CN210897637U - 一种极化不敏感的siw交叉极化转换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种极化不敏感的SIW交叉极化转换器，采用基片集成波导结构和人工电磁结构相结合，用于将任意方位极化的线极化电磁波转换到交叉极化方位。谐振单元由两部分复合构成：两片矩形铜质贴片，一块绝缘F4B介质基板。人工周期电磁结构单元由覆铜基板上刻蚀90度旋转对称的四个矩形孔构成，并在周期单元边界周期性开凿通孔并边缘镀铜。极化转换机制为：当5.8GHz、任意方位极化的线极化波正入射到该结构正面时，通过磁耦合产生谐振，将入射波能量耦合到SIW腔体内，再经过背面旋转了90度的四个矩形孔辐射到透射空间，从而完成90度的极化转换。与传统的极化转换装置相比，优势在于结构简易、极化不敏感、插入损耗低、极化转换效率高、制备成本低。
Description
技术领域
本实用新型属于电磁技术领域，采用SIW结构和平面人工电磁结构，具体涉及一种极化不敏感的交叉极化转换器。
背景技术
当今电磁波的传播控制成为电磁领域研究的热点，极化技术作为一项重要的干扰、抗干扰技术也成为了军事科研领域的一个研究热点。极化转换器是具有控制电磁波极化方向功能的器件，通常加载到天线辐射口径前面，是电磁波传播状态控制应用的重要器件之一。在无线通信领域，通过电磁波极化状态的切换，可以增强通信链路的连接可靠性；在雷达和医疗成像领域，探测电磁波通过多极化状态切换，可以有效增强目标成像的分辨率。
线极化电磁波在自由空间中传播时，由于空间环境的复杂性，会产生散射、折射和衍射等效应，从而改变电磁波的极化方向。当电磁波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，会降低接收效率，而当二者的极化方向正交时，天线则几乎接收不到电磁信号。将接收信号极化方向偏转到与接收天线极化方向，可使天线具有最佳接收效率。大多数基于人工电磁结构设计的线极化波交叉极化转换器具有极化选择特性，即入射来波必须与人工电磁结构单元极化方向一致，否则入射来波被反射，极化转换效率降低。针对上述缺陷，本发明设计了一款适用于任意极化方位、转换效率高、插入损耗低的线极化波交叉极化转换器。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，提供一种SIW结构和平面人工电磁结构结合的极化转换器，用于提高极化转换效率。
技术方案：本实用新型提出一种极化不敏感的SIW交叉极化转换器，采用基片集成波导结构和人工电磁结构相结合，用于将任意方位极化的线极化电磁波转换到交叉极化方位；基片集成波导起到的作用是引导电磁波、聚集场分布的作用。和一般的极化转换相比，利用人工电磁结构的极化转换器极化转换效率较高且极化状态模式较多。
极化转换器由谐振单元组成阵列，谐振单元由两部分组成，一部分由两个开孔矩形金属组成，另一部分为F4B介质基板，且F4B介质基板夹在两个金属面之间；阵列中每个单元结构包括金属铜面、镀铜通孔、两侧金属铜面上各开凿的四个矩形槽，F4B介质基板，所述金属铜面设有圆孔。进一步地，每个矩形槽尺寸为19.5×2.9mm，且各矩形槽的中心点距离相应的谐振单元边界为4.45mm；四个矩形槽呈90度旋转对称，相邻矩形槽相互正交，间距为0.5mm。
进一步地，极化转换器的金属铜面圆孔直径大于通孔直径。
进一步地，阵列中每个周期单元边界周期性开凿36个通孔并边缘镀铜，通孔半径为0.4mm，相邻通孔间距为2.88mm,各通孔距离相应的单元边界为1.5mm，且距离矩形槽边界为1.5mm。
进一步地，谐振单元的F4B介质板介电常数为2.65，损耗正切0.001。
进一步地，极化转换器的谐振单元尺寸为28.9×28.9×4mm，厚度为1/13工作波长。
极化转换器转换机制为频率达到5.8GHz、任意方位极化的线极化波正入射到该结构正面时，通过磁耦合产生谐振，将入射波能量耦合到SIW腔体内，再经过背面旋转了90度的四个矩形孔辐射到透射空间，从而完成90度的极化转换。
有益效果：本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：(1)采用一种新结构形式的人工电磁结构，能够正交分解任意方位极化的线极化，从而促使本发明的人工电磁结构极化不敏感；(2)结构简单，易于加工，通过调节单元结构几何参量，实现其工作频率的调谐；(3)质量轻，便于无线通信或雷达系统集成，反射损耗低，对发射天线干扰较小；(4)谐振单元能够进行周期性扩展，结构灵活，成本低且易于量产。
附图说明
图1阵列结构示意图；
图2(a)单元结构正面示意图；(b)金属结构示意图；
图3(a)极化方位角
的正入射线极化电场矢量示意图；(b)经过交叉极化转换后的线极化电场矢量示意图；
图4(a)不同极化方位角的线极化波正入射时的共极化反射系数；(b)不同极化方位角的线极化波正入射时的交叉极化透射系数。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地详细说明：
如图1所示，本实用新型是由15×15人工单元结构沿着正交方向规则排列构成。在图2(a)和图2(b)中，说明了阵列中每个单元的结构：1为基板正面铜质薄片，每个单元所占面积为28.9mm×28.9mm；2为镀铜孔，半径0.4mm；3为金属铜质薄片上挖去的四个矩形槽，每个矩形槽尺寸为19.5mm×2.9mm，四个矩形开槽呈90度旋转对称；4为F4B介质基板，单元所点体积为28.9mm×28.9mm×4mm，相对介电常数2.65，损耗正切0.001。
图3详细说明本实用新型的极化转换机制。图3标明了球坐标系下各个坐标轴的方向。E表示5.8GHz的入射电磁波，入射方向为-Z轴，与x-轴方位呈任意夹角
Ex表示波入射波的x-轴分量，Ey表示波入射波的y-轴分量，分别通过与y-轴平行的矩形开槽和x-轴平行的矩形开槽耦合进入腔体，形成两个独立的腔体模式后，经由背面与x-轴平行的矩形开槽和y-轴平行的矩形开槽结构辐射，合成后形成与入射波极化方位交叉的透射波。Ex’和Ey’分别表示透射波的x-轴分量和y-轴分量。
图4(a)和4(b)给出了对于任意极化方位正入射的线极化波交叉极化转换效果验证。如图4(a)和4(b)所示，不同极化方位的入射波照射到样品上，产生的共极化反射系数(S11)和交叉极化透射系数(S12)完全相同，验证了本发明所设计的交叉极化转换器样品具有极化不敏感特性，极化转换效率达到了92％以上。
Claims (7)
1.一种极化不敏感的SIW交叉极化转换器，包括基片集成波导结构和人工电磁结构，其特征在于：由谐振单元组成阵列，谐振单元由两部分组成，一部分由两个开孔矩形金属组成，另一部分为F4B介质基板，且F4B介质基板夹在两个金属面之间；阵列中每个单元结构包括金属铜面、镀铜通孔、两侧金属铜面上各开凿的四个矩形槽，F4B介质基板，所述金属铜面设有圆孔。
2.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于，每个矩形槽尺寸为19.5×2.9mm，且各矩形槽的中心点距离相应的谐振单元边界为4.45mm；四个矩形槽呈90度旋转对称，相邻矩形槽相互正交，间距为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于，阵列中每个周期单元边界周期性开凿36个通孔并边缘镀铜，通孔半径为0.4mm，相邻通孔间距为2.88mm,各通孔距离相应的单元边界为1.5mm，且距离矩形槽边界为1.5mm。
4.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于，金属铜面圆孔直径大于通孔直径。
5.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于，F4B介质板介电常数为2.65，损耗正切0.001。
6.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于，谐振单元尺寸为28.9×28.9×4mm，厚度为1/13工作波长。
7.根据权利要求1所述的极化转换器，其特征在于，极化转换机制为频率达到5.8GHz、任意方位极化的线极化波正入射到该结构正面时，通过磁耦合产生谐振，将入射波能量耦合到SIW腔体内，再经过背面旋转了90度的四个矩形孔辐射到透射空间，从而完成90度的极化转换。
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