CN115621743A - 一种双频滤波型线极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双频滤波型线极化转换器，由基本单元周期性排列构成，所述基本单元横截面为矩形，基本单元包括依次层叠设置的图案层、介质层和金属层；所述图案层包括以矩形的对角线为中心线对称设置的两个三角形的多模谐振器以及设置在两个多模谐振器之间的加载臂；所述加载臂为L型，包括枝节长臂和枝节短臂，所述枝节短臂连接在所述三角形的锐角上，所述枝节长臂平行于所述矩形的对角线；本发明实现四模双通带，且每个通带带宽可以独立控制，改善通带的带外滤波效果。

Description

一种双频滤波型线极化转换器
技术领域
本发明属于微波通信、电磁屏蔽和隐身技术领域，具体是涉及一种双频滤波型线极化转换器。
背景技术
超材料线极化转换器是一类基于超材料结构实现电磁波极化特性转换的器件，广泛运用在反射阵/透射阵、天线罩以及雷达隐身领域。一定角度上讲，理想的线极化转换器属于空间滤波器，理应仅仅在带内实现极化转换。且面对复杂的应用场景，无线通信/电磁隐身技术越趋向多制式、多通带、多功能发展。然而线极化转换器的双频滤波特性受到极少关注，双频极化转换的通带选择性还需改善。因此，研究滤波型双通带极化转换器具有极其重要的理论意义、极大的经济效益和广阔的应用前景。
超材料线极化转换器主要有两类实现方式：传输型结构以及反射性结构。传输型由于采用多层图案层和介质板的结构，非常易利用微波射频滤波器理论设计滤波型极化转换。例如为实现二阶滤波特性，M. Al-Joumayly在IEEE Transactions on Antennas andPropagation期刊上发表的“A new technique for design of low-profile, second-order, bandpass frequency selective surfaces”一文中采用两层电容层和一层电感层来实现。而H. Zhou在IEEE Antennas And Wireless Propagation Letters期刊上发表的“A triband second-order frequency selective surface”一文中则采用贴片-缝隙-贴片的三层结构, 通过增加滤波的阶数改善滤波效果。为进一步改善滤波特性，G. Q. Luo在IEEE Microwave And Wireless Components Letters 期刊上发表的“High performancefrequency selective surface using cascading substrate integrated waveguidecavities”一文中通过级联腔体滤波器理论引入了带外传输零点。此外不同谐振单元之间的交叉耦合、以及谐振器间的混合电磁耦合可以用来实现更多的传输零点。尽管上述方法可以实现改善滤波特性，但是均是基于透射结构，层数相对较多，剖面还需减小。反射型线极化转换器相对结构简单、厚度薄，但是难以实现滤波特性。到目前为止，鲜有关于基于反射结构的滤波器双频极化转换器的相关报导。因此，实现具备双频滤波特性仍是反射型极化转换器设计的难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双频滤波型线极化转换器，实现四模双通带，且每个通带带宽可以独立控制，改善通带的带外滤波效果。
本发明实施例为一种双频滤波型线极化转换器，由基本单元周期性排列构成，所述基本单元横截面为矩形，基本单元包括依次层叠设置的图案层、介质层和金属层；
所述图案层包括以矩形的对角线为中心线对称设置的两个三角形的多模谐振器以及设置在两个多模谐振器之间的加载臂；
所述加载臂为L型，包括枝节长臂和枝节短臂，所述枝节短臂连接在所述三角形的锐角上，所述枝节长臂平行于所述矩形的对角线。
所述图案层一般为铜材质，通过雕刻或化学蚀刻得到。
本申请的基本单元横截面优选为正方形，所述三角形为等边直角三角形。三角形一般不铺满整个基本单元，只占基本单元的一部分，即其距离基本单元的边缘具有一定距离。两个三角形具有4个锐角，分布在基本单元的两端，加载臂连接在锐角上，优选来说，所述L型的加载臂的数量为4个，即4个锐角分别连接一个加载臂，由于加载臂为L型，枝节长臂和枝节短臂优选为垂直关系，枝节长臂平行于所述矩形的对角线，因此，枝节短臂垂直于三角形的长边。
其中一个实施例中，所述枝节长臂的自由端指向矩形的中心，4个枝节长臂的自由端和两个三角形的长边围合形成非刻蚀中央区。非刻蚀中央区为矩形，其两边为三角形的长边，另外两边分别为两个相邻的枝节长臂的自由端的连线。连接在不同所述三角形上的加载臂以矩形的对角线为中心线对称设置，所述加载臂之间设置有外长条槽，即加载臂之间具有一定间隔。
其中一个实施例中，所述三角形的多模谐振器内设置有槽线，所述槽线的端部设置在所述三角形的长边的中点上。优选的，所述槽线垂直于所述三角形的长边。
其中一个实施例中，所述介质层包括两个不同材质构成的介质层，其中一个介质层为蜂窝层，其中主要为空气。
其中一个实施例中，所述基本单元的边长为12mm，枝节长臂（7）的长度为4.8mm，枝节短臂（8）的长度为0.99mm。
本发明的有益效果是，本发明克服线极化转换器难实现双频滤波特性的问题，仅通过一层图案层的三明治结构和相应的图案层结构即可实现双频滤波特性的线极化转换器，改善通带的滤波特性。本发明克服极化转换器引入极化转换模式和零点时导致结构复杂的困难，采用本申请的图案层结构，实现四模双频极化转换以及两个极化转换零点。本发明克服极化转换器带宽不可独立控制的难题，通过调整枝节和槽线的尺寸，实现通带内谐振模式独立控制且滤波带宽独立可控。
附图说明
图1为本发明具体实施例的基本单元的结构侧视示意图。
图2为本发明具体实施例的基本单元的结构斜视示意图。
图3为本发明具体实施例的整体俯视示意图。
图4为本发明具体实施例的双频滤波型线极化转换器的多模谐振器演进过程。
其中图（a）表示仅有两个三角形的多模谐振器的双频滤波型线极化转换器，图（b）表示在图（a）的基础上加载枝节长臂以及枝节短臂组成的结构，图（c）表示在图（a）的基础上加载槽线组成的结构。
图5为本发明具体实施例的双频滤波型线极化转换器的谐振器不同设计对主极化反射系数的影响。
图6为本发明具体实施例的双频滤波型线极化转换器的低通带调整特性。
图7为本发明具体实施例的双频滤波型线极化转换器的高通带调整特性。
图8为本发明具体实施例的双频滤波型线极化转换器的带外零点特性。
在图中，1图案层、2介质层Ⅰ、3介质层Ⅱ、4金属层、5多模谐振器、6槽线、7枝节长臂、8枝节短臂、9非刻蚀中央区、10外长条槽、11内长条槽。
具体实施方式
实施例1
图1-3给出了本发明提出的一个实施例，其中图1为组成该双频滤波型线极化转换器的基本单元的侧面图，图2为组成该双频滤波型线极化转换器的超材料单元的三维斜视图，图3为理论上为n×n个基本单元组成的双频滤波型线极化转换器。
一种双频滤波型线极化转换器，由基本单元周期性排列构成，所述基本单元横截面为矩形，图1中显示为正方形，基本单元包括依次层叠设置的图案层1、介质层和金属层4，所述图案层1包括以矩形的对角线为中心线对称设置的两个三角形的多模谐振器5以及设置在两个多模谐振器5之间的加载臂；
该双频滤波型线极化转换器为准三明治结构，本实施例采用的是图案层1-介质层Ⅰ2-介质层Ⅱ3-金属层4结构。如图1-3所示，即介质层包括介质层Ⅰ2和介质层Ⅱ3，其中介质层Ⅰ2为环氧玻璃纤维板(FR4)，介质层Ⅱ3为蜂窝层。
所述多模谐振器5为等边直角三角形，所述加载臂为L型，包括枝节长臂7和枝节短臂8，所述枝节短臂8连接在所述三角形的锐角上，所述枝节长臂7平行于所述矩形的对角线。
枝节短臂8垂直于等边直角三角形的长边，两个三角形的4个锐角分别连接一个加载臂，因此，L型的加载臂的数量为4个。所述枝节长臂7的自由端指向矩形的中心，4个枝节长臂7的自由端和两个三角形的长边围合形成非刻蚀中央区9，非刻蚀中央区9的两边为枝节长臂7的自由端的连线。
连接在不同所述三角形上的加载臂以矩形的对角线为中心线对称设置，所述加载臂之间设置有外长条槽10，枝节长臂8和三角形的长边之间为内长条槽11。
顶层的图案层1如图2所示，它包含两个沿着y轴方向旋转45度放置的两个多模谐振器5组成。y轴方向旋转45度即为矩形的对角线方向。
实施例1中，基本单元的边长为12mm，三角形的直角边长L为9.3mm，非刻蚀中央区9的长度为3.6mm，宽度为1.6mm。枝节长臂7的长度L4和宽度为4.8mm和0.59mm，枝节短臂8的长度L3和宽度为0.99mm和0.59mm（长度方向是垂直于三角形的长边的方向）。
顶层的图案层1，用于实现电磁极化转换功能。一般而言，空间中的电磁波从顶层入射到超材料单元，一部分电磁能量在图案层1实现极化转换反射回顶层上方空间，还有一部分电磁能量经由介质层Ⅰ2和介质层Ⅱ3入射到底层的金属层4的上表面，之后反射再经由介质层Ⅱ3和介质层Ⅰ2入射到图案层1。此时，电磁能量一部分在图案层1实现极化转换至顶层上方空间，另一小部分又经由介质层Ⅰ2和介质层Ⅱ3入射到底层的金属层4的上表面，如此反复。通过无数次反射，最终将入射线极化能量转换为交叉极化能量反射回顶层上方空间，实现了双频滤波型线极化转换器的功能。
实施例2
在实施例1的基础上，所述三角形的多模谐振器5内设置有槽线6，所述槽线6的端部设置在所述三角形的长边的中点上，所述槽线6垂直于所述三角形的长边。槽线Ls2的长度为4mm，宽度为0.45mm。
如图2所示，原等边直角三角形谐振器是单模谐振器，通过加载枝节长臂7和枝节短臂8，可以在高频处引入另一个谐振模式，从而形成双通带。
引入槽线6可以进一步改善双通带的滤波效果。通过引入槽线6以及枝节长臂7和枝节短臂8，顶层图案层1可以实现良好滤波效果的双通带特性。
图4给出了实施例的多模谐振器演进过程。其中谐振器为图4（a）所示三角形谐振器，谐振器加载枝节是指图4（b）的三角形谐振器和枝节长臂以及枝节短臂组成的结构，谐振器加载枝节和槽线是指图4（c）的结构。
实验例1
从图5可以看出，三角形谐振器仅有一个通带内的一个模式，通过加载枝节可以在高频通带内引入额外的谐振模式形成第二个通带。进一步加载槽线后，两个通带内的模式会分裂形成双模双通带，改善通带的滤波特性。
通过合理调整多模谐振器的参数，可以实现对各个谐振模式的调整。
图6给出了主极化反射系数以及极化转换率PCR同等边直角三角形边长L以及枝节短臂长度L3的变化曲线。可以看到，随着L的增加，低频段内的低谐振模式向低频移动，而低通带内的高谐振模式以及高通带内所有模式几乎不变；同理，随着L3的增加，低通带内的高谐振模式同样向低频移动，而低频段内的低谐振模式以及高通带内所有模式几乎不变。因此，可以通过控制直角三角形边长L以及枝节短臂8长度L3长度实现对低通带内谐振模式的独立控制。
类似的，图7可知，通过调整加载枝节长臂7长度L4以及加载的槽线6长度Ls2，实现对高通带内谐振模式的独立控制。综上，通过加载槽线6以及枝节，可以实现四模双通带，且每个通带带宽可以独立控制。
对于该极化转换器，采用两个多模谐振器镜像对称的设计是利用加载枝节长臂7（实施例2）的耦合效应产生两个传输零点。如图8所示，该极化转换器在4GHz以及10GHz附件产生两个通带，而在两个通带外产生了两个极化转换零点，从而大大改善了通带的带外滤波效果。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频滤波型线极化转换器，其特征是，由基本单元周期性排列构成，所述基本单元横截面为矩形，基本单元包括依次层叠设置的图案层（1）、介质层和金属层（4）；
所述图案层（1）包括以矩形的对角线为中心线对称设置的两个三角形的多模谐振器（5）以及设置在两个多模谐振器（5）之间的加载臂；
所述加载臂为L型，包括枝节长臂（7）和枝节短臂（8），所述枝节短臂（8）连接在所述三角形的锐角上，所述枝节长臂（7）平行于所述矩形的对角线。
2.如权利要求1所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，所述矩形为正方形，所述三角形为等边直角三角形。
3.如权利要求1所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，所述加载臂的数量为4个。
4.如权利要求3所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，所述枝节长臂（7）的自由端指向矩形的中心，4个枝节长臂（7）的自由端和两个三角形的长边围合形成非刻蚀中央区（9）。
5.如权利要求1所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，连接在不同所述三角形上的加载臂以矩形的对角线为中心线对称设置，所述加载臂之间设置有外长条槽（10）。
6.如权利要求1-5任一项所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，所述三角形的多模谐振器（5）内设置有槽线（6），所述槽线（6）的端部设置在所述三角形的长边的中点上。
7.如权利要求6所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，所述槽线（6）垂直于所述三角形的长边。
8.如权利要求1-5任一项所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，所述介质层包括两个不同材质构成的介质层。
9.如权利要求8所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，其中一个介质层为蜂窝层。
10.如权利要求1-5任一项所述的双频滤波型线极化转换器，其特征是，所述基本单元的边长为12mm，枝节长臂（7）的长度为4.8mm，枝节短臂（8）的长度为0.99mm。
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