CN218958021U - 一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元、接收部和天线 - Google Patents

Abstract

本公开属于电磁场与微波技术领域，公开一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元、接收部和天线，包括第一介质基板、第二介质基板、顶部发射层、中间缝隙耦合层和底部接收层，所述顶部发射层为S形偶极子，所述中间缝隙耦合层为金属地刻蚀矩形缝隙，所述底部接收层为极化栅，所述顶部发射层位于第一介质基板上表面，所述中间缝隙耦合层附在第一层介质基板下表面，所述底部接收层附在第二介质基板下表面，所述第一介质基板和第二介质基板通过半固化PP片压合。该单元采用线极化波进行馈电，缝隙槽耦合传输能量，顶部S形偶极子可以实现线极化到圆极化的极化转换，同时可以在较宽的带宽内实现圆极化波的辐射。

Description

一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元、接收部和天线

技术领域

本公开属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元、接收部和天线。

背景技术

随着5G时代的到来，毫米波技术在移动通信、卫星、雷达、遥感等领域的应用越来越多，毫米波天线也引起了越来越多的关注。由于毫米波频段电磁波在已有空间传播损耗的增加，设计具有高效率、高增益的毫米波阵列越来越重要。另一方面，圆极化天线在毫米波频段的应用也十分广泛，尤其是在卫星通信通信等方面。因此高增益的毫米波圆极化天线阵近年来已成为毫米波技术领域的一个研究热点。由于微波器件一般产生的为线极化波，因此设计圆极化器以实现线极化到圆极化的转换尤为重要。

目前很多方法都可以实现线极化波到圆极化波的转换，比如多层弯折线结构、矩形贴片切角结构等。但是这些结构实现线极化波到圆极化波转换的效果差，带宽窄。

发明内容

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元、接收部和天线，采用线极化波进行馈电，缝隙槽耦合传输能量，顶部S形偶极子可以实现线极化到圆极化的极化转换，同时可以在较宽的带宽内实现圆极化波的辐射。该单元具有较宽的阻抗带宽、轴比带宽和全反射的特点，圆极化性能好。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：

一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，包括第一介质基板、第二介质基板、顶部发射层、中间缝隙耦合层和底部接收层，所述顶部发射层为S形偶极子，所述中间缝隙耦合层为金属地刻蚀矩形缝隙，所述底部接收层为极化栅，所述顶部发射层位于第一介质基板上表面，所述中间缝隙耦合层附在第一层介质基板下表面，所述底部接收层附在第二介质基板下表面，所述第一介质基板和第二介质基板通过半固化PP片压合。

优选的，所述S形偶极子由一个短半轴长为1.05mm，长短半轴长度比是2.1的大椭圆形减去一个短半轴长为0.7mm,长短半轴长度比为2的椭圆形构成。

优选的，所述中间缝隙耦合层是一个长为3.3mm，宽为1.2mm的矩形缝隙。

优选的，所述极化栅的金属条带的宽度为0.9mm，条带之间的缝隙为0.1mm。

优选的，所述第一介质基板采用高度为1mm的基板一。

优选的，所述第二介质基板采用高度为0.75mm的基板二。

优选的，所述第一介质基板和第二介质基板通过高度为0.1mm的半固化PP片压合。

优选的，所述频率选择表面单元工作在Ka波段，所述波段为26.5GHz-40GHz。

一种电磁波接收部，所述电磁波接收部上覆盖有频率选择表面，所述频率选择表面由上述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元周期性阵列排列构成。

一种天线，所述天线包括支架，支架上安装有上述的电磁波接收部。

本公开的有益效果：

本实用新型设计了一种工作于Ka波段的缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，单元采用顶部发射层、中间缝隙耦合层、底部接收层和两层介质板的结构，底部发射层采用极化栅结构，可以在宽带的频率范围内同时实现高效传输和极化选择，顶部S形偶极子可以实现线极化到圆极化的极化转换，同时可以在较宽的带宽内实现圆极化波的辐射，实现了单极透射的同时兼具极化转换的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开频率选择表面单元整体结构图；

图2最左侧图为顶部发射层示意图，中部为中间缝隙耦合层示意图，最右侧为底部接收层示意图；

图3是频率选择表面单元反射和透射曲线图；

图4是x方向线极化不同角度入射时，频率选择表面单元的反射曲线图；

图5是电磁波在x方向和y方向的相位图；

图6是频率选择表面单元轴比曲线图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，包括第一介质基板、第二介质基板、顶部发射层、中间缝隙耦合层和底部接收层，顶部发射层为S形偶极子，中间缝隙耦合层为金属地刻蚀矩形缝隙，底部接收层为极化栅，顶部发射层位于第一介质基板上表面，中间缝隙耦合层附在第一层介质基板下表面，底部接收层附在第二介质基板下表面，第一介质基板和第二介质基板通过半固化PP片压合。

S形偶极子由一个短半轴长R1为1.05mm，长短半轴长度比是2.1的大椭圆形减去一个短半轴长R2为0.7mm,长短半轴长度比为2的小椭圆形构成，通过调整S偶极子的尺寸大小可以改善频率选择表面单元圆极化的轴比带宽。

中间缝隙耦合层是一个长SlotL为3.3mm，宽SlotW为1.2mm的矩形缝隙。矩形缝隙的尺寸控制能量耦合系数，可以通过调整槽的长和宽来调整频率选择表面单元的性能。SlotW<SlotL,2SlotW≈λ/2(其中λ为中心频率30GHz所对应的波长)。

极化栅的金属条带的宽度StripW为0.9mm，条带之间的缝隙Gap为0.1mm。底部接收层可以反射与馈源相同极化的线极化波，透射与馈源正交的线极化波。在保证金属栅条的宽度和栅条之间的缝隙可以完全铺满整个介质基板，并且沿介质基板中心线轴对称的情况下，通过调整金属栅条的宽度和金属栅条之间的缝隙，可以调整频率选择表面单元的反射率和透射率。

第一介质基板采用高度h1为1mm的Rogers5880基板一。

第二介质基板采用高度h3为0.75mm的Rogers5880基板二。

第一介质基板和第二介质基板通过高度h2为0.1mm的半固化PP片压合。

频率选择表面单元工作在Ka波段(26.5GHz-40GHz)，工作的中心频率为30GHz。

一种电磁波接收部，电磁波接收部上覆盖有频率选择表面，频率选择表面由上述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元周期性阵列排列构成。

一种天线，天线包括支架，支架上安装有上述的电磁波接收部。

频率选择表面单元是由完全相同的谐振单元排列在介质基板上组成的周期性阵列结构，理论分析时频率选择表面单元通常被看作是无限大平面周期结构。在频率选择方面，频率选择表面单元可以透过一定频段电磁波的同时反射另一个频段的电磁波。在极化选择方面，对极化敏感，频率选择表面单元可以反射TE极化波透射TM极化波，或者反射TM极化波透射TE极化波，从而实现单极化透射。因此频率选择表面单元本质上是“空间滤波器”和“空间反射器”的结合。

频率选择表面单元主要由发射层、耦合层、接收层三个部分组成，可以将接收到的线极化波转换为圆极化波辐射出去。工作在Ka波段，中心频率为30GHz。频率选择表面单元采用缝隙耦合的结构，矩形缝隙的尺寸控制能量耦合系数，可以通过调整槽的长和宽来调整频率选择表面单元的性能。选用Rogers5880(介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009)作为介质基板材料，采用半固化PP片作为粘合层将两层介质基板压合。

本实用新型通过将接收层、缝隙耦合层、发射层三者中心对称进行堆叠压合组成完整的结构单元。当电磁波正入射频率选择表面单元的接收层时，入射电磁波可以分解为两个幅度相等的正交分量：

其中，E₀是入射电磁波的幅度，和分别是x轴和y轴的单位向量，k为自由空间的波数，和表示平行和垂直于极化栅的电场。当电磁波透过极化栅，并通过缝隙槽耦合至顶层发射层时，透射电磁波可以写为：

其中和T_⊥为x极化和y极化透射系数。从公式(2)可以得出，两个分量的相位差为根据圆极化波的定义，当Δψ＝±90°并且时，线极化波就可以被转换为圆极化波。

图1给出了本实用新型单元整体结构图。最上层介质基板的高度为h1，粘合层高度为h2,最底层介质基板的高度为h3。

图2所示，顶部发射层S形偶极子，附着在第一介质基板的上表面，偶极子由一个短半轴长为R1，长半轴长度与短半轴长度比为2.1的椭圆减去一个短半轴长为R2，长半轴长度与短半轴长度比为2。S形偶极子用于将接收到的线极化波转换为圆极化波辐射出去。中间缝隙耦合层是一个长为SlotL，宽为SlotW的矩形缝隙，附着在第一介质基板的下表面，用于将底部接收到的电磁波通过缝隙辐射至顶部发射层。矩形缝隙的尺寸控制能量耦合系数，可以通过调整槽的长和宽来调整频率选择表面单元的性能。底部接收层极化栅附着在第二介质基板的下表面，极化栅的金属条带的宽度为StripW，条带之间的缝隙为Gap。用于全反射x线极化波，透射y线极化波。通过调整金属栅条的宽度和金属栅条之间的缝隙，可以调整频率选择表面单元的反射率和透射率。

以正方形介质基板的中心作为坐标轴的原点，频率选择表面单元的长和宽分别沿x轴和y轴进行对称延伸，频率选择表面单元的高度沿z轴进行延伸，整个频率选择表面单元结构沿yox面放置。

频率选择表面单元工作原理为，底部接收层接收到一种极化方向的线极化波时，由于极化栅具有单极化透射的作用，会全反射x方向上的线极化波，透射y方向上的线极化波。透射的y方向上的线极化波通过中间层的缝隙，将能量耦合至顶部的发射层。顶部发射层将入射的线极化波转换为圆极化波发射出去。

图3给出了y方向线极化波入射时，频率选择表面单元的传输特性曲线，其中Rxx为反射系数，Txx为共极化透射系数，Txy为交叉极化透射系数。从图中可以看出，24.39GHz-36.92GHz频带范围内，频率选择表面单元的反射系数小于-10dB，透射系数维持在-3dB左右，也就是y线极化波在这个频段内都可以被透射出去。线极化转圆极化要求透射系数包含x和y两个方向上的分量相同且维持在-3dB左右。

图4所示为x方向线极化波以不同角度入射时，频率选择表面单元传输响应的仿真结果。从图中可以看出，当入射角θ在0°至40°的范围内变化时，反射系数在27GHz-34GHz的频带范围内都为0dB左右，透射系数均小于-56dB左右，表明频率选择表面单元对x线极化波具有良好的抑制作用，x线极化波被全反射。

图5所示为电磁波在x方向和y方向的相位。从图中可以看出，在27.72GHz-34.26GHz这个频带范围内，电磁波通过S形偶极子在x方向和y方向上的相位差基本保持为90°，误差不超过10°，说明频率选择表面单元有着较好的极化转换的性能，可以将接收到的线极化波转换为圆极化波

图6所示为圆极化频率选择表面单元的轴比曲线，从图中可以看出频率选择表面单元在27.72GHz-34.26GHz频带内，轴比系数小于3dB，轴比带宽为21.73％，表明在27.72GHz-34.26GHz这个频段内频率选择表面单元有着较好的极化转换特性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内容。

Claims (10)

1.一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，包括第一介质基板、第二介质基板、顶部发射层、中间缝隙耦合层和底部接收层，其特征在于，所述顶部发射层为S形偶极子，所述中间缝隙耦合层为金属地刻蚀矩形缝隙，所述底部接收层为极化栅，所述顶部发射层位于第一介质基板上表面，所述中间缝隙耦合层附在第一层介质基板下表面，所述底部接收层附在第二介质基板下表面，所述第一介质基板和第二介质基板通过半固化PP片压合。

2.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，其特征在于，所述S形偶极子由一个短半轴长为1.05mm，长短半轴长度比是2.1的大椭圆形减去一个短半轴长为0.7mm,长短半轴长度比为2的椭圆形构成。

3.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，其特征在于，所述中间缝隙耦合层是一个长为3.3mm，宽为1.2mm的矩形缝隙。

4.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，其特征在于，所述极化栅的金属条带的宽度为0.9mm，条带之间的缝隙为0.1mm。

5.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，其特征在于，所述第一介质基板采用高度为1mm的基板一。

6.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，其特征在于，所述第二介质基板采用高度为0.75mm的基板二。

7.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，其特征在于，所述第一介质基板和第二介质基板通过高度为0.1mm的半固化PP片压合。

8.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元，其特征在于，所述频率选择表面单元工作在Ka波段，所述波段为26.5GHz-40GHz。

9.一种电磁波接收部，所述电磁波接收部上覆盖有频率选择表面，其特征在于，所述频率选择表面由权利要求1-8任一所述的一种缝隙耦合的圆极化频率选择表面单元周期性阵列排列构成。

10.一种天线，所述天线包括支架，其特征在于，所述支架上安装有如权利要求9所述的电磁波接收部。

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