CN217983698U - 一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，属于电磁材料技术领域，由多个极化转化超表面单元周期性排列组成，通过天线(接收)‑带状线(滤波)‑天线(发射)的结构，实现了陡峭的滤波响应，所述极化转化超表面单元表面的上层贴片天线沿Y轴放置，接收Y极化电磁波，下层贴片天线沿X轴放置，可发射X极化电磁波，能实现Y轴线极化入射电磁波的正交极化转化；提出的滤波结构，可以克服现有技术中的极化转化超表面的频率选择性不高的问题。

Description

一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面

技术领域

本实用新型属于电磁材料技术领域，涉及一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面。

背景技术

极化是指天线最大辐射方向上空间某一固定位置上的电场矢量的末端随时间变化所描绘的轨迹。在某些复杂的通信系统中，为了节省成本和降低设计难度，需要在不改变原系统的情况下改变电磁波的极化。且极化调控的装置在RCS缩减、雷达成像、保密通信等上有着很广泛的应用。

极化转化超表面是一种能够调控电磁波极化状态的二维周期人工电磁超表面，电磁超表面可在亚波长级别内对电磁波的幅度和相位进行调控。常见的极化转化超表面从传输特性上分为传输型和透射型，从极化转化特性上分为线极化-线极化之间的极化转化，线极化-圆极化之间的极化转化，圆极化-圆极化之间的极化转化。如在短波通信和调频广播中，线极化之间的极化转化尤为重要，因为在这些系统中的天线通常是垂直极化波，因此我们需要将空间中的电磁波转化为垂直极化波的高性能极化转化表面。在现有的技术中，基于频率选择表面的大多极化转化超表面的频率选择性不高，在通带边缘没有陡峭的滤波响应，造成系统在通带边缘处性能恶化，对系统的抗干扰性和电磁兼容特性有很大的影响，使其在目前通信系统的应用受到很大的限制。

提高频率选择性传统的方法有使用多阶级联的方法，该方法使用容性贴片和感性金属栅代表谐振回路中的电容电感，通过多层结构从而实现多层滤波的效果，与多阶滤波器原理相同；但是该方法为了实现更陡峭的边沿滚降，具有的多层结构意味着更高的剖面高度和复杂的结构，应用存在一些限制；提高频率选择性传统的另一种方法，采用一种很薄的线极化的交叉极化转化器，但该极化转换器频率选择性很低，在低频处和高频处的频率选择性分别为4dB/GHz、11dB/GHz，在通带边缘处频率选择性不高。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，用于解决现有技术中的极化转化超表面的频率选择性不高的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型公开了一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，包括若干个极化转化超表面单元，所述极化转化超表面单元之间按照矩形阵列周期性排列；所述极化转化超表面单元包括上层贴片天线、第一介质板、第一金属接地层、第二介质板、第二金属接地层、第三介质板、下层贴片天线、谐振单元带状线；

在空间建立X-Y-Z三维坐标，设Z轴正极到Z轴负极的方向为从上到下；极化转化超表面单元在X-Y-Z三维坐标中，所述上层贴片天线贴附在第一介质板上，所述第一介质板贴附在第一金属接地层上，所述第一金属接地层贴附在第二介质板上，所述第二介质板贴附在第二金属接地层上，所述第二金属接地层贴附在第三介质板上，所述第三介质板贴附在下层贴片天线上；所述谐振单元带状线位于第二介质板的内部；所述第一介质板、第一金属接地层、第二介质板、第二金属接地层、第三介质板设置有上下贯通的金属通孔，所述谐振单元带状线通过金属通孔分别与上层贴片天线、下层贴片天线连接；

所述上层贴片天线与Y轴平行，所述下层贴片天线与X轴平行。

进一步地，所述矩形阵列的长边包含的极化转化超表面单元的个数为M，所述矩形阵列的短边包含的极化转化超表面单元的个数为N，所述M≥2，N≥2。

进一步地，所述上层贴片天线和下层贴片天线的形状为长方形；所述上层贴片天线长方形的长边与Y轴平行；所述下层贴片天线长方形的长边与X轴平行。

进一步地，所述第一金属接地层、第二金属接地层上还刻蚀有孔洞，所述孔洞的直径大于金属通孔的直径。

进一步地，所述谐振单元带状线包括二阶谐振单元带状线或三阶谐振单元带状线；所述二阶谐振单元带状线或三阶谐振单元带状线均关于X-Y轴的45°平分线对称。

进一步地，所述二阶谐振单元带状线包括L形带状线、第一连接端带状线和第二连接端带状线；所述第一连接端带状线的一端和L形带状线的一端垂直连接，所述第二连接端带状线的一端和L形带状线的另一端垂直连接。

进一步地，所述三阶谐振单元带状线包括第一L形带状线、两个第二L形带状线，两个第三L形连接端带状线；所述两个第二L形带状线分别与第一L形带状线的两端垂直连接；所述两个第三L形连接端带状线的一边分别与两个第二L形带状线没有与第一L形带状线连接的一边平行且存在间隙。

进一步地，所述金属通孔包括第一金属通孔和第二金属通孔；所述第一金属通孔和第二金属通孔在Z轴方向上上下贯通上层贴片天线、第一介质板、第一金属接地层、第二介质板、第二金属接地层、第三介质板、下层贴片天线和谐振单元带状线。

进一步地，当谐振单元带状线为二阶谐振单元带状线时，所述第一连接端带状线的另一端通过第一金属通孔和上层贴片天线连接，所述第二连接端带状线的另一端通过第二金属通孔和下层贴片天线连接。

进一步地，当谐振单元带状线为三阶谐振单元带状线时，所述两个第三L形连接端带状线的另一边的两个端点分别通过第一金属通孔和第二金属通孔与上层贴片天线和下层贴片天线连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型公开了一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，由多个极化转化超表面单元周期性排列组成，通过天线(接收)-带状线(滤波)-天线(发射)的结构，实现了陡峭的滤波响应，所述极化转化超表面单元表面的上层贴片天线沿Y轴放置，接收Y极化电磁波，下层贴片天线沿X轴放置，可发射X极化电磁波，能实现Y轴线极化入射电磁波的正交极化转化；利用中间的谐振单元带状线实现很高的频率选择性，使得极化转化超表面在通带边缘有很陡峭的频率响应，在提高系统的电磁兼容性和抗干扰性方面具有非常高的应用价值。

进一步地，谐振单元带状线包括二阶谐振单元带状线或三阶谐振单元带状线，在进行交叉极化转化时具有很高的频率选择特性。

进一步地，在第一金属接地层、第二金属接地层上还刻蚀有孔洞，可以有效防止金属通孔短路，保证正常运行。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的二阶谐振单元立体透视结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的上层贴片天线的俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施例1的第一金属接地层的结构示意图；

图4为本实用新型实施例1的谐振单元带状线的俯视结构示意图；

图5为本实用新型实施例1的下层贴片天线俯视结构示意图；

图6为本实用新型极化转化超表面单元的立体结构示意图；

图7为10×10(M＝N＝10)阵列的具有多阶滤波响应的极化转化超表面的示意图；

图8为本实用新型实施例2的三阶谐振单元立体透视结构示意图；

图9为本实用新型实施例2的三阶谐振单元带状线的结构示意图；

图10为采用本实用新型实施例1和实施例2的具有多阶滤波响应的极化转化超表面进行仿真的仿真结果。

其中：1-第一介质板；2-第二介质板；3-第三介质板；4-第一金属接地层；5-第二金属接地层；6-上层贴片天线；7-二阶谐振单元带状线；8-下层贴片天线；9-第一金属通孔；10-第二金属通孔；11-三阶谐振单元带状线；12-L形带状线；13-第一连接端带状线；14-第二连接端带状线；15-第一L形带状线；16-第二L形带状线；17-第三L形连接端带状线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型公开了一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，所述具有多阶滤波响应的极化转化超表面包括若干个极化转化超表面单元，所述极化转化超表面单元之间按照矩形阵列周期性排列；共由M×N(M≥2，N≥2)个周期性排布的单元组成，所述极化转化超表面单元包括上层贴片天线6、第一介质板1、第一金属接地层4、第二介质板2、第二金属接地层5、第三介质板3、下层贴片天线8、谐振单元带状线；其中第一金属接地层4和第二金属接地层5充当谐振单元带状线的接地板，所述上层贴片天线6为接收天线，所述下层贴片天线8可以发射X极化电磁波；所述谐振单元带状线起到滤波的作用，对传输系数的高频率选择性起到非常重要的作用。

在空间建立X-Y-Z三维坐标，设所述Z轴正极到Z轴负极的方向为从上到下；极化转化超表面单元在X-Y-Z三维坐标中，所述上层贴片天线6贴附在第一介质板1的上表面，所述第一介质板1的下表面贴附在第一金属接地层4的上表面，所述第一金属接地层4的下表面贴附在第二介质板2的上表面，所述第二介质板2的下表面贴附在第二金属接地层5的上表面，所述第二金属接地层5的下表面贴附在第三介质板3的上表面，所述第三介质板3的下表面贴附下层贴片天线8；所述谐振单元带状线位于第二介质板2的内部；所述第一介质板1、第一金属接地层4、第二介质板2、第二金属接地层5、第三介质板3设置有上下贯通的金属通孔，所述谐振单元带状线通过金属通孔分别与上层贴片天线6、下层贴片天线8连接，其中上层贴片天线6与Y轴平行，接收Y极化电磁波；所述下层贴片天线8与X轴平行，发射X极化电磁波；且上层贴片天线6和下层贴片天线8的形状均为长方形；其中，金属通孔包括第一金属通孔9和第二金属通孔10，所述第一金属通孔9和第二金属通孔10在Z轴方向上上下贯通上层贴片天线6、第一介质板1、第一金属接地层4、第二介质板2、第二金属接地层5、第三介质板3、下层贴片天线8、谐振单元带状线。

其中，谐振单元带状线包括二阶谐振单元带状线7或三阶谐振单元带状线11；所述二阶谐振单元带状线7或三阶谐振单元带状线11均关于X-Y轴的45°平分线对称；当采用二阶谐振单元带状线7时，二阶谐振单元带状线7的包括L形带状线12和第一连接端带状线13和第二连接端带状线14；所述第一连接端带状线13的一端和L形带状线12的一端垂直连接，所述第二连接端带状线14的一端和L形带状线12的另一端垂直连接，所述第一连接端带状线13的另一端通过第一金属通孔9和上层贴片天线6连接，所述第二连接端带状线14的另一端通过第一金属通孔10和下层贴片天线8连接；当采用三阶谐振单元带状线11时，三阶谐振单元带状线11包括第一L形带状线15、两个第二L形带状线16，两个第三L形连接端带状线17；所述两个第二L形带状线16分别与第一L形带状线15的两端垂直连接；所述两个第三L形连接端带状线17的一边分别与两个第二L形带状线16没有与第一L形带状线15连接的一边平行设置，所述两个第三L形连接端带状线17的另一边的两个端点分别通过第一金属通孔9和第二金属通孔10与上层贴片天线6和下层贴片天线8连接。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

实施例1

本实施例公开了一种具有二阶滤波响应的极化转化超表面单元，如图1所示，极化转化超表面单元从上到下依次为上层贴片天线6、第一介质板1、第一金属接地层4、第二介质板2、第二金属接地层5、第三介质板3、下层贴片天线8，其中第二介质板2的内部设有二阶谐振单元带状线7；所述第一介质板1和第三介质板3为介质F4B350，其介电常数为3.5、损耗为0.003，第一介质板1的厚度为H1，介质板3厚度为H3，均为1mm；所述第二介质板2为介质F4B220，其介电常数为2.2、损耗为0.003，介质板2厚度为H2，H2＝1mm；

如图2所示，本实施例中的上层贴片天线6的形状为长方形，沿Y轴放置，接收Y极化电磁波；其中长方形的长边L1＝16.7mm，长方形的短边W1＝2.8mm，第一介质板1的边长p＝20.75mm；

如图3所示，为防止金属通孔短路，所述第一金属接地层4和第二金属接地层5上均刻蚀有一个相同直径的孔洞，所述孔洞的直径d2＝0.9mm。

如图4所示，所述二阶谐振单元带状线7中第一连接端带状线13的一端和L形带状线12的一端垂直连接，所述第二连接端带状线14的一端和L形带状线12的另一端垂直连接；所述L形带状线12的边长L3＝3mm，宽度W2＝0.3mm；第一连接端带状线13和第二连接端带状线14的长度L2＝1.25mm；

如图5所示，本实施例中的下层贴片天线8为长方形，沿X轴放置，形状大小与上层金属贴片天线6完全相同，可发射X极化电磁波；

如图6所示，第一连接端带状线13的另一端通过第一金属通孔9和上层贴片天线6连接，所述第二连接端带状线14的另一端通过第二金属通孔10和下层贴片天线8连接；所述第一金属通孔9和第二金属通孔10的直径d1＝0.3mm；

如图7所示，本实施例所述的一种具有二阶滤波响应的极化转化超表面，所述极化转化超表面单元之间按照矩形阵列周期性排列，所述矩形阵列的长边包含的极化转化超表面单元的个数为M，所述矩形阵列的短边包含的极化转化超表面单元的个数为N，其中M＝N＝10。

实施例2

本实施例公开了一种具有三阶滤波响应的极化转化超表面单元，如图8～图9所示，与实施例1不同的是，本实施例中谐振单元带状线采用三阶谐振单元带状线11，在二阶的基础上，又增加一个半波长谐振器，增加了一个谐振点，进一步提高了频率选择性；所述三阶谐振单元带状线11包括第一L形带状线15、两个第二L形带状线16，两个第三L形连接端带状线17；所述两个第二L形带状线16分别与第一L形带状线15的两端垂直连接；所述两个第三L形连接端带状线17的一边分别与两个第二L形带状线16没有与第一L形带状线15连接的一边平行设置，且之间存在间隙，所述两个第三L形连接端带状线17的另一边的两个端点分别通过第一金属通孔9和第二金属通孔10与上层贴片天线6和下层贴片天线8连接；其中，第一L形带状线15的边长L4＝4.41mm；第二L形带状线16的边长L3＝2.8mm，宽度W3＝0.26mm；第三L形连接端带状线17的边长L2＝2.1mm，宽度W2＝0.21mm。

本实用新型公开的具有多阶滤波响应的极化转化超表面，实现Y极化到X极化的极化转化是通过上下两层上层贴片天线6和下层贴片天线8的相对位置实现的，上下两层贴片交叉放置，上层贴片天线6接收Y极化入射的电磁波，带状线又对电磁波进行滤波作用，下层贴片天线8将发射X极化的电磁波，从而实现高频率选择性的极化转化。对于其他极化方向的入射波，极化转化表面并不进行极化转化，而是全反射。

下面通过仿真实验，对实施例1和实施例2公开的多阶滤波响应的极化转化超表面技术效果作进一步说明：

利用商业仿真软件HFSS_18.0，对提出的两个实施例进行仿真，在结构的横向X、Y方向利用周期边界条件模拟无限大周期阵列，在电磁波的入射方向添加Floquet端口，在对单元激励时，将电磁波沿-Z轴方向入射，且沿Y轴极化；通过分析结构的交叉极化透射系数T_xy及共极化反射系数R_yy，可以分析结构的极化转化功能；其中T_xy和R_yy分别表示在Y极化电磁波入射时，透射波为X极化电磁波的透射系数和反射波为Y极化电磁波的反射系数；

为了进一步说明该结构的高频率选择性，我们定义通带边缘的频率选择性FS，其定义如下：

其中T_max为透射系数T_xy带外20dB的衰减值，T_min为透射系数T_xy带外3dB的衰减值，f_max和f_min为其对应的频率。

如图10所示，为实施例1、2在4.5-5.5GHz频段下的频率响应，本实用新型提出的二阶谐振单元在通带4.95-5.07GHz内，T_xy大于-3dB，说明提出的该结构在该频段内，能将Y极化的入射电磁波以透射形式转化为交叉极化电磁波，且通过计算，该结构在通带边缘低频处和高频处的频率选择性分别为113dB/GHz、100dB/GHz；三阶谐振单元的极化转化的通带范围为4.95-5.05GHz，在通带边缘低频处和高频处的频率选择性分别为188dB/GHz、170dB/GHz。

以上仿真结果说明，提出的两个实施例在通带内可以实现Y极化的交叉极化转化，且通过带状线的设计可明显提高极化转化的频率选择性。提出的三阶谐振单元在二阶谐振单元的基础上进一步提高了频率选择性，充分说明了提出方案的有效性和可行性。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，如本实用新型实现极化转化频段的中心频率为5GHz，改变结构的尺寸可适用于其他微波波段；如本实用新型提出的二阶、三阶的谐振滤波结构用以提高极化转化超表面的频率选择性，其他阶数的谐振结构也落入发明的保护范围内；如上下层贴片天线作用是接收、发射相应极化的电磁波，其他形式的天线形式也落入的保护范围内。以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，包括若干个极化转化超表面单元，所述极化转化超表面单元之间按照矩形阵列周期性排列；所述极化转化超表面单元包括上层贴片天线(6)、第一介质板(1)、第一金属接地层(4)、第二介质板(2)、第二金属接地层(5)、第三介质板(3)、下层贴片天线(8)、谐振单元带状线；

在空间建立X-Y-Z三维坐标，设Z轴正极到Z轴负极的方向为从上到下；极化转化超表面单元在X-Y-Z三维坐标中，所述上层贴片天线(6)贴附在第一介质板(1)上，所述第一介质板(1)贴附在第一金属接地层(4)上，所述第一金属接地层(4)贴附在第二介质板(2)上，所述第二介质板(2)贴附在第二金属接地层(5)上，所述第二金属接地层(5)贴附在第三介质板(3)上，所述第三介质板(3)贴附在下层贴片天线(8)上；所述谐振单元带状线位于第二介质板(2)的内部；所述第一介质板(1)、第一金属接地层(4)、第二介质板(2)、第二金属接地层(5)、第三介质板(3)设置有上下贯通的金属通孔，所述谐振单元带状线通过金属通孔分别与上层贴片天线(6)、下层贴片天线(8)连接；

所述上层贴片天线(6)与Y轴平行，所述下层贴片天线(8)与X轴平行。

2.根据权利要求1所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，所述矩形阵列的长边包含的极化转化超表面单元的个数为M，所述矩形阵列的短边包含的极化转化超表面单元的个数为N，所述M≥2，N≥2。

3.根据权利要求1所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，所述上层贴片天线(6)和下层贴片天线(8)的形状为长方形；所述上层贴片天线(6)长方形的长边与Y轴平行；所述下层贴片天线(8)长方形的长边与X轴平行。

4.根据权利要求1所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，所述第一金属接地层(4)、第二金属接地层(5)上还刻蚀有孔洞，所述孔洞的直径大于金属通孔的直径。

5.根据权利要求1所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，所述谐振单元带状线包括二阶谐振单元带状线(7)或三阶谐振单元带状线(11)；所述二阶谐振单元带状线(7)或三阶谐振单元带状线(11)均关于X-Y轴的45°平分线对称。

6.根据权利要求5所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，所述二阶谐振单元带状线(7)包括L形带状线(12)、第一连接端带状线(13)和第二连接端带状线(14)；所述第一连接端带状线(13)的一端和L形带状线(12)的一端垂直连接，所述第二连接端带状线(14)的一端和L形带状线(12)的另一端垂直连接。

7.根据权利要求6所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，所述三阶谐振单元带状线(11)包括第一L形带状线(15)、两个第二L形带状线(16)，两个第三L形连接端带状线(17)；所述两个第二L形带状线(16)分别与第一L形带状线(15)的两端垂直连接；所述两个第三L形连接端带状线(17)的一边分别与两个第二L形带状线(16)没有与第一L形带状线(15)连接的一边平行且存在间隙。

8.根据权利要求7所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，所述金属通孔包括第一金属通孔(9)和第二金属通孔(10)；所述第一金属通孔(9)和第二金属通孔(10)在Z轴方向上上下贯通上层贴片天线(6)、第一介质板(1)、第一金属接地层(4)、第二介质板(2)、第二金属接地层(5)、第三介质板(3)、下层贴片天线(8)和谐振单元带状线。

9.根据权利要求8所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，当谐振单元带状线为二阶谐振单元带状线(7)时，所述第一连接端带状线(13)的另一端通过第一金属通孔(9)和上层贴片天线(6)连接，所述第二连接端带状线(14)的另一端通过第二金属通孔(10)和下层贴片天线(8)连接。

10.根据权利要求8所述的一种具有多阶滤波响应的极化转化超表面，其特征在于，当谐振单元带状线为三阶谐振单元带状线(11)时，所述两个第三L形连接端带状线(17)的另一边的两个端点分别通过第一金属通孔(9)和第二金属通孔(10)与上层贴片天线(6)和下层贴片天线(8)连接。

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