CN116995443B - 一种宽频比范围的双频折射单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频比范围的双频折射单元，包括顶层金属结构、介质基板、底层金属结构和金属化过孔；顶层金属结构是一块中心开有矩形槽的方形金属贴片，矩形槽的中心线与方形金属贴片的中心线重叠；底层金属结构与顶层金属结构上下对称；两个金属化过孔穿过介质基板连接顶层金属结构和底层金属结构，位于整体结构的水平对称线上，并分别位于平面金属结构左右双臂的中心位置。当侧向垂直极化来波激励时，形成偶对称全波模式和奇对称全波模式，利用矩形槽水平长度对高频折射点电流长度的影响、金属化过孔直径对低频折射点的电流影响以及方形金属贴片边长对低高频折射点电流的同时影响，提高双频折射频点的调控自由度，实现宽频比范围。
Description
技术领域
本发明一种微波通信器件，具体涉及一种双频折射单元。
背景技术
折射单元是指能够使入射电磁波产生折射现象的单元，即入射电磁波在该谐振单元作用下向另一侧的出射端口传输，且出射角小于入射角。双频折射单元在系统应用中可以同时支持两个工作频率，即在两个频段上产生折射现象，可以用于双频或双制式无线通信系统。在双频折射单元中，两个频率的可控性是关注的重要因素之一，能够有效提升双频折射单元的设计自由度及增加其对不同场景的适用性，两个频率的比值可实现范围越大越好。因此具有宽频比范围的双频折射单元具有重要的应用价值和工程价值。
目前，双频折射单元较少，主要是单频折射单元，其中能支持垂直极化工作的单频折射单元有两种：一种是基板两侧金属条带通过中心点金属化过孔连接，其来波入射方向为沿着金属条带延伸方向；另一种是基板两侧金属贴片通过中心金属化过孔连接，其来波入射方向为沿着金属贴片延伸方向。双频折射单元目前采用四个开路环正交分布结合两个串联电感实现，但是只能对水平极化的法向来波实现双频折射。因此，有必要发明能够支持垂直极化侧向来波的双频折射单元，并能支持两个频带的宽频比范围。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种宽频比范围的双频折射单元，能够支持垂直极化侧向来波，并能支持两个频带的宽频比范围。
技术方案：一种宽频比范围的双频折射单元，包括顶层金属结构、介质基板、底层金属结构和金属化过孔；顶层金属结构是一块中心开有矩形槽的方形金属贴片，矩形槽的中心线与方形金属贴片的中心线重叠；底层金属结构与顶层金属结构上下对称；两个金属化过孔穿过介质基板连接顶层金属结构和底层金属结构，位于整体结构的水平对称线上，并分别位于平面金属结构左右双臂的中心位置。
进一步的，方形金属贴片边长在0.08 λ01-0.17 λ01之间，矩形槽的水平长度在0.01 λ01-0.15 λ01之间，宽度在0.01 λ01-0.14 λ01之间，金属化过孔的直径在0.002 λ01-0.012 λ01之间，λ01为低频对应的空气波长。
进一步的，当侧向垂直极化来波激励所述单元时，形成偶对称全波模式和奇对称全波模式，分别对应低频折射点和高频折射点，通过调整矩形槽的水平长度实现对高频折射点的独立控制；通过调整金属化过孔的直径实现对低频折射点的独立控制。
有益效果：本发明将双层方形金属贴片中心蚀刻矩形槽及嵌入左右金属化过孔，当侧向垂直极化来波激励时，形成偶对称全波模式和奇对称全波模式，利用矩形槽水平长度对高频折射点电流长度的影响、金属化过孔直径对低频折射点的电流影响以及方形金属贴片边长对低高频折射点电流的同时影响，提高双频折射频点的调控自由度，实现宽频比范围的双频折射单元。
具体的，上下层方形金属贴片结构相同，且都位于整体天线的中心位置，是形成垂直电场分量的基础，亦是能对侧向垂直极化来波产生双频折射响应的重要基础；上下层方形金属贴片与矩形槽及金属化过孔相结合能够形成偶对称全波模式和奇对称全波模式，分别对应低频折射点和高频折射点，并且方形金属贴片的边长能对两个模式的电流都产生影响，进而同时影响低频折射点和高频折射点的频率。
上下层矩形槽蚀刻于上下层方形金属贴片的中心位置，矩形槽水平长度影响高频奇对称全波模式的左右对称电流长度，从而对高频折射点频率影响较大，而对低频偶对称全波模式在金属化过孔处的放射状电流影响较小，从而基本不改变低频折射点频率，所以矩形槽水平长度可以实现对高频折射点的独立控制。
左右对称金属化过孔位于双层金属结构左右双臂的中心位置且连接上下层金属，金属化过孔直径对低频偶对称全波模式集中在金属化过孔的放射状电流影响较大，从而影响低频折射点频率，而对高频左右对称半波电流等效长度受的影响较小，从而基本不改变高频折射点频率，所以金属化过孔直径可以实现对低频折射点的独立控制。
附图说明
图1为本发明双频折射单元剖面结构示意图；
图2为本发明双频折射单元俯视图；
图3为矩形槽水平长度对双频折射单元的传输系数影响；
图4为矩形槽水平长度对双频折射单元的有效折射率影响；
图5为金属化过孔直径对双频折射单元的传输系数影响；
图6为金属化过孔直径对双频折射单元的有效折射率影响；
图7为方形金属贴片边长对双频折射单元的传输系数影响；
图8为方形金属贴片边长对双频折射单元的有效折射率影响。
实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种宽频比范围的双频折射单元，该折射单元由顶层金属结构1、介质基板2、底层金属结构3和金属化过孔4组成。顶层金属结构1是一块中心开有矩形槽102的方形金属贴片101，矩形槽102的中心线与方形金属贴片的中心线重叠，两者重叠后整体金属结构水平及垂直臂宽可控。底层金属结构3与顶层金属结构1上下对称。两个金属化过孔4穿过介质基板2连接顶层金属结构1和底层金属结构3，位于整体结构的水平对称线上，并分别位于平面金属结构左右双臂的中心位置。方形金属贴片101边长在0.08 λ01-0.17λ01之间，λ01为低频对应的空气波长；矩形槽102的水平长度在0.01 λ01-0.15 λ01之间，宽度在0.01 λ01-0.14 λ01之间；金属化过孔4的直径在0.002 λ01-0.012 λ01之间。
对于所提出的双频折射单元，沿z方向极化的平面波从x负方向馈入，在整体单元作用下，形成双频折射效应，即在xoz面上向x正方向汇聚，实现波束聚焦的功能。在此过程中，z方向极化入射波激励起整体单元的两个模式：偶对称全波模式和奇对称全波模式。偶对称全波模式的电场主要为E z分量，上下臂中心处幅度最强，左右臂中心处幅度最弱，并且上下臂电场方向相同。偶对称全波模式对应低频谐振点，并且产生对应的高折射率频段。奇对称全波模式的电场主要亦为E z分量，上下臂中心处幅度最强，左右臂中心处幅度最弱，但是上下臂电场方向相反。奇对称全波模式对应高频谐振点，并且产生对应的高折射率频段。因此，整体结构能实现双频带折射功能。两个谐振频段的有效折射率可通过双频散射参数计算得到。
双频折射单元的两个折射频点主要通过矩形槽水平长度、金属化过孔直径及方形金属贴片边长三个量进行调控。当矩形槽水平长度改变时，由于高频奇对称全波模式的左右部分电流呈现对称半波分布，电流长度将受到矩形槽水平长度影响，高频折射点频率因此改变，而低频偶对称全波模式的电流主要集中金属化过孔处，且呈放射状分布，因此低频折射点频率受到的影响较小。可见矩形槽水平长度能够实现对高频折射点的独立控制。当金属化过孔直径改变时，由于低频偶对称全波模式的电流主要集中金属化过孔处，因此低频折射点频率受到影响较大，而高频左右对称半波电流等效长度受到影响较小，基本不改变低频折射点频率，所以金属化过孔直径能够实现对低频折射点的独立控制。当方形金属贴片边长改变时，低频偶对称全波模式在金属化过孔处电流，以及高频奇对称全波模式的左右对称电流长度，都受到影响，因此方形金属贴片边长能够同时影响低频折射点和高频折射点。
下面列出了本发明的一个实施例，其结构示意图如图1、图2所示。本实施例采用的介质基板为RO4003C。图3、图4展示了矩形槽水平长度对双频折射单元的调控能力，从图中可见矩形槽水平长度能够实现对高频折射点的独立调控，并且高频折射点随此长度增加而下移。图5、图6展示了金属化过孔直径对双频折射单元的调控能力，从图中可见该直径能够实现对低频折射点的独立调控，并且低频折射点随此直径增加而上移。图7、图8展示了方形金属贴片的边长对双频折射单元的调控能力，该边长能够同时影响低频折射点和高频折射点，并且低、高频折射点都随此边长增加而下移。矩形槽水平长度、金属化过孔直径以及方形金属贴片边长三者对双频折射单元的调控能力极大地增加了双频频率比的调控自由度，频率比的可控范围可以得到1.1-2，即实现宽频比范围的双频折射单元。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种宽频比范围的双频折射单元，其特征在于，包括顶层金属结构（1）、介质基板（2）、底层金属结构（3）和金属化过孔（4）；顶层金属结构（1）是一块中心开有矩形槽（102）的方形金属贴片（101），矩形槽（102）的中心线与方形金属贴片的中心线重叠；底层金属结构（3）与顶层金属结构（1）上下对称；两个金属化过孔（4）穿过介质基板（2）连接顶层金属结构（1）和底层金属结构（3），位于整体结构的水平对称线上，并分别位于平面金属结构左右双臂的中心位置。
2.根据权利要求1所述的宽频比范围的双频折射单元，其特征在于，方形金属贴片（101）边长在0.08 λ01-0.17 λ01之间，矩形槽（102）的水平长度在0.01 λ01-0.15 λ01之间，宽度在0.01 λ01-0.14 λ01之间，金属化过孔（4）的直径在0.002 λ01-0.012 λ01之间，λ01为低频对应的空气波长。
3.根据权利要求1或2所述的宽频比范围的双频折射单元，其特征在于，当侧向垂直极化来波激励所述单元时，形成偶对称全波模式和奇对称全波模式，分别对应低频折射点和高频折射点，通过调整矩形槽（102）的水平长度实现对高频折射点的独立控制；通过调整金属化过孔（4）的直径实现对低频折射点的独立控制。
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