基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，包括频率选择表面，所述频率选择表面包括介质基板和位于介质基板上的金属结构单元；所述金属结构单元包括若干纵横排布的结构相同或相似的结构子单元；所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条；所述第二金属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧；所述第三金属条的两边为弧形，一边为直线。在实现线极化波到圆极化波转换的同时，可以对透射电磁波的辐射方向图进行赋形，相比于已有的圆极化器，本发明具有设计简单，易于加工，体积小，同时具有波束赋形功能等优点，在未来卫星及通信系统中有着重要的应用前景。
【专利说明】
基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器
技术领域
[0001] 本发明属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体是一种圆极 化器。
【背景技术】
[0002] 圆极化波在卫星和通信系统中具有非常重要的作用。在空间通信系统和遥感器件 领域，圆极化波可以有效减少信号损耗，同时减少由于电离层法拉第旋转效应引起的极化 反应。在电子对抗领域，圆极化波可以检测或扰乱除反向圆极化波外的任意极化的电磁波。 更重要的是，加载于高速运动物体或旋转物体上的圆极化天线可以在任意位置接收无线信 号。因此近几年来，圆极化波的产生方法引起了很多科研人员的兴趣。
[0003] 目前有很多方法都可以实现从线极化波到圆极化波的转换，比如手性材料或者光 子材料，弯折线结构，光栅结构和新型人工电磁表面等。但是现有圆极化器不具有波束赋性 功能，同时体积较大。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，为解决现有技术存在的上述问题，
【申请人】提供了一种基于频率选择表 面的具有波束赋形功能的圆极化器。
[0005] 本申请的技术方案具体为:一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化 器，包括频率选择表面，所述频率选择表面包括介质基板和位于介质基板上的金属结构单 元;所述金属结构单元包括若干纵横排布的结构相同或相似的结构子单元；
[0006] 所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条;所述第 二金属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧;所述第三金属条的 两边为弧形，一边为直线。
[0007] 在进一步的实施例中，频率选择表面为两层，频率选择表面的结构相同且布设方 向一致。
[0008] 本方案涉及一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，包括介质基 底和位于所述介质基底上的金属结构单元;所述金属结构单元包括多个形状相同、尺寸相 同（比例为1)或相似(比例不为1)的结构子单元;不同位置的结构子单元尺寸按比例缩放， 对透射过的电磁波有不同的相位响应，从而影响透过圆极化器后电磁波的等相位面，进而 实现波束赋形。
[0009] 在进一步的实施例中，所述金属单元结构的金属部分之间具有用以引入电容效应 的缝隙，结合金属结构本身的电感效应，使得X极化和y极化的电磁波在通过圆极化器后相 位上有90°的区别，实现从线极化波到圆极化波的转换。
[0010]优选的，所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条； 所述第二金属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧;所述第三金 属条的两边为弧形，一边为直线。
[0011] 实施本发明可获得的有益效果是:本发明采用喇叭天线进行馈电，在实现线极化 波到圆极化波转换的同时，可以对透射电磁波的辐射方向图进行赋形，相比于已有的圆极 化器，本发明具有设计简单，易于加工，体积小，同时具有波束赋形功能等优点，在未来卫星 及通信系统中有着重要的应用前景。
【附图说明】
[0012] 图la为单层频率选择表面的结构示意图。
[0013] 图lb为组成频率选择表面的单元结构示意图。
[0014]图2a和图2b分别是单元结构入射电磁波的两个正交分量的等效电路模型。
[0015]图3a是入射电磁波的两个正交分量透射过单元结构后的幅度大小。
[0016]图3b是入射电磁波的两个正交分量透射过单元结构后的相位大小。
[0017]图4是波束展宽的原理示意图。
[0018] 图5是展示了入射电磁波的两个正交分量在透射过不同大小的单元结构后的相位 变化以及两个分量之间的相位差。
[0019] 图6a和6b分别为单纯喇叭天线的测试辐射方向图和加载了本发明的喇叭天线的 测试辐射方向图。
[0020] 图7展示了透射电磁波的轴比。
【具体实施方式】
[0021] 结合附图描述本发明的技术方案、技术原理和技术细节。如图1所示，本发明的基 于频率选择表面的同时具有波束赋形功能的圆极化器，该结构利用喇叭天线馈电，由锚形 单元结构实现从线极化波到圆极化波的转换。在排阵时，通过对不同位置上的单元结构进 行不同比例的缩放，实现特定的相位分布，最终实现特定的辐射方向图。从图中可见，结构 单元沿频率选择表面上的某个中心点呈中心对称分布，或者距对称中心相等的结构单元， 结构相同并成镜面对称。值得注意的是，这里的镜像图案仅仅是为了保证金属图案的对称 性。如果单元结构不按镜面对称，波束赋形功能也不会受到影响。
[0022] 进一步地，图la和图lb分别给出了所述单层频率选择表面的结构示意图和组成频 率选择表面的单元结构示意图，包括介质基底及附在所述介质基底上层的金属结构。具体 如图lb所示，金属结构包括多个结构单元，每个金属结构单元包括一条金属带和两组分别 分布在金属带两边的金属块和金属条，金属条和金属块各为两个，对称分布于金属带的两 边，金属块为矩形，金属条的一边为直线，另外两边为弧形，金属块、金属条与金属带之间具 有预定的空隙。在图lb所示的实施例中，金属带的宽度为W1，金属带与金属块之间的距离为 g，金属块的长度为L2、宽度为W1。金属条的直线边长为W3,金属条的外弧边到结构单元中心 的距离为r。两层频率选择表面间隔12mm，由螺丝固定于喇叭口径面前20mm处。并且单元结 构的中间金属带线需和喇叭的轴线成45度角放置。
[0023] 本发明的圆极化器包括两层相同的频率选择表面，并且两层频率选择表面在放置 时要保持单元结构方向严格一致。单元结构的周期长度为15mm。当入射电磁波的电场方向 和y轴成45度角时，则入射电磁波可以分解为两个幅度相等的正交的分量： ---y ---? ?. ? _? _
[0024] ￡\>κ. = + 五丄=_E0(ax + <2.v)e/_" (】）
[0025] 其中，Eo是入射电磁波的幅度，^和i分别为x轴和y轴的单位向量，k为自由空间 的波数,?和瓦_表示平行和垂直于中间金属带线的电场。当电磁波透过由该单元结构组成 的频率选择表面时，透射电磁波可以写为：
[0027]其中，Τ||和Τ丄为X极化和y极化的透射系数。从公式(2)可以得出，两个分量的相位 差为朽。根据圆极化波的定义，当Δ炉= ±9(Τ并且| T| | | = | T丄|时，线极化波就可以 被转化为圆极化波。
[0028]图2a和图2b给出了单元结构对于入射电磁波的两个正交分量的等效电路模型。图 2a为对y极化电磁波的电路模型，图2b为对X极化电磁波的电路模型。
[0029] 其中，Cgv和Cgh分别表示缝隙对于y极化和X极化的作用；由中间金属带线引入的电 感效应由L ms表示;Cv，Ch，Lv和Lh分别是其他金属部分引起的电容和电感效应。类似地，本发 明的两层频率选择表面的等效电路模型即为两个图中电路模型的级联。通过调整电容以及 电感的值，即调整金属结构和缝隙的尺寸，来满足上述的圆极化波的条件，就可以实现圆极 化器的功能。
[0030] 图3a和图3b给出了入射的线极化电磁波（电场方向与y轴成45度角）的两个正交分 量通过本发明的单元结构后幅度和相位发生的变化。t xx表示沿X轴的分量的透射系数，tyy 表示沿y轴的分量的透射系数。可以看到在7GHz处，两个分量通过单元结构后的幅度大小一 样，相位相差90度。可以判定本发明的单元结构可以实现从线极化波到圆极化波的转换。
[0031] 图4给出了实现波束展宽的原理示意图。对于波束的改变从形状上分有两种，一种 是展宽，一种是压缩。本发明的具有波束赋形功能的圆极化器则可以实现波束在一个方向 上展宽，在另一正交方向上压缩。本图只给出了展宽的原理示意图作为例子。由于在实际应 用中，馈源更接近于点源，因此在本原理图中同样考虑了点源引入的相位差。由点源引入的 相位差用Φ-3，Φ-2，Φ-1，Φ?，Φ2，Φ3表不，分别对应标号从至Ijl的单兀结构。以标号为和-1的 单元结构为例，这两个单元结构间的由点源引入的相位差为：
[0033]其中，k为自由空间的波数，p为单元结构的周期长度。当电磁波穿过频率选择表面 时，从频率选择表面不同位置的单元结构到所需辐射方向图的等相位面的距离是不一样 的。这部分的光程差可以写为：
[0035]其中，是展宽后的波束原点的虚像。根据上述两个公式可以得到标号为-2和-1 的单元结构的总相位差应为：
[0037]在实际应用中，由于源点到所述圆极化器的距离已经给定，因此α，θ，θ'都可以 求出。类似的，不同位置上单元结构的相位差均可以求出。最终可以得到所需的整体相位分 布。
[0038] 图5给出了入射电磁波的两个正交分量在透射过不同大小的单元结构后的相位变 化以及两个分量之间的相位差。在工作频率7GHz的时候，随着单元结构大小的变化，两个正 交分量的相位变化趋势基本保持一致，且相位差在90° ± 10°范围内，可以认为透射波依然 是圆极化波。根据上述对于相位分布的分析，可以推得频率选择表面中不同位置单元的大 小。由于本发明最终的波束形状是一个方向展宽一个方向压缩，因此应将整个相位变化曲 线分为两个部分，一个部分用来实现波束展宽，另一个部分用来实现波束压缩。最终用来实 现波束展宽的单元的缩放比例分别为1.1，1.02，0.96，用来实现波束压缩的单元的缩放比 例分别为〇.3,0.62,0.96。
[0039] 图6a和图6b给出了单纯喇叭天线的测试辐射方向图和加载了本发明的喇叭天线 的测试辐射方向图的对比。可以看到，在波束展宽的方向，单纯喇叭的辐射方向图的3dB带 宽为37度，加载了本发明后，波束宽度变为51.43度，有14.43度的展宽；同时在波束压缩的 方向，波束有3.77度的压缩。
[0040] 图7给出了测试的透射电磁波的轴比随频率的变化。可以看到在7GHz时，透射波束 的轴比小于3dB，说明了极化转换的成功，同时所提出的设计具有一定的带宽。
[0041 ]通过设计阵列中的每个部分的权重可产生特定辐射方向图。一般而言，有两种方 法可以实现波束赋形。一种是优化单元结构的排列方式，另一种则是优化单元结构的相位 分布。不同的情况需要有不同的辐射方向图，各类应用场景都需要能提供不同辐射方向图 的频率选择表面。因此具有波束赋形功能的频率选择表面就变得十分重要。
[0042]通过设计频率选择表面的单元结构，可以使得单元结构对入射线极化电磁波的水 平和垂直分量有不同的响应。当单元结构对其中一种分量表现为电容效应，同时对另一正 交分量表现为电感效应时，透射之后的两个分量的相位差则可以达到90°。如果同时满足透 射之后两个分量的幅度大小相等，则完成了从线极化波到圆极化波的转换。
[0043]综上所述，本发明提供了一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化 器，利用喇叭天线馈电，由改进的锚形单元结构实现从线极化波到圆极化波的转换。同时在 排成阵列时，通过对不同位置上的单元结构进行不同比例的缩放，实现特定的相位分布，最 终实现特定的辐射方向图。本发明具有设计简单，易于加工，体积小，同时具有波束赋形功 能等优点，在未来卫星及通信系统中有着重要的应用前景。
[0044]以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在于，包括频率选 择表面，所述频率选择表面包括介质基板和位于介质基板上的金属结构单元;所述金属结 构单元包括若干纵横排布的结构相同或相似的结构子单元； 所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条;所述第二金 属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧;所述第三金属条的两边 为弧形，一边为直线。2. 如权利要求1所述的基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在 于，频率选择表面为两层，频率选择表面的结构相同且布设方向一致。3. -种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在于，包括介质基 底和位于所述介质基底上的金属结构单元;所述金属结构单元包括多个形状相同、尺寸相 同或相似的结构子单元;不同位置的结构子单元尺寸按比例缩放，对透射过的电磁波有不 同的相位响应，从而影响透过圆极化器后电磁波的等相位面，进而实现波束赋形。4. 如权利要求3所述的基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在 于，所述金属单元结构的金属部分之间具有用以引入电容效应的缝隙，结合金属结构本身 的电感效应，使得X极化和y极化的电磁波在通过圆极化器后相位上有90°的区别，实现从线 极化波到圆极化波的转换。5. 如权利要求4所述的基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在 于，所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条;所述第二金属 块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧;所述第三金属条的两边为 弧形，一边为直线。
【文档编号】H01Q15/24GK106025570SQ201610490316
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】袁浩, 崔铁军, 万向, 周小阳, 尹佳媛
【申请人】江苏赛博防务技术有限公司