本發(fā)明屬于微波毫米波圓極化器領域,具體涉及一種基于手征超表面的多頻帶圓極化器。
背景技術:
極化是電磁波最重要的特性之一。根據(jù)不同的極化狀態(tài),電磁波可以分為線極化波、橢圓極化波以及圓極化波。與線極化波和橢圓極化波相比,圓極化波具有穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等優(yōu)點,因此它被廣泛應用于衛(wèi)星通信、雷達、電子對抗等方面。在工程應用中,要得到圓極化波,除了利用圓極化天線自身直接產(chǎn)生外,還可以利用圓極化器將入射的線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波。傳統(tǒng)的圓極化器例如波導圓極化器、柵條圓極化器等都具有結構復雜、難以制造等缺點。
近年來新興的手征超表面因其特有的巨圓二色性以及巨旋光性等特點,被認為是一種能實現(xiàn)線極化入射波到圓極化透射波轉(zhuǎn)換的新途徑。與傳統(tǒng)圓極化器相比,基于手征超表面的圓極化器具有結構簡單、設計靈活、尺寸小、重量輕等特點,且其可利用現(xiàn)已非常成熟的標準印制電路板工藝及光刻工藝輕易加工,因此研究人員設計并制造了各種不同手征超表面結構的圓極化器。然而早期設計的圓極化器都具有工作頻點少,轉(zhuǎn)換效率低的缺點,這在一定程度上限制了這些手征超表面圓極化器在實際工程中的應用。為了解決這一問題,研究人員提出了兩種方案,一種是在一個極化單元內(nèi)放置多個具有不同尺寸的諧振單元,另一種則是在垂直方向上堆疊手征超表面的層數(shù)。雖然這兩種方法都能有效增加圓極化器的工作頻點,但也不可避免地增大了極化單元的尺寸與厚度,使得所設計的圓極化器不易于加工或與其他電路結構集成。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明提出一種基于手征超表面的多頻帶圓極化器,目的是利用簡單的新型單圖案諧振結構實現(xiàn)多個工作頻點,有效縮減手征超表面的尺寸及厚度,解決現(xiàn)有圓極化器工作頻點少、結構復雜、不易于加工與集成的技術問題。另外,本發(fā)明中的每個工作頻點均可通過改變諧振結構的尺寸參數(shù)加以調(diào)諧,在實際工程中更具實用性。
本發(fā)明的技術方案如下:
一種基于手征超表面的多頻帶圓極化器,包括在同一平面內(nèi)周期性矩陣排列的多個極化單元。
每個極化單元包括一層介質(zhì)基板、位于介質(zhì)基板正面的正面諧振結構及位于介質(zhì)基板背面的背面諧振結構。所述介質(zhì)基板、正面諧振結構及背面諧振結構的中心位于同一條垂直線上。
正面諧振結構由對向放置的一個大u型金屬環(huán)和一個小u型金屬環(huán)以及將大u型金屬環(huán)和小u型金屬環(huán)相連接的金屬條帶組成。大u型金屬環(huán)和小u型金屬環(huán)具有同一條中軸線,所述金屬條帶即位于這條中軸線上。
背面諧振結構由正面諧振結構繞圖形中心順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)90°得到,其幾何尺寸與正面諧振結構完全相同。
由于正面諧振結構與背面諧振結構互為90°旋轉(zhuǎn),二者所構成的極化單元不再具有對稱特性,而是具有手征特性。
進一步,正面諧振結構和背面諧振結構中的大u型金屬環(huán)和小u型金屬環(huán)的開口方向相反,且具有不同的結構參數(shù),通過調(diào)節(jié)二者的寬度可以有效改變每個工作頻點的位置。
進一步,所述正面諧振結構與背面諧振結構均為銅箔。
進一步,所述介質(zhì)基板包括聚四氟乙烯高頻板、fr-4玻璃布基板、羅杰斯系列、taconic系列介質(zhì)基板材料。優(yōu)選fr-4玻璃布基板,其介電常數(shù)為4.3,磁導率為1,損耗正切角為0.025。
進一步,極化單元在進行周期延拓時,橫向和縱向上所重復的單元個數(shù)相同,即所形成的周期陣列結構為正方形陣列。為實現(xiàn)周期陣列響應,所重復的極化單元個數(shù)不少于400個(20×20)。
本發(fā)明的有益效果具體如下:
1.本發(fā)明可以在四個工作頻點以極高轉(zhuǎn)換效率將線極化入射波轉(zhuǎn)換為兩種具有不同旋向的圓極化透射波,相較于傳統(tǒng)的單頻點圓極化器,本發(fā)明工作模式更加高效化及多樣化。
2.本發(fā)明僅由一個單一的簡單諧振結構即可實現(xiàn)四個工作頻點,大大縮減了極化單元的尺寸面積,其極化單元的邊長僅為工作頻率所對應波長的1/5,相較于傳統(tǒng)的利用多個不同尺寸諧振結構實現(xiàn)多頻點的圓極化器,本發(fā)明具有更簡單緊湊的結構,更易于與其他平面電路結構集成的優(yōu)點。
3.所設計的手征超表面為雙層結構,其厚度僅為工作頻率所對應波長的1/23,相較于傳統(tǒng)的多層結構圓極化器,本發(fā)明具有更輕薄的體積,且易于加工制造,利用現(xiàn)已非常成熟的標準印制電路板工藝和光刻工藝即可實現(xiàn)。
4.本發(fā)明中四個工作頻點的位置均可通過改變圓極化器的結構參數(shù)加以調(diào)諧,在工程應用中可根據(jù)實際要求靈活改變。
附圖說明
圖1為本發(fā)明提出的基于手征超表面的多頻圓極化器的三維結構示意圖;
圖2(a)為本發(fā)明提出的基于手征超表面的多頻圓極化器單元結構的側視圖;
圖2(b)為本發(fā)明提出的基于手征超表面的多頻圓極化器的正面諧振結構示意圖;
圖2(c)為本發(fā)明提出的基于手征超表面的多頻圓極化器的背面諧振結構示意圖;
圖3為本發(fā)明提出的基于手征超表面的多頻圓極化器的圓極化傳輸系數(shù)曲線圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發(fā)明做進一步說明:
如圖1所示,本發(fā)明提出的基于手征超表面的多頻圓極化器由同一平面內(nèi)的多個極化單元(1)周期性矩陣排列組成,注意極化單元(1)在橫向和縱向上周期延拓的重復個數(shù)相同,且重復的單元數(shù)不少于400個,在本實施例中,所述圓極化器的單元數(shù)為1225個(35個×35個)。
參見圖2(a),極化單元(1)包括介質(zhì)基板(1-1)、位于介質(zhì)基板正面的正面諧振結構(1-2)以及位于介質(zhì)基板背面的背面諧振結構(1-3)。
所述介質(zhì)基板、正面諧振結構及背面諧振結構的中心位于同一條垂直線上。從垂直于介質(zhì)基板所在平面的方向上看,所述極化單元(1)的橫向長度與縱向長度相同,其邊長p定義為周期長度。
所述介質(zhì)基板(1-1)為fr-4玻璃布基板,其介電常數(shù)為4.3,磁導率為1.0,損耗正切角為0.025。所述正面諧振結構(1-2)與背面諧振結構(1-3)均為銅箔。
作為優(yōu)選,所述極化單元(1)的周期長度為7mm。所述介質(zhì)基板(1-1)的厚度t為1.6mm,正面諧振結構(1-2)及背面諧振結構(1-3)的厚度為0.035mm。
如圖2(b)所示,正面諧振結構由對向布置的一個大u型金屬環(huán)(1-2-1)和一個小u型金屬環(huán)(1-2-2)以及將大u型金屬環(huán)和小u型金屬環(huán)相連接的一個金屬條帶(1-2-3)組成。大u型金屬環(huán)和小u型金屬環(huán)具有同一條中軸線,所述金屬條帶(1-2-3)即位于這條中軸線上。所述大u型金屬環(huán)(1-2-1)與小u型金屬環(huán)(1-2-2)的開口方向相反,并包圍住小u型金屬環(huán)(1-2-2),且二者具有不同的尺寸參數(shù)。在本發(fā)明中,通過改變所述大u型金屬環(huán)(1-2-1)與小u型金屬環(huán)(1-2-2)的尺寸參數(shù)可以有效改變所述圓極化器的工作頻點。
作為優(yōu)選地,所述大u型金屬環(huán)(1-2-1)的邊長s為4.99mm,寬度w1為0.7mm。所述小u型金屬環(huán)(1-2-2)的邊長s1為2mm,寬度w2為0.5mm。所述金屬條帶(1-2-3)的長度l為3.98mm寬度w3為0.57mm。
參見圖2(b)及圖2(c),為使超表面結構具有手征特性,背面諧振結構(1-3)由正面諧振結構(1-2)繞圖形中心逆時針旋轉(zhuǎn)90°得到,且二者的尺寸參數(shù)完全相同。當電磁波垂直照射到所述手征超表面的正面時,電磁波中的電場能量通過強烈的電耦合及磁耦合效應耦合到正面諧振結構中,再由正面諧振結構通過近場耦合效應耦合到背面諧振結構中,并與此同時完成從入射的線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換,最終從背面諧振結構中輻射出圓極化透射波。
圖3所示為本發(fā)明的基于手征超表面的多頻圓極化器的傳輸系數(shù)仿真結果圖,該仿真結果由有限積分法計算得到。如圖3所示,其橫坐標為頻率,單位為ghz;縱坐標為線極化入射波到圓極化透射波的傳輸系數(shù),單位為db。圖中實線和虛線分別對應右旋圓極化波與左旋圓極化波。從圖中可以看出,左旋圓極化波的傳輸系數(shù)曲線在6.56ghz與7.38ghz處衰減到谷值,而這兩個頻點對應的右旋圓極化波的傳輸系數(shù)衰減卻很小,這說明入射的線極化波在6.56ghz和7.38ghz被轉(zhuǎn)換成了純凈的右旋圓極化波。同樣地,右旋圓極化波的傳輸系數(shù)在7.11ghz及7.96ghz處衰減到最小值,此時對應的左旋圓極化波的傳輸系數(shù)幾乎沒有衰減,這說明入射的線極化波在7.11ghz和7.96ghz處被轉(zhuǎn)換為了純凈的左旋圓極化波。仿真數(shù)據(jù)表明,所設計的基于手征超表面的多頻圓極化器具有四個工作頻點,可以將入射的線極化波以極高轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換為兩種具有不同旋向的純凈圓極化波。
本發(fā)明并不局限于上述實施方式,如果對發(fā)明的各種改動或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍,倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明的權利要求和等同技術范圍之內(nèi),則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變形。