一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面。主要由次波長諧振單元經(jīng)過橫向和縱向周期陣列得到，次波長諧振單元呈正方形結(jié)構(gòu)，包括頂層金屬銅片、上介質(zhì)板、中間接地金屬銅片、下介質(zhì)板和底層金屬銅片，中間接地金屬銅片位于上介質(zhì)板和下介質(zhì)板之間；次波長諧振單元的五層材料上設(shè)有貫穿的通孔，頂層金屬銅片和底層金屬銅片相正對擺放且相互之間極化旋向相反。本發(fā)明成本低、結(jié)構(gòu)簡單、厚度薄、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換性能好，可靈活地控制電磁波的極化狀態(tài)以及選擇性的透射和反射，在成像、天線、通訊系統(tǒng)、電磁對抗與治理以及軍事隱身等領(lǐng)域有許多重要的應(yīng)用。
【專利說明】
一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及電磁波極化轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，特別是涉及各種無線電磁波傳輸中控制電磁波的極化狀態(tài)的一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]極化是電磁波的重要特征，有電磁波傳輸時電場矢量E的振蕩行為來描述。當(dāng)電磁波沿著波矢k的方向向前傳播時，隨著時間的變化，電場矢量E的末端所走過的軌跡為直線、 圓和橢圓時，其對應(yīng)的極化狀態(tài)分別為線極化、圓極化和橢圓極化。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常對電磁波的極化特征進(jìn)行檢測和改變其極化狀態(tài)。
[0003]在雷達(dá)目標(biāo)識別、通信、航空航天、電磁對抗等領(lǐng)域，電磁波的傳播以及信號的接收性能均與波的極化形式有關(guān)。極化技術(shù)作為一項重要的干擾、抗干擾技術(shù)也成為了軍事科研領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。因此，為適應(yīng)現(xiàn)代信息密集多變的特點(diǎn)，僅具有單極化特性的天線已經(jīng)不能滿足要求，導(dǎo)致對快速極化轉(zhuǎn)換器的研究也日益增多。
[0004]極化器或極化轉(zhuǎn)換器是一種用來實現(xiàn)線極化與圓極化、垂直極化與水平極化等極化形式轉(zhuǎn)換的器件。極化轉(zhuǎn)換主要關(guān)注以下幾個方面:1)高性能，即轉(zhuǎn)換后的極化波應(yīng)具有較高的極化隔離度，接近所需要的極化形式;2)低損耗，即轉(zhuǎn)換過程中的能量損失??；3)小尺寸，即整個轉(zhuǎn)換器的所占用的空間要小。
[0005]現(xiàn)有的極化轉(zhuǎn)換器主要分為兩種:一種是利用傳統(tǒng)的雙折射材料，利用電磁波沿著不同方向傳播時會有不同的折射率，在合適的厚度和頻率下實現(xiàn)特定的相位差；另外一種是基于近年來國際上最新研究成果電磁超材料(metamaterial)的理論，利用亞波長結(jié)構(gòu)的等效電磁參數(shù)的可設(shè)計性來構(gòu)造不同折射率的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在較小的尺寸下實現(xiàn)特定的相位差來完成極化的轉(zhuǎn)換。
[0006]根據(jù)極化分解原理，任一極化波都可以按任意的正交極化基分解為兩個分量，通常采用線極化基或圓極化基。任意一個線極化波或者橢圓極化波都可以分解為兩個旋向相反的圓極化波。極化轉(zhuǎn)換器能任意地控制電磁波的極化狀態(tài)以及選擇性的透射和反射，在成像、天線、通訊系統(tǒng)、電磁對抗與治理以及軍事隱身等領(lǐng)域有許多重要的應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]所述極化轉(zhuǎn)換表面主要由次波長諧振單元經(jīng)過橫向和縱向周期陣列得到，形成諧振表面，次波長諧振單元呈正方形結(jié)構(gòu)，所述的次波長諧振單元包括作為頂層圓極化貼片的頂層金屬銅片和作為底層旋向相反圓極化貼片的底層金屬銅片。
[0010]具體地，次波長諧振單元包括五層材料，第一層為方形片狀帶縫隙的頂層金屬銅片，第二層為起支撐作用的上介質(zhì)板，第三層為中間接地金屬銅片，第四層為起支撐作用的下介質(zhì)板，第五層為方形片狀帶縫隙的底層金屬銅片，中間接地金屬銅片位于上介質(zhì)板和下介質(zhì)板之間；次波長諧振單元的五層材料上設(shè)有貫穿的通孔，頂層金屬銅片和底層金屬銅片相正對擺放且相互之間極化旋向相反，之間具有90旋向角度差。
[0011]當(dāng)空氣中的無線微波信號輻射到所述極化轉(zhuǎn)換表面的一側(cè)表面上時，極化轉(zhuǎn)換表面的每個所述次波長諧振單元在工作頻帶內(nèi)會同時發(fā)生電諧振和磁諧振，將無線微波信號吸收并通過通孔饋給另一側(cè)表面并輻射出去，進(jìn)而完成極化的轉(zhuǎn)換。
[0012]所述的頂層金屬銅片和底層金屬銅片包括銅片和設(shè)在銅片上的相正交的兩組縫隙，每組縫隙包括兩個對稱的徑向地設(shè)置在銅片邊緣的條形縫隙；通孔位于頂層金屬銅片或底層金屬銅片的對角線上，各層的通孔同軸貫穿于頂層金屬銅片、上介質(zhì)板、中間接地金屬銅片、下介質(zhì)板和底層金屬銅片。
[0013]所述的兩組縫隙的長度不同，每組縫隙的兩條條形縫隙長度相同，頂層金屬銅片的兩組縫隙和底層金屬銅片的兩組縫隙布置相反，通過調(diào)整兩組縫隙的位置實現(xiàn)左旋圓極化轉(zhuǎn)化和右旋圓極化轉(zhuǎn)換。
[0014]本發(fā)明表面在任意極化波的入射下，其反射和透射波均為同旋向的圓極化波，進(jìn)而實現(xiàn)了極化的轉(zhuǎn)換。所述的次波長諧振單元組成的諧振表面可通過改變長縫隙和短縫隙的朝向來改變反射和透射波的旋向，得到左旋圓極化轉(zhuǎn)換表面或者右旋圓極化轉(zhuǎn)換表面。
[0015]本發(fā)明利用次波長諧振結(jié)構(gòu)在工作頻段內(nèi)會出現(xiàn)電磁諧振的特性，適當(dāng)調(diào)節(jié)次波長諧振結(jié)構(gòu)的形狀尺寸來實現(xiàn)空氣的完美匹配。極化轉(zhuǎn)換表面由很多個次波長諧振結(jié)構(gòu)單元周期排列而成，由于結(jié)構(gòu)尺寸處于次波長范圍，可以等效為均勻介質(zhì)極化轉(zhuǎn)換表面。每個單元頂層圓極化貼片和底層旋向相反圓極化貼片的兩個部分結(jié)合可實現(xiàn)任意入射電磁波的極化控制與轉(zhuǎn)換。
[0016]本發(fā)明與【背景技術(shù)】相比具有的有益效果是:
[0017]本發(fā)明設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，厚度薄(3mm)，只有對應(yīng)工作頻率處微波波長的十七分之一〇
[0018]本發(fā)明設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸小，單元尺寸低于工作波長的1/4,可以視為均勻介質(zhì)。
[0019]本發(fā)明的性能極好，經(jīng)過實例仿真驗證，在工作頻率上，入射左旋圓極化分量以右旋圓極化波的形式全反射，損耗僅〇.2dB左右;入射右旋圓極化分量以右旋圓極化波的形式全透射，傳輸損耗僅0.3dB左右。
[0020]本發(fā)明結(jié)構(gòu)多變，可以針對不同的頻帶要求設(shè)計不同的形狀和大小，可以根據(jù)轉(zhuǎn)換要得到的極化的旋向通過改變縫隙朝向來實現(xiàn)不同旋向的極化轉(zhuǎn)換表面。[0021 ]本發(fā)明可靈活地控制電磁波的極化狀態(tài)以及選擇性的透射和反射，在成像、天線、 通訊系統(tǒng)、電磁對抗與治理以及軍事隱身等領(lǐng)域有許多重要的應(yīng)用?！靖綀D說明】
[0022]圖1為本發(fā)明次波長諧振單元頂層、中間層和底層的表面示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明次波長諧振單元頂層、中間層和底層的疊層示意圖。
[0024]圖3為組裝后的整體極化轉(zhuǎn)換表面實例頂層、中間層和底層的表面示意圖。
[0025]圖4為實施例在左旋圓極化波入射情況下表面端口以左旋圓極化波形式的反射特性。
[0026]圖5為實施例在左旋圓極化波入射情況下表面端口以右旋圓極化波形式的反射特性。
[0027]圖6為實施例在左旋圓極化波入射情況下表面端口以左旋圓極化波形式的傳輸特性。
[0028]圖7為實施例在左旋圓極化波入射情況下表面端口以右旋圓極化波形式的傳輸特性。
[0029]圖8為實施例在右旋圓極化波入射情況下表面端口以左旋圓極化波形式的反射特性。
[0030]圖9為實施例在右旋圓極化波入射情況下表面端口以右旋圓極化波形式的反射特性。
[0031]圖10為實施例在右旋圓極化波入射情況下表面端口以左旋圓極化波形式的傳輸特性。
[0032]圖11為實施例在右旋圓極化波入射情況下表面端口以右旋圓極化波形式的傳輸特性。[〇〇33]圖中:1.頂層金屬銅片，2.上介質(zhì)板，3.中間接地金屬銅片，4.下介質(zhì)板，5.底層金屬銅片，6.通孔?！揪唧w實施方式】[〇〇34]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0035]本發(fā)明的實施例及其實施工作過程如下:
[0036]如圖3所示，具體實施的極化轉(zhuǎn)換表面主要由次波長諧振單元經(jīng)過橫向和縱向周期陣列得到。[〇〇37]如圖1和圖2所示，次波長諧振單元呈正方形結(jié)構(gòu)，包括五層材料，第一層為方形片狀帶縫隙的頂層金屬銅片1，第二層為起支撐作用的上介質(zhì)板2,第三層為中間接地金屬銅片3,第四層為起支撐作用的下介質(zhì)板4,第五層為方形片狀帶縫隙的底層金屬銅片5,中間接地金屬銅片3位于上介質(zhì)板2和下介質(zhì)板4之間；次波長諧振單元的五層材料上設(shè)有貫穿的通孔6,頂層金屬銅片1和底層金屬銅片5相正對擺放且相互之間極化旋向相反，之間具有 90旋向角度差。頂層金屬銅片1與底層金屬銅片5水平旋轉(zhuǎn)90度后的結(jié)構(gòu)吻合，或者說底層金屬銅片5與頂層金屬銅片1水平旋轉(zhuǎn)90度后的結(jié)構(gòu)吻合，底層金屬銅片5可由頂層金屬銅片1旋轉(zhuǎn)平移得到。[〇〇38]頂層金屬銅片1和底層金屬銅片5包括銅片和設(shè)在銅片上的相正交的兩組縫隙，每組縫隙包括兩個對稱的徑向地設(shè)置在銅片邊緣的條形縫隙；兩組縫隙的長度不同，每組縫隙的兩條條形縫隙長度相同，頂層金屬銅片1的兩組縫隙和底層金屬銅片5的兩組縫隙布置相反。
[0039]通孔6位于頂層金屬銅片1或底層金屬銅片5在兩條對角線除線端點(diǎn)和交叉點(diǎn)以外的任意一處，各層的通孔6同軸貫穿于頂層金屬銅片1、上介質(zhì)板2、中間接地金屬銅片3、下介質(zhì)板4和底層金屬銅片5。
[0040]如圖1所示，若通過圖左側(cè)的頂層金屬銅片1朝向電磁波接收則為右旋圓極化轉(zhuǎn)換表面，若通過圖右側(cè)的底層金屬銅片5朝向電磁波接收則為左旋圓極化轉(zhuǎn)換表面。
[0041]本發(fā)明提供的次波長諧振單元的實例基本尺寸如圖1所示。每個單元的長度和寬度均為a= 12mm，共由五層材料組成:頂層金屬銅片1和底層金屬銅片5的厚度為tm = 0.035mm，邊長為patch = 10.22mm;上介質(zhì)板2的介電常數(shù)為3.5的Rogers 4350B板材，其損耗角正切為〇.0017，厚度為ts = 1.5mm;中間接地金屬銅片3開有直徑為;r_big= 1mm的通孔 6;下介質(zhì)板層4,材料與上介質(zhì)板2—樣。
[0042]頂層金屬銅片1和底層金屬銅片5縫隙的寬度均為0.3mm。兩組縫隙的長度不同，長的縫隙為ly = 4.01mm，短的縫隙為lx = 2.41mm。在頂層金屬銅片1的對角線位置上距離中心距離水平和垂直分量均為bias = 1.8mm處設(shè)置直徑為r = 0.6mm的通孔，通孔直接穿過上介質(zhì)板2、中間接地金屬銅片3、下介質(zhì)板4,與底層的片狀方形金屬銅片相連。
[0043]本實例中的極化轉(zhuǎn)換表面頂層、中間和底層的效果圖如圖2所示，每個單元的橫向和縱向排列周期均為a = 12mm。
[0044]當(dāng)上述極化轉(zhuǎn)換表面工作時，入射到該表面上的左旋圓極化電磁波會在頂層金屬銅片1和接地金屬銅片3聯(lián)合作用下產(chǎn)生電諧振和磁諧振，形成了與自由空間相同的波阻抗。此時，完美匹配的左旋圓極化電磁波會被全波吸收進(jìn)入通孔6。其等效為一個同軸輸入端口。在該極化轉(zhuǎn)換表面的背面，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，通孔6中的電磁波能量會完美匹配透射到背面的自由空間中。由于背面的底層金屬銅片5的饋電位置與頂層金屬銅片1饋電位置剛好對稱，所以出來的極化方向直接變成了右旋的圓極化電磁波。即整個單元實現(xiàn)了垂直入射條件下，左旋圓極化電磁波到右旋圓極化電磁波的完美轉(zhuǎn)換。在斜入射條件下，由于交界面的不匹配性，入射的左旋圓極化電磁波會發(fā)生部分反射，且反射的電磁波為右旋圓極化電磁波。同時透射部分的電磁波仍然滿足出射后的圓極化電磁波為右旋。因此，無論自由空間中的左旋圓極化電磁波以什么角度入射到上述極化轉(zhuǎn)換表面，均能實現(xiàn)完美的極化轉(zhuǎn)化效果。
[0045]實施例實施過程中通過電磁仿真軟件CST進(jìn)行仿真，利用周期邊界得到該表面在入射電磁波為左旋圓極化波時能量全部以右旋圓極化波反射，當(dāng)入射電磁波為右旋圓極化波時能量全部以右旋圓極化波透射。不管是線極化波還是橢圓極化波，都可以分解為旋向相反的兩個圓極化波，也就是說任意波入射情況下，經(jīng)過本實例提供的極化轉(zhuǎn)換表面，其反射和透射波均為右旋圓極化波。
[0046]實施例利用CST頻域仿真得到的該極化轉(zhuǎn)換表面的散射參數(shù)如圖4-11所示。由圖 4_圖7可以看出，入射的左旋圓極化波均以右旋圓極化波的形式反射，由圖5可知在5.8GHz 頻率處其反射時的損耗只有0.2dB。由圖8-圖11可以看出，入射的右旋圓極化波均以右旋圓極化波的形式透射，由圖11可以看出在5.8GHz頻率處其傳輸損耗約為0.3dB。[〇〇47]本實例介紹的結(jié)構(gòu)工作頻率為5.8GHz，作用是任意極化的入射電磁波，其反射波和透射波都只有右旋圓極化波。
[0048]如果要工作在其他頻率，需要根據(jù)工作波長比例調(diào)整次波長諧振結(jié)構(gòu)單元的尺寸。同時可以通過調(diào)整頂層和底層的縫隙長度來改變圓極化的旋向。[〇〇49]以上所述，僅是本發(fā)明的在5.8GHz特定頻率的較佳實例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或修飾為等同變化的等效實例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實例所作的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面，其特征在于:所述極化轉(zhuǎn)換表面主要由 次波長諧振單元經(jīng)過橫向和縱向周期陣列得到，次波長諧振單元呈正方形結(jié)構(gòu)，包括五層 材料，第一層為方形片狀帶縫隙的頂層金屬銅片(1)，第二層為起支撐作用的上介質(zhì)板(2)， 第三層為中間接地金屬銅片(3)，第四層為起支撐作用的下介質(zhì)板(4)，第五層為方形片狀 帶縫隙的底層金屬銅片(5)，中間接地金屬銅片(3)位于上介質(zhì)板(2)和下介質(zhì)板(4)之間； 次波長諧振單元的五層材料上設(shè)有貫穿的通孔(6)，頂層金屬銅片(1)和底層金屬銅片(5) 相正對擺放且相互之間極化旋向相反。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面，其特征在于:當(dāng)空 氣中的無線微波信號輻射到所述極化轉(zhuǎn)換表面的一側(cè)表面上時，極化轉(zhuǎn)換表面的每個所述 次波長諧振單元在工作頻帶內(nèi)會同時發(fā)生電諧振和磁諧振，將無線微波信號吸收并通過通 孔(6)饋給另一側(cè)表面并輻射出去，進(jìn)而完成極化的轉(zhuǎn)換。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面，其特征在于:所述 的頂層金屬銅片(1)和底層金屬銅片(5)包括銅片和設(shè)在銅片上的相正交的兩組縫隙，每組 縫隙包括兩個對稱的徑向地設(shè)置在銅片邊緣的條形縫隙;通孔(6)位于頂層金屬銅片(1)或 底層金屬銅片(5)對角線位置上，通孔(6)同軸貫穿于頂層金屬銅片(1)、上介質(zhì)板(2)、中間 接地金屬銅片(3)、下介質(zhì)板(4)和底層金屬銅片(5)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于次波長諧振結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換表面，其特征在于:所述 的兩組縫隙的長度不同，每組縫隙的兩條條形縫隙長度相同，頂層金屬銅片(1)的兩組縫隙 和底層金屬銅片(5)的兩組縫隙布置相反，通過調(diào)整兩組縫隙的位置實現(xiàn)左旋圓極化轉(zhuǎn)化 和右旋圓極化轉(zhuǎn)換。
【文檔編號】H01Q15/24GK106033846SQ201610529127
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】葉德信, 曹成, 皇甫江濤, 冉立新
【申請人】浙江大學(xué)