CN113346254B - 一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，包括多个周期排列的有源频率选择表面单元，该频率选择表面单元由上而下依次层叠设置有第一微带导带层、第一介质板、第一空气层、第一金属接地板、第二介质板，且第一微带导带层由第一子微带导带层、第二子微带导带层、第三子微带导带层、第四子微带导带层、偏置电路组成。与现有技术相比，本发明采用一种特殊的拓扑结构设计，通过控制变容二极管的电压值来改变极化方式，从而实现线‑线（LL）、线‑圆（LC）极化方式的切换。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器。
背景技术
波的极化是指电磁波在传播过程中电场和磁场方向的变化规律。极化方式是电磁波最重要的基本特征之一，常见的极化方式有线极化、圆极化，其中线极化分为水平极化和垂直极化，圆极化分为左旋圆极化和右旋圆极化。无线通信系统电磁波的极化方式一般不相同，而极化方式不同的通信系统之间是无法进行通信的。比如卫星导航和移动通信系统一般采用圆极化电磁波，而雷达通信系统既有线极化也有圆极化波。
随着现代科技的迅猛发展，无线通信系统也朝着多功能、小型化方向发展，因此能同时实现多种极化方式转换的电磁调控器对通信设备来说意义重大。频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由周期性排布的金属贴片或缝隙组成，因其独特的滤波作用，近年来被广泛用于卫星通信、电磁兼容等多个领域。基于频率选择表面的电磁调控设备层出不穷，其中用于极化转换的器件种类繁多，但大部分结构固定、功能和应用环境受限，无法实现多功能多场合应用，尤其在某些电磁环境复杂、功能需求多样化场合。因此，多功能极化转换器的研究具有重要的价值和意义。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，以解决现有频率选择表面极化转换器功能单一的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，包括M×N个周期排列的有源频率选择表面单元(M≥2，N≥2)，所述频率选择表面单元由上而下依次层叠设置有第一微带导带层、第一介质板、第一空气层、第一金属接地板、第二介质板，且所述第一微带导带层由第一子微带导带层、第二子微带导带层、第三子微带导带层、第四子微带导带层、偏置电路组成。
进一步地，所述第一介质板均分为四个区域，第一介质板左上方区域为第一正方形区域，第一介质板右上方区域为第二正方形区域，第一介质板左下方区域为第三正方形区域，第一介质板右下方区域为第四正方形区域；所述第一子微带导带层设置于第一正方形区域内，第一子微带导带层由第一金属片、第一变容二极管、第二变容二极管组成；所述第二子微带导带层设置于第二正方形区域内，第二子微带导带层由第二金属片、第三变容二极管、第四变容二极管组成；所述第三子微带导带层设置于第三正方形区域内，第三子微带导带层由第三金属片、第五变容二极管、第六变容二极管组成；所述第四子微带导带层设置于第四正方形区域内，第四子微带导带层由第四金属片、第七变容二极管、第八变容二极管组成。
进一步地，所述第一金属片由背靠背且中间留有缝隙的设置于第一正方形区域内的第一C型金属片和第二C型金属片组成，且第一C型金属片和第二C型金属片关于第一正方形区域的第一对角线中心呈中心对称；所述第二金属片由背靠背且中间留有缝隙的设置于第二正方形区域内的第三C型金属片和第四C型金属片组成，且第三C型金属片和第四C型金属片关于第二正方形区域的第一对角线中心呈中心对称；所述第三金属片由背靠背且中间留有缝隙的设置于第三正方形区域内的第五C型金属片和第六C型金属片组成，且第五C型金属片和第六C型金属片关于第三正方形区域的第一对角线中心呈中心对称；所述第四金属片由背靠背且中间留有缝隙的设置于第四正方形区域内的第七C型金属片和第八C型金属片组成，且第七C型金属片和第八C型金属片关于第四正方形区域的第一对角线中心呈中心对称。
进一步地，所述第一变容二极管和第二变容二极管的负极连接第一C型金属片，第一变容二极管和第二变容二极管的正极连接第二C型金属片，且第一变容二极管和第二变容二极管设置于第一C型金属片和第二C型金属片间的缝隙处；所述第三变容二极管和第四变容二极管的正极连接第三C型金属片，第三变容二极管和第四变容二极管的负极连接第四C型金属片，且第三变容二极管和第四变容二极管设置于第三C型金属片和第四C型金属片间的缝隙处；所述第五变容二极管和第六变容二极管的正极连接第五C型金属片，第五变容二极管和第六变容二极管的负极连接第六C型金属片，且第五变容二极管和第六变容二极管设置于第五C型金属片和第六C型金属片间的缝隙处；所述第七变容二极管和第八变容二极管的负极连接第七C型金属片，第七变容二极管和第八变容二极管的正极连接第八C型金属片，且第七变容二极管和第八变容二极管设置于第七C型金属片和第八C型金属片间的缝隙处。
进一步地，偏置电路为分别设置于第一C型金属片、第二C型金属片、第三C型金属片、第四C型金属片、第五C型金属片、第六C型金属片、第七C型金属片、第八C型金属片臂上的第一高阻抗细微带线、第二高阻抗细微带线、第七高阻抗细微带线、第八高阻抗细微带线、第三高阻抗细微带线、第四高阻抗细微带线、第五高阻抗细微带线、第六高阻抗细微带线。其中，第一高阻抗细微带线与第二高阻抗细微带线在同一侧，第三高阻抗细微带线与第四高阻抗细微带线在同一侧，第五高阻抗细微带线与第六高阻抗细微带线在同一侧，第七高阻抗细微带线与第八高阻抗细微带线在同一侧，且第一高阻抗细微带线与第六C型金属片相连，第二高阻抗细微带线与第三C型金属片相连，第四高阻抗细微带线与第七C型金属片相连，第七高阻抗细微带线与第八C型金属片相连，周期排列时，第三高阻抗细微带线63、第五高阻抗细微带线65、第六高阻抗细微带线66、第八高阻抗细微带线68分别与相邻有源频率选择表面单元的最近邻C型金属片相连。
进一步地，所述第一C型金属片、第四C型金属片、第六C型金属片、第七C型金属片接正电压，第二C型金属片、第三C型金属片、第五C型金属片、第八C型金属片接负电压。
进一步地，所述第一介质板、第一空气层、第一金属接地板与第二介质板的长宽尺寸相同，且长宽比为1。
进一步地，所述第一介质板、第二介质板为F4b板，第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片材质为PEC覆铜。
与现有技术相比，本发明采用一种特殊的拓扑结构设计，通过控制变容二极管的电压来改变极化方式，从而实现线-线(LL)、线-圆(LC)极化方式的切换。
附图说明
图1为本发明实施例的周期结构示意图。
图2为本发明实施例有源频率选择表面单元的结构示意图。
图3为本发明实施例有源频率选择表面单元的左上方四分之一部分的三维结构示意图。
图4为本发明实施例LL极化转换反射相位参数图。
图5为本发明实施例LC极化转换反射相位参数图。
图6为本发明实施例LL极化转换反射系数幅度参数图。
图7为本发明实施例LC极化转换反射系数幅度参数图。
图8为本发明实施例极化转换率参数图。
其中，11-第一微带导带层，12-第一介质板，13-第一空气层，14-第一金属接地板，15-第二介质板，21-第一金属片，22-第二金属片，23-第三金属片，24-第四金属片，31-第一C型金属片，32-第二C型金属片，33-第三C型金属片，34-第四C型金属片，35-第五C型金属片，36-第六C型金属片，37-第七C型金属片，38-第八C型金属片，41-第一正方形区域，42-第二正方形区域，43-第三正方形区域，44-第四正方形区域，51-第一正方形区域的第一对角线，52-第二正方形区域的第一对角线，53-第三正方形区域的第一对角线，54-第四正方形区域的第一对角线，61-第一高阻抗细微带线，62-第二高阻抗细微带线，63-第三高阻抗细微带线，64-第四高阻抗细微带线，65-第五高阻抗细微带线，66-第六高阻抗细微带线，67-第七高阻抗细微带线，68-第八高阻抗细微带线，D1-第一变容二极管，D2-第二变容二极管，D3-第三变容二极管，D4-第四变容二极管，D5-第五变容二极管，D6-第六变容二极管，D7-第七变容二极管，D8-第八变容二极管。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，请参见附图1-3，该极化转换器包含多个呈周期排列的有源频率选择表面单元，所述单元包括由上而下依次层叠设置的第一微带导带层11、第一介质板12、第一空气层13、第一金属接地板14、第二介质板15。其中，第一介质板12、第一空气层13、第一金属接地板14与第二介质板15的长宽尺寸相同，且长宽比为1，其长、宽可为12mm，第一介质板12与第二介质板15均为F4b板，其高度h1可为1mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，第一空气层13的高度h可为4mm。
具体地，第一微带导带层11由第一子微带导带层、第二子微带导带层、第三子微带导带层、第四子微带导带层、偏置电路组成。其中，设置于第一正方形区域41内的第一子微带导带层由第一金属片21、第一变容二极管D1、第二变容二极管D2组成，设置于第二正方形区域42内的第二子微带导带层由第二金属片22、第三变容二极管D3、第四变容二极管D4组成，设置于第三正方形区域43内的第三子微带导带层由第三金属片23、第五变容二极管D5、第六变容二极管D6组成，设置于第四正方形区域44内的第四子微带导带层由第四金属片24、第七变容二极管D7、第八变容二极管D8组成。第一金属片21由第一C型金属片31和第二C型金属片32组成，第二金属片22由第三C型金属片33和第四C型金属片34组成，第三金属片23由第五C型金属片35和第六C型金属片36组成，第四金属片24由第七C型金属片37和第八C型金属片38组成。第一C型金属片31和第二C型金属片32背靠背放置且中间留有缝隙，第三C型金属片33和第四C型金属片34背靠背放置且中间留有缝隙，第五C型金属片35和第六C型金属片36背靠背放置且中间留有缝隙，第七C型金属片37和第八C型金属片38背靠背放置且中间留有缝隙，所述缝隙的宽度S可为0.6mm。且第一C型金属片31和第二C型金属片32关于第一正方形区域的第一对角线51中点呈中心对称，第三C型金属片33和第四C型金属片34关于第二正方形区域的第一对角线52中点呈中心对称，第五C型金属片35和第六C型金属片36关于第三正方形区域的第一对角线53中点呈中心对称，第七C型金属片37和第八C型金属片38关于第四正方形区域的第一对角线54中点呈中心对称。
具体地，偏置电路为分别设置于第一C型金属片31、第二C型金属片32、第三C型金属片33、第四C型金属片34、第五C型金属片35、第六C型金属片36、第七C型金属片37、第八C型金属片38臂上的第一高阻抗细微带线61、第二高阻抗细微带线62、第七高阻抗细微带线67、第八高阻抗细微带线68、第三高阻抗细微带线63、第四高阻抗细微带线64、第五高阻抗细微带线65、第六高阻抗细微带线66，其中，第一高阻抗细微带线61与第二高阻抗细微带线62在同一侧，第三高阻抗细微带线63与第四高阻抗细微带线64在同一侧，第五高阻抗细微带线65与第六高阻抗细微带线66在同一侧，第七高阻抗细微带线67与第八高阻抗细微带线68在同一侧，且第一高阻抗细微带线61与第六C型金属片36相连，第二高阻抗细微带线62与第三C型金属片33相连，第四高阻抗细微带线64与第七C型金属片37相连，第七高阻抗细微带线67与第八C型金属片38相连，周期排列时，第三高阻抗细微带线63、第五高阻抗细微带线65、第六高阻抗细微带线66、第八高阻抗细微带线68分别与相邻有源频率选择表面单元的最近邻C型金属片相连，偏置电路与第一微带导带层11共面放置在第一介质板12上。
具体地，第一变容二极管D1和第二变容二极管D2的负极连接第一C型金属片31，正极连接第二C型金属片32；第三变容二极管D3和第四变容二极管D4的正极连接第三C型金属片33，负极连接第四C型金属片34；第五变容二极管D5和第六变容二极管D6的正极连接第五C型金属片35，负极连接第六C型金属片36；第七变容二极管D7和第八变容二极管D8的负极连接第七C型金属片37，正极连接第八C型金属片38。其中，第一变容二极管D1和第二变容二极管D2设置于第一C型金属片31和第二C型金属片32间的缝隙处，第三变容二极管D3和第四变容二极管D4设置于第三C型金属片33和第四C型金属片34间的缝隙处，第五变容二极管D5和第六变容二极管D6设置于第五C型金属片35和第六C型金属片36间的缝隙处，第七变容二极管D7和第八变容二极管D8设置于第七C型金属片37和第八C型金属片38间的缝隙处。第一C型金属片31、第四C型金属片34、第六C型金属片36、第七C型金属片37接正电压，第二C型金属片32、第三C型金属片33、第五C型金属片35、第八C型金属片38接负电压，所有C型金属片的材质通常为PEC覆铜，其宽度w可为0.2mm，L1可为4.8mm，L2可为4mm。
LL极化转换的条件是ruu与rvv的相位差幅值在180°左右，LC极化转换的条件是rxy和ryy的相位差幅值在90°左右，且rxy和ryy两分量反射系数相同，其中，ruu为向量r的分量ru在uvi坐标系中u方向的分量，rvv为向量r的分量ru在uvi坐标系中v方向的分量，rxy为向量r的分量rx在xyz坐标系中y方向的分量，ryy为向量r的分量ry在xyz坐标系中y方向的分量。极化转化率(PCR)的定义为PCR＝|rxy|2/(|rxy|2+|ryy|2)。
为验证本发明的有效性，通过Ansoft HFSS软件进行全波仿真。
当第一C型金属片31、第四C型金属片34、第六C型金属片36与第七C型金属片37分别连接18V的外加直流电源且第二C型金属片32、第三C型金属片33、第五C型金属片35与第八C型金属片38分别连接0V的外加直流电源时，所有变容二极管的电容值约为0.43pF。由附图4可知，ruu与rvv的相位差约为180°，由附图6可知，ryy的3dB带宽为5.2～18GHz，rxy在相同带宽范围内均在-10dB以下，四个谐振频率分别为5.79、8.16、14.12和17.29GHz。从反射系数和相位来看，这是典型的LL极化转换，且由附图8可知其极化转换率PCR在5.6～17.89GHz范围内均大于0.9。当所有C型金属片均连接0V的外加直流电源时，所有变容二极管的电容值约为4pF。由附图5可知，共极化和交叉极化ryy、rxy在6.22～16.1GHz之间的相位差为90°，由附图7可知，在7.5～10.6GHz的频率范围内，这两个分量的反射系数几乎相同，入射波被反射，极化方式由线极化转变为圆极化。
由此可见，当电压处于高压时，极化转换器工作在LL极化模式，将入射波转换为5.2～18GHz的交叉极化电磁波，且极化转换率大于0.9；当电压处于低压时，变换器工作在LC极化模式，线入射波在4.9～13.6GHz范围内转换成圆极化。以上结果表明，本发明同时具备LL、LC极化转换的功能，且本发明极化转换器具有小型化的特点。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，包括M×N个周期排列的有源频率选择表面单元，M≥2，N≥2，其特征在于，所述频率选择表面单元由上而下依次层叠设置有第一微带导带层(11)、第一介质板(12)、第一空气层(13)、第一金属接地板(14)、第二介质板(15)，且所述第一微带导带层(11)由第一子微带导带层、第二子微带导带层、第三子微带导带层、第四子微带导带层、偏置电路组成；
所述第一介质板(12)均分为四个区域，第一介质板(12)左上方区域为第一正方形区域(41)，第一介质板(12)右上方区域为第二正方形区域(42)，第一介质板(12)左下方区域为第三正方形区域(43)，第一介质板(12)右下方区域为第四正方形区域(44)；所述第一子微带导带层设置于第一正方形区域(41)内，第一子微带导带层由第一金属片(21)、第一变容二极管(D1)、第二变容二极管(D2)组成；所述第二子微带导带层设置于第二正方形区域(42)内，第二子微带导带层由第二金属片(22)、第三变容二极管(D3)、第四变容二极管(D4)组成；所述第三子微带导带层设置于第三正方形区域(43)内，第三子微带导带层由第三金属片(23)、第五变容二极管(D5)、第六变容二极管(D6)组成；所述第四子微带导带层设置于第四正方形区域(44)内，第四子微带导带层由第四金属片(24)、第七变容二极管(D7)、第八变容二极管(D8)组成；
所述第一金属片(21)由背靠背且中间留有缝隙的设置于第一正方形区域(41)内的第一C型金属片(31)和第二C型金属片(32)组成，且第一C型金属片(31)和第二C型金属片(32)关于第一正方形区域的第一对角线(51)中点呈中心对称；所述第二金属片(22)由背靠背且中间留有缝隙的设置于第二正方形区域(42)内的第三C型金属片(33)和第四C型金属片(34)组成，且第三C型金属片(33)和第四C型金属片(34)关于第二正方形区域的第一对角线(52)中点呈中心对称；所述第三金属片(23)由背靠背且中间留有缝隙的设置于第三正方形区域(43)内的第五C型金属片(35)和第六C型金属片(36)组成，且第五C型金属片(35)和第六C型金属片(36)关于第三正方形区域的第一对角线(53)中点呈中心对称；所述第四金属片(24)由背靠背且中间留有缝隙的设置于第四正方形区域(44)内的第七C型金属片(37)和第八C型金属片(38)组成，且第七C型金属片(37)和第八C型金属片(38)关于第四正方形区域的第一对角线(54)中点呈中心对称；
所述第一变容二极管(D1)和第二变容二极管(D2)的负极连接第一C型金属片(31)，第一变容二极管(D1)和第二变容二极管(D2)的正极连接第二C型金属片(32)，且第一变容二极管(D1)和第二变容二极管(D2)设置于第一C型金属片(31)和第二C型金属片(32)间的缝隙处；所述第三变容二极管(D3)和第四变容二极管(D4)的正极连接第三C型金属片(33)，第三变容二极管(D3)和第四变容二极管(D4)的负极连接第四C型金属片(34)，且第三变容二极管(D3)和第四变容二极管(D4)设置于第三C型金属片(33)和第四C型金属片(34)间的缝隙处；所述第五变容二极管(D5)和第六变容二极管(D6)的正极连接第五C型金属片(35)，第五变容二极管(D5)和第六变容二极管(D6)的负极连接第六C型金属片(36)，且第五变容二极管(D5)和第六变容二极管(D6)设置于第五C型金属片(35)和第六C型金属片(36)间的缝隙处；所述第七变容二极管(D7)和第八变容二极管(D8)的负极连接第七C型金属片(37)，第七变容二极管(D7)和第八变容二极管(D8)的正极连接第八C型金属片(38)，且第七变容二极管(D7)和第八变容二极管(D8)设置于第七C型金属片(37)和第八C型金属片(38)间的缝隙处。
2.根据权利要求1所述的一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，其特征在于，所述偏置电路为分别设置于第一C型金属片(31)、第二C型金属片(32)、第三C型金属片(33)、第四C型金属片(34)、第五C型金属片(35)、第六C型金属片(36)、第七C型金属片(37)、第八C型金属片(38)臂上的第一高阻抗细微带线(61)、第二高阻抗细微带线(62)、第七高阻抗细微带线(67)、第八高阻抗细微带线(68)、第三高阻抗细微带线(63)、第四高阻抗细微带线(64)、第五高阻抗细微带线(65)、第六高阻抗细微带线(66)，其中，第一高阻抗细微带线(61)与第二高阻抗细微带线(62)在同一侧，第三高阻抗细微带线(63)与第四高阻抗细微带线(64)在同一侧，第五高阻抗细微带线(65)与第六高阻抗细微带线(66)在同一侧，第七高阻抗细微带线(67)与第八高阻抗细微带线(68)在同一侧，且第一高阻抗细微带线(61)与第六C型金属片(36)相连，第二高阻抗细微带线(62)与第三C型金属片(33)相连，第四高阻抗细微带线(64)与第七C型金属片(37)相连，第七高阻抗细微带线(67)与第八C型金属片(38)相连，周期排列时，第三高阻抗细微带线(63)、第五高阻抗细微带线(65)、第六高阻抗细微带线(66)、第八高阻抗细微带线(68)分别与相邻有源频率选择表面单元的最近邻C型金属片相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，其特征在于，所述第一C型金属片(31)、第四C型金属片(34)、第六C型金属片(36)、第七C型金属片(37)接正电压，第二C型金属片(32)、第三C型金属片(33)、第五C型金属片(35)、第八C型金属片(38)接负电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，其特征在于，所述第一介质板(12)、第一空气层(13)、第一金属接地板(14)与第二介质板(15)的长宽尺寸相同，且长宽比为1。
5.根据权利要求1所述的一种基于变容二极管有源频率选择表面的极化转换器，其特征在于，所述第一介质板(12)、第二介质板(15)为F4b板，第一金属片(21)、第二金属片(22)、第三金属片(23)、第四金属片(24)材质为PEC覆铜。
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