CN115395243A - 一种应用于波束调控的超宽频偏振器 - Google Patents

一种应用于波束调控的超宽频偏振器 Download PDF

Info

Publication number
CN115395243A
CN115395243A CN202210855988.4A CN202210855988A CN115395243A CN 115395243 A CN115395243 A CN 115395243A CN 202210855988 A CN202210855988 A CN 202210855988A CN 115395243 A CN115395243 A CN 115395243A
Authority
CN
China
Prior art keywords
arc
dielectric layer
ultra
shaped
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210855988.4A
Other languages
English (en)
Inventor
黄晓俊
高焕焕
孙翠珍
李�荣
何嘉豪
马雄伟
王豫香
马玉涛
张世奥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Science and Technology
Original Assignee
Xian University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Science and Technology filed Critical Xian University of Science and Technology
Priority to CN202210855988.4A priority Critical patent/CN115395243A/zh
Publication of CN115395243A publication Critical patent/CN115395243A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种应用于波束调控的超宽频偏振器，包括FR‑4介质层，其横截面为正方形；FR‑4介质层的下方固定连接有金属层，金属层的横截面与FR‑4介质层的横截面形状相同、大小相等，且金属层的顶面与FR‑4介质层的底面贴合；FR‑4介质层的顶面上设置有金属环谐振器；金属环谐振器由两个相对设置的弧形件组成，两个弧形件相对于FR‑4介质层的顶面中心点旋转对称；弧形件包括弧形板，弧形板的两端朝向弧形开口方向均设置有条形板，两个条形板位于同一直线上，且两个条形板的自由端不相交；本发明利用FR‑4介质层、金属层和金属环谐振器实现了超宽带极化转化功能，提高了电磁波的转换效率。

Description

一种应用于波束调控的超宽频偏振器
技术领域
本发明属于极化偏振器件技术领域，尤其涉及一种应用于波束调控的超宽频偏振器。
背景技术
极化是电磁波的一个重要属性，极化偏振器件是转化电磁波极化状态的重要部件，可以有效地将入射的电磁波转换为交叉极化形式，特别是在微波和光学领域，灵活、任意地控制电磁波的极化状态，在天线、无线通信、全息图和透镜等工程领域有着广泛的应用。
在5G移动通信中，需要设计具有多波束辐射和特定方向波束辐射的天线，来实现多信道通信。但是，现有的极化偏振器件宽带较窄、转换效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于波束调控的超宽频偏振器，以提升极化偏振器件的带宽和转换效率。
本发明采用以下技术方案：一种应用于波束调控的超宽频偏振器，
包括FR-4介质层，其横截面为正方形；
FR-4介质层的下方固定连接有金属层，金属层的横截面与FR-4介质层的横截面形状相同、大小相等，且金属层的顶面与FR-4介质层的底面贴合；
FR-4介质层的顶面上设置有金属环谐振器；
金属环谐振器由两个相对设置的弧形件组成，两个弧形件相对于FR-4介质层的顶面对角线对称设置；
弧形件包括弧形板，弧形板的两端朝向弧形开口方向均设置有条形板，两个条形板位于同一直线上，且两个条形板的自由端不相交。
进一步地，FR-4介质层的厚度大于金属层的厚度，且金属层的厚度与金属环谐振器的厚度相等。
进一步地，两个弧形件之间具有间距。
进一步地，弧形板不伸出FR-4介质层的顶面。
进一步地，FR-4介质层的横截面的边长为5.1mm，FR-4介质层的厚度为3mm。
进一步地，金属环谐振器的厚度为0.035mm；
两个弧形件之间的间距为1.6mm；
弧形件上两个条形板之间的间距为1.4mm；
弧形板的内径为2.3mm，外径为2.4mm；
条形板的长为1.5mm，宽为0.2mm。
本发明的有益效果是：本发明利用FR-4介质层、金属层和金属环谐振器实现了超宽带极化转化功能，具有实现超宽带高效极化转化功能的优点，且入射角度稳定性能较好；本发明通过相对于FR-4介质层的顶面对角线对称两个弧形件，可适用于任意入射方向的电磁波，且通过金属层可以阻挡电磁波的透射，进而提高了电磁波的转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例中超宽频偏振器中的单元结构的结构示意图；
图2为本发明实施例中超宽频偏振器中的单元结构的侧面结构示意图；
图3为本发明实施例中所对应的交叉极化和共极化幅值示意图；
图4为本发明实施例中所对应的交叉极化转换率图；
图5为本发明实施例中对应不同比特数时具有的结构示意图；
图6为本发明实施例中在不同旋转角度时所对应的幅值示意图；
图7为本发明实施例中在不同旋转角度时所对应的相位示意图；
图8为本发明实施例中按照编码排列后的波束方向示意图。
其中：1.金属环谐振器；2.FR-4介质层；3.金属层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
超材料是由亚波长周期或准周期结构组成人工电磁材料，由于其具有天然材料中所不具有的特殊电磁特性，为设计功能性材料提供了一种新的策略，如：隐形斗篷、透镜、完美吸波体等。同时，超材料因可以灵活地改变相位、振幅、极化等不同特性，实现任意电磁波的调控而引起人们的广泛关注，为产生更灵活的电磁波调控提供了更大的设计自由度，实现了更强大的功能，如宽带散射、异常折射和反射等，随着超材料的发展，如超构透镜、全息图、艾里光束器等许多应用应运而生。
随着人们对人工电磁超材料的研究，提出编码超材料之后，可以根据设计一定相位差的超材料的单元结构，分别对其编码，通过对具有相位差的单元结构进行空间排布，从而实现电磁波的调控。另外，实现超材料的相位突变，从而实现波束调控，一种方法是调整基本单元结构的几何参数，另一种方法是通过调整引入Pancharatnam-berry相位元素，将每个基本单元旋转一定角度，由于其方便性和鲁棒性，是目前最常用的方法。
基于极化器件设计的波束调控编码超材料，可以灵活地调控电磁波得到想要的散射模式，所以，对于有效地实现更宽频带内的电磁波束调控具有一定的现实意义。其中拓宽偏振器件带宽的方法有：(1)将具有不同谐振频率的偏振带在同一平面内组合起来；(2)将多层谐振单元逐层堆叠起来。
编码超表面通过对构成超表面的每一块人工单元进行单独编码，可以灵活地调控电磁波，得到想要的散射模式。基于此，可使用编码超表面实现对波束的调控，使得在某个或多个特定方向电磁波的方向性较强。因此，可以将编码超表面应用于通信系统，根据用户的需要，在辐射端产生特定方向的电磁波，从而提高通信系统的传输速率，因此，应用于波束反射的编码超表面具有较好的研究价值和工程意义。
本发明公开了一种应用于波束调控的超宽频偏振器，如图1、图2所示，包括FR-4介质层2，其横截面为正方形；FR-4介质层2的下方固定连接有金属层3，金属层3的横截面与FR-4介质层2的横截面形状相同、大小相等，且金属层3的顶面与FR-4介质层2的底面贴合；FR-4介质层2的顶面上设置有金属环谐振器1；金属环谐振器1由两个相对设置的弧形件组成，两个弧形件相对于FR-4介质层2的顶面对角线对称设置；弧形件包括弧形板，弧形板的两端朝向弧形开口方向均设置有条形板，两个条形板位于同一直线上，且两个条形板的自由端不相交。
本发明利用FR-4介质层、金属层3和金属环谐振器1实现了超宽带极化转化功能，具有实现超宽带高效极化转化功能的优点，且入射角度稳定性能较好；本发明通过相对于FR-4介质层的顶面对角线对称两个弧形件，可适用于任意入射方向的电磁波，且通过金属层可以阻挡电磁波的透射，进而提高了电磁波的转换效率。
作为一种具体的实现方式，FR-4介质层2的厚度大于金属层3的厚度，且金属层3的厚度与金属环谐振器1的厚度相等。两个弧形件之间具有间距。弧形板不伸出FR-4介质层2的顶面。本发明中的偏振器均可使用PCB工艺进行加工制造，工艺成熟，方便制造。
具体的，金属环谐振器1和金属层3均采用厚度为0.035mm的铜模，导电率为5.8×107S/m，金属环谐振器1的厚度为0.035mm。中间介质层材料选择FR-4材料，介电常数为4.3和正切损耗为0.025，在选择材料时，应选择损耗值较小，成本较低的材料。
更为具体的，在该实施例中，FR-4介质层2的横截面的边长为5.1mm，FR-4介质层2的厚度为3mm。两个弧形件之间的间距为1.6mm；弧形件上两个条形板之间的间距为1.4mm；弧形板的内径为2.3mm，外径为2.4mm；条形板的长为1.5mm，宽为0.2mm。
偏振器全金属层3阻挡了电磁波的透射，顶层金属环谐振器1和底层全金属层3之间在谐振点7.3GHz、10.6GHz和14.3GHz形成磁谐振，这三个谐振点在形成高效超宽带极化转化中起着关键作用。
在另一个实施例中，将上述的偏振器和多干个基本单元进行排列组成超表面，基本单元结构与偏振器结构的区别在于两个弧形件的对称方式不同，在基本单元结构中，两个弧形件的对称方式是相对于FR-4介质层2的顶面中心点旋转对称(排除偏振器中两个弧形件的设置方式)，通过这些基本单元可以调节波束方向。
该实施例中，超表面采用PCB工艺进行加工制造，采用20*20个基本单元(包含了偏振器)形成一个方形超表面。将该超表面在CST Microwave Studio2020仿真，频率设置为4～20GHz。仿真结果如图3所示，当电磁波垂直入射时，在频段6.9至14.5GHz范围内，交叉极化ryy均在0.9以上，相对带宽为71％，此时共极化rxy低于0.3，说明完美实现了交叉极化转换。如图4所示，可由计算得到交叉极化转化率高于90％。
另外，如图5所示，将金属谐振器1按照一定的角度旋转，按照相位与结构的关系使相位满足360度全覆盖，按照图5结构进行比特数编码。在该图中，bit表示二进制数字(包含0和1)，1-bit就是有1位二进制数(0/1)21，2-bit就是有2位二进制数(00/01/10/11)22，3-bit就是有3位二进制数(000/001/010/011/100/101/110/111)23。
如图6和图7所示，为超表面旋转一定角度所对应的幅值和相位示意图，由图可知，幅值基本没有变化，相位实现360°全覆盖。根据以上比特数进行编码排列，可以得到不同方位角和俯仰角的波束。如图8所示为1比特和2比特实现的波束方向图，由此可以推导至多比特，从而实现多波束调控。沿x和y方向排列的1-bit编码超表面在圆极化波垂直入射下的3D图如图8(a)和(b)所示，由旋转角度为0°和90°组成的1-bit编码超表面沿x方向排列时，沿主方向入射的圆极化波被反射为两个对称波，其角度为
Figure BDA0003755383540000061
周期波长为Γ1＝2×20.4mm。当编码超表面沿y方向排列时，圆极化入射波也沿着y轴被反射为两个对称波，角度为
Figure BDA0003755383540000062
如图8(c)为圆极化波垂直入射下2-bit编码超表面的3D图，可以看到圆极化波被对称地分解为四个反射波，角度为
Figure BDA0003755383540000063
Γ2＝2×20.4mm.图8(d)为3-bit编码超表面在圆极化入射波下远场散射图，观察到正入射的左旋圆极化波在一定角度下被反射到特定的方向上，发生异常反射，角度为
Figure BDA0003755383540000071
周期为Γ1＝8×20.4mm。

Claims (6)

1.一种应用于波束调控的超宽频偏振器，其特征在于，包括FR-4介质层(2)，其横截面为正方形；
所述FR-4介质层(2)的下方固定连接有金属层(3)，所述金属层(3)的横截面与所述FR-4介质层(2)的横截面形状相同、大小相等，且所述金属层(3)的顶面与所述FR-4介质层(2)的底面贴合；
所述FR-4介质层(2)的顶面上设置有金属环谐振器(1)；
所述金属环谐振器(1)由两个相对设置的弧形件组成，两个所述弧形件相对于所述FR-4介质层(2)的对角线对称设置；
所述弧形件包括弧形板，所述弧形板的两端朝向弧形开口方向均设置有条形板，两个所述条形板位于同一直线上，且两个所述条形板的自由端不相交。
2.如权利要求1所述的一种应用于波束调控的超宽频偏振器，其特征在于，所述FR-4介质层(2)的厚度大于所述金属层(3)的厚度，且所述金属层(3)的厚度与所述金属环谐振器(1)的厚度相等。
3.如权利要求2所述的一种应用于波束调控的超宽频偏振器，其特征在于，两个所述弧形件之间具有间距。
4.如权利要求1所述的一种应用于波束调控的超宽频偏振器，其特征在于，所述弧形板不伸出所述FR-4介质层(2)的顶面。
5.如权利要求2-4任一所述的一种应用于波束调控的超宽频偏振器，其特征在于，所述FR-4介质层(2)的横截面的边长为5.1mm，所述FR-4介质层(2)的厚度为3mm。
6.如权利要求5所述的一种应用于波束调控的超宽频偏振器，其特征在于，所述金属环谐振器(1)的厚度为0.035mm；
两个所述弧形件之间的间距为1.6mm；
所述弧形件上两个所述条形板之间的间距为1.4mm；
所述弧形板的内径为2.3mm，外径为2.4mm；
所述条形板的长为1.5mm，宽为0.2mm。
CN202210855988.4A 2022-07-11 2022-07-11 一种应用于波束调控的超宽频偏振器 Pending CN115395243A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210855988.4A CN115395243A (zh) 2022-07-11 2022-07-11 一种应用于波束调控的超宽频偏振器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210855988.4A CN115395243A (zh) 2022-07-11 2022-07-11 一种应用于波束调控的超宽频偏振器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115395243A true CN115395243A (zh) 2022-11-25

Family

ID=84117274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210855988.4A Pending CN115395243A (zh) 2022-07-11 2022-07-11 一种应用于波束调控的超宽频偏振器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115395243A (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2467470A1 (en) * 2003-07-07 2005-01-07 Harris Corporation Multi-band horn antenna using frequency selective surfaces
US20100231470A1 (en) * 2009-03-12 2010-09-16 Rayspan Corporation Multiband composite right and left handed (crlh) slot antenna
CN103247860A (zh) * 2012-02-09 2013-08-14 深圳光启创新技术有限公司 一种超材料的制备方法及超材料
CN204243177U (zh) * 2014-10-30 2015-04-01 深圳光启高等理工研究院 一种超材料平板天线
CN105161858A (zh) * 2015-10-10 2015-12-16 复旦大学 一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法
CN107069207A (zh) * 2017-05-26 2017-08-18 南京信息工程大学 一种基于人工电磁超材料去耦的mimo天线
CN107181066A (zh) * 2017-05-27 2017-09-19 西南大学 一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器
CN108039589A (zh) * 2016-10-26 2018-05-15 电子科技大学 L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器
CN108063316A (zh) * 2016-10-26 2018-05-22 电子科技大学 双开口谐振环阵列超表面太赫兹多谐振反射式极化器
CN108470973A (zh) * 2018-03-09 2018-08-31 南京航空航天大学 基于缝隙加载的宽带rcs缩减超表面
CN113937505A (zh) * 2021-11-26 2022-01-14 西安科技大学 一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2467470A1 (en) * 2003-07-07 2005-01-07 Harris Corporation Multi-band horn antenna using frequency selective surfaces
US20100231470A1 (en) * 2009-03-12 2010-09-16 Rayspan Corporation Multiband composite right and left handed (crlh) slot antenna
CN103247860A (zh) * 2012-02-09 2013-08-14 深圳光启创新技术有限公司 一种超材料的制备方法及超材料
CN204243177U (zh) * 2014-10-30 2015-04-01 深圳光启高等理工研究院 一种超材料平板天线
CN105161858A (zh) * 2015-10-10 2015-12-16 复旦大学 一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法
CN108039589A (zh) * 2016-10-26 2018-05-15 电子科技大学 L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器
CN108063316A (zh) * 2016-10-26 2018-05-22 电子科技大学 双开口谐振环阵列超表面太赫兹多谐振反射式极化器
CN107069207A (zh) * 2017-05-26 2017-08-18 南京信息工程大学 一种基于人工电磁超材料去耦的mimo天线
CN107181066A (zh) * 2017-05-27 2017-09-19 西南大学 一种基于各向异性超表面的双宽频极化转换器
CN108470973A (zh) * 2018-03-09 2018-08-31 南京航空航天大学 基于缝隙加载的宽带rcs缩减超表面
CN113937505A (zh) * 2021-11-26 2022-01-14 西安科技大学 一种反射率、透射率和吸收率同时可调控的可重构超表面

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
韩江枫等: "一种基于超材料的宽带、反射型90°极化旋转体设计", 《物理学报》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110380222B (zh) 一种惠更斯超表面单元、透射阵天线及单元相位控制方法
CN107275798B (zh) 超表面透镜天线
CN110165414B (zh) 一种用于宽带RCS减缩的反射型宽带4-bit编码超表面
Li et al. Manipulation of terahertz wave using coding Pancharatnam–Berry phase metasurface
CN106848595A (zh) 一种超薄超宽带随机编码rcs缩减超表面散射器
CN105428825A (zh) 一种基于超表面的变极化多功能微带阵天线
Wu et al. Broadband transmission-type 1-bit coding metasurface for electromagnetic beam forming and scanning
CN114976667B (zh) 一种3bit双极化相位可调的可重构智能超表面
CN111740227B (zh) 一种用于调控电磁波传输的多功能编码超表面
CN213151025U (zh) 一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构
Su et al. Ultrawideband radar cross-section reduction by a metasurface based on defect lattices and multiwave destructive interference
CN106887718A (zh) 一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置
CN114024144B (zh) 多功能双频编码超表面
Lin et al. A wide-angle and wide-band circular polarizer using a bi-layer metasurface
CN112886273A (zh) 一种太赫兹平面透射阵极化扭转单元
CN110896171A (zh) 一种超宽带极化转换超表面结构
CN107171076B (zh) 一种基于手征超表面的多频带圆极化器
CN213816429U (zh) 一种超宽带漫反射超表面
CN112909553A (zh) 一种基于旋转调相法的圆极化透射阵列天线单元
CN115395243A (zh) 一种应用于波束调控的超宽频偏振器
Semenikhin et al. Broadband RCS reduction using digital impedance metasurfaces with 2-bit coding of axes of anisotropy and eigen reactances
CN110492249A (zh) 一种检测超宽带和宽角度斜入射的平面极化转换器
CN102790285A (zh) 线极化波收发装置
CN114843794A (zh) 一种具有极化转换和波束偏折功能的编码超表面
CN115051167A (zh) 一种1-bit双频双通道独立可编程超表面

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20221125

RJ01 Rejection of invention patent application after publication