CN110896171A - 一种超宽带极化转换超表面结构 - Google Patents

一种超宽带极化转换超表面结构 Download PDF

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戴会娟
赵永久
邓宏伟
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Abstract

本发明公开了一种超宽带极化转换超表面结构，包括三角形棋盘和两种人工电磁表面（AMC）单元；三角形棋盘中按设定周期规律排列其中一种AMC单元；两种AMC单元始终具有180°的相位差；每种AMC单元均包括外双V型结构和内双V型结构；外双V型结构包括两种位于v轴上且关于u轴对称的大V型，其开口相对布设；其中，u轴和v轴均位于AMC单元的两种对角线上且相互垂直；内双V型结构位于外双V型结构中，包括两种位于u轴上且关于v轴对称的小V型，其开口相对布设。本发明能在14.3 GHz～43.2 GHz的超宽带范围内将线极化波转换为正交极化波，且在该范围内其PCR值大于90%。同时，通过三角形棋盘结构排布，能够实现从16.8 GHz到37.3 GHz的10dB以上超宽带雷达散射截面（RCS）缩减。

Description

一种超宽带极化转换超表面结构
技术领域
本发明涉及人工电磁材料，特别是一种超宽带极化转换超表面结构。
背景技术
新型人工电磁材料(metamaterials)是一种具有广泛可调电磁性能的亚波长周期性排布的人工复合材料/结构。通过超材料人们可以实现从“双正”到“双负”的等效介电常数和磁导率调控，进而实现负折射率、逆多普勒效应、完美透射等多种反常效应。近年来，研究者在超材料的机理研究和实际应用等方面取得了长足的进展。
新型人工电磁表面(metamaterials)是由亚波长单元结构组成的二维超薄平面阵列，是新型人工电磁材料近年来的研究热点。通过调整亚波长单元的结构及排列方式，新型人工电磁表面能够实现新型人工电磁材料类似的奇异电磁现象，而且还能实现电磁波反射/传输相位、极化方式、传播模式等特性的自由调控。在很多应用中，新型人工电磁表面能够替代人工电磁材料实现相同的电磁波调控功能，而且相比于新型人工电磁材料，新型人工电磁表面的厚度远小于工作波长，结构轻便，容易制作，损耗相对更低。
为了拓宽极化转换超表面(简称PCM)的带宽，人们提出了不同的设计方案，如采用多层结构、和等离子体共振叠加。有些论文虽然所提出的极化转换器件具有相对较宽的带宽，但其不可接受的厚度或复杂的结构可能会限制其实际应用。近年来，人们越来越重视实现更宽的带宽、更高的极化转换率(PCR)和小型化的PCM。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种超宽带极化转换超表面结构，该超宽带极化转换超表面结构能在14.3GHz～43.2GHz的超宽带范围内将线极化波转换为正交极化波，其PCR值大于90％。同时，通过排布成特定的三角形棋盘结构，实现了从16.8GHz到37.3GHz的10dB以上的超宽带RCS缩减。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种超宽带极化转换超表面结构，包括三角形棋盘和两种AMC单元。
三角形棋盘中按设定周期规律排列其中一种AMC单元；两种AMC单元始终具有180°的相位差。
每种AMC单元均包括外双V型结构和内双V型结构；外双V型结构包括两种位于v轴上且关于u轴对称的大V型，两种大V型的开口相对布设；其中，u轴和v轴为位于AMC单元的两种对角线上且相互垂直的轴；内双V型结构位于外双V型结构中，内双V型结构包括两种位于u轴上且关于v轴对称的小V型，两种小V型的开口相对布设。
大V型的尖顶夹角α和小V型的尖顶夹角β相等。
α＝β＝48°。
包括N*N个正方形栅格，每个正方形栅格均以中心点为顶点，等分为四个三角形棋盘；四个三角形棋盘中其中一组位置相对的两种三角形棋盘内布设相同的一种AMC单元，另外一组位置相对的两种三角形棋盘内布设相同的另一种AMC单元。
通过调整AMC单元的几何参数尺寸与排布方式，以及介质层厚度，进而调整最终反射波的相位和振幅。
介质层的材料为F4B，介电常数为2.2，损耗正切为0.001。
AMC单元中的大V型、小V型中的金属图案和介质层底部的金属基板均采用铜制成，铜的电导率为5.87*10-7S/m；厚度为0.035mm。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明所提出的极化转换超表面单元具有超宽带相移，高极化转换率，而且结构简单易调节。通过产生四种共振，PCM的交叉极化反射带宽得到了显著的扩展。数值模拟和实验结果表明，PCM可以在14.3GHz～43.2GHz的超宽带范围内将线极化波转换为正交极化波，其PCR值大于90％。
2、本发明所提出三角形棋盘结构与方形棋盘结构相比能实现更好的的RCS缩减效果。采用所设计PCM构成的三角形棋盘结构的实现了从16.8GHz到37.3GHz的10dB以上的超宽带雷达散射。
3、与其它极化转换器件相比，本发明所提出的极化转换器件基于其现有厚度，覆盖更宽的频率范围。另外，AMC单元结构更简单，便于调控。
附图说明
图1显示了本发明中AMC单元的侧视图。
图2显示了本发明中AMC单元的正视图。
图3中(A)和(B)分别显示了两种AMC单元中电场在u轴和v轴上分量分解图。
图4显示了x、y垂直入射波作用下AMC单元反射波的仿真结果。
图5显示了不同α值下模拟反射系数ryy关于频率的曲线图。
图6显示了不同α值下模拟反射系数rxy关于频率的曲线图。
图7中图(a)-(d)分别显示了在15.27、21.92、34.67和40.47GHz四种共振频率下的AMC单元和金属背板的表面电流分布。
图8显示了共极化与交叉极化反射系数关于频率的仿真曲线图。
图9显示了极化转换率关于频率的曲线图。
图10中(A)图显示了本发明超宽带极化转换超表面结构的示意图。
图10中(B)图显示了同尺寸裸金属板的结构示意图。
图11显示了垂直入射波下单站RCS仿真结果与实测结果的频率对比。
其中有：1.正方形栅格。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图10中的A图所示，一种超宽带极化转换超表面结构，包括正方形栅格1、三角形棋盘和两种AMC单元。
正方形栅格1为N*N种，每个正方形栅格均以中心点为顶点，等分为四个三角形棋盘，每种三角形棋盘均优选为等腰直角三角形。
四个三角形棋盘中两两关于中心对称，也即位置相对。其中一组位置相对的两种三角形棋盘内布设相同的一种AMC单元，另外一组位置相对的两种三角形棋盘内布设相同的另一种AMC单元。
AMC单元在三角形棋盘中按设定周期规律进行排列。
如图1所示，每种AMC单元均包括介质层、印刷在介质层顶部的AMC单元金属层和印刷在介质层底部的金属基板。本申请的AMC为人工电磁表面的简称。
介质层的材料优选为：F4B，介电常数为2.2，损耗正切为0.001。
AMC单元金属层和金属基板均优选采用铜制成，铜的电导率优选为5.87*10-7S/m；厚度优选为0.035mm。
和图2所示，每种AMC单元均包括外双V型结构和内双V型结构，每种AMC单元的边长均为p。
外双V型结构包括两种位于v轴上且关于u轴对称的大V型，两种大V型的开口相对布设。其中，u轴和v轴为位于AMC单元的两种对角线上且相互垂直的轴，如图3所示。
大V型的尖顶夹角为α，大V型等宽布设，其宽度为w，大V型的单边长度为l，两种大V型开口相对端的最小间距为g。
内双V型结构位于外双V型结构中，内双V型结构包括两种位于u轴上且关于v轴对称的小V型，两种小V型的开口相对布设。
小V型的尖顶夹角为β，小V型等宽布设，其宽度为n，小V型的单边长度为m，两种大V型开口相对端的最小间距为k。
在本实施例中，AMC单元的具体优选尺寸为：p＝6.29mm，α＝β＝48°，w＝0.4mm，l＝3.8mm，g＝0.65mm；n＝0.3mm，m＝1mm；k＝0.2mm。
两种AMC单元始终具有180°的相位差。当一种AMC单元确定后，只需将确定的AMC单元旋转90°，即得到另一种AMC单元，并使得两种AMC单元始终保持180°的相位差，所以影响RCS缩减性能的因素只有极化转换率。两种AMC单元互为镜像，如图3所示。
假设x极化入射波被反射，完全转化为正交入射波。两种AMC单元产生的反射被抵消。因此，可以通过两种AMC单元在棋盘结构中的排列来实现RCS缩减。
当平面波以特定的偏振方式冲击这种ACM时，由于元面的各向异性特性，透射和反射都可以产生x和y偏振平面波，并在ACM和金属片层之间进行多次反射，最终的反射波是波互相干涉的结果。因此，可以利用介电层的厚度来控制最终反射波的相位和振幅。
为了更好地理解ACM的响应，我们认为入射平面波沿y轴方向发生偏振。因此，电场可以分解为两种垂直的分量u和v，如图3所示。
为了分析ACM单元的极化转换原理，电场(E)方向的分析图如图4所示。这个“对称”和“反对称”模式分别由电场沿着u-轴和v-轴的分量生成。
入射波沿y轴极化。将E分解为两个相互垂直的分量u和v(如图3所示)。入射波的电场表示为：
Figure BDA0002278705380000041
其中，Eiu是入射电场沿着u方向的分量，Eiv是入射电场沿着v方向的分量，j是虚量，
Figure BDA0002278705380000042
是相位。另外，图3中，Eru是反射电场沿着u方向的分量，Erv是反射电场沿着v方向的分量。
反射波的电场表示为：
Figure BDA0002278705380000043
这里，ru和rv分别是沿u轴和v轴的反射系数，见图3。
采用ru和rv分别代表u轴和v轴上的反射系数，
Figure BDA0002278705380000044
和
Figure BDA0002278705380000045
分别代表u轴和v轴上产生的相位。由于ACM的各向异性特性，ru和rv之间可以产生相位差
Figure BDA0002278705380000046
当
Figure BDA0002278705380000047
和模量满足ru≈rv时，Eru和Erv的合成场将沿x方向，入射极化旋转90°。实际上，外双V型结构支持由沿u轴方向的电场分量激发的多阶偶极共振，内双V型结构支持由沿v轴方向的电场分量激发的多阶偶极共振。预计这种复合材料结构将产生多模共振。为了通过数值研究设计的性能，在CST微波工作室中对图2中单元的反射振幅和相位进行了模拟。图4所示的结果表明，沿u轴方向的极化反射振幅几乎等于沿v轴方向的极化反射振幅。此外，相位延迟在14.3ー43.2GHz之间接近180°。很明显，ACM单元可以在28.9GHz的超宽频率段内实现线性极化转换。
采用rxy和ryx代表交叉极化反射系数，rxx和ryy代表共同化反射系数。
另外，大V型的尖顶夹角α或小V型的尖顶夹角β对极化转换具有影响影响。图5和图6显示了不同尖顶夹角α下的共偏振和交叉偏振反射系数。
图5显示当尖顶夹角α大于45时，带宽不会显著增加，而是随着尖顶夹角α的减少而减少。当α＝48°时，ACM达到最宽的工作带宽。
入射平面波产生四种共振，导致交叉极化反射的带宽扩展。本发明能在14.3ー43.2GHz的超宽带范围内有效地将线极化波转换为正交极化波，平均极化转换率为96.7％。同时，通过产生四种共振，PCM的交叉极化反射带宽可以得到显著的扩展。数值模拟和实验结果表明，PCM可以在14.3ー43.2GHz的超宽带内将线性极化波转化为正交极化波，且其PCR值大于90％。与其他类型的极化转换器件相比，该极化转换器在现有极化转换器件厚度的基础上，具有更宽的频率范围。
四种共振，分别在15.27、21.92、34.67和40.47GHz的四种谐振频率，如图7中(a)-(d)所示，其中，大圆弧表示电流的主要方向。整种结构可以看作是由V型谐振器演化而来，进而演化为扩展的V型谐振器。多V形谐振器和金属接地片上的电流分别由对称和反对称耦合产生电谐振和磁谐振。从图7可以清楚地观察到，15.27和34.67GHz的谐振是磁性的，21.92和40.47GHz的谐振是电性的。在整种结构和金属基板上分别由平行和反平行的表面电流产生电共振和磁共振。
在CST微波工作室中，在x方向和y方向周期性边界条件以及+z方向附加开放空间条件下进行了全波模拟，以验证所提出ACM的超宽带极化转换能力。图8和图9显示了模拟的共极化和交叉极化反射以及PCR。
在超宽频带内，交叉极化反射系数rxy和ryx分别接近1(0dB)，表明在正常入射条件下，x波和y波都可以实现极化转换。这种超宽带极化转换特性是四种共振频率(15.27，21.92，34.67和40.47GHz)的影响，其中极化转换效率接近100％。
本发明与现有技术中其他极化变换器的比较，如下表所示：
Figure BDA0002278705380000061
上表中，参考样品20和24为现有技术。从上表可以看出，本发明所提出的转换器具有更宽的带宽，且只有1.6毫米的厚度，单元周期更小，便于集成和实现共形等。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并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，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超宽带极化转换超表面结构，其特征在于：包括三角形棋盘和两种AMC单元；
三角形棋盘中按设定周期规律排列其中一种AMC单元；两种AMC单元始终具有180°的相位差；
每种AMC单元均包括外双V型结构和内双V型结构；外双V型结构包括两种位于v轴上且关于u轴对称的大V型，两种大V型的开口相对布设；其中，u轴和v轴为位于AMC单元的两种对角线上且相互垂直的轴；内双V型结构位于外双V型结构中，内双V型结构包括两种位于u轴上且关于v轴对称的小V型，两种小V型的开口相对布设。
2.根据权利要求2所述的超宽带极化转换超表面结构，其特征在于：大V型的尖顶夹角α和小V型的尖顶夹角β相等。
3.根据权利要求1所述的超宽带极化转换超表面结构，其特征在于：α=β=48°。
4.根据权利要求1所述的超宽带极化转换超表面结构，其特征在于：包括N*N个正方形栅格，每个正方形栅格均以中心点为顶点，等分为四个三角形棋盘；四个三角形棋盘中其中一组位置相对的两种三角形棋盘内布设相同的一种AMC单元，另外一组位置相对的两种三角形棋盘内布设相同的另一种AMC单元。
5.根据权利要求1所述的超宽带极化转换超表面结构，其特征在于：通过调整AMC单元的几何参数尺寸与排布方式，以及介质层厚度，进而调整最终反射波的相位和振幅。
6.根据权利要求5所述的超宽带极化转换超表面结构，其特征在于：介质层的材料为F4B，介电常数为2.2，损耗正切为0.001。
7.根据权利要求1所述的超宽带极化转换超表面结构，其特征在于：AMC单元中的大V型、小V型中的金属图案和介质层底部的金属基板均采用铜制成，铜的电导率为5.87*10-7S/m；厚度为0.035mm。
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