CN109004369A - 基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，涉及超表面设计技术领域，极化旋转阵列层、泡沫层及频率选择表面层，极化旋转阵列层包括第一介质基板及第一金属结构层；频率选择表面层包括两个第二介质基板、第二金属结构层、第三金属结构层及第四金属结构层；第一介质基板及第二金属结构层分别附着在泡沫层的两侧表面。因此，本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，通过设置极化旋转阵列层、泡沫层及频率选择表面层，可以实现双频带内将反射电磁波的极化方向旋转90°，同时可以使得在极化旋转反射频段间的电磁波高效透过，在天线的隐身领域具有重要的应用前景。

Description

基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面
技术领域
本发明涉及超表面设计技术领域，特别涉及基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面。
背景技术
超材料是指一些具有天然存在的常规材料所不具备的超常物理特性的亚波长人工复合结构或者人工复合材料。超材料是近年来国际学术界的研究热点之一，也被美国国防部确定为21世纪六大颠覆性技术之一。通过对人工结构单元的参数调节，从而实现对电磁波传输特性的控制。而超表面是由亚波长结构单元在二维平面上的周期性排列，是超材料研究发展的一个分支。通过对构成单元结构的调节，来对电磁波传输相位进行调控，从而获得对反射或透射电磁波的极化方式、传播方向、传播模式等特性的调控。超表面一经提出并迅速成为学术界研究的热点和前研。在隐身新技术、微波光学器件、天线系统等领域有着重要的应用前景。
极化旋转超表面又分为反射型和透射型两种。对反射型超表面的实现需要借助于金属背板，来实现反射相位的突变，使入射电磁波被反射后的极化方向发生改变，如垂直极化入射，水平极化反射。该极化旋转特性可应用于目标隐身。然而，金属背板的存在，却使其应用受到了限制，例如在天线隐身方面，金属板会抑制天线的正常辐射，所以就需要一种基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面。
发明内容
本发明实施例提供了基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，用以解决现有技术中存在的问题。
基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，包括：极化旋转阵列层、泡沫层及频率选择表面层，所述极化旋转阵列层包括第一介质基板及第一金属结构层，所述第一金属结构层附着在所述第一介质基板一侧表面，且所述第一金属结构层包括多个均匀设置的结构相同的金属单元结构，所述金属结构单元包括3对均对口放置的不同尺寸的V字型金属贴片，且所述3对V字型金属贴片的对称轴均与所述第一介质基板的任意一边的夹角均为45°；
所述频率选择表面层包括第二介质基板和第三介质基板、第二金属结构层、第三金属结构层及第四金属结构层，所述第三金属结构层设置在所述第二介质基板和所述第三介质基板之间，且所述第三金属结构层为正交十字网格结构，所述第二金属结构层和所述第四金属结构层分别设置在所述第二介质基板和所述第三介质基板的外侧表面，且所述第二金属结构层和所述第四金属结构层均由多个尺寸相同且周期排布的正方环形贴片构成，且多个所述正方环形贴片的中心点分别与多个3×3个正交十字网格的中心十字的中心点在竖直方向上一一对应；所述第一介质基板和所述第二金属结构层分别附着在所述泡沫层的两侧表面。
较佳地，所述第一介质基板为聚酰亚胺薄膜，其介电常数为3.4(1-j0.0034)，所述第二介质基板和所述第三介质基板均为聚四氟乙烯，其介电常数为2.65(1-j0.001)，所述第一金属结构层、所述第二金属结构层、所述第三金属结构层及所述第四金属结构层均为金属铜，其电导率为5.8×107S/m，所述泡沫层为PMI泡沫。
较佳地，所述第一介质基板的厚度为0.06mm，所述3对V字型金属贴片的宽度分别为0.28mm、0.85mm、0.42mm，对应的半边长度分别为9mm、6mm、2.5mm，每3对所述V字型金属贴片构成的周期单元的边长为12mm，所述第二介质基板的厚度为0.8mm，每个所述正方环形贴片和3×3个所述正交十字网格所在的频率选择表面单元的边长均为6mm。
本发明有益效果：本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，通过设置包括极化旋转阵列层、泡沫层及频率选择表面层的参数，可以实现在两个频段内使电磁波的极化方向发生90°旋转后反射，而使两个极化旋转频段之间的电磁波不受干扰的高效透射，在天线的隐身领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的整体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的极化旋转阵列层结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的频率选择表面层侧视图；
图5为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的仿真曲线。
附图标记说明：
100-极化旋转阵列层，200-泡沫层，300-频率选择表面层，101-第一介质基板，102-第一金属结构层，301-第二介质基板，302-第二金属结构层，303-第三金属结构层，304-第三介质基板，305-第四金属结构层。
具体实施方式
下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参照图1，本发明提供了基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的结构示意图，包括：极化旋转阵列层100、泡沫层200及频率选择表面层300，所述极化旋转阵列层100包括第一介质基板101及第一金属结构层102，所述第一金属结构层102附着在所述第一介质基板101一侧表面，且所述第一金属结构层102包括多个均匀设置的结构相同的金属单元结构，所述金属结构单元包括3对均对口放置的不同尺寸的V字型金属贴片，且所述3对V字型金属贴片的对称轴均与所述第一介质基板101的任意一边的夹角均为45°；
所述频率选择表面层300包括第二介质基板301和第三介质基板304、第二金属结构层302、第三金属结构层303及第四金属结构层305，所述第三金属结构层303设置在所述第二介质基板301和所述第三介质基板304之间，且所述第三金属结构层303为正交十字网格结构，所述第二金属结构层302和所述第四金属结构层305分别设置在所述第二介质基板301和所述第三介质基板304的外侧表面，且所述第二金属结构层302和所述第四金属结构层305均由多个尺寸相同且周期排布的正方环形贴片构成，且多个所述正方环形贴片的中心点分别与多个3×3个正交十字网格的中心十字的中心点在竖直方向上一一对应；所述第一介质基板101和所述第二金属结构层302分别附着在所述泡沫层200的两侧表面。
为了使得该基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的极化旋转及透波效果更好，所述第一介质基板101为聚酰亚胺薄膜，其介电常数为3.4(1-j0.0034)，所述第二介质基板301和所述第三介质基板304均为聚四氟乙烯(F4B)，其介电常数为2.65(1-j0.001)，所述第一金属结构层102、所述第二金属结构层302、所述第三金属结构层303及所述第四金属结构层305均为金属铜，其电导率为5.8×107S/m；所述泡沫层200为PMI泡沫，其介电常数与空气类似。
参照图2，为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的整体结构示意图，由图可知，本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面是由极化旋转阵列层100的多个周期性单元、频率选择表面层300的多个周期性单元及泡沫层200构成。
参照图3，为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的极化旋转阵列层结构示意图，每3对V形金属块所在的周期单元的边长d1为12mm，且所述第一介质基板101的厚度为0.06mm，所述3对V型金属块的半边长分别为a1＝10mm,a2＝7.0mm,a3＝3.1mm；对应的宽度分别为w1＝0.25mm，w2＝0.84mm，w3＝0.43mm；对应的开口距离分别为s1＝1.2mm,s2＝1.4mm,s3＝1.4mm。
参照图4，为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的频率选择表面层侧视图，每个所述正方环形贴片及所述正交十字网格所在的频率选择表面单元的边长p1为6mm，正方环形贴片的外边长b1为4.7mm,正方环形贴片的内边长b2为3.25mm,每个正方环形贴片所正对的3×3个十字金属块的十字长度l为2mm,十字宽度g为0.55mm。所述第二介质基板301的厚度和304的厚度均为0.8mm。
所述第一介质基板101的厚度为0.06mm，所述3对V字型金属贴片的宽度分别为0.28mm、0.85mm、0.42mm，对应的半边长度分别为9mm、6mm、2.5mm，每3对所述V字型金属贴片构成的周期单元的边长为12mm，所述第二介质基板301的厚度为0.8mm，每个所述正方环形贴片和3×3个所述正交十字网格所在的频率选择表面单元的边长均为6mm。
所以，极化旋转单元周期d1为12mm，而频率选择表面单元周期p1为6mm。因此，由上述排布在泡沫层200两侧的周期性单元的阵列结构，从而确定了设计后的单元周期边长为12mm，且选取泡沫层的厚度6.0mm。
参照图5，为本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面的仿真曲线，由图可知，该极化旋转超表面在低频5.7-9.5GHz频段和高频16.9-18.9GHz频段内，入射电磁波被反射后的极化方向发生90°改变，即垂直极化变成水平极化或者水平极化变为垂直极化，而在12.6-13.2GHz范围内，电磁波高效透过。
综上所述，本发明实施例提供的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，通过设置包括极化旋转阵列层、泡沫层及频率选择表面层的参数，可以实现在两个频段内使电磁波的极化方向发生90°旋转后反射，而使两个极化旋转频段之间的电磁波不受干扰的高效透射，在天线的隐身领域具有重要的应用前景。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，其特征在于，包括：极化旋转阵列层(100)、泡沫层(200)及频率选择表面层(300)，所述极化旋转阵列层(100)包括第一介质基板(101)及第一金属结构层(102)，所述第一金属结构层(102)附着在所述第一介质基板(101)一侧表面，且所述第一金属结构层(102)包括多个均匀设置的结构相同的金属结构单元，所述金属结构单元包括3对均对口放置的不同尺寸的V字型金属贴片，且所述3对V字型金属贴片的对称轴均与所述第一介质基板(101)的任意一边的夹角均为45°；
所述频率选择表面层(300)包括第二介质基板(301)和第三介质基板(304)、第二金属结构层(302)、第三金属结构层(303)及第四金属结构层(305)，所述第三金属结构层(303)设置在所述第二介质基板(301)和所述第三介质基板(304)之间，且所述第三金属结构层(303)为正交十字网格结构，所述第二金属结构层(302)和所述第四金属结构层(305)分别设置在所述第二介质基板(301)和所述第三介质基板(304)的外侧表面，且所述第二金属结构层(302)和所述第四金属结构层(305)均由多个尺寸相同且周期排布的正方环形贴片构成，且多个所述正方环形贴片的中心点分别与多个3×3个正交十字网格的中心十字的中心点在竖直方向上一一对应；所述第一介质基板(101)和所述第二金属结构层(302)分别附着在所述泡沫层(200)的两侧表面。
2.如权利要求1所述的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，其特征在于，所述第一介质基板(101)为聚酰亚胺薄膜，其介电常数为3.4(1-j0.0034)，所述第二介质基板(301)和所述第三介质基板(304)均为聚四氟乙烯，其介电常数为2.65(1-j0.001)，所述第一金属结构层(102)、所述第二金属结构层(302)、所述第三金属结构层(303)及所述第四金属结构层(305)均为金属铜，其电导率为5.8×107S/m，所述泡沫层(200)为PMI泡沫。
3.如权利要求1所述的基于频率选择表面背板的反射型极化旋转超表面，其特征在于，所述第一介质基板(101)的厚度为0.06mm，所述3对V字型金属贴片的宽度分别为0.28mm、0.85mm、0.42mm，对应的半边长度分别为9mm、6mm、2.5mm，每3对所述V字型金属贴片构成的周期单元的边长为12mm，所述第二介质基板(301)的厚度为0.8mm，每个所述正方环形贴片和3×3个所述正交十字网格所在的频率选择表面单元的边长均为6mm。
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