CN110768024A - 基于b形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器 - Google Patents

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张旭
韩培高
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Abstract

本发明涉及一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，包括在同一平面内周期性排列的多个超表面结构单元，每个超表面结构单元由表层金属谐振结构、中间层介质基板和底层金属背板组成。所述表层金属谐振结构类似一个B形，即由两个结构参数相同的金属半圆环外加一根金属长条组成；所述两个金属半圆环并排排列在一起且圆环之间有重合的部分；整个表层金属谐振结构相对于竖直方向逆时针旋转45度。该极化转换器能使垂直入射的线极化电磁波通过反射产生交叉极化波，交叉极化反射率大于0.9的工作带宽可达到11GHz左右。在8.46~19.61GHz的频率范围内，该极化转换器极化转换率最低在92%左右，实现了高效地极化转换。

Description

基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，更具体地说，是涉及基于超表面的电磁波极化调控器件技术领域。
背景技术
超表面是一种人工设计的二维平面结构的超材料，其厚度是亚波长的，它不仅具有超材料所具备的负折射、隐身等功能，同时结构也比超材料更加简单和易于实现；许多研究表明，运用超表面可以实现对电磁波的有效调控，超表面的这一特性对于极化调控领域具有极大的研究价值；目前，超表面在天线和隐身技术等诸多领域中都有重要的应用。
极化状态是电磁波的重要属性之一，电磁波的极化特性在卫星通信、雷达抗干扰等许多应用领域中有重要的研究价值；所谓极化，是指在空间某点处电场强度矢量E的方向与大小随时间变化的特性。
传统的电磁波极化调控材料的厚度大于工作波长，特别是在低频的情况下，这些传统的极化调控器件的尺寸大、带宽窄等劣势限制了其在工程中的应用和集成，因此，亟需要构造一种具有结构简单、体积小等特性的极化调控器件；目前，许多研究表明，通过改变超表面的亚波长单元结构及其组合方式，能够完美地实现对电磁波的极化调控。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种具有宽频带特性的、极化转换率高的基于B形超表面的反射型电磁波极化转换器，本发明的极化转换器克服了传统的极化调控器件的工作带宽窄、体积大等缺点，能够实现很高的极化转换率和超宽的工作频带的极化转换效果，除此之外，还具有结构简单、易加工、便于集成等优势。
本发明是这样实现的，一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，包括在同一平面内周期性排列的多个超表面结构单元，每个超表面结构单元由表层金属谐振结构（1）、中间层介质基板（2）和底层金属背板（3）构成；所述表层金属谐振结构的形状类似一个B形，即由两个金属半圆环（1-1）和一根金属长条（1-2）构成；金属半圆环的环宽和金属长条的宽度相同；整个B形金属谐振结构相对于竖直方向逆时针旋转45度。
本发明的技术方案如下：一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，包括在同一平面内周期性排列的多个超表面结构单元。
每个超表面结构单元包括表层的金属谐振结构、中间层的介质基板和底层的金属背板。所述表层金属谐振结构、中间层介质基板及底层金属背板的中心位于同一条垂直线上。
表层金属谐振结构的形状类似一个斜放着的大写字母B，即由两个金属半圆环和一根金属长条组成；两个金属半圆环上下结构紧靠在一起，且圆环之间有重合的部分，重合区域的宽度等于金属半圆环的环宽；金属长条与两个金属半圆环的直径重叠在一起。
本发明中的金属长条（1-2）的长度等于S1+S2，S1表示超表面结构单元的中心到金属长条左上方端口的距离，S2表示超表面结构单元的中心到金属长条右下方端口的距离；金属长条与两个半圆环之间的关系包含以下三种情况：第一种情况为金属长条和两个半圆环组成字母B的形状，第二种情况为金属长条和两个半圆环组成字母B的基础上S1或S2伸长一段，第三种情况为金属长条和两个半圆环组成字母B的基础上S1和S2均伸长一段，S1和S2的伸长量可以不相等；整个表层结构相对于竖直方向逆时针旋转了45度。
本发明的特点在于，所述表层金属谐振结构与底层金属背板材料优选为铜箔。
本发明的特点在于，所述中间介质基板的材料优选为Taconic TLY-5。
本发明的特点还在于，所述中间介质Taconic TLY-5的相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009。
本发明的有益效果具体如下：1. 对于垂直入射的线极化电磁波，本发明仅由一个简单的结构设计即可实现工作带宽为11GHz左右的宽频带的交叉极化转换，且交叉极化反射率的最小值在工作频带内为0.9左右，实现了高效地极化转换。
2. 相较于传统的电磁波极化调控器件，本发明的极化转换器具有简单紧凑，易于实现和加工，便于集成等优势。
附图说明
图1为本发明极化转换器的局部立体结构示意图。
图2为本发明极化转换器的一个超表面结构单元的结构示意图。
图3为本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条长度取不同值时本发明的交叉极化反射率比较图。
此时，本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条的结构参数S1和S2相等；图3中的三条曲线是本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条的长度S1+S2分别取10mm、11mm和12mm时的交叉极化反射率曲线。
图4为本发明极化转换器的超表面结构单元表层金属谐振结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B时的结构示意图。
此时本发明极化转换器的一个超表面结构单元中的金属长条的长度S1+S2=9.5mm，并且S1和S2相等。
图5为本发明极化转换器取不同结构参数时的交叉极化反射率比较图。
此时，本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条的结构参数S1和S2相等；图5中的曲线分别对应S1+S2=9.5mm和S1+S2=10mm时本发明极化转换器的交叉极化反射率。
图6为本发明极化转换器的超表面结构单元表层结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B的基础上S1伸长一段时的结构示意图。
图7为本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条的结构参数S1取不同值时本发明的交叉极化反射率比较图。
在图7中S1=5对应的曲线是超表面结构单元中的金属长条的结构参数S1和S2相等且金属长条的长度S1+S2=10mm时本发明极化转换器的交叉极化反射率曲线；S1=5.5对应的曲线是超表面结构单元表层结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B的基础上S1 =5.5mm时本发明极化转换器的交叉极化反射率曲线；S1=6对应的曲线是超表面结构单元表层结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B的基础上S1 =6mm时本发明极化转换器的交叉极化反射率曲线。
图8为本发明极化转换器的超表面结构单元表层结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B的基础上S2伸长一段时的结构示意图。
图9为本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条的结构参数S2取不同值时本发明的交叉极化反射率比较图。
在图9中S2=5对应的曲线是超表面结构单元中的金属长条的结构参数S1和S2相等且金属长条的长度S1+S2=10mm时本发明极化转换器的交叉极化反射率曲线；S2=5.5对应的曲线是超表面结构单元表层结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B的基础上S2=5.5mm时本发明极化转换器的交叉极化反射率曲线；S2=6对应的曲线是超表面结构单元表层结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B的基础上S2 =6mm时本发明极化转换器的交叉极化反射率曲线。
图10为本发明的极化转换器取其最优结构参数时的同极化反射率与交叉极化反射率曲线图。
图11为本发明的极化转换器取其最优结构参数时的极化转换率曲线图。
附图标记说明：1——表层金属谐振结构；1-1——两个金属半圆环；1-2——金属长条；2——中间层介质基板；3——底层金属背板。
具体实施方式
下面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晰、完整地描述。
如图1和图2所示，本发明提出的超表面结构单元包括表层的金属谐振结构、中间层的介质基板和底层的金属背板；介质基板可以是FR-4玻璃布基板、聚四氟乙烯高频板、Taconic系列介质基板材料，表层金属谐振结构和底层金属背板为金属导电材料；在本发明优选实施例中，介质基板为Taconic TLY-5，金属谐振结构和金属背板均为铜箔。
所述介质基板、表层金属谐振结构及底层金属背板的中心位于同一条垂直线上。从垂直于介质基板所在平面的方向上看，所述超表面结构单元的横向长度与纵向长度相同，其边长p定义为超表面结构单元的周期长度。
所述介质基板为Taconic TLY-5，其相对介电常数为2.2，磁导率为1，损耗角正切值为0.0009。所述表层金属谐振结构（1）和底层金属背板（3）为铜箔，电导率σ=5.8×107 S/m。
作为优选，所述超表面结构单元的周期长度p的取值范围是8mm≤p≤12mm。所述介质基板的厚度h的取值范围是3.3mm≤h≤3.8mm，表层金属谐振结构及底层金属板的厚度t的取值范围是0.03mm≤t≤0.04mm。
作为优选，所述金属长条的长度S1+S2的取值范围是9mm≤S1+S2≤14mm，宽度w的范围是0.4mm≤w≤0.6mm；所述超表面结构单元的金属半圆环内、外半径r1与r2的取值范围分别是1.5mm≤r1≤2.5mm，2mm≤r2≤3mm；两个金属半圆环并排排列在一起，且重合区域的宽度等于金属半圆环的环宽r2- r1，并且r2- r1 =w。
图3为图2所示的超表面结构单元表层金属谐振结构中的金属长条在S1=S2的基础上取不同长度时的交叉极化反射率比较图；当入射波为y极化波时，交叉极化反射系数的大小定义为rxy=|Exr/Eyi |，交叉极化反射率的定义为rxy 2。
图3的横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为交叉极化反射率；从图3可以看出随着金属长条的长度S1+S2的增加，本发明极化转换器的工作频带向低频方向移动，并能保持较高的交叉极化反射率。
图4为本发明极化转换器的超表面结构单元表层金属谐振结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B时的结构示意图；图5为本发明极化转换器取不同结构参数时的交叉极化反射率比较图；此时，本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条的结构参数S1和S2相等；图5中的曲线分别对应S1+S2=9.5mm和S1+S2=10mm时本发明极化转换器的交叉极化反射率。
图6为本发明极化转换器的超表面结构单元表层金属谐振结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B的基础上S1伸长一段时的结构示意图；图7为本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条的结构参数S1取不同值时本发明的交叉极化反射率比较图；从图7可以看出当金属长条的结构参数S1改变时，本发明极化转换器仍能保持较高的交叉极化反射率。
图8为本发明极化转换器的超表面结构单元表层金属谐振结构中的金属长条与两个金属半圆环组成字母B的基础上S2伸长一段时的结构示意图；图9为本发明极化转换器的超表面结构单元中的金属长条的结构参数S2取不同值时本发明的交叉极化反射率比较图；从图9可以看出当金属长条的结构参数S2改变时，本发明极化转换器仍能保持较高的交叉极化反射率。
图10为本发明的极化转换器取其最优结构参数的同极化反射率与交叉极化反射率曲线图；当入射波为y极化波时，同极化反射系数的大小定义为ryy=|Eyr/Eyi|，同极化反射率的定义为ryy 2；图10中实线和虚线分别对应本发明的极化转换器的交叉极化反射率和同极化反射率；从图10可以看出，在8.46~19.61GHz频率范围内，本发明的极化转换器的交叉极化反射率最小值为0.9左右。
图11所示为本发明的一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器的极化转换率(PCR)图；其中，极化转换率定义为：PCR= rxy 2/(rxy 2+ ryy 2)；从图11可以看出，在8.46~19.61GHz频率范围内，本发明的极化转换器的极化转换率最低为92%左右。
所述一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器由多个呈周期性排列的结构单元构成，每个结构单元的结构大小和结构参数相同；本发明可以通过调节两个金属半圆环与金属长条之间的排列方式以及超表面结构单元的结构参数，使其工作在不同的频段，通过优化超表面结构单元的结构参数后可以在很宽的频带内通过反射实现线极化电磁波到交叉极化的高效极化转换。
在本发明优选实施例中：极化转换器工作在X波段、Ku波段和K波段，介质基板采用Taconic TLY-5，表层的金属谐振结构和底层金属板材料均为铜；在本发明优选实施例中，金属背板为全覆盖在介质基板后的铜箔，起到全反射作用。
本发明设计的一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，能在宽频带内通过反射实现垂直入射线极化电磁波到交叉极化电磁波的极化转换；本极化转换器具有结构简单、厚度薄、易于加工和频带宽等优势，并在整个工作频带内都具有良好的极化转换性能，在实际应用中的前景非常广阔。
以上详细介绍了本发明的原理、特性、以及相关优点，给出的相关结构参数是优选实施的方案，需要指出的是：本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，所进行的修改也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，其特征在于，包括在同一平面内周期性排列的多个超表面结构单元，每个超表面结构单元包括三层结构，分别为表层金属谐振结构（1）、中间层介质基板（2）和底层金属背板（3）；表层金属谐振结构为一个斜放的大写字母B形，即由两个金属半圆环（1-1）和一根金属长条（1-2）组成；两个金属半圆环并排排列在一起且直径在一条直线上；金属长条与排列在一起的两个金属半圆环的直径重叠在一起；表层金属谐振结构相对于竖直方向逆时针旋转了45度。
2.如权利要求1所述的一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，其特征在于，所述表层金属谐振结构中的两个金属半圆环（1-1）的大小和结构参数完全相同；表层金属谐振结构中的两个金属半圆环并排排列在一起，且重合区域的宽度等于金属半圆环的环宽r2- r1。
3.如权利要求1所述的一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，其特征在于，金属长条（1-2）的长度等于S1+S2，S1表示超表面结构单元的中心到金属长条左上方端口的距离，S2表示超表面结构单元的中心到金属长条右下方端口的距离；金属长条与两个金属半圆环之间的关系包含以下三种情况：第一种情况为金属长条和两个金属半圆环组成字母B的形状，第二种情况为金属长条和两个金属半圆环组成字母B的基础上S1或S2伸长一段，第三种情况为金属长条和两个金属半圆环组成字母B的基础上S1和S2均伸长一段，S1和S2的伸长量可以不相等。
4.如权利要求1所述的一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，其特征在于，所述表层金属谐振结构（1）与底层金属背板（3）的材料和厚度完全相同。
5.如权利要求1所述的一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，其特征在于，所述介质基板包括FR-4玻璃布基板、聚四氟乙烯高频板、Taconic系列介质基板材料。
6.如权利要求1所述的一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，其特征在于，所述表层金属谐振结构与底层金属背板的材料可以选择铜、金、银、铝。
7.如权利要求1所述的一种基于B形超表面的宽带反射型电磁波极化转换器，其特征在于，所述极化转换器的结构参数要求如下：8mm≤p≤12mm，0.03mm≤t≤0.04mm，3.3mm≤h≤3.8mm，0.4mm≤w≤0.6mm，9mm≤S1+S2≤14mm，1.5mm≤r1≤2.5mm，2mm≤r2≤3mm；其中p表示超表面结构单元的周期，t表示表层金属谐振结构（1）和底层金属背板（3）的厚度，h表示中间介质基板（2）的厚度，w表示表层金属谐振结构（1）中的金属长条（1-2）的宽度，r1、r2分别表示表层金属谐振结构（1）中两个金属半圆环（1-1）的内、外半径，且w=r2- r1。
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