁波)完全反射，而入射的右旋圆极化电磁波(或左旋圆极化电磁波)完全透射。由于圆极化波在穿过雨雪层和电离层时，引入的损耗小，也不存在线极化波极化面旋转的问题，因而CPSS在卫星通信、导航系统和汽车雷达等方面得到广泛应用。
实现圆极化FSS的方式一般有两种：第一种是采用多层结构，先将入射的圆极化电磁波转为线极化波，随后在线极化状态进行选择滤波，最后再将线极化波转换为圆极化波，这种方式对加工精度要求较高；另一种方式则不需要经过线极化波与圆极化波转换，直接对圆极化波进行选择滤波，最早能够实现这种方式的结构为皮埃罗(Pierrot)单元结构，它是由一根总长为一个波长的导体棒经两次弯折而成，其在谐振频率处能够完全地反射左旋圆极化波而无损地传输右旋圆极化波。导体棒的弯折过程如下：将导体棒平行中心轴放置，将导体棒以1.5：1：1.5的比例划分，依次记为上、中、下三段，再分别将导体棒上段和下段沿垂直于轴向的两个正交方向弯折90°，弯折后的三段导体彼此正交，其中上、下相等的两段被称为两个横臂，中间一段被称为纵臂。两个横臂具有相同的长度，保证了较低的轴比值。中间的纵臂长度为四分之一波长，保证了产生圆极化波的90度空间相位差。
相比于多层结构，虽然Pierrot单元结构的实现不需要较高的加工精度，但是其相对带宽难以拓宽，这是因为Pierrot单元结构仅仅包含一根弯折的导体棒，在工作带宽内只能提供一个谐振点。近几年国外研究者对Pierrot单元结构仅从加工角度进行改进，例如在柔性的衬底材料上印刷薄的金属条，每根金属条包含Pierrot单元的两个横臂和一个纵臂，沿着横臂和纵臂的连接处对柔性材料进行弯折，形成一个锯齿栅形的结构，从而更方便的实现集成化。然而，单元结构中只包含一个Pierrot结构，相对工作带宽只能达到7％(左旋圆极化波入射时，反射系数小于-10dB)，因而存在相对带宽较窄的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，通过在单元结构中设置两个相互交错的Pierrot结构，且这两个Pierrot结构在周期平面(xoy平面)内呈角对称排布，当左旋圆极化波入射至本发明的下表面时，单元结构中的两个Pierrot结构同时产生谐振，从而提高其相对工作带宽，并且保证了在工作带宽内左旋圆极化波和右旋圆极化波的轴比都低于3dB。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，由若干个相同的单元结构在二维方向上周期排列而成，所述单元结构为三维立体结构，包含两个尺寸完全相同的Pierrot结构，两个Pierrot结构相互交错，并在xoy平面内呈角对称排布。
前述的每个Pierrot结构为经过两次弯折的导体棒，其弯折过程如下：将导体棒沿着平行于z轴方向放置，并将导体棒以1.5：1：1.5的比例划分，依次记为上、中、下三段，再分别将导体棒上段和下段沿垂直于中心轴向的两个正交方向弯折90°，弯折后的三段导体彼此正交，其中上、下相等的两段被称为两个横臂，中间一段被称为纵臂。
前述的将两个Pierrot结构分别记为P1和P2，P1和P2的一个横臂分别位于单元结构的上表面和下表面；两个Pierrot结构的相对位置通过如下方式确定：P2是由P1先绕单元结构z轴旋转180°，最后再沿着z轴负方向偏移dz距离所确定。
前述的设导体棒P1的两个横臂距离z轴的距离为dx和dy，则，满足：dx＝dy＝13mm，dz＝7mm。
前述的频率选择表面的周期为p，p＝16.2mm。
前述的每个Pierrot结构的总长度为38.9mm，直径为0.4mm，相应的，导体棒的纵臂h为：h＝9.7mm，两个横臂l为：l＝14.6mm。
前述的Pierrot结构导体棒材质为铜，且弯折后的导体棒直径处处相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、该发明结构简单，仅仅包含两根弯折的金属铜棒，因而实现更加方便。
2、两根完全相同的金属铜棒，在谐振频率处能够同时产生谐振，从而提高了圆极化频率选择表面的相对带宽，频段范围能够覆盖X波段(频率在7-11.2GHz的无线电波波段)的上行频率(7.9-8.4GHz)和下行频率(7.25-7.75GHz)，有着很好的实际应用价值。
3、由于两个横臂相同，且整体结构的对称性，保证了该结构在宽带频段范围内有较低的轴比。
附图说明
图1是本发明的谐振单元结构示意图；
图2(a)和2(b)分别为图1中单元结构投影到xoy和xoz两个坐标平面的结构图；
图3(a)为入射左旋圆极化波时的散射参数仿真结果；
图3(b)为入射右旋圆极化波时的散射参数仿真结果；
图3(c)为本发明的单元结构入射左旋圆极化波与右旋圆极化波的轴比系数。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面由若干个相同单元结构在二维方向上周期排列而成，如图1所示，xoy平面为周期平面，z轴为单元结构的中心轴，入射的圆极化电磁波沿+z轴方向传播。单元结构为三维立体结构，包含两个尺寸完全相同的Pierrot结构。两个Pierrot结构相互交错，并在xoy平面内呈角对称排布。其中，Pierrot结构为经过两次弯折的导体棒，其弯折过程如下：将导体棒沿着平行于z轴方向放置，并将导体棒以1.5：1：1.5的比例划分，依次记为上、中、下三段，再分别将导体棒上段和下段沿垂直于中心轴向的两个正交方向弯折90°，弯折后的三段导体彼此正交，其中上、下相等的两段被称为两个横臂，中间一段被称为纵臂。
如图1所示，两个Pierrot结构分别记为P1和P2。为了保证整体结构的紧凑性，P1和P2的横臂分别位于单元结构的上、下表面。该圆极化FSS的周期为p，p＝16.2mm。每个Pierrot结构的总长度为38.9mm，且导体棒的直径远远小于其总体长度。进一步的，本发明的Pierrot结构导体棒材质为铜，且弯折后的导体棒直径处处相等。
图2(a)和2(b)分别是图1中单元结构在xoy平面和xoz平面的投影，两个Pierrot结构的相对位置通过如下方式确定：P2是由P1先绕单元结构z轴旋转180°，最后再沿着z轴负方向偏移dz距离所确定。如图2所示，d为Pierrot结构导体棒的直径，dx和dy为单元结构中心轴与两个Pierrot结构横臂的距离，h和l分别为Pierrot结构纵臂和横臂的长度，具体尺寸如下：d＝0.4mm，dx＝dy＝13mm，dz＝7mm，h＝9.7mm，l＝14.6mm。
图3(a)和(b)为该圆极化FSS的散射参数仿真结果，其中，S11(LL)表示入射左旋圆极化波反射同为左旋圆极化波的反射系数，S21(LL)表示入射左旋圆极化波的透射系数；S11(RR)表示入射右旋圆极化波反射同为右旋圆极化波的反射系数，S21(RR)表示入射右旋圆极化波的传输系数。从图3(a)中可以看出，该圆极化FSS在工作带宽内产生两个谐振点，分别为f1(7.5GHz)和f2(8.2GHz)，因而具有的较宽的相对带宽。S11(LL)的中心频点为8GHz，频带范围为7.25-8.8GHz(|S21(LL)|<-10dB)，其相对带宽能够达到19％。在图3(b)中，|S21(RR)|在7.25-8.8GHz频带范围内大于-0.5dB。综上所述，该结构能够在频带范围为7.25-8.8GHz的内完全反射左旋圆极化波而无损的传输右旋圆极化波，具有宽带极化选择特性。
图3(c)为圆极化FSS在左旋和右旋圆极化波入射下产生的轴比系数，其中，LCP曲线为入射左旋圆极化波时反射得到的左旋圆极化波的轴比系数，RCP曲线为入射右旋圆极化波时反射得到的右旋圆极化波的轴比系数。如图所示，轴比小于3dB的左旋圆极化波的频带范围为6.5-9GHz，而轴比小于3dB的右旋圆极化波频带范围为6.7-8.9GHz，它们均能完全覆盖X波段(频率在7-11.2GHz的无线电波波段)的上行频率(7.9-8.4GHz)和下行频率(7.25-7.75GHz)，这也进一步表明该结构能够很好地应用于X波段。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，其特征在于，由若干个相同的单元结构在二维方向上周期排列而成，所述单元结构为三维立体结构，包含两个尺寸完全相同的Pierrot结构，两个Pierrot结构相互交错，并在xoy平面内呈角对称排布。
2.根据权利要求1所述的基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，其特征在于，每个Pierrot结构为经过两次弯折的导体棒，其弯折过程如下：将导体棒沿着平行于z轴方向放置，并将导体棒以1.5：1：1.5的比例划分，依次记为上、中、下三段，再分别将导体棒上段和下段沿垂直于中心轴向的两个正交方向弯折90°，弯折后的三段导体彼此正交，其中上、下相等的两段被称为两个横臂，中间一段被称为纵臂。
3.根据权利要求2所述的基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，其特征在于，将两个Pierrot结构分别记为P1和P2，P1和P2的一个横臂分别位于单元结构的上表面和下表面；两个Pierrot结构的相对位置通过如下方式确定：P2是由P1先绕单元结构z轴旋转180°，最后再沿着z轴负方向偏移dz距离所确定。
4.根据权利要求3所述的基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，其特征在于，设导体棒P1的两个横臂距离z轴的距离为dx和dy，则，满足：dx＝dy＝13mm，dz＝7mm。
5.根据权利要求1所述的基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面的周期为p，p＝16.2mm。
6.根据权利要求2所述的基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，其特征在于，所述每个Pierrot结构的总长度为38.9mm，直径为0.4mm，相应的，导体棒的纵臂h为：h＝9.7mm，两个横臂l为：l＝14.6mm。
7.根据权利要求2所述的基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，其特征在于，所述Pierrot结构导体棒材质为铜，且弯折后的导体棒直径处处相等。
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