基于频率选择表面的宽带圆极化器的制作方法

本发明涉及无线通信和雷达通信领域，尤其是一种线-圆极化转换器。

背景技术：

圆极化波在通信、遥感遥测、雷达、电子侦察和干扰方面的应用越来越广泛，实现圆极化波也逐渐发展为一个重要的研究课题，采用频率选择表面(frequencyselectivesurfaces，fss)来实现线-圆极化的转换是一种非常可行的方法。在设计圆极化器时可使用不同结构的频率选择表面，较为常用的是曲折线极化器和缝隙环极化器。为了展宽工作带宽，近年来人们不断探索，设计出一些新的结构来实现圆极化：

文献1m.euler,v.fusco,r.cahill,andr.dickie,“325ghzsinglelayersub-millimeterwavefssbasedsplitslotringlineartocircularpolarizationconvertor,”ieeetrans.antennaspropag.,vol.58,no.7,pp.2457-2459,jul.2010.采用双层同心环实现亚毫米波的圆极化，工作带宽为11.75％，频段较窄。

文献2y.ranga,s.g.hay,t.s.bird,“ananisotropicimpedancesurfacefordual-bandlinear-to-circulartransmissionpolarizationconvertor,”2013internationalworkshoponantennatechnology(iwat),karlsruhe,pp:47-50,mar.2013.该文献是将两个同心环在不同角度上进行切割来实现双频带的圆极化器，工作带宽分别为5.6％和4.3％，插入损耗为5.1db，带宽较窄且损耗比较大。

文献3m.l.lourdes,r.c.jorge,m.l.josei.,m.alexandere.,“amultilayercircularpolarizerbasedonbisectedsplit-ringfrequencyselectivesurfaces,”ieeeantennasandwire.propag.lett.,vol.13,pp:153-156,2014.采用多层fss级联使工作频段展宽，降低交叉极化，工作带宽为57％，但加工时装配误差较大。

文献4基于多层频率选择表面的极化转换器(申请号：201510036446.4)，提供了一种基于多层频率选择表面的极化转换器，解决结构复杂和损耗高的问题，工作带宽小于24％。

综上所述，现有文献所提出的圆极化器存在工作带宽较窄，传输损耗大，且对加工精度要求过高等缺陷，不利于在天线系统中的应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于fss的新型圆极化器，相对现有技术而言，本发明不仅增加了工作带宽，传输损耗明显降低，且该圆极化器结构非常简单，加工误差对其能影响较小，非常适合工程应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于频率选择表面的宽带圆极化器，由m×n个完全相同的单元结构周期性重复排列而成，其中每个单元结构为正方形，且正方形的边长为p，整个单元结构由四个fss层和三个介质层按照“fss-1/介质-1/fss-2/介质-2/fss-3/介质-3/fss-4”的空间位置关系级联组成。

所述三个介质层完全相同，介质层厚度是h，介质层厚度h＝1.5～3mm，介质层的相对介电常数是εr，相对介电常数εr＝2.2～6。

所述四个fss层是不完全相同的四个金属图案，其中第一层fss层fss-1和第四层fss层fss-4完全相同的金属层，第二层fss层fss-2和第三层fss层fss-3完全相同的金属层；

所述fss层中fss-1和fss-4中，以大小为p×p正方形的任意一个边划分一个宽度为w的区域，即划出一个大小为p×w的金属区域，使金属区域位于正方形区域内的左边，在距离金属区域右边sx1处有两个上下排列且镜像对称的金属方形环一和金属方形环二，其中，两个金属方形环的高度均为ly1，宽度均为lx1，位于上方的金属方形环一的左边环形和下边环形的宽度均为w1，金属方形环一的右边环形和上边环形的宽度均为w2，金属方形环一的上沿与正方形的上边界的距离为sy1，位于下方的金属方形环二的左边环形和上边环形的宽度均为w1，右边环形和下边环形的宽度均为w2，且金属方形环一与金属方形环二之间的距离为sy2，金属方形环一与金属方形环二右边的sx2处，有与金属方形环一与金属方形环二左右镜像对称的金属方形环三和金属方形环四，四个金属方形环为左右对称且上下对称；其中，w＝2～3mm，sx1＝2～3mm，sx2＝4～5mm，sy1＝2～3mm，sy2＝2.5～3.5mm，lx1＝3.5～4mm，ly1＝3.5～4mm，w1＝0.25～0.75mm，w2＝0.2～0.3mm。

所述fss层中fss-2和fss-3，以大小为p×p正方形的任意一个边划分一个宽度为w的区域，即大小为p×w的金属区域，使金属区域位于正方形区域的左边，在金属区域右边sx3处有两个上下对称的l形金属区域，其中位于下方的l形金属区域一为将l形逆时针旋转90度，位于上方的l形金属区域二与l形金属区域一上下对称，l形金属区域一和l形金属区域二的l形横向长均为lx2、纵向长均为ly2，l形金属区域一和l形金属区域二的横向l形的宽度为w3，纵向l形的宽度为w4，l形状金属区域二的上沿与正方形上边界的距离为sy3，l形金属区域一和l形金属区域二之间的距离为sy4，l形金属区域一和l形金属区域二右边的sx4处有与其左右镜像对称的l形金属区域三和l形金属区域四，四个l型金属区域为左右对称且上下对称，其中，w＝2～3mm，sx3＝1～2mm，sx4＝1～2mm，sy3＝0.5～1.5mm，sy4＝5～6mm，lx2＝3.2～3.8mm，ly2＝3.2～3.8mm，w3＝1～2mm，w4＝1.5～2mm。

所述fss单元尺寸为p×p，其中p＝10～15mm。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明将入射的线极化波分解为等幅同相的两个垂直线极化波，在经过所述圆极化器后，由于金属条的作用，使得这两部分波的相位出现差异，而本发明所采用的四层级联，使得相位差较好的控制在±90°附近，从而保证了输出圆极化波的性能。

(2)本发明在介质采用低损耗介质板，在不影响发明性能的前提下，将发明的传输效率提高到90％以上，远大于现有技术的传输效率，极大的减小了传输损耗。

(3)本发明采用两种不同的fss贴片单元，在第一层和第四层采用一种结构，第二层和第三层采用不同的另一种结构，这种设计使得本发明的带宽提高到64％，明显高于现有技术的带宽。

(4)本发明对结构简单，易于加工，且对加工要求精度低，±0.05λ的加工误差对圆极化器的性能影响不大。

附图说明

图1是本发明的圆极化器示意图。

图2是本发明的单元示意图。

图3是本发明的fss贴片示意图，其中图3(a)是fss-1和fss-4的示意图，图3(b)是fss-2和fss-3示意图。

图4是本发明的圆极化器实物图。

图5是本发明仿真和实测结果图，其中，图5(a)是本发明的传输和反射系数仿真图，图5(b)是相位差和轴比结果图。

图6是本发明在不同频点的极化图。

图7是本发明对加工误差的平均误差。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的宽带圆极化器是由m×n个完全相同的单元结构周期性重复排列得到，如图1所示。其中每个单元结构为正方形，且正方形的边长为p，整个单元结构由四个fss层和三个介质层按照“fss-1/介质-1/fss-2/介质-2/fss-3/介质-3/fss-4”的空间位置关系级联组成，如图2所示。

所述三个介质层完全相同，介质层厚度是h，介质层厚度h＝1.5～3mm，介质层的相对介电常数是εr，相对介电常数εr＝2.2～6。

所述四个fss层是不完全相同的四个金属图案，其中第一层和第四层(即fss-1和fss-4)是完全相同的金属层，其结构如图3(a)所示，图中深色部分为金属。第二层和第三层(即fss-2和fss-3)是完全相同的金属层，其结构如图3(b)所示，图中深色部分为金属。

所述fss层中fss-1和fss-4中，以大小为p×p正方形的任意一个边划分一个宽度为w的区域，即划出一个大小为p×w的金属区域，使金属区域位于正方形区域内的左边，在距离金属区域右边sx1处有两个上下排列且镜像对称的金属方形环一和金属方形环二，其中，两个金属方形环的高度均为ly1，宽度均为lx1，位于上方的金属方形环一的左边环形和下边环形的宽度均为w1，金属方形环一的右边环形和上边环形的宽度均为w2，金属方形环一的上沿与正方形的上边界的距离为sy1，位于下方的金属方形环二的左边环形和上边环形的宽度均为w1，右边环形和下边环形的宽度均为w2，且金属方形环一与金属方形环二之间的距离为sy2，金属方形环一与金属方形环二右边的sx2处，有与金属方形环一与金属方形环二左右镜像对称的金属方形环三和金属方形环四，四个金属方形环为左右对称且上下对称；其中，w＝2～3mm，sx1＝2～3mm，sx2＝4～5mm，sy1＝2～3mm，sy2＝2.5～3.5mm，lx1＝3.5～4mm，ly1＝3.5～4mm，w1＝0.25～0.75mm，w2＝0.2～0.3mm。

所述fss层中fss-2和fss-3中，以大小为p×p正方形的任意一个边划分一个宽度为w的区域，即大小为p×w的金属区域，使金属区域位于正方形区域的左边，在金属区域右边sx3处有两个上下对称排列的l形金属区域，其中位于下方的l形金属区域一为将l形逆时针旋转90度，位于上方的l形金属区域二与l形金属区域一上下对称，l形金属区域一和l形金属区域二的l形横向长均为lx2、纵向长均为ly2，l形金属区域一和l形金属区域二的横向l形的宽度为w3，纵向l形的宽度为w4，l形状金属区域二的上沿与正方形上边界的距离为sy3，l形金属区域一和l形金属区域二之间的距离为sy4，l形金属区域一和l形金属区域二右边的sx4处有与其左右镜像对称的l形金属区域三和l形金属区域四，四个l型金属区域为左右对称且上下对称，其中，w＝2～3mm，sx3＝1～2mm，sx4＝1～2mm，sy3＝0.5～1.5mm，sy4＝5～6mm，lx2＝3.2～3.8mm，ly2＝3.2～3.8mm，w3＝1～2mm，w4＝1.5～2mm。

所述fss单元尺寸为p×p，其中p＝10～15mm。

以如图4所示的9×9个周期单元为例(即m＝n＝9)说明本发明的技术方案。

(1)圆极化器中心频率10ghz，所述介质板采用εr＝2.2的arlondiclad880，介质板厚度h＝2mm，所述fss贴片为σ＝5.8×10⁷s/m，厚度0.05mm的铜层。极化器四周采用绝缘螺钉经行固定，确保每层对应单元中心对齐，边缘平行。

(2)如图3，设计fss单元尺寸为p＝15mm，左侧金属条宽度w＝2.1mm，缝隙宽度sx1＝2.75mm，sx2＝4.5mm，sx3＝1.75mm，sx4＝1.8mm，sy1＝2.25mm，sy2＝3mm，sy3＝0.9mm，sy4＝6mm。金属宽度l1＝3.75mm，l2＝3.75mm，l3＝3.6mm，l4＝3.6mm，w1＝0.5mm，w2＝0.25mm，w3＝1.6mm，w4＝1.6mm

(3)仿真分析：采用hfss13.0对此实例进行仿真，在6-14ghz频带范围内，入射波垂直进入圆极化器后，传输系数和相位差如图5(a)，可以看出，在中心频率时，损耗仅为0.06db；透射波的轴比如图5(b)所示，轴比小于3db的频带为7.12-13.74ghz，约为64％。

(4)实测分析：使用矢网分析仪，连接两个标准喇叭天线，其中一个作为发射天线，提供一个垂直入射的线极化波；另一个作为接收天线，对圆极化器的轴比进行测试。确保所有天线和圆极化器的中心对齐。实测轴比如图5(b)，与仿真结果一致，说明本发明是切实可行的。在工作频段内均匀选取八个频点，根据实测结果画出每个频点输出波的极化情况，如图6所示，说明本发明可以实现宽频带的线-圆极化转换。

(5)误差仿真分析：分别对实例中的每个参数增加一个±0.05λ的加工误差，重复步骤(3)，将仿真结果与步骤(3)中结果对比，记录差值后取平均值，如图7所示，可以看出，±0.05λ的加工误差对本发明的性能影响不大。

由上述仿真和实测结果可以看出，本发明提出的这种基于频率选择表面的宽带圆极化器较现有技术而言具有宽频带、低损耗、易于加工等优势，可以广泛应用于天线系统中实现线-圆极化的转换。