一种高效平面电磁波极化转换器的制作方法

本发明属于电磁学领域，涉及电磁波极化转换以及极化转换效率，具体涉及一种高效平面电磁波极化转换器。

背景技术：

极化状态在通信、导航和雷达探测等方面具有重要的应用，所以实现对电磁波极化状态的控制是十分重要的。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。多数高功率微波源,如磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器等,均输出相关极化模式。有些模式不利于高功率微波的定向发射与空间传输；因此，在应用中通常需要用电磁波极化转换器将极化进行转换,再通过天线辐射出去。

技术实现要素：

发明目的：提供一种结构新颖、高效的8.38ghz的电磁波极化转换器，使得极化转换效率理论值达到98.7％。改善目前极化转换装置的电磁能量采集整体效率普遍不高的现状，使得极化转换效率大幅地提高。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明通过设计一种旋转对称结构，即接收层和发射层为旋转对称结构，可将入射的水平极化波转换为垂直极化波，或者将入射的垂直极化波转换为水平极化波，实现水平极化波和垂直极化波的相互转换，并且转换效率远高于传统的极化转换装置。

一种高效平面电磁波极化转换器，包括介质基板、位于介质基板一面的接收层和位于介质基板另一面的发射层，接收层包括平行设置的第一接收板和第二接收板，发射层包括平行设置的第一发射板和第二发射板，介质基板上开设有第一金属过孔和第二金属过孔，第一接收板和第一发射板垂直设置，且通过介质基板上的第一金属过孔相连接，第二接收板和第二发射板垂直设置，且通过介质基板上的第二金属过孔相连接，接收层、介质基板以及发射层等效为一个lc谐振单元。

可选的，通过调整第一接收板和第二接收板之间以及第一发射板和第二发射板之间的开口间隔g的尺寸大小来调节谐振频率。随着g尺寸增加，谐振频率随之减小；随着g尺寸减小，谐振频率随之变大。其中，0mm<g<15.5mm，特别的，g的取值范围对于单元尺寸而言无限制，所对应的调节谐振频率范围无限制(不同的单元尺寸对应不同的谐振频率)。

可选的，该电磁波极化转换器可以进行周期性扩展；能很好地谐振产生较强的表面电流，从而极化转换效率较高，接收层和发射层等效为lc振荡回路，实现回路导通。。

可选的，介质基板采用f4b介质基板，此材质的基板特点是造价低，能够够好地将入射极化波转化为对应的极化波；接收层和发射层由两层人工结构构成，人工结构为铜材质，且在人工结构中间处开口形成间隔g；接收层和发射层由金属过孔连接，等同于lc谐振电路，能够高效的吸收入射频率为8.38ghz的极化电磁波。

可选的，该电磁波极化转换器等效为一个四端口网络，四个端口对应的阻抗分别为zmax(1)、zmax(2)、zmix(1)和zmix(2)。

可选的，该电磁波极化转换器工作在8.38ghz，接收效率理论能够达到98.7％。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：

1、本发明制作简单，加工方便。设计的电磁波极化转换器，能够通过改变结构尺寸大小使得接收谐振频率可调。因此，本发明所设计的电磁波极化转换器具有很好的可调性。

2、所述的极化转换装置的接收层和发射层通过金属过孔相连，实现回路导通，通过调节接收和发射结构的开口g的尺寸大小(0mm<g<15.5mm)可以改变所述接收装置的谐振点，使得极化转换装置能够高效工作，最大极化转换效率达98.7％。；

3、本发明所设计的一种工作在电磁波极化转换器能够进行周期性扩展(在结构所在二维平面进行周期性延伸)，使得结构灵活多变，易于实现应用量产。

附图说明

图1为电磁波极化转换器结构示意图；

图2为电磁波极化转换器结构接收层示意图；

图3为电磁波极化转换器结构发射层示意图；

图4为电磁波极化转换器的等效四端口网络；

图5为电磁波极化转换器的s11；

图6为电磁波极化转换器结构s21；

图7为极化转换效率示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，应当指出以下例子主要说明了电磁波极化转换器的优点。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，可以在不偏离其主旨与范围内许多其他的形式实施，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

根据现有的极化转换装置现状，提出一种新型的、结构新颖，高效的平面电磁波极化转换器。它包括基板和极化转换装置两个部分。第一部分，基板采用f4b介质基板，此材质的基板特点是造价低，能够够好地将入射极化波转化为对应的极化波；第二部分，接收层和发射层由两层人工结构构成，人工结构为铜材质，且在人工结构中间处开口形成间隔g。接收层和发射层由金属过孔连接，等同于lc谐振电路，能够高效的吸收入射频率为8.38ghz的极化电磁波。

如图1所示，一种高效平面电磁波极化转换器，包括介质基板、位于介质基板一面的接收层和位于介质基板另一面的发射层，介质基板为f4b介质基板，通过在f4b介质基板上金属过孔，将接收层和发射层相连接。接收层包括平行设置的第一接收板和第二接收板，发射层包括平行设置的第一发射板和第二发射板，第一接收板和第一发射板垂直设置，且通过介质基板上的第一金属过孔相连接，第二接收板和第二发射板垂直设置，且通过介质基板上的第二金属过孔相连接，接收层、介质基板以及发射层等效为一个lc谐振单元。当单元谐振时，在单元表面产生谐振电流，从而实现极化转换。且图1所示结构可以在其所在二维平面进行周期性延伸形成周期性扩展结构，这样能很好地谐振产生较强的表面电流，从而极化转换效率较高，接收层和发射层等效为lc振荡回路，实现回路导通。

该高效平面电磁波极化转换器采用谐振人工结构(即发射层和接收层)作为极化转换装置，基板尺寸大小为16mm×16mm×2mm(高效电磁波极化转换器工作在8.38ghz所对应的固定尺寸)，接收效率理论能够达到98.7％。

图2为电磁波极化转换器结构接收层示意图，接收层由中间开口铜材质的贴片构成，厚度为0.035mm；图3为电磁波极化转换器结构发射层示意图，发射层由中间开口铜材质的贴片构成，厚度为0.035mm。接收层和发射层为旋转对称结构，可将入射的水平极化波转换为垂直极化波，或者将入射的垂直极化波转换为水平极化波，实现水平极化波和垂直极化波的相互转换，并且转换效率远高于传统的极化转换装置。高效电磁波极化转换器工作在8.38ghz所对应的固定尺寸l＝16mm，g＝3mm。通过改变接收层和发射层中的开口间隔g的尺寸大小可以方便的调节谐振频率，具有良好的可调性。随着g尺寸增加，谐振频率随之减小；随着g尺寸减小，谐振频率随之变大。其中，0mm<g<15.5mm，特别的，g的取值范围对于单元尺寸而言无限制，所对应的调节谐振频率范围无限制(不同的单元尺寸对应不同的谐振频率)。

如图4所示，所述电磁波极化转换器等效为一个四端口网络，即接收层对应端口max(1)和端口max(2)，发射层对应四个端口端口min(1)和端口min(2)；其中1代表垂直极化状态，2代表水平极化状态。每个端口对应的阻抗分别为zmax(1)，zmax(2)，zmin(1)，zmin(2)。

如图5所示，本发明能够很好的接收8.38ghz的极化电磁波，当入射波的频率为8.38ghz时，电磁波极化转换器的s11达到了-34.29db。

如图6所示，以1表征垂直极化波，以2表征水平极化波，图6中s参数仿真结果表明垂直极化波能够很好地转换为水平极化波；同时，水平极化波也能够很好地转换为垂直极化波；

如图7所示，本发明在极化转换效率上有很大的突破，使得极化转换效率达到98.7％。改善目前极化转换装置的电磁能量采集整体效率普遍较低现状，使得极化转换效率大幅地提高。

本发明通过调整结构及其对称结构的尺寸大小，如改变l和g的值，能实现与极化转换以及调频特性。通过改变单元尺寸大小，能够使得谐振频率改变，实现了极化转换对应的入射波的频段可调性。

本发明的平面高效极化转换器以f4b介质基板为载体，在介质基板两侧分别印刷接收层和发射层，且接收层和发射层有一对金属化过孔相连接。所述的极化转换器能够将垂直极化波很好地转换为水平极化波；同时，水平极化波也能够很好地转换为垂直极化波；本发明在极化转换效率上有很大的突破，使得极化转换效率达到98.7％。改善目前极化转换装置的电磁能量采集整体效率普遍较低现状，使得极化转换效率大幅地提高。而且制造简单、操作方便，和以前的改进方式相比具有绝对优势，在实际中具有很高的应用前景。