CN109411896B - 一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于线圆极化波转换技术领域，特别涉及一种新型三层栅格‑贴片型线圆极化转换器，从上层至下层依次包括上层周期性金属栅格、上层纯聚四氟乙烯介质板、上层泡沫介质层、中间层周期性金属贴片、中间层纯聚四氟乙烯介质板、下层泡沫介质层、下层周期性金属栅格和下层纯聚四氟乙烯介质板；所述上层泡沫介质层分别与上层纯聚四氟乙烯介质板和中间层纯聚四氟乙烯介质板粘接，所述下层泡沫介质层分别与中间层纯聚四氟乙烯介质板和下层纯聚四氟乙烯介质板粘接。本发明目的在于低损耗、高性能地实现从线极化波入射到圆极化波出射的极化转换，具有超薄、宽轴比带宽等特性，并且能够在大入射角度下实现极化转换功能。

Description

一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器
技术领域
本发明属于线圆极化波转换技术领域，特别涉及一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器，适用于低剖面、低损耗、高圆极化纯度的应用要求，由于其在大入射角度情况下仍具有良好性能，因此更适用于波束扫面卫星通信天线中。
背景技术
近年来，随着移动卫星通信技术的快速发展，天线应用的范围越来越广，对于不同传播环境下的通信需求也越来越高。因此，单一模式的线极化电磁波模式已不能满足要求。此时，圆极化波显示出更好的特征：圆极化波在雨云的抗干扰效应方面具有突出的性能，且在Ku/Ka频带或更高频带的常用性能通信系统尤为突出。此外，在不稳定的飞行条件下，圆极化波可以保持通信顺畅。由于具备这些优点，圆极化波已广泛用于卫星通信，雷达，遥测，电子对抗和电视广播等诸多领域。
目前，天线产生圆极化波的方式主要有两种，一种是天线本身即可辐射圆极化波，例如圆极化喇叭天线、四臂螺旋天线等，它们虽然易于产生圆极化波束，但是剖面高度无法做小，且应用领域受限；另一种是目前较为常用的技术，在线极化天线的辐射口面上方一定高度处加线圆极化转换器，这是一种基于频率选择表面(FSS)技术的实现方式，它是由大量无源谐振单元组成的单层或多层周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。它的优势在于可以脱离天线本身进行独立设计，可以实现轻薄设计且应用领域广泛。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器，目的在于低损耗、高性能地实现从线极化波入射到圆极化波出射的极化转换，具有超薄、宽轴比带宽等特性，并且能够在大入射角度下实现极化转换功能，适用于平面动中通卫星通信系统中，具有较强的实用价值。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明提供的一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器，从上层至下层依次包括上层周期性金属栅格、上层纯聚四氟乙烯介质板、上层泡沫介质层、中间层周期性金属贴片、中间层纯聚四氟乙烯介质板、下层泡沫介质层、下层周期性金属栅格和下层纯聚四氟乙烯介质板；所述上层周期性金属栅格与上层纯聚四氟乙烯介质板为一体结构，所述中间层周期性金属贴片与中间层纯聚四氟乙烯介质板为一体结构，所述下层周期性金属栅格与下层纯聚四氟乙烯介质板为一体结构，所述上层泡沫介质层分别与上层纯聚四氟乙烯介质板和中间层纯聚四氟乙烯介质板粘接，所述下层泡沫介质层分别与中间层纯聚四氟乙烯介质板和下层纯聚四氟乙烯介质板粘接。
进一步地，所述上层周期性金属栅格和下层周期性金属栅格均包含多组周期性交替布置的金属栅格单元。
进一步地，所述金属栅格单元包含第一矩形金属栅格、第二矩形金属栅格和第三矩形金属栅格，所述第一矩形金属栅格和第三矩形金属栅格的尺寸相等，并且设置在第二矩形金属栅格的两侧；所述第二矩形金属栅格分别与第一矩形金属栅格和第三矩形金属栅格相连接，所述第二矩形金属栅格的尺寸大于第一矩形金属栅格和第三矩形金属栅格的尺寸。
进一步地，所述中间层周期性金属贴片包含多个独立均匀布置的矩形金属贴片，所述矩形金属贴片的尺寸大于第一矩形金属栅格、第二矩形金属栅格以及第三矩形金属栅格的尺寸。
进一步地，所述上层周期性金属栅格为在覆铜上层纯聚四氟乙烯介质板上刻蚀所得；所述下层周期性金属栅格为在覆铜下层纯聚四氟乙烯介质板上刻蚀所得；所述中间层周期性金属贴片为在覆铜中间层纯聚四氟乙烯介质板上刻蚀所得。
进一步地，所述上层泡沫介质层和下层泡沫介质层均采用介电常数为1.09的低损耗泡沫。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、物理结构方面，本发明的线圆极化转换器具有超薄结构，整体厚度仅为6mm，这种超薄结构适用于超低轮廓平面天线；另外，结构简单，设计合理，三层结构采用矩形金属栅格或者矩形金属贴片组成，大大降低加工难度，且上层和下层结构相同，易于仿真设计和加工装配，质量轻，配件结构少。
2、电磁性能方面，具有高圆极化纯度、宽轴比带宽；例如，在入射波垂直入射时具有44.6％的3dB轴比带宽(11.36--17.83GHz)，损耗小于1dB；随着入射波的入射角度增大时，3dB轴比带宽逐渐变窄，当入射角度达到50度时，3dB轴比带宽约为33.1％，由此可以表明，该线圆极化转换器可以应用于大角度波束扫描天线中，实现在波束扫描情况下从线极化波到圆极化波的转换。
3、工艺设计方面，该线圆极化转换器设置了三层介质板和两层泡沫介质层，且在介质板上刻蚀周期性金属栅格或贴片结构，通过控制两层泡沫介质层的厚度提供各层介质板的电长度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器的整体结构示意图；
图2是本发明的一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器的侧视结构示意图；
图3是上、下层金属栅格单元的结构示意图；
图4是中间层矩形金属贴片的结构示意图；
图5是本发明的一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器的模型等效电路图；
图6是在0°入射角情况下的轴比曲线；
图7是在0°入射角情况下的S参数曲线；
图8是在不同入射角度情况下的轴比曲线。
图中序号所代表的含义为:1.上层周期性金属栅格，2.上层纯聚四氟乙烯介质板，3.上层泡沫介质层，4.中间层周期性金属贴片，5.中间层纯聚四氟乙烯介质板，6.下层泡沫介质层，7.下层周期性金属栅格，8.下层纯聚四氟乙烯介质板，9.金属栅格单元，901，第一矩形金属栅格，902.第二矩形金属栅格，903.第三矩形金属栅格，10.矩形金属贴片。
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。
本发明的核心是提供一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器，损耗更低、0～3dB轴比带宽更宽、厚度更薄且能够在大入射角度下实现线圆极化转换功能。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例提供一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器，从上层至下层依次包括上层周期性金属栅格1、上层纯聚四氟乙烯介质板2、上层泡沫介质层3、中间层周期性金属贴片4、中间层纯聚四氟乙烯介质板5、下层泡沫介质层6、下层周期性金属栅格7和下层纯聚四氟乙烯介质板8；所述上层周期性金属栅格1与上层纯聚四氟乙烯介质板2为一体结构，所述中间层周期性金属贴片4与中间层纯聚四氟乙烯介质板5为一体结构，所述下层周期性金属栅格7与下层纯聚四氟乙烯介质板8为一体结构，所述上层泡沫介质层3分别与上层纯聚四氟乙烯介质板2和中间层纯聚四氟乙烯介质板5粘接，所述下层泡沫介质层分6别与中间层纯聚四氟乙烯介质板5和下层纯聚四氟乙烯介质板8粘接，层与层之间粘合成一个整体。
所述上层周期性金属栅格1和下层周期性金属栅格7均包含多组周期性交替布置的金属栅格单元9。如图3所示，所述金属栅格单元9包含第一矩形金属栅格901、第二矩形金属栅格902和第三矩形金属栅格903，所述第一矩形金属栅格901和第三矩形金属栅格903的尺寸相等，并且设置在第二矩形金属栅格902的两侧；所述第二矩形金属栅格902分别与第一矩形金属栅格901和第三矩形金属栅格903相连接，所述第二矩形金属栅格902的尺寸大于第一矩形金属栅格901和第三矩形金属栅格903的尺寸。
如图4所示，所述中间层周期性金属贴片4包含多个独立均匀布置的矩形金属贴片10，所述矩形金属贴片10的尺寸大于第一矩形金属栅格901、第二矩形金属栅格902以及第三矩形金属栅格903的尺寸。
作为优选地，所述上层周期性金属栅格1为在覆铜上层纯聚四氟乙烯介质2板上刻蚀所得；所述下层周期性金属栅格7为在覆铜下层纯聚四氟乙烯介质板8上刻蚀所得；所述中间层周期性金属贴片4为在覆铜中间层纯聚四氟乙烯介质板5上刻蚀所得，采用印制电路板工艺。
作为优选地，所述上层纯聚四氟乙烯介质板2、中间层纯聚四氟乙烯介质板5和下层纯聚四氟乙烯介质板8采用介电常数为2.2的纯聚四氟乙烯，所述上层泡沫介质层3和下层泡沫介质层6均采用介电常数为1.09的低损耗泡沫，能够极大程度降低水平和垂直分量的损耗，从而实现水平和垂直电场分量的幅度相等条件。
当线极化波电场方向以45°相对角度入射到金属栅格表面时，被分解为水平x和垂直y方向上两个分量，利用等效电路模型法进行分析，这两个分量依次透射过上层周期性金属栅格1、上层纯聚四氟乙烯介质板2、上层泡沫介质层3、中间层周期性金属贴片4、中间层纯聚四氟乙烯介质板5、下层泡沫介质层6、下层周期性金属栅格7和下层纯聚四氟乙烯介质板8，最终透射波分量幅度近似相等、相位差近似为90°，能够合成圆极化波。
本发明采用的设计方法为等效电路模型法。如图5所示，将上层周期性金属栅格1和下层周期性金属栅格7等效为电感，提供相位超前，将中间层周期性金属贴片4等效为电容，提供相位滞后，从而实现相位差条件，将上层泡沫介质层3和下层泡沫介质层6等效为阻抗εr为i，i+1层之间的等效介电常数，Z0＝377Ω，Z0是自由空间中的阻抗，泡沫的厚度为h1,2＝h2,3＝λ/8，λ为入射波波长)，通过此方法能够准确计算出各个结构参数。具体计算过程如下：
步骤一，确定等效电容值。如图5所示的FSS等效电路，可以使用如下两个推导公式来计算第一和最后一个等效电容值：
其中，δ＝BW/f0为相对带宽，BW为工作带宽，f0工作频率，ω0＝2πf0，q1、q3为第一个和第三个谐振结构的归一化品质因数，r1、r3为归一化源阻抗和归一化负载阻抗，中间层等效电容值需要满足下式条件：
其中，k1,3是等效电容Cy1和Cy3之间的归一化耦合系数，只要等效电容Cy2满足上面这个不等式，它可以取任意值，为简化设计方法，令Cx2满足计算Cy2同样的不等式条件。
步骤二，确定等效电感值。在步骤一确定完所有的电容值后，可以确定y方向上的相位延迟，根据相位延迟，为了实现x方向和y方向之间的90度相位差，调整x方向上的参数值以提供相位补偿，因此，等效电感值如下式确定：
其中，k2,3是电容Cy2与Cy3之间的归一化耦合系数。
步骤三，等效电路参数计算完毕，基于等效电路参数可以计算出各结构参数，从而进行快速设计。
通过上述步骤，根据计算出各结构参数的估计值，利用电磁仿真软件CST STUDIOSUITE进行建模仿真并进行优化，最终得到的结构参数如下表所示：
本实施例中，在入射波垂直入射时具有44.6％的3dB轴比带宽(11.36--17.83GHz)，损耗小于1dB，如图6和图7所示。
在此基础上，改变入射波的入射角度，得到如图8所示的结果，在本实施例中，随着入射波的入射角度增大时，3bB轴比带宽逐渐变窄，当入射角度达到50°时，3dB轴比带宽近似等于33.1％，由此可以表明，该线圆极化转换器可以应用于大角度波束扫描天线中，实现了在波束扫描情况下从线极化波到圆极化波的转换。
具体实施时，将该线圆极化转换器放置在距离天线辐射口面上约1cm处，金属栅格水平方向与线极化波电场方向相对45°放置。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器，其特征在于，从上层至下层依次包括上层周期性金属栅格、上层纯聚四氟乙烯介质板、上层泡沫介质层、中间层周期性金属贴片、中间层纯聚四氟乙烯介质板、下层泡沫介质层、下层周期性金属栅格和下层纯聚四氟乙烯介质板；所述上层周期性金属栅格与上层纯聚四氟乙烯介质板为一体结构，所述中间层周期性金属贴片与中间层纯聚四氟乙烯介质板为一体结构，所述下层周期性金属栅格与下层纯聚四氟乙烯介质板为一体结构，所述上层泡沫介质层分别与上层纯聚四氟乙烯介质板和中间层纯聚四氟乙烯介质板粘接，所述下层泡沫介质层分别与中间层纯聚四氟乙烯介质板和下层纯聚四氟乙烯介质板粘接；
所述上层周期性金属栅格和下层周期性金属栅格均包含多组周期性交替布置的金属栅格单元；所述金属栅格单元包含第一矩形金属栅格、第二矩形金属栅格和第三矩形金属栅格，所述第一矩形金属栅格和第三矩形金属栅格的尺寸相等，并且设置在第二矩形金属栅格的两侧；所述第二矩形金属栅格分别与第一矩形金属栅格和第三矩形金属栅格相连接，所述第二矩形金属栅格的尺寸大于第一矩形金属栅格和第三矩形金属栅格的尺寸；
所述中间层周期性金属贴片包含多个独立均匀布置的矩形金属贴片，所述矩形金属贴片的尺寸大于第一矩形金属栅格、第二矩形金属栅格以及第三矩形金属栅格的尺寸。
2.根据权利要求1所述的新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器，其特征在于，所述上层周期性金属栅格为在覆铜上层纯聚四氟乙烯介质板上刻蚀所得；所述下层周期性金属栅格为在覆铜下层纯聚四氟乙烯介质板上刻蚀所得；所述中间层周期性金属贴片为在覆铜中间层纯聚四氟乙烯介质板上刻蚀所得。
3.根据权利要求1所述的新型三层栅格-贴片型线圆极化转换器，其特征在于，所述上层泡沫介质层和下层泡沫介质层均采用介电常数为1.09的低损耗泡沫。
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