一种基于次波长谐振结构的极化转换表面的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于次波长谐振结构的极化转换表面。主要由次波长谐振单元经过横向和纵向周期阵列得到，次波长谐振单元呈正方形结构，包括顶层金属铜片、上介质板、中间接地金属铜片、下介质板和底层金属铜片，中间接地金属铜片位于上介质板和下介质板之间；次波长谐振单元的五层材料上设有贯穿的通孔，顶层金属铜片和底层金属铜片相正对摆放且相互之间极化旋向相反。本发明成本低、结构简单、厚度薄、质量轻、转换性能好，可灵活地控制电磁波的极化状态以及选择性的透射和反射，在成像、天线、通讯系统、电磁对抗与治理以及军事隐身等领域有许多重要的应用。
【专利说明】
一种基于次波长谐振结构的极化转换表面
技术领域
[0001 ]本发明涉及电磁波极化转换领域，特别是涉及各种无线电磁波传输中控制电磁波的极化状态的一种基于次波长谐振结构的极化转换表面。【背景技术】
[0002]极化是电磁波的重要特征，有电磁波传输时电场矢量E的振荡行为来描述。当电磁波沿着波矢k的方向向前传播时，随着时间的变化，电场矢量E的末端所走过的轨迹为直线、 圆和椭圆时，其对应的极化状态分别为线极化、圆极化和椭圆极化。在实际应用中，经常对电磁波的极化特征进行检测和改变其极化状态。
[0003]在雷达目标识别、通信、航空航天、电磁对抗等领域，电磁波的传播以及信号的接收性能均与波的极化形式有关。极化技术作为一项重要的干扰、抗干扰技术也成为了军事科研领域的一个研究热点。因此，为适应现代信息密集多变的特点，仅具有单极化特性的天线已经不能满足要求，导致对快速极化转换器的研究也日益增多。
[0004]极化器或极化转换器是一种用来实现线极化与圆极化、垂直极化与水平极化等极化形式转换的器件。极化转换主要关注以下几个方面:1)高性能，即转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，接近所需要的极化形式;2)低损耗，即转换过程中的能量损失小；3)小尺寸，即整个转换器的所占用的空间要小。
[0005]现有的极化转换器主要分为两种:一种是利用传统的双折射材料，利用电磁波沿着不同方向传播时会有不同的折射率，在合适的厚度和频率下实现特定的相位差；另外一种是基于近年来国际上最新研究成果电磁超材料(metamaterial)的理论，利用亚波长结构的等效电磁参数的可设计性来构造不同折射率的结构，进而在较小的尺寸下实现特定的相位差来完成极化的转换。
[0006]根据极化分解原理，任一极化波都可以按任意的正交极化基分解为两个分量，通常采用线极化基或圆极化基。任意一个线极化波或者椭圆极化波都可以分解为两个旋向相反的圆极化波。极化转换器能任意地控制电磁波的极化状态以及选择性的透射和反射，在成像、天线、通讯系统、电磁对抗与治理以及军事隐身等领域有许多重要的应用。
【发明内容】
[0007]为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于次波长谐振结构的极化转换表面。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0009]所述极化转换表面主要由次波长谐振单元经过横向和纵向周期阵列得到，形成谐振表面，次波长谐振单元呈正方形结构，所述的次波长谐振单元包括作为顶层圆极化贴片的顶层金属铜片和作为底层旋向相反圆极化贴片的底层金属铜片。
[0010]具体地，次波长谐振单元包括五层材料，第一层为方形片状带缝隙的顶层金属铜片，第二层为起支撑作用的上介质板，第三层为中间接地金属铜片，第四层为起支撑作用的下介质板，第五层为方形片状带缝隙的底层金属铜片，中间接地金属铜片位于上介质板和下介质板之间；次波长谐振单元的五层材料上设有贯穿的通孔，顶层金属铜片和底层金属铜片相正对摆放且相互之间极化旋向相反，之间具有90旋向角度差。
[0011]当空气中的无线微波信号辐射到所述极化转换表面的一侧表面上时，极化转换表面的每个所述次波长谐振单元在工作频带内会同时发生电谐振和磁谐振，将无线微波信号吸收并通过通孔馈给另一侧表面并辐射出去，进而完成极化的转换。
[0012]所述的顶层金属铜片和底层金属铜片包括铜片和设在铜片上的相正交的两组缝隙，每组缝隙包括两个对称的径向地设置在铜片边缘的条形缝隙；通孔位于顶层金属铜片或底层金属铜片的对角线上，各层的通孔同轴贯穿于顶层金属铜片、上介质板、中间接地金属铜片、下介质板和底层金属铜片。
[0013]所述的两组缝隙的长度不同，每组缝隙的两条条形缝隙长度相同，顶层金属铜片的两组缝隙和底层金属铜片的两组缝隙布置相反，通过调整两组缝隙的位置实现左旋圆极化转化和右旋圆极化转换。
[0014]本发明表面在任意极化波的入射下，其反射和透射波均为同旋向的圆极化波，进而实现了极化的转换。所述的次波长谐振单元组成的谐振表面可通过改变长缝隙和短缝隙的朝向来改变反射和透射波的旋向，得到左旋圆极化转换表面或者右旋圆极化转换表面。
[0015]本发明利用次波长谐振结构在工作频段内会出现电磁谐振的特性，适当调节次波长谐振结构的形状尺寸来实现空气的完美匹配。极化转换表面由很多个次波长谐振结构单元周期排列而成，由于结构尺寸处于次波长范围，可以等效为均匀介质极化转换表面。每个单元顶层圆极化贴片和底层旋向相反圆极化贴片的两个部分结合可实现任意入射电磁波的极化控制与转换。
[0016]本发明与【背景技术】相比具有的有益效果是:
[0017]本发明设计结构简单，质量轻，厚度薄(3mm)，只有对应工作频率处微波波长的十七分之一〇
[0018]本发明设计结构尺寸小，单元尺寸低于工作波长的1/4,可以视为均匀介质。
[0019]本发明的性能极好，经过实例仿真验证，在工作频率上，入射左旋圆极化分量以右旋圆极化波的形式全反射，损耗仅〇.2dB左右;入射右旋圆极化分量以右旋圆极化波的形式全透射，传输损耗仅0.3dB左右。
[0020]本发明结构多变，可以针对不同的频带要求设计不同的形状和大小，可以根据转换要得到的极化的旋向通过改变缝隙朝向来实现不同旋向的极化转换表面。[0021 ]本发明可灵活地控制电磁波的极化状态以及选择性的透射和反射，在成像、天线、 通讯系统、电磁对抗与治理以及军事隐身等领域有许多重要的应用。【附图说明】
[0022]图1为本发明次波长谐振单元顶层、中间层和底层的表面示意图。
[0023]图2为本发明次波长谐振单元顶层、中间层和底层的叠层示意图。
[0024]图3为组装后的整体极化转换表面实例顶层、中间层和底层的表面示意图。
[0025]图4为实施例在左旋圆极化波入射情况下表面端口以左旋圆极化波形式的反射特性。
[0026]图5为实施例在左旋圆极化波入射情况下表面端口以右旋圆极化波形式的反射特性。
[0027]图6为实施例在左旋圆极化波入射情况下表面端口以左旋圆极化波形式的传输特性。
[0028]图7为实施例在左旋圆极化波入射情况下表面端口以右旋圆极化波形式的传输特性。
[0029]图8为实施例在右旋圆极化波入射情况下表面端口以左旋圆极化波形式的反射特性。
[0030]图9为实施例在右旋圆极化波入射情况下表面端口以右旋圆极化波形式的反射特性。
[0031]图10为实施例在右旋圆极化波入射情况下表面端口以左旋圆极化波形式的传输特性。
[0032]图11为实施例在右旋圆极化波入射情况下表面端口以右旋圆极化波形式的传输特性。[〇〇33]图中:1.顶层金属铜片，2.上介质板，3.中间接地金属铜片，4.下介质板，5.底层金属铜片，6.通孔。【具体实施方式】[〇〇34]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0035]本发明的实施例及其实施工作过程如下:
[0036]如图3所示，具体实施的极化转换表面主要由次波长谐振单元经过横向和纵向周期阵列得到。[〇〇37]如图1和图2所示，次波长谐振单元呈正方形结构，包括五层材料，第一层为方形片状带缝隙的顶层金属铜片1，第二层为起支撑作用的上介质板2,第三层为中间接地金属铜片3,第四层为起支撑作用的下介质板4,第五层为方形片状带缝隙的底层金属铜片5,中间接地金属铜片3位于上介质板2和下介质板4之间；次波长谐振单元的五层材料上设有贯穿的通孔6,顶层金属铜片1和底层金属铜片5相正对摆放且相互之间极化旋向相反，之间具有 90旋向角度差。顶层金属铜片1与底层金属铜片5水平旋转90度后的结构吻合，或者说底层金属铜片5与顶层金属铜片1水平旋转90度后的结构吻合，底层金属铜片5可由顶层金属铜片1旋转平移得到。[〇〇38]顶层金属铜片1和底层金属铜片5包括铜片和设在铜片上的相正交的两组缝隙，每组缝隙包括两个对称的径向地设置在铜片边缘的条形缝隙；两组缝隙的长度不同，每组缝隙的两条条形缝隙长度相同，顶层金属铜片1的两组缝隙和底层金属铜片5的两组缝隙布置相反。
[0039]通孔6位于顶层金属铜片1或底层金属铜片5在两条对角线除线端点和交叉点以外的任意一处，各层的通孔6同轴贯穿于顶层金属铜片1、上介质板2、中间接地金属铜片3、下介质板4和底层金属铜片5。
[0040]如图1所示，若通过图左侧的顶层金属铜片1朝向电磁波接收则为右旋圆极化转换表面，若通过图右侧的底层金属铜片5朝向电磁波接收则为左旋圆极化转换表面。
[0041]本发明提供的次波长谐振单元的实例基本尺寸如图1所示。每个单元的长度和宽度均为a= 12mm，共由五层材料组成:顶层金属铜片1和底层金属铜片5的厚度为tm = 0.035mm，边长为patch = 10.22mm;上介质板2的介电常数为3.5的Rogers 4350B板材，其损耗角正切为〇.0017，厚度为ts = 1.5mm;中间接地金属铜片3开有直径为;r_big= 1mm的通孔 6;下介质板层4,材料与上介质板2—样。
[0042]顶层金属铜片1和底层金属铜片5缝隙的宽度均为0.3mm。两组缝隙的长度不同，长的缝隙为ly = 4.01mm，短的缝隙为lx = 2.41mm。在顶层金属铜片1的对角线位置上距离中心距离水平和垂直分量均为bias = 1.8mm处设置直径为r = 0.6mm的通孔，通孔直接穿过上介质板2、中间接地金属铜片3、下介质板4,与底层的片状方形金属铜片相连。
[0043]本实例中的极化转换表面顶层、中间和底层的效果图如图2所示，每个单元的横向和纵向排列周期均为a = 12mm。
[0044]当上述极化转换表面工作时，入射到该表面上的左旋圆极化电磁波会在顶层金属铜片1和接地金属铜片3联合作用下产生电谐振和磁谐振，形成了与自由空间相同的波阻抗。此时，完美匹配的左旋圆极化电磁波会被全波吸收进入通孔6。其等效为一个同轴输入端口。在该极化转换表面的背面，由于结构的对称性，通孔6中的电磁波能量会完美匹配透射到背面的自由空间中。由于背面的底层金属铜片5的馈电位置与顶层金属铜片1馈电位置刚好对称，所以出来的极化方向直接变成了右旋的圆极化电磁波。即整个单元实现了垂直入射条件下，左旋圆极化电磁波到右旋圆极化电磁波的完美转换。在斜入射条件下，由于交界面的不匹配性，入射的左旋圆极化电磁波会发生部分反射，且反射的电磁波为右旋圆极化电磁波。同时透射部分的电磁波仍然满足出射后的圆极化电磁波为右旋。因此，无论自由空间中的左旋圆极化电磁波以什么角度入射到上述极化转换表面，均能实现完美的极化转化效果。
[0045]实施例实施过程中通过电磁仿真软件CST进行仿真，利用周期边界得到该表面在入射电磁波为左旋圆极化波时能量全部以右旋圆极化波反射，当入射电磁波为右旋圆极化波时能量全部以右旋圆极化波透射。不管是线极化波还是椭圆极化波，都可以分解为旋向相反的两个圆极化波，也就是说任意波入射情况下，经过本实例提供的极化转换表面，其反射和透射波均为右旋圆极化波。
[0046]实施例利用CST频域仿真得到的该极化转换表面的散射参数如图4-11所示。由图 4_图7可以看出，入射的左旋圆极化波均以右旋圆极化波的形式反射，由图5可知在5.8GHz 频率处其反射时的损耗只有0.2dB。由图8-图11可以看出，入射的右旋圆极化波均以右旋圆极化波的形式透射，由图11可以看出在5.8GHz频率处其传输损耗约为0.3dB。[〇〇47]本实例介绍的结构工作频率为5.8GHz，作用是任意极化的入射电磁波，其反射波和透射波都只有右旋圆极化波。
[0048]如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整次波长谐振结构单元的尺寸。同时可以通过调整顶层和底层的缝隙长度来改变圆极化的旋向。[〇〇49]以上所述，仅是本发明的在5.8GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【主权项】
1.一种基于次波长谐振结构的极化转换表面，其特征在于:所述极化转换表面主要由 次波长谐振单元经过横向和纵向周期阵列得到，次波长谐振单元呈正方形结构，包括五层 材料，第一层为方形片状带缝隙的顶层金属铜片(1)，第二层为起支撑作用的上介质板(2)， 第三层为中间接地金属铜片(3)，第四层为起支撑作用的下介质板(4)，第五层为方形片状 带缝隙的底层金属铜片(5)，中间接地金属铜片(3)位于上介质板(2)和下介质板(4)之间； 次波长谐振单元的五层材料上设有贯穿的通孔(6)，顶层金属铜片(1)和底层金属铜片(5) 相正对摆放且相互之间极化旋向相反。2.根据权利要求1所述的一种基于次波长谐振结构的极化转换表面，其特征在于:当空 气中的无线微波信号辐射到所述极化转换表面的一侧表面上时，极化转换表面的每个所述 次波长谐振单元在工作频带内会同时发生电谐振和磁谐振，将无线微波信号吸收并通过通 孔(6)馈给另一侧表面并辐射出去，进而完成极化的转换。3.根据权利要求1所述的一种基于次波长谐振结构的极化转换表面，其特征在于:所述 的顶层金属铜片(1)和底层金属铜片(5)包括铜片和设在铜片上的相正交的两组缝隙，每组 缝隙包括两个对称的径向地设置在铜片边缘的条形缝隙;通孔(6)位于顶层金属铜片(1)或 底层金属铜片(5)对角线位置上，通孔(6)同轴贯穿于顶层金属铜片(1)、上介质板(2)、中间 接地金属铜片(3)、下介质板(4)和底层金属铜片(5)。4.根据权利要求3所述的一种基于次波长谐振结构的极化转换表面，其特征在于:所述 的两组缝隙的长度不同，每组缝隙的两条条形缝隙长度相同，顶层金属铜片(1)的两组缝隙 和底层金属铜片(5)的两组缝隙布置相反，通过调整两组缝隙的位置实现左旋圆极化转化 和右旋圆极化转换。
【文档编号】H01Q15/24GK106033846SQ201610529127
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】叶德信, 曹成, 皇甫江涛, 冉立新
【申请人】浙江大学