CN114976671A - 一种基于超表面的宽带双频功能可切换极化转换器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于超表面的宽带双频功能可切换单元和极化转换器，单元包括正方形的介质层以及设在介质层上的超表面层；超表面层包括两个第一贴片以及两个第二贴片；第一贴片为等腰直角三角形的结构，两个第一贴片关于介质层的两条对角线对称设置；两个第一贴片通过两个二极管相连，两个二极管关于介质层的两条对角线对称设置；第一贴片的斜边中点处垂直设有矩形槽；第二贴片包括第一子片与第二子片；第一子片的一端与第二子片的中央垂直相连以构成T字形结构，另一端与对应第一贴片的直角边相连；第二子片与介质层的边等长且平行，第二子片与介质层的边缘具有间隙。本申请能够拓展工作带宽，实现宽带和双频功能的切换。
Description
技术领域
本申请涉及极化转换器技术领域，特别是涉及一种基于超表面的宽带双频功能可切换单元和极化转换器。
背景技术
极化特性在电磁波的发射、传播和接收等处理过程中是一项尤为重要的特征参数。电磁波的极化即在空间中任意给定点处，电磁波的合成波电场强度矢量的大小及方向随时间变化的现象，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来形象的描述。极化转换器在众多工程领域有着广泛的应用，例如天线、卫星导航、通信、雷达探测等，如何有效地对电磁波的极化方式和状态进行调控处于十分突出的位置。
传统的控制电磁波极化状态的方式是通过天然旋光晶体、液晶和法拉第磁致旋光晶体实现的。自然界中的石英晶体是天然旋光晶体中的一种，当偏振光经过石英晶体时，出射光的偏振面会发生一定的偏转，其偏转角度的大小与晶体的属性、厚度、环境的温度和入射光的频率有关。
但是，以上这些器件主要依赖于电磁波在传播途径上的相位累计，因而往往体积较大且笨重，同时，这些器件的加工方式比较复杂，而且工作频段较窄，功能单一，仅能实现宽带极化或者双频极化转换，不利于实际系统集成，应用场景受限。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于超表面的宽带双频功能可切换单元和极化转换器，能够拓展工作带宽，实现宽带和双频功能的切换，且体积较小，结构简单，加工方便，工作频段宽。
一种基于超表面的宽带双频功能可切换单元，包括：正方形的介质层以及设在所述介质层上的超表面层；
所述超表面层包括：两个第一贴片以及与所述第一贴片一一对应的两个第二贴片；
所述第一贴片为等腰直角三角形的结构，且两个所述第一贴片关于所述介质层的两条对角线均对称设置；两个所述第一贴片通过两个二极管相连，且两个所述二极管关于所述介质层的两条对角线均对称设置；所述第一贴片上设有矩形槽，所述矩形槽垂直设在所述第一贴片的斜边中点处；
所述第二贴片包括第一子片与第二子片；所述第一子片的一端与所述第二子片的中央垂直相连以构成T字形结构，所述第一子片的另一端与对应所述第一贴片的直角边相连；所述第二子片与所述介质层的边等长且平行，所述第二子片与所述介质层的边缘具有间隙。
在一个实施例中，所述二极管具有导通状态和关断状态；
当两个所述二极管均处于导通状态时，基于超表面的宽带双频功能可切换单元在第一频带范围内呈现双频极化转换特性；
当两个所述二极管均处于关断状态时，基于超表面的宽带双频功能可切换单元在第二频带范围内呈现宽带极化转换特性。
在一个实施例中，还包括：电感；
所述电感与所述第一子片一一对应，且设在对应所述第一子片上。
在一个实施例中，所述电感设在对应所述第一子片的中央位置。
在一个实施例中，所述介质层包括从上至下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；
所述第一介质层、所述第二介质层与所述第三介质层的四个对应边分别重合；
所述超表面层设在所述第一介质层的顶部。
在一个实施例中，所述超表面层为金属层，所述第一介质层为损耗介质层，所述第二介质层为蜂窝结构的空气层，所述第三介质层为金属层。
一种极化转换器，包括：若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元；
若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元呈矩形阵列分布，且所述矩形槽的方向一致；
若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元的一个第二子片均与电源的一极电联，另一个第二子片均与电源的另一极相联。
在一个实施例中，位于矩形阵列长度方向与宽度方向上的基于超表面的宽带双频功能可切换单元的数量相等且均大于九。
在一个实施例中，若干所述基于超表面的宽带双频功能可切换单元共用一个介质层。
上述基于超表面的宽带双频功能可切换单元，综合超表面的电磁调控特性以及有源器件-开关二极管的工作特性，通过控制开关二极管的通断来实现极化转换器宽带极化转换功能和双频极化转换功能的切换，以及实现极化转换功能的调控；能够拓展工作带宽，实现宽带和双频功能的切换，且体积较小，结构简单，加工方便，工作频段宽，可以用于雷达目标探测、识别等领域，对于电磁波极化状态的控制及处理领域的应用具有重要意义。
附图说明
图1为一个实施例中基于超表面的宽带双频功能可切换单元的立体图；
图2为一个实施例中基于超表面的宽带双频功能可切换单元的俯视图；
图3为一个实施例中基于超表面的宽带双频功能可切换单元在二极管关断状态下的极化转换率随谐振频率f变化曲线图；
图4为一个实施例中基于超表面的宽带双频功能可切换单元在二极管导通状态下的极化转换率随谐振频率f变化曲线图；
图5为一个实施例中极化转换器的示意图。
附图编号：
介质层1，第一介质层11，第二介质层12，第三介质层13，超表面层2，第一贴片21，第二贴片22，第一子片221，第二子片222，二极管23，矩形槽24，电感25。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
如图1和图2所示，本申请提供基于超表面的宽带双频功能可切换单元，在一个实施例中，包括：正方形的介质层1以及设在介质层1上的超表面层2；
超表面层2包括：两个第一贴片21以及与第一贴片21一一对应的两个第二贴片22；
第一贴片21为等腰直角三角形的结构，且两个第一贴片21关于介质层1的两条对角线均对称设置；两个第一贴片21通过两个二极管23相连，且两个二极管23关于介质层1的两条对角线均对称设置；第一贴片21上设有矩形槽24，矩形槽24垂直设在第一贴片21的斜边中点处；
第二贴片22包括第一子片221与第二子片222；第一子片221的一端与第二子片222的中央垂直相连以构成T字形结构，第一子片221的另一端与对应第一贴片21的直角边相连；第二子片222与介质层1的边等长且平行，第二子片222与介质层1的边缘具有间隙。
在本实施例中，超表面层即电磁超表面构成的超表面贴片，由亚波长结构单元周期排布而成，通过调整结构、排列设计和几何参数，实现对电磁波的智能调控，可以进一步实现对电磁波极化传播特性的有效调控。
第一贴片21的直角边朝外且与介质层1的边平行，两个第一贴片21关于介质层1的一条对角线对称间隔设置，且关于介质层1的中心旋转对称。
第二贴片22为T形贴片，第一子片221为短边，第二子片222为长边。
二极管23选用开关二极管。两个二极管的导通方向相同，均沿矩形槽向上，也就是均朝向上侧矩形槽(两个矩形槽中，相对处于上方的矩形槽)的方向。
在一个实施例中，二极管23具有导通状态和关断状态；
当两个二极管均处于导通状态时，基于超表面的宽带双频功能可切换单元在第一频带范围内呈现双频极化转换特性，即在6.1-6.4GHz和11.7-12.5GHz的频率范围内呈现双频极化转换特性，极化转换率大于90％；
当两个二极管均处于关断状态时，基于超表面的宽带双频功能可切换单元在第二频带范围内呈现宽带极化转换特性，即在6.5-10.1GHz的频率范围内呈现宽带极化转换特性，极化转换率大于90％。
如图3所示，当二极管关断时，基于超表面的宽带双频功能可切换单元在电磁波垂直入射下的极化转化率随谐振频率f变化曲线，图中，rxx为共极化分量，ryx为交叉极化分量，由图3可知，可切换单元在6.5-10.1GHz的频率范围内能够实现对入射电磁波的宽带交叉极化转换特性，极化转换率大于90％。
如图4所示，当二极管导通时，基于超表面的宽带双频功能可切换单元在电磁波垂直入射下的极化转化率随谐振频率f变化曲线，图中，rxx为共极化分量，ryx为交叉极化分量，由图4可知，可切换单元在6.1-6.4GHz和11.7-12.5GHz的频率范围内能够实现对入射电磁波的双频交叉极化转换特性，极化转换率大于90％。
本实施例的工作过程和工作原理是：天线信号垂直射入超表面层，在介质层中传输，并经介质层底部反射输出。通过二极管的导通和关断来改变其表面阻抗，进一步影响其工作模式的电磁谐振状态，处于工作模式时，在上下金属层及其介质之间形成电流回路，产生磁共振和感应磁场，从而实现宽带双频极化转换可切换功能。
上述基于超表面的宽带双频功能可切换单元，综合超表面的电磁调控特性以及有源器件-开关二极管的工作特性，通过控制开关二极管的通断来实现极化转换器宽带极化转换功能和双频极化转换功能的切换，以及实现极化转换功能的调控；能够拓展工作带宽，实现宽带和双频功能的切换，且体积较小，结构简单，加工方便，工作频段宽，可以用于雷达目标探测、识别等领域，对于电磁波极化状态的控制及处理领域的应用具有重要意义。
在一个实施例中，还包括：电感25；电感25与第一子片221一一对应，且设在对应第一子片221上。
在本实施例中，电感充当射频扼流圈的作用，能够消除交流信号与直流源及地之间的耦合。
在一个实施例中，电感25设在对应第一子片221的中央位置。设在中央使极化转换效果更好，极化转换率更高。
在本实施例中，电感值可以按照下述方法进行选择：
(1)将电感的感值设置为3个量级：0.1nH、10nH及100nH；
(2)通过电磁仿真软件Ansoft HFSS软件对这3个仿真模型(仅电感的感值不同)进行模拟计算；
(3)对仿真结果进行分析，以小于-10dB的反射损耗为指标，选择适当感值的量级，即10nH，再在其量级附近择优取值，得到电感的感值。
优选的，电感值为27nH。这个优选出来的电感值使极化转换率最高。
在一个实施例中，介质层1包括从上至下依次相叠的第一介质层11、第二介质层12以及第三介质层13；第一介质层11、第二介质层12与第三介质层13的四个对应边分别重合；超表面层2设在第一介质层11的顶部。
在本实施例中，第一介质层11、第二介质层12与第三介质层13的边长相等且一一对应重合，尺寸相同能够防止垂直入射的电磁波的透射。
超表面层的电谐振以及超表面层与第三介质层之间的磁谐振的协同作用即为电磁谐振。因此，通过超表面层的电磁调控特性和开关二极管的工作特性来实现对入射电磁波的交叉极化转换，即x(y)极化入射波转为y(x)极化反射波。
优选地，超表面层2为金属层，第一介质层11为损耗介质层，第二介质层12为蜂窝结构的空气层，第三介质层13为金属层。
在本实施例中，超表面层选用金属便于产生电磁谐振，第三介质层选用金属便于计算极化转换率。具体的，可转换单元对电磁波的极化转换率可以用下式来表示：
式中，PCR表示极化转换率，rxx表示共极化分量，ryx表示交叉极化分量。
通过电磁仿真软件Ansoft HFSS可得到反射损耗曲线，带入上式，便可得到可转换单元的极化转换率。
进一步优选的，超表面层2与第三介质层13选用铜，第一介质层11的材质为FR4，介电常数4.4，第二介质层12的材质为空气蜂窝层。
在本实施例中，超表面层选用铜，铜的电磁谐振效果较好，且成本较低。第一介质层采用FR4，成本较低且取材方便。第二介质层采用空气层，可有效降低介电常数，减少色散，进而提高极化转换器性能。
在一个实施例中，可以按照以下步骤进行参数选择：
(1)建立可转换单元的模型，自上而下依次设置超表面层、第一介质层、第二介质层和第三介质层；
(2)对可转换单元的模型进行参数化设置；
(3)通过电磁仿真软件Ansoft HFSS中的参数扫描分析功能对可转换单元的模型进行参数化分析，即采用控制变量的方法，研究各个参数对反射损耗曲线的影响规律；
(4)对仿真结果进行分析，得到各个参数值。
优选地，在一个具体的实施例中，第一贴片21的直角边长为11.5mm，第一贴片21与介质层1边缘的距离为1.75mm，第一子片221的长为1.3mm，宽为0.3mm，第二子片222的长为15mm，宽为0.15mm，第二子片222与介质层1边缘的间隙为0.3mm，二极管23与介质层1中心的距离为2mm-3mm，矩形槽24的长为10.5mm-11.5mm，矩形槽24的宽度为0.15mm，介质层1的边长为15mm，超表面层2的厚度为0.035mm，第一介质层11的厚度为0.6mm，第二介质层12的厚度为1.1mm，第三介质层13的厚度为0.035mm。
如图5所示，本申请还提供一种极化转换器，在一个实施例中，包括：若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元；若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元呈矩形阵列分布，且矩形槽的方向一致；若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元的一个第二子片均与电源的一极电联，另一个第二子片均与电源的另一极相联。
也就是说，极化转换器由若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元周期排布而成，沿第二子片长度方向上的基于超表面的宽带双频功能可切换单元的一个第二子片串联形成第一单元串，各个第一单元串并联后与电源的正极/负极相连；沿第二子片长度方向上的基于超表面的宽带双频功能可切换单元的另一个第二子片串联形成第二单元串，各个第二单元串并联后与电源的负极/正极相连。
需要说明，每个基于超表面的宽带双频功能可切换单元的两个第二子片分别连接电源的正极和负极。第二贴片充当馈线的作用，两个第二贴片分别接电源的正极和负极，第二子片与介质层的边缘具有间隙，可以保证极化转换器在连接电源时避免断路。整个极化转换器可以使用一组电源来馈电。
优选地，位于矩形阵列长度方向与宽度方向上的基于超表面的宽带双频功能可切换单元的数量相等且均大于九。
在本实施例中，正方形阵列的极化转换器具有良好的一致性、对称性和稳定的性能，具有更好的匹配性能，有利于进一步实现极化转换器宽带极化转换功能和双频极化转换功能的切换。
在若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元组成极化转换器时，各第一介质层、各第二介质层以及各第三介质层可以拼接组成正方形的阵列，至于如何拼接属于现有技术，例如粘合，在此不再赘述。
优选地，若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元共用一个介质层。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于超表面的宽带双频功能可切换单元，其特征在于，包括：正方形的介质层以及设在所述介质层上的超表面层；
所述超表面层包括：两个第一贴片以及与所述第一贴片一一对应的两个第二贴片；
所述第一贴片为等腰直角三角形的结构，且两个所述第一贴片关于所述介质层的两条对角线均对称设置；两个所述第一贴片通过两个二极管相连，且两个所述二极管关于所述介质层的两条对角线均对称设置；所述第一贴片上设有矩形槽，所述矩形槽垂直设在所述第一贴片的斜边中点处；
所述第二贴片包括第一子片与第二子片；所述第一子片的一端与所述第二子片的中央垂直相连以构成T字形结构，所述第一子片的另一端与对应所述第一贴片的直角边相连；所述第二子片与所述介质层的边等长且平行，所述第二子片与所述介质层的边缘具有间隙。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带双频功能可切换单元，其特征在于，所述二极管具有导通状态和关断状态；
当两个所述二极管均处于导通状态时，基于超表面的宽带双频功能可切换单元在第一频带范围内呈现双频极化转换特性；
当两个所述二极管均处于关断状态时，基于超表面的宽带双频功能可切换单元在第二频带范围内呈现宽带极化转换特性。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的宽带双频功能可切换单元，其特征在于，还包括：电感；
所述电感与所述第一子片一一对应，且设在对应所述第一子片上。
4.根据权利要求3所述的基于超表面的宽带双频功能可切换单元，其特征在于，所述电感设在对应所述第一子片的中央位置。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于超表面的宽带双频功能可切换单元，其特征在于，所述介质层包括从上至下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；
所述第一介质层、所述第二介质层与所述第三介质层的四个对应边分别重合；
所述超表面层设在所述第一介质层的顶部。
6.根据权利要求5所述的基于超表面的宽带双频功能可切换单元，其特征在于，所述超表面层为金属层，所述第一介质层为损耗介质层，所述第二介质层为蜂窝结构的空气层，所述第三介质层为金属层。
7.一种极化转换器，其特征在于，包括：若干权利要求1至6任一项所述的基于超表面的宽带双频功能可切换单元；
若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元呈矩形阵列分布，且所述矩形槽的方向一致；
若干基于超表面的宽带双频功能可切换单元的一个第二子片均与电源的一极电联，另一个第二子片均与电源的另一极相联。
8.根据权利要求7所述的极化转换器，其特征在于，位于矩形阵列长度方向与宽度方向上的基于超表面的宽带双频功能可切换单元的数量相等且均大于九。
9.根据权利要求8所述的极化转换器，其特征在于，若干所述基于超表面的宽带双频功能可切换单元共用一个介质层。
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