CN109361068B - 一种使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器 - Google Patents
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Abstract
一种使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，包括总谐振阵列，所述总谐振阵列包括20乘20个周期性谐振单元，谐振单元沿着正交方向规则排列，每个谐振单元包括4片金属贴片、2块绝缘介质基板和金属地基板，2块绝缘介质基板分别为第一绝缘介质基板和第二绝缘介质基板，金属贴片设置于第一绝缘介质基板正面上，金属地基板设置于第一绝缘介质基板和第二绝缘介质基板之间；绝缘介质基板上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀上所述金属，形成镀金属孔；与传统的极化转换器相比，结构简单，适应任意入射角度，损耗可以忽略，效率极高。
Description
技术领域
本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器。
背景技术
人工电磁结构是具有特殊电磁特性的人工结构，由特定几何形状的亚波长人工结构基本单元非周期或周期排列构成。目前关于人工电磁结构的物理特性研究，及其在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等领域的应用研究开始成为国际物理学和电磁学界的研究热点。
电磁波极化定义为电场矢量末端空间的运动轨迹，对电磁波极化的控制是电磁波空间传播研究的重要组成部分。不同极化方式应用于不同场合。电磁波的极化特性在卫星通信，雷达接收抗干扰，航空航天，军事，医疗，以及目标探测、识别、编码、抽样等领域和方向中得到广泛应用。
线极化电磁波在自由空间中传播时，由于空间环境的复杂性，会产生散射、折射和衍射等效应，从而改变电磁波的极化方向。当电磁波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，会降低接收效率，而当二者的极化方向正交时，天线则几乎接收不到电磁信号。将接收信号极化方向偏转到与接收天线极化方向，可使天线具有最佳接收效率。传统的极化转换器转换效率低、只适用单一电磁波入射方向、结构复杂、厚度较厚，无法满足现在通信系统低失真、适应性广、低剖面的要求，降低了通信系统的有效性和集成度，因此，设计出适用于任意电磁能量入射方向、高效率的极化转换装置愈发重要，本发明利用一种人工电磁结构制成了一种极化转化器，很好地克服了上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于采用平面人工电磁结构，提出了一种将任意方向电磁波极化正交偏转的极化转换器，与传统的极化转换器相比，结构简单，适应任意入射角度，损耗可以忽略，效率高，采用平面人工电磁结构，用于将任意入射方向电磁波的极化角度正交偏转；一种使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，包括总谐振阵列，所述总谐振阵列包括20乘20个周期性谐振单元，谐振单元沿着正交方向规则排列，每个谐振单元包括4片金属贴片、2块绝缘介质基板和金属地基板，2块绝缘介质基板分别为第一绝缘介质基板和第二绝缘介质基板，金属贴片设置于第一绝缘介质基板正面上，金属地基板设置于第一绝缘介质基板和第二绝缘介质基板之间；绝缘介质基板上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀上所述金属，形成镀金属孔。
优选的，所述金属贴片的形状为矩形，尺寸为12.8mm乘3mm。
优选的，所述绝缘介质基板为绝缘f4b质介质基板，尺寸18mm乘18mm乘2mm，相对介电常数2.65。
优选的，所述镀金属孔的个数为4个，半径0.4mm。
优选的，所述金属地基板尺寸为18mm乘18mm。
优选的，所述金属为铜。
优选的，所述每个谐振单元的体积为18mm乘18mm乘4mm。
本发明的有益效果：本发明与传统的极化转换器相比，采用形式新颖的人工电磁结构，能够实现对任意方向线极化电磁波的正交极化偏转，结构简单且易于加工，通过调节谐振单元各个参量大小，可以方便的实现对于谐振频率，工作频点的调节；本发明中的每个谐振单元仅占用18mm乘18mm乘4mm，占用体积很小，与现代无线通信中对于设备小型化的要求契合度很好；在中心工作频点5.8GHz处，对于任意极化方向的线极化电磁波均能实现高于99%的极化方向转换，高于传统的极化转换器，弥补了传统极化转换器转换效率较低、对各个入射角度能量极化转换性能差的缺点；本发明采用传导耦合，是一种新型极化转换方式；本发明中的谐振单元能够进行周期性扩展，结构灵活，易于量产，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明总谐振阵列结构示意图；
图2是本发明下谐振单元正面示意图；
图3是本发明金属贴片示意图；
图4是为极化转换机制说明图；
图5是为与X轴呈各个方向的电磁波入射时，阵列S11的仿真；
图6是为与X轴呈各个方向的电磁波入射时，阵列极化转换效率的仿真；
图7是仿真与实物测量结果的S11对比；
图8是为仿真与实物测量结果的极化转换效率对比。
1、金属贴片；2、镀金属孔；3、绝缘介质基板；31、第一绝缘介质基板；32、第二绝缘介质基板；4、金属地基板；A、谐振单元；B、右贴片；C、左贴片。
具体实施方式
下面将结合本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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-8所示的一种实施方式，一种使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，包括总谐振阵列，所述总谐振阵列包括20乘20个周期性谐振单元A，谐振单元A沿着正交方向规则排列，每个谐振单元A的体积为18mm乘18mm乘4mm，每个谐振单元A包括4片金属贴片1、2块绝缘介质基板3和金属地基板4，2块绝缘介质基板3分别为第一绝缘介质基板31和第二绝缘介质基板32，金属贴片1设置于第一绝缘介质基板31正面上，金属地基板4设置于第一绝缘介质基板31和第二绝缘介质基板32之间，金属贴片1的形状为矩形，尺寸为12.8mm乘3mm，金属地基板4尺寸为18mm乘18mm；所述绝缘介质基板3为绝缘f4b质介质基板，尺寸18mm乘18mm乘2mm，相对介电常数2.65，在绝缘介质基板3上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀上所述金属，形成镀金属孔2，镀金属孔2的个数为4个，半径0.4mm，所述金属为铜。
现以图4为例来详细说明本发明的极化转换机制：图4标明了球坐标系下各个坐标轴的方向，E表示5.8GHz的入射电磁波，方向为-Z轴，与X轴呈任意夹角φ，此时阵列谐振，L型结构上产生高强度的表面电流；Ex表示波沿X轴的分量，依靠图2中的结构1和3来完成极化方向转换，转换后的分量用Ex’表示；Ey表示波沿Y轴的分量，依靠图2中的结构右贴片B和左贴片C来完成极化方向转换，转换后的分量用Ey’表示；将Ex’和Ey’合成，可得到波完成极化方向转换后的方向E’；通过图4，可以清楚的发现E与E’呈90度夹角，电磁波的极化方向实现了正交偏转。
图5和图6表明：在仿真中做出了对于任意入射方向电磁波转换性能验证，如图中所示，在各个方向下，阵列的回波损耗S11与转换效率相同，这证明了任意夹角的电磁波入射到阵列时，极化方向均会正交偏转90度，效率超过99%；图5与图6是对加工实物进行实际测量的效果，虽然加工过程中不可避免会产生误差，导致中心工作频点漂移了0.03GHz至0.05GHz，但是实测效果与仿真不构成冲突，这对于阵列适用于多方向、高效率、一致性好的优异性能做出了进一步的验证。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，其特征在于：包括总谐振阵列，所述总谐振阵列包括20乘20个周期性谐振单元（A），谐振单元（A）沿着正交方向规则排列，每个谐振单元（A）包括4片金属贴片（1）、2块绝缘介质基板（3）和金属地基板（4），2块绝缘介质基板（3）分别为第一绝缘介质基板（31）和第二绝缘介质基板（32），金属贴片（1）设置于第一绝缘介质基板（31）正面上，金属地基板（4）设置于第一绝缘介质基板（31）和第二绝缘介质基板（32）之间；绝缘介质基板（3）上挖去若干个孔，并在孔的边缘镀上金属，形成镀金属孔（2）；
所述极化转化器的转换机制如下，在球坐标系下：
5.8GHz的入射电磁波方向为-Z轴，入射电磁波与X轴呈任意夹角φ，此时阵列谐振，产生表面电流，Ex表示电磁波沿X轴的分量；
依靠金属贴片和绝缘介质基板来完成极化方向转换，转换后的分量用Ex’表示；Ey表示电磁波沿Y轴的分量，依靠金属贴片中的右金属贴片和左金属贴片完成极化方向转换，转换后的分量用Ey’表示；将Ex’和Ey’合成，可得到完成极化方向转换后的电磁波E’；此时E与E’呈90度夹角，电磁波的极化方向实现了正交偏转。
2.根据权利要求1所述的使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，其特征在于：所述金属贴片（1）的形状为矩形，尺寸为12.8mm乘3mm。
3.根据权利要求2所述的使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，其特征在于：所述绝缘介质基板（3）为绝缘f4b质介质基板，尺寸18mm乘18mm乘2mm，相对介电常数2.65。
4.根据权利要求3所述的使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，其特征在于：所述镀金属孔（2）的个数为4个，半径0.4mm。
5.根据权利要求4所述的使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，其特征在于：所述金属地基板（4）尺寸为18mm乘18mm。
6.根据权利要求5所述的使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，其特征在于：所述金属为铜。
7.根据权利要求6所述的使任意方向电磁波极化正交偏转的极化转化器，其特征在于：所述每个谐振单元（A）的体积为18mm乘18mm乘4mm。
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