CN109378591A - 一种角度不敏感的可共形宽带反射型线极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种角度不敏感的可共形宽带反射型线极化转换器，属于电磁波极化转换领域。该极化转换器由超材料结构层，两层介质层和底层金属背板无缝层叠而成。超材料结构层又由长金属环谐振器，圆形金属贴片和短金属环组成。本发明通过长金属环谐振器提供超材料的各向异性和主要谐振，辅以圆形金属贴片和短金属环的耦合作用来调节磁谐振和电谐振的强度和谐振频点，从而实现宽带的线极化转换和良好的角度不敏感特性。此外，本发明利用了柔性电磁超材料作为介质层，使得所设计的极化转换器可共形于具有可展曲面的物体上。

Description

一种角度不敏感的可共形宽带反射型线极化转换器
技术领域
本发明属于电磁波的极化转换器技术领域。
背景技术
线极化转换器是一种可以将入射的线极化形式的电磁波转换至另一种线极化形式的电磁波的器件。而超材料是一种由人工设计的微结构组成的材料，这些微结构远小于工作波长，并且按周期或非周期的排列方式组成。这种新型人工电磁超材料具备自然界材料所不具备的电磁特性。人们可以调控使其在不同方向具有不同的介电常数和磁导率，从而在不同方向上产生相应的相位差，实现对于电磁波极化形态的调控。超材料结构正因这各向异性的电磁特性以及相对于传统极化转换器件轻薄的特性而被广泛应用在极化转换器设计中。目前基于超材料的极化转换器按传输性质可划分为透射型极化转换器和反射型极化转换器。按照产生的极化转换类型可划分为线极化-线极化，线极化-圆极化，圆极化-圆极化等。其中线极化转线极化的转换器又称为极化旋转器。目前基于超材料的极化转换器正朝着小型化，超带宽，入射和极化角度不敏感等方向发展，在目标隐身技术，天线与射频器件和无线与光通信等众多领域有着重要的应用前景。
现在极化转换器的设计大多是基于平面结构，基底大多为硬质材料，而且对入射角度敏感性较大，无法满足共形设计的要求。而近些年出现的柔性材料具备良好的韧性，因此，面向可共形和一体化设计的现实需求，在微波波段将极化转换器与柔性材料结合是共形化方向发展的一大趋势。
发明内容
本发明目的是提供一种对角度不敏感的反射型电磁波线极化转换器，并且可以应用于共形设计中。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种角度不敏感的线极化转换器，包括上层的超材料结构层(1)，中间层的介质层(2)和底层的金属背板(3)，其特征在于，所述的超材料结构层(1)由单元结构周期性排列而成。所述的单元结构由一个长金属环谐振器(5)，金属圆贴片 (6)和一个短金属环(7)构成，所述的金属圆贴片(6)圆心位于介质层表面中心，所述的长和短金属环位于介质层表面同一对角线上，且位于介质层表面中心两侧，开口相对。长金属环谐振器(5)宽度等于短金属环(7)，弧长远大于短金属环(7)，长和短金属环与金属圆贴片(6)无重合部分。所述的中间介质层(2)，(3)分为上下两层，上层为与超材料单元结构层相接的聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)层(2)，下层为与金属背板相接的软聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)层(3)。所述的PET和软PVC材料均属于柔性材料的范畴。
本发明所提出的单元结构在工作带内各向异性主要由长金属环谐振器(5) 提供，金属圆贴片(6)作为主要的耦合部分调节电谐振和磁谐振的Q值以及谐振频点，短金属环(7)作为次要的耦合部分进行小范围的调节，再结合传统的减少单元结构电尺寸的方法，从而保证一定的角度稳定性。
本发明还进一步提供由所述的线极化转换单元结构周期性排列而成的宽带角度不敏感的反射型线极化转换器。
本发明提供的基于柔性电磁超材料的反射型极化转换器具有如下优点：
(1)本发明可以在宽频带内实现对反射波的90度极化偏转。
(2)本发明可以在入射角度达到40度时，仍然可以在宽频带内实现90％以上的极化转换率，而且与垂直入射相比，带宽几乎没有缩减。
(3)本发明使用了PET柔性基底，加以PVC柔性材料作为支撑，使得所设计的极化转换器可以共形于任何具有可展曲面的金属体，拓宽了超薄宽带高效极化转换器件的应用范围。
(4)本发明结构简单，可以在微波波段，太赫兹波段以及光波段内通过尺寸调节灵活调节工作范围，在雷达探测，光通信与目标隐身技术等领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的反射型极化转换器三维结构示意图；
图2是所提出的反射型极化转换单元结构的表面电流分布仿真结果图；
图3是TE波(电磁波电场极化方向沿着y方向)在不同角度入射下，所提出的反射型极化转换单元结构的交叉和共极化反射系数仿真结果曲线图；
图4是TE波在不同角度入射下，所提出的反射型极化转换单元结构的极化转换效率图；
图5是实施例二的可共形极化转换器示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明具体的技术方案实施：
如图1所示，本发明角度不敏感的可共形宽带反射型线极化转换器主要由四层结构无缝层叠而成，分别为上层的超材料结构层(1)，中间层的介质层(2)，(3) 和底层的金属背板(4)。所述的中间介质层如图1所示，分为上下两层，上层为与超材料单元结构层相接的PET层(2)，下层为与金属背板相接的软PVC层(3)。底层金属板的厚度实际应用中不作特别要求，仿真中采用和超材料结构层(1)一样的厚度。
如图1所示，超材料结构层(1)由长金属环谐振器(5)，金属圆贴片(6)和短金属环(7)构成，所述的金属圆贴片(6)圆心位于介质层表面中心，所述的长和短金属环位于介质层表面同一对角线上，且位于介质层表面中心两侧，开口相对，两环宽度相近，长金属环谐振器(5)宽度等于短金属环(7)，弧长远大于短金属环 (7)，长和短金属环与金属圆贴片(6)无重合部分。
单元结构中的长金属环谐振器(5)在沿主对角线或副对角线分布的电场分量激发下，会在这两个方向上产生谐振，具有各向异性的特点。而短金属环(7) 谐振频率超出工作带宽，金属圆贴片(6)在xoy面内具有各向同性，无论在沿主对角线或副对角线分布的电场分量激发下在这两个方向上都具备相同的相位变化。因此在工作带内各向异性主要由长金属环谐振器(5)提供，金属圆贴片(6) 作为主要的耦合部分调节电谐振和磁谐振的强度以及谐振频点，短金属环(7)作为次要的耦合部分进行小范围的调节。
实施例一
如图1所示，超材料结构层(1)单元结构的长与宽均为5毫米。金属圆贴片 (6)中心位于坐标原点，半径等于1.5毫米。长金属环谐振器(5)外侧半径等于2.4 毫米，对应的圆心角等于33度。短金属环(7)外侧半径为2.4毫米，对应的圆心角为190度。长和短金属环的宽度为0.4毫米。介质层(2)，(3)采用两层构造，介质层上层材料选用PET，介电常数εr＝3.0，损耗角正切值为0.002，厚度为0.12 毫米。介质层下层材料选用PVC，实测出其在10GHz处介电常数εr＝3.00，损耗角正切值为0.014，厚度为2毫米。超材料结构层(1)和金属背板层(4)材料选用铜，厚度均为0.035毫米。
所述的单元结构沿x，y方向周期性排列而构成反射型极化转换器，如图1 所示。
所述的极化转换器转换机理如图2所示，定义v轴与介质层方形截面的主对角线重合，u轴垂直于v轴与介质层方形截面的副对角线重合，即将原来的 xoy坐标系顺时针旋转45度，形成新的uov坐标系。以入射电磁波为水平极化，即入射电场极化方向沿y方向(即TE波)为例，图2(a)，2(b)，2(c)，3(d)分别反映了上层超材料结构(1)和底层金属层(4)的电流分布。在12.9GHz频点处，如图 2(a)，2(b)所示，上层超材料结构层(1)电流主要分布在长金属谐振环(5)上，且电流在u方向上大小相等，方向相反而抵消。在金属圆贴片(6)靠近长金属谐振环 (5)上出现较强的电流分布，强度不及长金属谐振环(5)上的电流。与底层金属层(4)的电流分布比较，可以看出上下层电流流动方向相反，形成磁偶极子，在v 方向上造成强烈的磁谐振。同样地，在19.0GHz频点处，如图2(c)，2(d)所示，在超材料结构层(1)电流仍主要分布在长金属谐振环(5)，与底层金属层(4)电流分布比较，上下层电流流动方向相同，形成电偶极子，在v方向上造成强烈的电谐振。进一步的，电场的u分量不产生谐振，反射后直接由金属背板产生180 度的相移，而v分量产生谐振，在反射下具有0度的相移，合成的电场方向沿 y方向，实现极化转换。
所述的极化转换器角度不敏感的原理如下，其一，单元结构电尺寸越小越利于保持角度的不敏感性。其二，在单元结构尺寸确定的情况下，相比于电谐振，磁谐振更容易受到入射电磁波角度的影响。调控金属圆贴片和短金属环的尺寸，增强磁谐振的强度，以达到良好的角度不敏感特性。
根据实施例一，以TE波入射为例，利用电磁仿真软件可以得到在不同入射角度theta下，所设计的宽带线极化转换器的同极化反射系数和共极化反射系数，如图3所示。极化转换率如图4所示。在电磁波垂直入射下，在11.1～20.0GHz 内极化转换率高于90％；当入射角增大至40度时，在11.2～20.1GHz内极化转换率仍高于90％，工作带宽在入射角增大至40度时几乎保持不变。当入射角增大至45度时，在11.1GHz～20.3GHz内极化转换率仍高于85％。
实施例二
如图5所示，以泡沫柱面为例，由于使用了柔性材料作为介质层，所设计的宽带线极化转换器可以共形于泡沫柱面上。

Claims (3)

1.一种角度不敏感的可共形宽带反射型线极化转换器，包括上层的超材料结构(1)，中间层的介质层(2)，(3)和底层的金属背板(4)，其特征在于：
所述的附着在介质层上的超材料结构层(1)由单元结构周期性排列而成。所述的单元结构由一个长金属环谐振器(5)，金属圆贴片(6)和一个短金属环(7)构成，所述的金属圆贴片(6)圆心位于介质层表面中心，所述的长和短金属环位于介质层表面同一对角线上，且位于介质层表面中心两侧，开口相对。
2.根据权利要求1所述的超材料结构层(1)的单元结构，其特征在于所述长金属环谐振器(5)宽度等于短金属环(7)，长金属环谐振器(5)所对应的圆心角大于180度，短金属环(7)所对应的圆心角小于90度。
3.根据权利要求1所述的超材料结构层(1)的单元结构，其特征在于在工作频带内，单元结构在沿不同对角线的电场分量激发下主要依赖长金属环谐振器(5)产生谐振，金属圆贴片(6)和短金属环(7)作为耦合部分调节谐振强度和谐振频点。
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