CN114678696A - 基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，由多个周期性排列的极化扭转单元组成，每一个极化扭转单元包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，由一个或者多个内外半径不同但同心的圆环贴片组成，每一个圆环贴片带有两个裂口，裂口宽度和裂口边缘与Y轴夹角完全相同，同一个圆环贴片上的两个裂口沿圆心对称，金属地板印制在介质基板的下表面。本发明可以灵活地改变这两个极化扭转的频带，达到超宽带极化扭转特性，保留了超表面的低剖面特性，厚度H仅为0.025λ～0.1λ，对不同角度入射波仍然保持超宽带极化扭转特性，采用双面印制板工艺加工，结构简单、重量小、加工成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及电磁场微波领域，尤其是一种极化扭转反射板，更具体的是一种具有超宽工作频带、低剖面的极化扭转反射板。
背景技术
极化扭转是一种通过特殊周期性金属结构或者周期性金属与非金属组合结构来改变电磁场极化特性的技术，在天线和雷达隐身有很广泛的应用。在天线应用方面，极化扭转器可以减小卡赛格伦天线中的口面遮挡和馈源失配，提高天线辐射性能；在雷达隐身方面，极化扭转板可以降低目标的RCS值，提升目标雷达隐身性能。
超表面是一种二维平面结构，由金属和非金属混合周期性排列组成。通常超表面的金属部分具有亚波长精细结构，非金属部分具有均匀结构。当电磁波照射超表面时，其周期性结构会影响电磁波的幅度和相位分布，当合理调节相关周期性结构可以对电磁波传输方向、极化、强度等参数进行调控。超表面的二维平面结构天然具有低剖面和宽带特性。利用超表面降低极化扭转反射板剖面，同时扩展其工作带宽具有相当大的潜力。
传统的极化扭转器采用一组倾斜45°且周期排列的金属栅条组成，一般厚度为四分之一波长且工作频带较窄(相对带宽约5％-15％)。近些年来，结合人工磁导体技术、基片集成波导技术等，一定程度上扩展了极化扭转器的工作带宽，降低了剖面高度，但是工作频带局限于20％-40％，厚度不小于0.1λ(λ是自由空间波长)。利用二维超表面技术可以进一步展宽极化扭转器的工作带宽，并降低其剖面高度，扩展其应用范围。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，它能够在极低剖面条件下对反射波极化扭转，实现入射波和反射波极化正交，具有67.5％的相对工作带宽，厚度仅为0.025λ～0.1λ。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，以裂口圆环超表面结构为基础，一方面利用该结构的阻抗不对称性，激励起正交极化的反射电场，实现极化扭转反射特性，另一方面通过改变裂口圆环的数量和相对位置关系，扩展极化扭转反射板的工作带宽。
基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板由多个周期性排列的极化扭转单元组成，每一个极化扭转单元包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，由一个或者多个内外半径不同但同心的圆环贴片组成，每一个圆环贴片带有两个裂口，裂口宽度和裂口边缘与Y轴夹角
完全相同，同一个圆环贴片上的两个裂口沿圆心对称，金属地板印制在介质基板的下表面。
所述介质基板的介电常数εr为2.2～16，厚度H为0.025λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
相邻两个极化扭转单元的间距G为0.051λ～0.215λ，组成金属贴片的同心圆环外半径为0.05λ～0.2λ，内半径为0.05λ～0.2λ，裂口宽度均为0.5mm～1.5mm。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出的基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，能够在两个工作频带上对反射波极化扭转，实现入射波和反射波极化正交。通过调节组成金属贴片的同心圆环内外半径值，可以灵活地改变这两个极化扭转的频带。
(2)本发明提出的基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，当调节组成金属贴片的同心双圆环内外半径处于合适尺寸时，两个极化扭转频带将相互靠近并叠加在一起，那么67.5％的极化扭转带宽将被实现，达到超宽带极化扭转特性。
(3)本发明提出的基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，保留了超表面的低剖面特性，厚度H仅为0.025λ～0.1λ(λ为自由空间波长)，远小于传统反射板0.1λ～0.25λ厚度。
(4)本发明提出的基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，对不同角度入射波(入射角与反射板夹角为0°～45°)仍然保持超宽带极化扭转特性。
(5)本发明提出的基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，采用双面印制板工艺加工，结构简单、重量小、加工成本较低。
附图说明
图1是实施例1俯视图。
图2是实施例1组成单元俯视图。
图3是实施例1组成单元侧视图。
图4是实施例1组成单元三维图。
图5是实施例2组成单元俯视图。
图6是实施例2组成单元侧视图。
图7是实施例2组成单元三维图。
图8是实施例2在R3取不同值时随频率变化反射系数值|Sxx|。
图9是实施例2在R3取不同值时随频率变化反射系数值|Sxy|。
图10是实施例1随频率变化反射系数值|Sxx|。
图11是实施例1随频率变化反射系数值|Sxy|。
图12是实施例1在入射波角度变化时随频率变化反射系数值|Sxx|。
图13是实施例1在入射波角度变化时随频率变化反射系数值|Sxy|。
其中：1-极化扭转单元，2-金属贴片，3-介质基板，4-金属地板，A-极化扭转单元边长，G-极化扭转单元间距，d-裂口宽度，R1-外圆环金属贴片的外半径，R2外圆环金属贴片的内半径，R3-内圆环金属贴片的外半径，R4-内圆环金属贴片的内半径，
-裂口边缘与Y轴夹角，H-介质基板厚度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以下结合说明书附图及具体实施例进一步说明本发明的技术方案。应当理解，这些实例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
参考图1，基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板包括若干个呈周期性排列的极化扭转单元(1)，每一个极化扭转单元(1)均包括金属贴片(2)，介质基板(3)，金属地板(4)。金属贴片(2)印制在介质基板(3)上表面，金属地板(4)印制在介质基板(3)下表面。
所述的金属贴片(2)由1个或者多个且同心圆环贴片组成。每一个圆环贴片外半径均为0.05λ～0.2λ，内半径均为0.05λ～0.2λ，外半径大于内半径。每一个裂口宽度均为0.5mm～1.5mm且相同，每一个裂口边缘与Y轴夹角
为-90°～+90°且相同，同一个圆环上的两个裂口沿圆心对称。
所述的介质基板(3)的介电常数εr为2.2～16，厚度H为0.025λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
所述的金属地板(4)覆盖整个基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板下表面。
下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
实施例1
参考图1～图4，基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板由多个极化扭转单元(1)组成，每一个极化扭转单元(1)包括了金属贴片(2)，介质基板(3)，金属地板(4)。其中单元边长A＝7.1mm，单元间距G＝0.8mm，组成金属贴片(2)的两个圆环的内外半径分别为：内圆环的内半径R4＝0.9mm，内圆环的外半径R3＝1.8mm，外圆环的内半径R2＝2.25mm，外圆环的外半径R1＝3.15mm，裂口宽度d＝0.4mm，厚度H为0.025λ～0.1λ，比常规的极化扭转发射板要薄很多，本实施例介质基板厚度H＝0.5mm(约0.025λ0，λ0是15GHz对应的波长)，介电常数εr＝2.2。
参考图10～图11，当X方向极化的入射电磁波垂直照射实施例1基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板时，X方向极化反射波的反射系数幅度值(|Sxx|)随着频率变化的曲线如图10所示，Y方向极化反射波的反射系数幅度值(|Sxy|)随着频率变化的曲线如图11所示，可见在10.5GHz～21.2GHz频带范围内，|Sxx|均小于-10dB，|Sxy|接近0dB，也就是在相对带宽67.5％范围内实现了正交极化扭转，同时厚度仅为0.025λ0。参考图12～图13，当X方向极化的入射电磁波照射实施例1基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板时，X方向极化反射波的反射系数幅度值(|Sxx|)在不同入射角时随着频率变化的曲线如图12所示，Y方向极化反射波的反射系数幅度值(|Sxy|)在不同入射角随着频率变化的曲线如图13所示。可见当入射角θ在0°～45°变化时，极化扭转特性保持较好。
实施例2
参考图5～图7，实施例2是在实施例1基础上做的进一步研究。与实施例1相同，图5～图7展示了极化扭转反射板的一个组成单元，由金属贴片(2)，介质基板(3)，金属地板(4)组成。其中单元边长A＝7.1mm，组成金属贴片(2)的圆环内外半径分别为：内圆环的内半径R4＝2.1mm～3.6mm，内圆环的外半径R3＝3mm～4.5mm，单元间距G＝3mm～1.5mm，裂口宽度d＝0.4mm，介质基板厚度H＝0.5mm，介电常数εr＝2.2。
参考图8～图9，当X方向极化的入射电磁波垂直照射实施例2基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板时，X方向极化反射波的反射系数幅度值(|Sxx|)在不同结构参数时候随着频率变化的曲线如图8所示，Y方向极化反射波的反射系数幅度值(|Sxy|)在不同结构参数随着频率变化的曲线如图9所示，可见出现了两个极化扭转频带，而且随着R3值的变大，两个极化扭转频带向低频移动。通过上述研究发现，对实施例2的极化扭转单元的金属贴片上增加一个同心裂口圆环，可以进一步扩展极化扭转带宽到超宽频带。
通过上述实例表明，基于超表面的扭转反射板可以有效实现低剖面超宽带极化扭转特性。
Claims (3)
1.一种基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，其特征在于：
所述基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，由多个周期性排列的极化扭转单元组成，每一个极化扭转单元包括金属贴片、介质基板和金属地板，金属贴片印制在介质基板的上表面，由一个或者多个内外半径不同但同心的圆环贴片组成，每一个圆环贴片带有两个裂口，裂口宽度和裂口边缘与Y轴夹角
完全相同，同一个圆环贴片上的两个裂口沿圆心对称，金属地板印制在介质基板的下表面。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，其特征在于：
所述介质基板的介电常数εr为2.2～16，厚度H为0.025λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
3.根据权利要求1所述的基于超表面的超宽带低剖面极化扭转反射板，其特征在于：
相邻两个极化扭转单元的间距G为0.051λ～0.215λ，组成金属贴片的同心圆环外半径为0.05λ～0.2λ，内半径为0.05λ～0.2λ，裂口宽度均为0.5mm～1.5mm。
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