CN109361067B - 一种使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器 - Google Patents

一种使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器 Download PDF

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Abstract

一种使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，包括20乘20个周期性排列的谐振单元，采用立体的人工电磁结构，用于将任意入射方向电磁波的极化角度偏转90度；每个谐振单元包括4根相同结构但排列方向不同的柱体，金属地基板和填充在铜基板中的绝缘体铁氟龙；4根结构相同但排列方向不同的柱体分别为第一柱体、第二柱体、第三柱体以及第四柱体；第一柱体包括两根第一L形柱体和第二L型柱体，第二柱体的排列方向与第一柱体逆时针旋转90度后的方向一致，第三柱体的排列方向与第二柱体逆时针旋转90度后的方向一致，第四柱体的排列方向与第三柱体逆时针旋转90度后的方向一致；比传统的极化转换器，结构简单，适应任意入射角度，损耗小，效率高。

Description

一种使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器
技术领域
本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器。
背景技术
人工电磁结构是具有特殊电磁特性的人工结构，由特定几何形状的亚波长人工结构基本单元非周期或周期排列构成。目前关于人工电磁结构的物理特性研究，及其在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等领域的应用研究开始成为国际物理学和电磁学界的研究热点。
电磁波极化定义为电场矢量末端空间的运动轨迹，对电磁波极化的控制是电磁波空间传播研究的重要组成部分。不同极化方式应用于不同场合。电磁波的极化特性在卫星通信，雷达接收抗干扰，航空航天，军事，医疗，以及目标探测、识别、编码、抽样等领域和方向中得到广泛应用。
线极化电磁波在自由空间中传播时，由于空间环境的复杂性，会产生散射、折射和衍射等效应，从而改变电磁波的极化方向。当电磁波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，会降低接收效率，而当二者的极化方向正交时，天线则几乎接收不到电磁信号。将接收信号极化方向偏转到与接收天线极化方向，可使天线具有最佳接收效率。传统的极化转换器转换效率低、只适用单一电磁波入射方向、结构复杂、厚度较厚，无法满足现在通信***低失真、适应性广、低剖面的要求，降低了通信***的有效性和集成度。因此，设计出适用于任意电磁能量入射方向、高效率的极化转换装置愈发重要，本发明利用一种立体人工电磁结构制成了一种极化转化器，很好地克服了上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于采用立体人工电磁结构，提出了一种将任意方向电磁波极化偏转90度的极化转换器，与传统的极化转换器相比，结构简单，适应任意入射角度，损耗可以忽略，效率高；一种使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，包括20乘20个周期性排列的谐振单元，采用立体的人工电磁结构，用于将任意入射方向电磁波的极化角度偏转90度；每个谐振单元包括4根相同结构但排列方向不同的柱体，金属地基板和填充在铜基板中的绝缘体铁氟龙；4根结构相同但排列方向不同的柱体分别为第一柱体、第二柱体、第三柱体以及第四柱体；第一柱体包括两根第一L形柱体和第二L型柱体，第一L形柱体和第二L型柱体规格相同，第一L形柱体分竖段和横段，第二L型柱体分前段和后段，前段与横段连接，后段垂直于竖段和横段以及前段所形成的的平面并与前段连接；第一柱体、第二柱体、第三柱体以及第四柱体分别位于金属地基板的右下角、右上角、左上角和左下角，第二柱体的排列方向与第一柱体逆时针旋转90度后的方向一致，第三柱体的排列方向与第二柱体逆时针旋转90度后的方向一致，第四柱体的排列方向与第三柱体逆时针旋转90度后的方向一致。
优选的，所述第一柱体、第二柱体、第三柱体以及第四柱体均为铜制材料。
优选的，第一柱体、第二柱体、第三柱体以及第四柱体半径均为0.5mm。
优选的，所述第一柱体、第二柱体、第三柱体以及第四柱体的总高度即z方向的高度均为11.2mm，每个柱体中竖段的长度与横段加后段的长度相同，均为11mm。
优选的，所述金属地基板为铜制金属地基板，体积为20mm乘20mm乘2mm。
优选的，所述绝缘体铁氟龙的相对介电常数2.1，外半径1mm，内半径0.5mm，高度2mm。
优选的，所述每个谐振单元仅占用20mm乘20mm乘11.2mm的体积。
优选的，所述谐振单元的参数可调节，谐振频率和工作频点均可调节。
本发明的有益效果：本发明与传统的极化转换器相比，采用形式新颖的人工电磁结构，能够实现对任意方向线极化电磁波的90度极化偏转，结构简单且易于加工，通过调节谐振单元各个参量大小，可以方便的实现对于谐振频率，工作频点的调节；本发明中的每个谐振单元仅占用20mm乘20mm乘11.2mm，占用体积很小，与现代无线通信中对于设备小型化的要求契合度很好；在中心工作频点5.8GHz处，对于任意极化方向的线极化电磁波均能实现高于99%的极化方向转换，高于传统的极化转换器，弥补了传统极化转换器转换效率较低、对各个入射角度能量极化转换性能差的缺点；本发明采用传导耦合，是一种新型极化转换方式；本发明中的谐振单元能够进行周期性扩展，结构灵活，易于量产，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明总谐振阵列结构示意图；
图2是本发明下谐振单元正面示意图；
图3是本发明第一柱体示意图；
图4是为极化转换机制说明图；
图5是为与X轴呈0度、30度、60度和90度的电磁波入射时，阵列的回波损耗特性S11；
图6是为与X轴呈0度、30度、60度和90度的电磁波入射时，阵列极化转换的效率。
1、第一柱体；11、竖段；12、横段；13、前段；14、后段；2、第二柱体；3、第三柱体；4、第四柱体；5、绝缘体铁氟龙；6、金属地基板；A、谐振单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-6所示的一种实施方式，一种使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，包括20乘20个周期性排列的谐振单元A，采用立体的人工电磁结构，用于将任意入射方向电磁波的极化角度偏转90度，每个谐振单元A仅占用20mm乘20mm乘11.2mm的体积，谐振单元A的参数可调节，谐振频率和工作频点均可调节；每个谐振单元A包括4根相同结构但排列方向不同的柱体，金属地基板6和填充在铜基板中的绝缘体铁氟龙5，金属地基板6为铜制金属地基板，体积为20mm乘20mm乘2mm，绝缘体铁氟龙5的相对介电常数2.1，外半径1mm，内半径0.5mm，高度2mm；4根结构相同但排列方向不同的柱体分别为第一柱体1、第二柱体2、第三柱体3以及第四柱体4，第一柱体1、第二柱体2、第三柱体3以及第四柱体4均为铜制材料，半径均为0.5mm；第一柱体1包括两根第一L形柱体和第二L型柱体，第一L形柱体和第二L型柱体规格相同，第一L形柱体分竖段11和横段12，第二L型柱体分前段13和后段14，前段13与横段12连接，后段14垂直于竖段11和横段12以及前段13所形成的的平面并与前段13连接，第一柱体1、第二柱体2、第三柱体3以及第四柱体4的总高度即z方向的高度均为11.2mm，每个柱体中竖段的长度与横段加后段的长度相同，均为11mm；第一柱体1、第二柱体2、第三柱体3以及第四柱体4分别位于金属地基板6的右下角、右上角、左上角和左下角，第二柱体2的排列方向与第一柱体1逆时针旋转90度后的方向一致，第三柱体3的排列方向与第二柱体2逆时针旋转90度后的方向一致，第四柱体4的排列方向与第三柱体3逆时针旋转90度后的方向一致。
极化转换机制为：当5.8GHz、任意极化方向的线极化能量入射到结构正面时，产生谐振，结构两面的L型铜柱上产生高强度表面电流，而因铜柱方向的特殊分布排列，表面电流的流向在背面将发生改变，这使得电磁能量在从结构正面透射到背面的过程中，极化方向完成90度偏转。
现以图4为例来详细说明本发明的极化转换机制：图4标明了球坐标系下各个坐标轴的方向；E表示5.8GHz的入射电磁波，方向为-Z轴，与X轴呈任意夹角φ，此时阵列谐振，L型结构上产生高强度的表面电流；Ex表示波沿X轴的分量，依靠图2中的第一柱体1和第三柱体3来完成极化方向转换，转换后的分量用Ex’表示；Ey表示波沿Y轴的分量，依靠图2中的结构2和4来完成极化方向转换，转换后的分量用Ey’表示；将Ex’和Ey’合成，可得到波完成极化方向转换后的方向E’；通过图4，可以清楚的发现E与E’呈90度夹角，电磁波实现了90度的极化偏转。
在图5和图6中做出了对于任意入射方向电磁波转换性能验证，如图中所示，在各个方向下，阵列的回波损耗S11与转换效率相同。这证明了任意夹角的电磁波入射到阵列时，极化方向均会偏转90度，与入射方向呈正交，效率超过99%。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，其特征在于：包括20乘20个周期性排列的谐振单元（A），采用立体的人工电磁结构，用于将任意入射方向电磁波的极化角度偏转90度；每个谐振单元（A）包括4根相同结构但排列方向不同的柱体，金属地基板（6）和填充在金属地基板（6）中的绝缘体铁氟龙（5）；4根结构相同但排列方向不同的柱体分别为第一柱体（1）、第二柱体（2）、第三柱体（3）以及第四柱体（4）；第一柱体（1）包括第一L形柱体和第二L型柱体，第一L形柱体和第二L型柱体规格相同，第一L形柱体分竖段（11）和横段（12），第二L型柱体分前段（13）和后段（14），前段（13）与横段（12）连接，后段（14）垂直于竖段（11）和横段（12）以及前段（13）所形成的平面并与前段（13）连接, 所述前段(13)与横段(12)连接的部分贯穿金属地基板（6），所述金属地基板（6）在柱体贯穿的位置开有圆孔，在圆孔与柱体的间隙中***绝缘体铁氟龙（5）；第一柱体（1）、第二柱体（2）、第三柱体（3）以及第四柱体（4）分别位于金属地基板（6）的右下角、右上角、左上角和左下角，第二柱体（2）的排列方向与第一柱体（1）逆时针旋转90度后的方向一致，第三柱体（3）的排列方向与第二柱体（2）逆时针旋转90度后的方向一致，第四柱体（4）的排列方向与第三柱体（3）逆时针旋转90度后的方向一致；所述第一柱体（1）、第二柱体（2）、第三柱体（3）以及第四柱体（4）均为铜制材料。
2.根据权利要求1所述的使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，其特征在于：第一柱体（1）、第二柱体（2）、第三柱体（3）以及第四柱体（4）半径均为0.5mm。
3.根据权利要求2所述的使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，其特征在于：所述第一柱体（1）、第二柱体（2）、第三柱体（3）以及第四柱体（4）的总高度即z方向的高度均为11.2mm，每个柱体中竖段的长度与横段加后段的长度相同，均为11mm。
4.根据权利要求3所述的使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，其特征在于：所述金属地基板（6）为铜制金属地基板，体积为20mm乘20mm乘2mm。
5.根据权利要求4所述的使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，其特征在于：所述绝缘体铁氟龙（5）的相对介电常数2.1，外半径1mm，内半径0.5mm，高度2mm。
6.根据权利要求5所述的使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，其特征在于：所述每个谐振单元（A）仅占用20mm乘20mm乘11.2mm的体积。
7.根据权利要求6所述的使任意方向电磁波极化偏转90度的极化转化器，其特征在于：所述谐振单元（A）的参数可调节，谐振频率和工作频点均可调节。
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