CN109687157B - 基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面 - Google Patents

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Abstract

一种基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面，包括m×n个周期性排布的超表面单元，超表面单元包括介质基板、印制在介质基板一个侧面的金属贴片单元和另一个侧面的金属地板，金属贴片单元由两个开口方向相差180°且呈镜像对称的U型金属贴片，以及串联该两个U型金属贴片的金属微带线组成，当入射电磁波的电场方向从y轴即U型金属贴片的开口方向逐渐向x轴方向旋转时，触发吸波率逐渐减小，同时触发实现电磁波线极化‑圆极化‑线极化特性，且当入射电磁波的电场方向位于x轴和y轴的角分线上时，极化转换率最好。本发明通过改变电磁波电场方向可以分别触发实现吸波与极化转换功能，可用于微波通信***中。

Description

基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面，可用于无线通信和雷达领域。
背景技术
超表面作为一种新型人工电磁材料，能够有效的根据需求来操控电磁波。为了满足无线通信***的要求，通过超表面实现吸波、极化转换等功能已经成为研究热点。例如：授权公告号为CN 104638382 B，名称为“一种双频超材料吸波体”的专利，公开了一种双频超材料吸波体，利用其顶层的金属方环和金属方环内的金属圆环两种结构产生两个不同的电磁谐振吸波频点，但是该结构仅能实现吸波功能，不能实现极化转换功能。例如，授权公告号为CN 104577352 B，名称为“一种微波频段有源频率选择表面可调极化转换器”的专利，公开了一种微波频段有源频率选择表面可调极化转换器，通过控制频率选择表面上PIN二极管的通断状态，实现圆极化或线极化电磁波的输出，但其只能实现极化转换功能，无法实现吸波功能。
随着无线通信***的发展，对***功能集成化的要求越来越高，但现有的吸波体和极化转换器通常仅能实现各自功能，并没有实现结构共用，因此能够实现两种功能的超表面对雷达探测等无线通信***的集成化具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面，旨在利用同一种超表面结构仅通过改变入射波的电场方向分别触发实现吸波和极化转换两种功能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面，包括m×n个周期性排布的超表面单元，m≥2,n≥2，上述超表面单元包括介质基板1、印制在该介质基板1一侧的金属地板2和另一侧的金属贴片单元3，上述金属贴片单元3，由两个开口方向相差180°且呈镜像对称的U型金属贴片31，以及串联该两个U型金属贴片31的金属微带线32组成，当入射电磁波的电场方向从y轴即U型金属贴片31的开口方向的正方向逐渐向x轴负方向或从y轴负方向逐渐向x轴正方向旋转时，触发吸波率逐渐减小，同时触发实现电磁波线极化-左旋圆极化-线极化特性，且当入射电磁波的电场方向位于正x轴和负y轴的角分线上时，极化转换率最好；当入射电磁波的电场方向从y轴正方向逐渐向x轴正方向或从y轴负方向逐渐向x轴负方向旋转时，触发吸波率逐渐减小，同时触发实现电磁波线极化-右旋圆极化-线极化特性，且当入射电磁波的电场方向位于正x轴和正y轴的角分线上时，极化转换率最好。
上述基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面，其中U型金属贴片31，采用方U型贴片结构，金属微带线32，采用矩形微带结构，金属贴片单元3中的两个U型金属贴片31的开口方向相背，且该两个U型金属贴片31与金属微带线32的连接点位于U型金属贴片31底边的中点。
上述基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面，其超表面单元的吸波频率fa满足
Figure BDA0001926182250000021
其中，c为电磁波在自由空间中传播速度，da为第一个U型金属贴片31一端到金属微带线连接点长度a1+b/2、金属微带线32长度a2及第二个U型金属贴片31一端到金属微带线连接点长度a1+b/2之和，εr为介质基板1的相对介电常数；上述超表面单元，其极化转换频率fp在反射频段且fp＞fa，通过调节U型金属贴片底边的线宽w2调整反射电磁波两个正交分量的相位差进而调整极化转换频率fp的范围。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明中仅通过改变入射电磁波的电场方向，分别触发实现了吸波和极化转换两种功能，与现有技术相比，采用同一种超表面实现现有两种超表面的功能，实现结构共用，使***功能更加容易集成化。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的金属贴片单元示意图；
图3是本发明实施例的吸波率仿真结果图；
图4是本发明实施例的反射波的两个正交分量幅值、相位仿真结果图；
图5是本发明实施例的轴比仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明包括10×10个周期性排布的超表面单元，超表面单元在x和y方向上的排布周期均为10mm，其由介质基板1、金属地板2和金属贴片单元3组成；介质基板1的相对介电常数εr＝4.4，厚度为2mm，损耗角正切值δ＝0.02，其一个侧面印制有金属地板2，另一个侧面印制有金属贴片单元3。
参照图2，金属贴片单元3由两个开口方向相差180°、呈镜像对称且开口相背的U型金属贴片31，以及串联该两个U型金属贴片31的金属微带线32组成，其吸波谐振频率满足
Figure BDA0001926182250000031
c为电磁波在自由空间中传播速度，da为第一个U型金属贴片31一端到金属微带线连接点长度a1+b/2、金属微带线32长度a2及第二个U型金属贴片31一端到金属微带线连接点长度a1+b/2之和，εr为介质基板1的相对介电常数，本实施例中取a1＝2.25mm，a2＝2.5mm，w1＝0.1mm，w2＝0.7mm，b＝2.5mm，本实施例的吸波频率为5.25GHz，极化转换频率为15GHz，。
本发明的工作原理是，当沿-z方向传播的入射电磁波为线极化波且电场方向平行于y轴时，超表面单元在设计吸波频率处产生谐振，利用介质基板的损耗在谐振频率实现吸波功能；当沿-z方向传播的入射电磁波电场方向位于x轴和y轴的角分线上时，通过超表面单元可以在极化转换频率处同时产生沿+z方向传播的x极化、y极化两种反射电磁波分量，且两种分量的相位差相对于入射电磁波变化了90°，从而实现极化转换功能。例如，入射波为线极化波且电场方向位于正x轴和正y轴的角分线上时，反射波的y极化与x极化两分量幅度比约为1：1，且
Figure BDA0001926182250000032
实现线极化到右旋圆极化的转换；入射波为右旋圆极化波时且电场方向位于正x轴和正y轴的角分线上时，反射波的y极化与x极化两分量幅度比约为1：1，且
Figure BDA0001926182250000033
实现右旋圆极化到线极化的转换。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
1、仿真条件和内容。
以下基于本发明实施例开展的仿真实验，均利用CST MICROWAVE STUDIO仿真软件完成。
仿真1，对本发明实施例在4.5～6GHz频率下的吸波效果进行了仿真，仿真结果如图3所示；
仿真2，对本发明实施例在14～17GHz频率范围内入射电磁波经超表面单元反射后两个正交分量幅值之比以及两个正交分量的相位差进行了仿真，仿真结果如图4所示；
仿真3，对本发明实施例在14～16.5GHz频率范围内入射线极化波通过超表面转化成圆极化的轴比进行了仿真，仿真结果如图5所示。
2、仿真结果分析
参照图3，本实施例中，入射电磁波为线极化波且电场方向平行于y轴保持不变，入射角θ从0°旋转到60°，超表面在5.25GHz频率下吸波效果良好。入射角θ在0°～60°范围内，超表面在5.25GHz频率下吸波率大于90％。参照图2，超表面单元关于y轴对称，因此入射角在0°～60°范围内变化和0°～-60°范围内变化效果相同，在5.25GHz频率下，对于实施例中的超表面，入射角θ在-60°～60°范围内变化时吸波率大于90％，因此，实施例中超表面在5.25GHz频率下的吸波效果良好。
参照图4，本实施例中，入射电磁波为线极化波且电场方向位于正x轴和正y轴的角分线上，入射波通过超表面单元反射后，在14～17GHz频率范围内，反射波平行于x轴和y轴的两个分量幅度比值均在0.930～0.980范围内，相位差
Figure BDA0001926182250000041
均在-114.0°～-72.7°范围内，因此可以完成线极化波到圆极化波的转化。
参照图5，本实施例中，入射电磁波为线极化波且极化方向与电场方向位于正x轴和正y轴的角分线上，入射波通过超表面反射后，在14～16.5GHz频率范围内完成线极化波到右旋圆极化波的转化，圆极化轴比在14.4～16.2GHz频率范围内小于2dB，圆极化效果良好。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面，包括m×n个周期性排布的超表面单元，m≥2,n≥2，所述超表面单元包括介质基板(1)、印制在该介质基板(1)一侧的金属地板(2)和另一侧的金属贴片单元(3)，其特征在于，所述金属贴片单元(3)，由两个开口方向相差180°且呈镜像对称的U型金属贴片(31)，以及串联该两个U型金属贴片(31)的金属微带线(32)组成，其中U型金属贴片(31)，采用方U型贴片结构，金属微带线(32)，采用矩形微带结构，两个U型金属贴片(31)与金属微带线(32)的连接点位于U型金属贴片(31)底边的中点；当入射电磁波的电场方向从y轴方向即U型金属贴片(31)的开口方向逐渐向x轴方向旋转时，触发吸波率逐渐减小，同时触发实现电磁波线极化-圆极化-线极化特性，且当入射电磁波的电场方向位于x轴和y轴的角分线上时，极化转换率最好。
2.根据权利要求1所述的基于电场触发的可操控吸波与极化转换功能的超表面，其特征在于，所述超表面单元，其吸波谐振频率fa的计算公式为：
Figure FDA0002910169640000011
其中，c为电磁波在自由空间中传播速度，da为一个U型金属贴片长度及金属微带线长度之和，εr为介质基板的相对介电常数；所述超表面单元，其极化转换频率fp在反射频段且fp＞fa，通过调节U型金属贴片底边的线宽w2调整反射电磁波两个正交分量的相位差进而调整极化转换频率fp的范围。
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