CN211126083U - 一种具有强角容忍性的x波段圆极化旋向调控器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，包括呈阵列排列的若干超表面单元，阵列大小为n*n；每个超表面单元包括从下到上依次排列的底层金属、中间介质基板和金属图案层，底层金属、中间介质基板和金属图案层的几何中心位于同一中轴线上。本实用新型X波段圆极化旋向调控器，与传统的圆极化转化器相比，结构简单，易于制作；采用“Z”型金属图案层，不仅在垂直入射和小角度入射时表现出优异的性能，而且在较大角度斜入射时也表现出优异的性能，对入射角有很大的容忍性，可以在保持X波段性能不变的前提下增加角度的选择性，解决了入射大于30°角度时频带极速变窄的问题，有很好的实用价值。
Description
技术领域
本实用新型属于圆极化旋向设备技术领域，具体涉及一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器。
背景技术
极化是电磁波的基本特性之一，可分为线极化，圆极化，椭圆极化三种。其中圆极化可分为左旋圆极化和右旋圆极化。由于不同取向的线极化波都可由圆极化天线收到，因此圆极化天线在卫星、火箭等通信系统中有着重要的作用。随着应用场景的多样化，人们希望能够改变圆极化波的旋向，实现极化的自由调控。
超材料是一种人工构造、利用微单元进行周期性排列的材料。不同的单元结构、材质以及排列方式可以实现不同的功能，具有较强的可设计性和功能定制性。然而由于超材料是三维结构，对样品的加工造成了困难。考虑到体积、损耗、加工等因素，后发展出了超薄的二维平面超介质，即超表面，更易加工和进行有效调控。目前，各波段基于超表面的各类极化转化器相继被提出，然而X波段的圆极化转化器仍然很少。
现有的基于超材料的圆极化旋向转化器结构复杂，中国专利《一种基于可调超表面的圆极化旋向调控器及其设计方法》(申请日：20151010；申请号：CN201510654641.3；公开日：20190129；公开号：CN105161858B)，公开了一种由圆形电谐振(ELC)结构、偏置电路和PIN二极管组成的圆极化旋向调控器，它可以通过开关的状态实现不同频带内的极化状态转变，但是其结构复杂，频率较低且带宽较窄。
另外，现有的极化转化器都有一个共同的缺陷，都只能在垂直入射或者较小的入射角情况下工作。如2017年，黄晓俊等人在《Journal of Applied Physics》期刊上发表“High-efficiency wideband reflection polarization conversion metasurface forcircularly polarized waves”论文，公开了一字型圆极化转化器，电磁波垂直入射至该极化转化器时在8.16GHz-15.32GHz的频带上实现圆极化反射波旋向的高效转化，然而在入射角大于30°时频带就会极速变窄，无法有效调控。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，解决了现有圆极化波调控器结构复杂、入射大于30°角度时频带极速变窄的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，包括呈阵列排列的若干超表面单元，阵列大小为n*n，n为个数且n≥20；每个超表面单元包括从下到上依次排列的底层金属、中间介质基板和金属图案层，底层金属、中间介质基板和金属图案层的几何中心位于同一中轴线上；
金属图案层为电导率为5.8×107S/m且结构呈“Z”状，具体包括横截面为长方形的长轴，长轴两端分别垂直连接侧臂a和侧臂b，侧臂a和侧臂b的截面为正方形。
本实用新型的特征还在于，
底层金属具体为：宽度和长度尺寸相同均不小于10mm且不大于10.6mm、厚度不小于趋肤深度的板体。
中间介质基板参数要求：εr＝4.4、μr＝1、损耗角正切值tanδ＝0.025。
中间介质基板具体为：宽度和长度与底层金属尺寸相同、厚度为3.1mm 的板体。
长轴沿中间介质基板任一对角线分布，且长轴长度不小于长轴宽度的2 倍；
侧臂a和侧臂b均与中间介质基板另一对角线平行，且边长均与长轴宽度相同。
本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，与传统的圆极化转化器相比，结构简单，易于制作；采用“Z”型金属图案层，不仅在垂直入射和小角度入射时表现出优异的性能，而且在较大角度斜入射时也表现出优异的性能，对入射角有很大的容忍性，可以在保持X波段性能不变的前提下增加角度的选择性，解决了入射大于30°角度时频带极速变窄的问题，有很好的实用价值。
(2)本实用新型一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，圆极化转化器可以在8.18GHz-13.988GHz的频带内改变圆极化反射波的旋向，且在0°-85°入射角范围内都表现出优异的性能，具有超强的角容忍性。
附图说明
图1是本实用新型一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器的结构示意图；
图2是本实用新型一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器中超表面单元的结构示意图；
图3是本实用新型一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器中超表面单元的三视图，其中图3(a)为主视图，图3(b)为侧视图，图3(c) 为俯视图；
图4是本实用新型实施例X波段圆极化旋向调控器垂直入射时反射系数和极化转化率PCR随频率的变化曲线图，其中图4(a)变量为反射系数，图4(b)变量为极化转化率PCR；
图5是本实用新型实施例X波段圆极化旋向调控器极化转化率大于0.9 时，带宽和入射角度的变化曲线图；
图6是本实用新型实施例X波段圆极化旋向调控器在不同入射角时，左旋向圆极化波入射下的极化转化率曲线；
图7是本实用新型实施例X波段圆极化旋向调控器在不同入射角时，右旋向圆极化波入射下的极化转化率曲线。
图中，1.底层金属，2.中间介质基板，3.金属图案层，4.超表面单元，5. 长轴，6.侧臂a，7.侧臂b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，如图1 所示，包括呈阵列排列的若干超表面单元4，阵列大小为n*n，n为个数；如图2所示，每个超表面单元4包括从下到上依次排列的底层金属1、中间介质基板2和金属图案层3，底层金属1、中间介质基板2和金属图案层3的几何中心位于同一中轴线上。
参数n≥20。
底层金属1为铜材质，与金属图案层3的材料相同，其目的是为了保证电磁波不会透射；底层金属1具体为：宽度和长度相同均不小于10mm且不大于10.6mm、厚度不小于趋肤深度板体。
中间介质基板2为εr＝4.4、μr＝1、损耗角正切值tanδ＝0.025的FR-4材料，损耗较小。具体为：中间介质基板2具体为宽度和长度与底层金属1相同、厚度为3.1mm的板体。
金属图案层3为电导率为5.8×107S/m的铜材料且呈“Z”状，具体包括横截面为长方形的长轴5，长轴5两端分别垂直连接侧臂a6和侧臂b7，侧臂 a6和侧臂b7的截面为正方形。
长轴5沿中间介质基板2任一对角线分布，长轴5沿中间介质基板任一对角线分布，且长轴5长度不小于长轴5宽度的2倍；侧臂a6和侧臂b7均与中间介质基板2另一对角线平行，且边长均与长轴宽度相同。长宽改变时，本实用新型的性能会变差。
实施例
设X波段圆极化旋向调控器包括若干超表面单元4，阵列大小为n*n， n＝20；底层金属1为铜材质；中间介质基板2为εr＝4.4、μr＝1、损耗角正切值tanδ＝0.025的FR-4材料；金属图案层3为电导率为5.8×107S/m的铜材料。具体结构如图2所示。
图3(a)-(c)，底层金属1和中间介质基板2的边长均相同，都为p 且p＝10.5mm；底层金属1的厚度hd＝0.3mm，中间介质基板2的厚度为 hm＝3.1mm；金属图案层3的厚度hu＝0.035mm，长轴5沿基板材料左上角- 右下角的对角线位置摆放，长轴5和侧臂a6、侧臂b7相互垂直，长轴5为矩形，长为length＝6mm，宽为width＝1.6mm，侧臂a6和侧臂b7为正方形且边长为width＝1.6mm。
以下实施例中的X波段圆极化旋向调控器性能进行仿真分析：
利用CST软件进行仿真分析，设置x-y方向为unit cell边界条件，z方向为openand add space边界条件，电磁波沿z轴反方向入射。
仿真计算可得：如图4(a)所示，为左旋圆极化和右旋圆极化波垂直入射时的反射系数曲线图，具体的，纵坐标为反射系数，横坐标为频率，可知共极化反射系数r--和r++在8.432GHz-13.036GHz的频带内大于0.9，且交叉系数r-+和r+-在8.672GHz-13.508GHz范围内小于0.2，这说明该极化器实现了圆极化波旋向的调控。如图4(b)所示，为左旋圆极化和右旋圆极化波垂直入射时的极化转化率曲线图，其中纵坐标为极化转化率，横坐标为频率，带实心圆点标志和三角标志的曲线分别表示左旋和右旋圆极化波入射时的极化转化率，可知两种情况下的极化转化率几乎完全重合，且在 8.18GHz-13.988GHz的范围内即X波段都大于0.9，能够实现高效的调控。
以下讨论带宽与斜入射性能的关系。取不同的入射角时，数值仿真可得极化转化率大于0.9的带宽(下文中提到的带宽都指的是极化转化率大于0.9 的带宽)随入射角的变化，如图5所示，横轴为入射角度，纵轴为频率，发现左旋圆极化波和右旋圆极化波两种入射模式下，角度对实施例中的转化器性能的影响不同，且角度对带宽的影响并不是单调变化的；对于右旋圆极化波，对应于图5中带正三角标志的曲线，入射角小于75°时，带宽随着角度的增大快速减小，在75°时达到最小值3.756GHz，入射角继续而增大时，带宽急速增大；对于左旋圆极化波，对应于图5中带实心圆点标志的曲线，在入射角为30°左右时取到最大值5.988GHz，当角度再次增大时，带宽呈下降趋势，但下降速度较慢，在入射角达到70°时达到最小值5.172GHz，入射角再次增大时，带宽也随之增大。
如图6所示，为不同入射角时，左旋向圆极化波入射下的极化转化率曲线。对于左旋圆极化波，分别取入射角为0°、30°、45°、70°、85°五种角度；如图7所示，为不同入射角时，右旋向圆极化波入射下的极化转化率曲线。对于右旋圆极化波，分别取入射角为0°、30°、45°、75°、85°五种角度。
通过对比，可知即使在大角度入射下，对于X波段两种模式的圆极化波仍表现出良好的性能。对于左旋圆极化波，角度对X波段内的极化转化率幅值影响很小，极化转化率大于0.9的带宽更宽。
根据图5可知，左旋圆极化波入射时，在入射角等于70°时带宽达到最小值，结合图6，当入射角等于70°时，极化转化率大于0.9的频段为 8.18GHz-11.84GHz，仍可以实现X波段91.5％的频带范围内的圆极化波旋向调控；而在其他角度时，带宽覆盖范围都更大，效果更优异。对于右旋圆极化波，虽然带宽较窄，但是位于X波段的性能依然良好。
根据图5可知，右旋圆极化波入射时，在入射角等于75°时带宽达到最小值，结合图7，当入射角等于75°时，极化转化率大于0.9的频段为 8.144GHz-11.792GHz，仍可以实现X波段91.2％的频带范围内的圆极化波旋向调控；当入射角度大于75°时，X波段内极化转化率大于0.9的带宽显著增大，X波段外的性能也变得很好。
综上，本实用新型的X波段圆极化波调控器对入射角有很大的容忍性，可以在保持X波段性能不变的前提下增加角度的选择性。
Claims (5)
1.一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，其特征在于，包括呈阵列排列的若干超表面单元(4)，所述阵列大小为n*n，n为个数且n≥20；每个所述超表面单元(4)包括从下到上依次排列的底层金属(1)、中间介质基板(2)和金属图案层(3)，所述底层金属(1)、中间介质基板(2)和金属图案层(3)的几何中心位于同一中轴线上；
所述金属图案层(3)为电导率为5.8×107S/m且结构呈“Z”状，具体包括横截面为长方形的长轴(5)，所述长轴(5)两端分别垂直连接侧臂a(6)和侧臂b(7)，所述侧臂a(6)和侧臂b(7)的截面为正方形。
2.根据权利要求1所述的一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，其特征在于，所述底层金属(1)具体为：宽度和长度尺寸相同均不小于10mm且不大于10.6mm、厚度不小于趋肤深度的板体。
3.根据权利要求1所述的一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，其特征在于，所述中间介质基板(2)参数要求：εr＝4.4、μr＝1、损耗角正切值tanδ＝0.025。
4.根据权利要求1所述的一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，其特征在于，所述中间介质基板(2)具体为：宽度和长度与所述底层金属(1)尺寸相同、厚度为3.1mm的板体。
5.根据权利要求1所述的一种具有强角容忍性的X波段圆极化旋向调控器，其特征在于，所述长轴(5)沿中间介质基板(2)任一对角线分布，且长轴(5)长度不小于长轴(5)宽度的2倍；
所述侧臂a(6)和侧臂b(7)均与中间介质基板(2)另一对角线平行，且边长均与长轴(5)宽度相同。
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