CN108767491B

CN108767491B - 一种基于fss的双频双圆极化器

Info

Publication number: CN108767491B
Application number: CN201810492268.XA
Authority: CN
Inventors: 王德乐; 黄季甫
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: CN108767491A

Abstract

本发明公开了一种基于FSS的双频双圆极化器，包括从上到下依次间隔设置的四个结构相同的极化单元，极化单元包括微波介质基板和附着在微波介质基板上表面的FSS阵列，FSS阵列包括m×n个FSS单元，m×n个FSS单元按照m行×n列的方式均匀排布，每个FSS单元包括第一矩形金属条、第二矩形金属条、第三矩形金属条、第四矩形金属条、第五矩形金属条和第六矩形金属条；优点是能够在双频段将输入的线极化波转化为正交旋向的圆极化波，高频段和低频段的工作带宽均较宽，且高频段和低频段跨频较大。

Description

一种基于FSS的双频双圆极化器

技术领域

本发明涉及一种双频双圆极化器，尤其是涉及一种基于FSS的双频双圆极化器。

背景技术

现代卫星通信系统不但对通信质量要求较高，而且对高速运动目标还需要具有较高的通信速度和较高的精准度。圆极化波相对于线极化波和椭圆极化波具有如下几个优势：圆极化波对电磁波极化的改变适应性强，能够消除极化畸变，大大改善收发机的抗干扰性；2、使用不同旋向的圆极化波能够大大改善收发机的抗信号干扰性，提高通信的准确性。3、圆极化波对大气中的雨雪等损耗较小，能够减小极化畸变，提高信号强度。故此，现代卫星通信系统常使用圆极化波进行通信。

天线作为卫星通信系统的前端，用于发射和接收电磁波，其性能关乎整个卫星通信系统的好坏。如果一个天线能够同时工作在不同频段且在不同频段内有合适的极化方式，那么这种天线可以大大地降低卫星通信系统的复杂性和成本，将具有很大的使用价值。例如：地面终端卫星通信系统要求天线，在K频段接收LHCPW(左旋圆极化波)，在高频Ka频段发射RHCPW(右旋圆极化波)。将圆极化器加载到普通线极化天线上方，能够将线极化天线输出的线极化波转化为圆极化波，帮助线极化天线辐射圆极化波。

授权公告号为CN 103457034B的中国专利公开了一种基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线，该发明包括手性人工结构材料和线极化喇叭天线。手性人工结构材料由介质基板和两层印刷在介质基板两侧周期排列的圆弧形金属线组成。手性人工结构材料放置于线极化喇叭天线上方，可在两个频段内将入射的线极化波分别转化为LHCPW和RHCPW。从功能上来看，该弧形手性人工结构材料就是一个双频双圆极化器。该手性人工结构材料在低频段11.9-12.23GHz将输入的线极化波转化为LHCPW，在高频段14.15-14.5GHz将输入的线极化波转化为RHCPW，但是此结构在低频段11.9-12.23GHz的工作带宽只有2.74％，在高频段14.15-14.5GHz的工作带宽只有2.44％；低频段的中心频率12.065GHz与高频段的中心频率14.325GHz的比值只有1:1.2，高频段和低频段跨频较小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在双频段将输入的线极化波转化为正交旋向的圆极化波，高频段和低频段的工作带宽均较宽，且高频段和低频段跨频较大的一种基于FSS的双频双圆极化器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于FSS的双频双圆极化器，包括从上到下依次间隔设置的四个结构相同的极化单元，所述的极化单元包括微波介质基板和附着在所述的微波介质基板上表面的FSS阵列，所述的微波介质基板的介电常数记为ε_r，所述的微波介质基板的厚度为h，h的取值范围为0.1mm～λ_m1/2，λ_m1为所述的双频双圆极化器工作频段中最小频率处对应的等效波长，

λ₀₁为工作频段中最小频率处对应的真空中的自由波长，所述的FSS阵列包括m×n个FSS单元，m为大于等于2的整数，n为大于等于2的整数，m×n个FSS单元按照m行×n列的方式均匀排布；每个所述的FSS单元包括第一矩形金属条、第二矩形金属条、第三矩形金属条、第四矩形金属条、第五矩形金属条和第六矩形金属条，所述的第一矩形金属条、所述的第二矩形金属条、所述的第三矩形金属条、所述的第四矩形金属条、所述的第五矩形金属条和所述的第六矩形金属条的宽度均为W，W的取值范围为0.1mm～λ_m1/10；所述的第一矩形金属条、所述的第三矩形金属条、所述的第五矩形金属条和所述的第六矩形金属条横向设置，所述的第二矩形金属条和所述的第四矩形金属条竖向设置，所述的第一矩形金属条、所述的第六矩形金属条和所述的第五矩形金属条位于同一条直线上且三者按照从左往右的顺序排列，所述的第二矩形金属条的底端与所述的第一矩形金属条的上端贴合，所述的第二矩形金属条的顶端和所述的第三矩形金属条的下端贴合，所述的第二矩形金属条的左端和所述的第三矩形金属条的左端齐平，所述的第二矩形金属条的右端和所述的第一矩形金属条的右端齐平，所述的第四矩形金属条的底端与所述的第五矩形金属条的上端贴合，所述的第四矩形金属条的顶端和所述的第三矩形金属条的下端贴合，所述的第四矩形金属条的左端和所述的第五矩形金属条的左端齐平，所述的第四矩形金属条的右端和所述的第三矩形金属条的右端齐平，所述的第六矩形金属条的左端和所述的第一矩形金属条的右端之间存在一段距离，所述的第六矩形金属条的右端和所述的第五矩形金属条的左端之间存在一段距离，所述的第六矩形金属条的左端和所述的第一矩形金属条的右端之间的距离等于所述的第六矩形金属条的右端和所述的第五矩形金属条的左端之间的距离；每行中位于第1列的FSS单元的第一矩形金属条的左端和所述的微波介质基板的左端齐平，每行中位于第n列的FSS单元的第五矩形金属条的右端和所述的微波介质基板的右端齐平，位于第j行第k列的FSS单元的第五矩形金属条的右端和位于第j行第k+1列的FSS单元的第一矩形金属条的左端贴合，j＝1，2，…，m，k＝1，2，…，n-1；位于第1行的FSS单元的第三矩形金属条的上端与所述的微波介质基板的上端存在一段距离，每相邻两行FSS单元之间均存在一段距离且相等，位于第m行的FSS单元的第一矩形金属条的下端与所述的微波介质基板的下端存在一段距离；每相邻两块微波介质基板之间的距离相等，将相邻两块微波介质基板之间的距离记为Dz，Dz的取值范围为0.1mm～λ_m1/2，位于上一层的微波介质基板固定设置在位于下一层的微波介质基板上；将所述的第一矩形金属条的长度记为L1；将所述的第二矩形金属条的长度记为L2；将所述的第三矩形金属条的长度记为L3；将所述的第四矩形金属条的长度记为L4；将所述的第五矩形金属条的长度记为L5；将所述的第六矩形金属条的长度记为L6；其中，L1＝L5＝L3/2，L1的取值范围为0.1mm～Ty/4，Ty的取值范围为λ_m1/2～λ_m1，L2＝L4，L2的取值范围为λ_m1/4～λ_m1/2；L6的取值范围为0.1mm～Ty/4。

位于上一层的微波介质基板通过泡沫材料或者多个支撑柱固定设置在位于下一层的微波介质基板上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过从上到下依次间隔设置的四个结构相同的极化单元构成双频双圆极化器，极化单元包括微波介质基板和附着在微波介质基板上表面的FSS阵列，微波介质基板的介电常数记为ε_r，微波介质基板的厚度为h，h的取值范围为0.1mm～λ_m1/2，λ_m1为双频双圆极化器工作频段中最小频率处对应的等效波长，

λ₀₁为工作频段中最小频率处对应的真空中的自由波长，FSS阵列包括m×n个FSS单元，m为大于等于2的整数，n为大于等于2的整数，m×n个FSS单元按照m行×n列的方式均匀排布；每个FSS单元包括第一矩形金属条、第二矩形金属条、第三矩形金属条、第四矩形金属条、第五矩形金属条和第六矩形金属条，第一矩形金属条、第二矩形金属条、第三矩形金属条、第四矩形金属条、第五矩形金属条和第六矩形金属条的宽度均为W，W的取值范围为0.1mm～λ_m1/10；第一矩形金属条、第三矩形金属条、第五矩形金属条和第六矩形金属条横向设置，第二矩形金属条和第四矩形金属条竖向设置，第一矩形金属条、第六矩形金属条和第五矩形金属条位于同一条直线上且三者按照从左往右的顺序排列，第二矩形金属条的底端与第一矩形金属条的上端贴合，第二矩形金属条的顶端和第三矩形金属条的下端贴合，第二矩形金属条的左端和第三矩形金属条的左端齐平，第二矩形金属条的右端和第一矩形金属条的右端齐平，第四矩形金属条的底端与第五矩形金属条的上端贴合，第四矩形金属条的顶端和第三矩形金属条的下端贴合，第四矩形金属条的左端和第五矩形金属条的左端齐平，第四矩形金属条的右端和第三矩形金属条的右端齐平，第六矩形金属条的左端和第一矩形金属条的右端之间存在一段距离，第六矩形金属条的右端和第五矩形金属条的左端之间存在一段距离，第六矩形金属条的左端和第一矩形金属条的右端之间的距离等于第六矩形金属条的右端和第五矩形金属条的左端之间的距离；每行中位于第1列的FSS单元的第一矩形金属条的左端和微波介质基板的左端齐平，每行中位于第n列的FSS单元的第五矩形金属条的右端和微波介质基板的右端齐平，位于第j行第k列的FSS单元的第五矩形金属条的右端和位于第j行第k+1列的FSS单元的第一矩形金属条的左端贴合，j＝1，2，…，m，k＝1，2，…，n-1；位于第1行的FSS单元的第三矩形金属条的上端与微波介质基板的上端存在一段距离，每相邻两行FSS单元之间均存在一段距离且相等，位于第m行的FSS单元的第一矩形金属条的下端与微波介质基板的下端存在一段距离；每相邻两块微波介质基板之间的距离相等，将相邻两块微波介质基板之间的距离记为Dz，Dz的取值范围为0.1mm～λ_m1/2，位于上一层的微波介质基板固定设置在位于下一层的微波介质基板上；将第一矩形金属条的长度记为L1；将第二矩形金属条的长度记为L2；将第三矩形金属条的长度记为L3；将第四矩形金属条的长度记为L4；将第五矩形金属条的长度记为L5；将第六矩形金属条的长度记为L6；其中，L1＝L5＝L3/2，L1的取值范围为0.1mm～Ty/4，Ty的取值范围为λ_m1/2～λ_m1，L2＝L4，L2的取值范围为λ_m1/4～λ_m1/2，L6的取值范围为0.1mm～Ty/4，当极化方向为横向方向的TE00模通过单层极化单元时，该层极化单元上的m×n个FSS单元中的第一矩形金属条、第六矩形金属条和第五矩形金属条等效为一个电感，第二矩形金属条和第四矩形金属条相互作用后可等效为一个电容，此时的电感和电容组成一级并联谐振电路，每个极化单元等效为一级串联谐振电路，当极化方向为纵向方向的TM00模通过单层极化单元时，该层极化单元上的m×n个FSS单元中的第二矩形金属条和第四矩形金属条可等效为一个电感，第一矩形金属条、第六矩形金属条和第五矩形金属条相互作用后等效为一个电容，此时的电感和电容组成一级串联谐振电路，每个极化单元等效为一级串联谐振电路，此时每个FSS单元中的第一矩形金属条、第二矩形金属条、第三矩形金属条、第四矩形金属条、第五矩形金属条和第六矩形金属条产生的电感值和电容值能在较宽的频段内保持稳定，且产生的低频谐振点和高频谐振点比值大，高频段和低频段跨频较大；极化方向为横向方向的TE00模通过本发明的单层极化单元时与极化方向为纵向方向的TM00模通过本发明的单层极化单元时在低频段产生大约22.5°±2.5°的相位差，在高频段产生大约-22.5°±2.5°的相位差，本发明包括四层极化单元，极化方向为横向方向的TE00模通过本发明时，四个极化单元组合等效为四级并联谐振电路，极化方向为纵向方向的TM00模通过本发明时，四个极化单元组合等效为四级串联谐振电路，极化方向为横向方向的TE00模通过本发明时与极化方向为纵向方向的TM00模通过本发明时，在低频段产生大约90°±10°的相位差，在高频段产生大约-90°±10°的相位差，使低频段(15.5-21.2GHz)的工作带宽达到31％，高频段(29-34GHz)的工作带宽达到15.8％；高频段和低频段跨频大，低频段的中心频率与高频段的中心频率的比值达到1:1.7，由此本发明能够在双频段将输入的线极化波转化为正交旋向的圆极化波，高频段和低频段的工作带宽均较宽，且高频段和低频段跨频较大。

附图说明

图1为本发明的基于FSS的双频双圆极化器的立体图；

图2为本发明的基于FSS的双频双圆极化器的分解图；

图3为本发明的基于FSS的双频双圆极化器的FSS单元的结构图；

图4为TE00模和TM00模通过本发明的基于FSS的双频双圆极化器后的相位差的仿真曲线图；

图5为本发明的基于FSS的双频双圆极化器轴比仿真曲线图；

图6为本发明的基于FSS的双频双圆极化器在低频18GHz时的仿真方向图；

图7为本发明的基于FSS的双频双圆极化器在高频31GHz时的仿真方向图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图所示，一种基于FSS(频率选择性表面)的双频双圆极化器，包括从上到下依次间隔设置的四个结构相同的极化单元1，极化单元1包括微波介质基板2和附着在微波介质基板2上表面的FSS阵列3，微波介质基板2的介电常数记为ε_r，微波介质基板2的厚度为h，h的取值范围为0.1mm～λ_m1/2，λ_m1为双频双圆极化器工作频段中最小频率处对应的等效波长，

λ₀₁为双频双圆极化器的工作频段中最小频率处对应的真空中的自由波长，FSS阵列3包括m×n个FSS单元，m为大于等于2的整数，n为大于等于2的整数，m×n个FSS单元按照m行×n列的方式均匀排布；每个FSS单元包括第一矩形金属条4、第二矩形金属条5、第三矩形金属条6、第四矩形金属条7、第五矩形金属条8和第六矩形金属条9，第一矩形金属条4、第二矩形金属条5、第三矩形金属条6、第四矩形金属条7、第五矩形金属条8和第六矩形金属条9的宽度均为W，W的取值范围为0.1mm～λ_m1/10；第一矩形金属条4、第三矩形金属条6、第五矩形金属条8和第六矩形金属条9横向设置，第二矩形金属条5和第四矩形金属条7竖向设置，第一矩形金属条4、第六矩形金属条9和第五矩形金属条8位于同一条直线上且三者按照从左往右的顺序排列，第二矩形金属条5的底端与第一矩形金属条4的上端贴合，第二矩形金属条5的顶端和第三矩形金属条6的下端贴合，第二矩形金属条5的左端和第三矩形金属条6的左端齐平，第二矩形金属条5的右端和第一矩形金属条4的右端齐平，第四矩形金属条7的底端与第五矩形金属条8的上端贴合，第四矩形金属条7的顶端和第三矩形金属条6的下端贴合，第四矩形金属条7的左端和第五矩形金属条8的左端齐平，第四矩形金属条7的右端和第三矩形金属条6的右端齐平，第六矩形金属条9的左端和第一矩形金属条4的右端之间存在一段距离，第六矩形金属条9的右端和第五矩形金属条8的左端之间存在一段距离，第六矩形金属条9的左端和第一矩形金属条4的右端之间的距离等于第六矩形金属条9的右端和第五矩形金属条8的左端之间的距离；每行中位于第1列的FSS单元的第一矩形金属条4的左端和微波介质基板2的左端齐平，每行中位于第n列的FSS单元的第五矩形金属条8的右端和微波介质基板2的右端齐平，位于第j行第k列的FSS单元的第五矩形金属条8的右端和位于第j行第k+1列的FSS单元的第一矩形金属条4的左端贴合，j＝1，2，…，m，k＝1，2，…，n-1；位于第1行的FSS单元的第三矩形金属条6的上端与微波介质基板2的上端存在一段距离，每相邻两行FSS单元之间均存在一段距离且相等，位于第m行的FSS单元的第一矩形金属条4的下端与微波介质基板2的下端存在一段距离；每相邻两块微波介质基板2之间的距离相等，将相邻两块微波介质基板2之间的距离记为Dz，Dz的取值范围为0.1mm～λ_m1/2，位于上一层的微波介质基板2固定设置在位于下一层的微波介质基板2上；将第一矩形金属条4的长度记为L1；将第二矩形金属条5的长度记为L2；将第三矩形金属条6的长度记为L3；将第四矩形金属条7的长度记为L4；将第五矩形金属条8的长度记为L5；将第六矩形金属条9的长度记为L6；其中，L1＝L5＝L3/2，L1的取值范围为0.1mm～Ty/4，Ty的取值范围为λ_m1/2～λ_m1，L2＝L4，L2的取值范围为λ_m1/4～λ_m1/2；L6的取值范围为0.1mm～Ty/4。

本实施例中，上一层的微波介质基板2通过多个支撑柱10固定设置在位于下一层的微波介质基板2上。

本实施例中，m＝n＝7，微波介质基板2使用Rogers RT/duroid 5870，相对介电常数ε_r＝2.33，损耗角正切值tanθ＝0.0012。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，区别仅在于本实施例中，上一层的微波介质基板2与位于下一层的微波介质基板2上之间填充有泡沫材料，上一层的微波介质基板2通过泡沫材料固定设置在位于下一层的微波介质基板2上。

TE00模和TM00模通过本发明的基于FSS的双频双圆极化器后的相位差的仿真曲线图如图4所示。分析图4曲线可知，在低频段内，大约产生90°±10°的相位差，在高频段内，大约产生-90°±10°的相位差。

使用4*4阵列天线对本发明的基于FSS的双频双圆极化器进行仿真验证，阵列天线辐射的线极化电磁波通过本发明的基于FSS的双频双圆极化器轴比仿真曲线图如图5所示，分析图5曲线可知，在低频段15.5-21.2GHz和29-34GHz内，圆极化波的轴比优于3dB，本发明的基于FSS的双频双圆极化器具有良好的性能。

为了明确产生的圆极化波在两个频段的旋向是相反的，本发明的基于FSS的双频双圆极化器在低频18GHz时的仿真方向图如图6所示，本发明的基于FSS的双频双圆极化器在高频31GHz时的仿真方向图如图7所示。分析图6和图7可知18GHz时LHCPW的增益为17.3dBi，而RHCPW的增益为-9.4dBi，两者的差值达到26.7dB，说明辐射出来的圆极化波为较为纯净的LHCPW，而在31GHz处的情况正好相反，31GHz时的RHCPW的增益为22dBi，而LHCPW的增益值为-2dBi，两者的差值达到24dB，说明辐射出来的圆极化波为较为纯净的RHCPW。

Claims

1.一种基于FSS的双频双圆极化器，其特征在于包括从上到下依次间隔设置的四个结构相同的极化单元，所述的极化单元包括微波介质基板和附着在所述的微波介质基板上表面的FSS阵列，所述的微波介质基板的介电常数记为ε_r，所述的微波介质基板的厚度为h，h的取值范围为0.1mm～λ_m1/2，λ_m1为所述的双频双圆极化器工作频段中最小频率处对应的等效波长，

λ₀₁为工作频段中最小频率处对应的真空中的自由波长，所述的FSS阵列包括m×n个FSS单元，m为大于等于2的整数，n为大于等于2的整数，m×n个FSS单元按照m行×n列的方式均匀排布；

每个所述的FSS单元包括第一矩形金属条、第二矩形金属条、第三矩形金属条、第四矩形金属条、第五矩形金属条和第六矩形金属条，所述的第一矩形金属条、所述的第二矩形金属条、所述的第三矩形金属条、所述的第四矩形金属条、所述的第五矩形金属条和所述的第六矩形金属条的宽度均为W，W的取值范围为0.1mm～λ_m1/10；

所述的第一矩形金属条、所述的第三矩形金属条、所述的第五矩形金属条和所述的第六矩形金属条横向设置，所述的第二矩形金属条和所述的第四矩形金属条竖向设置，所述的第一矩形金属条、所述的第六矩形金属条和所述的第五矩形金属条位于同一条直线上且三者按照从左往右的顺序排列，所述的第二矩形金属条的底端与所述的第一矩形金属条的上端贴合，所述的第二矩形金属条的顶端和所述的第三矩形金属条的下端贴合，所述的第二矩形金属条的左端和所述的第三矩形金属条的左端齐平，所述的第二矩形金属条的右端和所述的第一矩形金属条的右端齐平，所述的第四矩形金属条的底端与所述的第五矩形金属条的上端贴合，所述的第四矩形金属条的顶端和所述的第三矩形金属条的下端贴合，所述的第四矩形金属条的左端和所述的第五矩形金属条的左端齐平，所述的第四矩形金属条的右端和所述的第三矩形金属条的右端齐平，所述的第六矩形金属条的左端和所述的第一矩形金属条的右端之间存在一段距离，所述的第六矩形金属条的右端和所述的第五矩形金属条的左端之间存在一段距离，所述的第六矩形金属条的左端和所述的第一矩形金属条的右端之间的距离等于所述的第六矩形金属条的右端和所述的第五矩形金属条的左端之间的距离；

每行中位于第1列的FSS单元的第一矩形金属条的左端和所述的微波介质基板的左端齐平，每行中位于第n列的FSS单元的第五矩形金属条的右端和所述的微波介质基板的右端齐平，

位于第j行第k列的FSS单元的第五矩形金属条的右端和位于第j行第k+1列的FSS单元的第一矩形金属条的左端贴合，j＝1，2，…，m，k＝1，2，…，n-1；

位于第1行的FSS单元的第三矩形金属条的上端与所述的微波介质基板的上端存在一段距离，每相邻两行FSS单元之间均存在一段距离且相等，位于第m行的FSS单元的第一矩形金属条的下端与所述的微波介质基板的下端存在一段距离；

每相邻两块微波介质基板之间的距离相等，将相邻两块微波介质基板之间的距离记为Dz，Dz的取值范围为0.1mm～λ_m1/2，位于上一层的微波介质基板固定设置在位于下一层的微波介质基板上；

将所述的第一矩形金属条的长度记为L1；将所述的第二矩形金属条的长度记为L2；将所述的第三矩形金属条的长度记为L3；将所述的第四矩形金属条的长度记为L4；将所述的第五矩形金属条的长度记为L5；将所述的第六矩形金属条的长度记为L6；其中，L1＝L5＝L3/2，L1的取值范围为0.1mm～Ty/4，Ty的取值范围为λ_m1/2～λ_m1，L2＝L4，L2的取值范围为λ_m1/4～λ_m1/2；L6的取值范围为0.1mm～Ty/4。

2.根据权利要求1所述的一种基于FSS的双频双圆极化器，其特征在于位于上一层的微波介质基板通过泡沫材料或者多个支撑柱固定设置在位于下一层的微波介质基板上。