CN109818152A - 一种基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于谐振腔超表面的线‑圆极化转化器，用于解决现有超表面无法实现双波束双圆极化且波束同时调控的问题，包括e×f个周期性排布的超表面单元，e≥2,f≥2，所述超表面单元，包括l个超表面子单元，l≥3，所述超表面子单元，包括介质基板、印制在该介质基板上下板面的金属贴片，印制在上下板面的金属贴片分别蚀刻有方C型缝隙和矩形缝隙，且每个超表面子单元临近周边的位置，设置有多个金属化过孔；当x极化波沿正z轴传播时，透射波为一个左旋圆极化波和一个右旋圆极化波，且这两个圆极化波的传播方向关于x轴对称。本发明在实现双极化转化的同时，对双波束指向实现调控，可用于卫星及雷达探测等无线通信***。

Description

一种基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，可用于无线通信和雷达领域。

背景技术

极化方式是电磁波的最基本特征之一，常见的极化方式有线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化又可分为左旋圆极化和右旋圆极化。在不同的无线通信***中，对电磁波的极化方式要求是不同的。比如地面与卫星之间使用圆极化电磁波进行通信，雷达***用两种正交的线极化或者两种正交的圆极化电磁波进行探测扫描等。

随着科技的日益发展，卫星等无线通信***朝着多功能化、小型化发展，对电磁调控设备的个性化要求也越来越高，因此能够同时实现多种极化状态及波束指向调控的电磁设备对卫星及雷达探测等无线通信***具有重要的意义。现有的对于电磁波的调控设计，通常仅能在实现单波束极化状态转换的同时实现波束指向的偏折，难以实现分波设计并同时操控各个波束分量的极化状态与波束指向。例如，申请公布号为CN 108429015 A，名称为“一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜”的中国专利，公开了一种凹面反射镜结构，该结构使用不同尺寸的人造结构单元，实现了极化状态与波束指向的同时调控，但其同时仅能实现一种极化状态的调控。再如，申请公布号为CN 108183291 A，名称为“一种基于SIW的透射型多层极化转换结构”的中国专利，公开了一种基于SIW的透射型多层极化转换结构，该结构通过在三个金属层中采用SIW结构，实现了电场在该结构中的偏转，但其仅能实现线极化之间的转换且波束指向无法调控。

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，提出一种基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，旨在利用谐振腔超表面实现极化转化器双波束双圆极化且波束指向可调的特性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，包括e×f个周期性排布的超表面单元，e≥2,f≥2，其特征在于，所述超表面单元，包括l个均匀排布的超表面子单元1，l≥3，所述超表面子单元1包括介质基板11、印制在介质基板11上板面的第一金属贴片12和下板面的第二金属贴片13，该超表面子单元1临近周边的位置，设置有多个连接第一金属贴片12和第二金属贴片13的金属化过孔14；所述第一金属贴片12的中心位置蚀刻有方C形缝隙121；所述第二金属贴片13上蚀刻有矩形缝隙131；以超表面单元两端的任意一个超表面子单元1为起点，第c个超表面子单元1中方C形缝隙121的开口方向相对于起点位置的超表面子单元1中方C形缝隙的开口方向的旋转角度为β_c，β_c＝(c-1)*δ'，1≤c≤l，δ'＝360°/l。

上述基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，所述方C形缝隙121，其几何中心与第一金属贴片12的几何中心重合，且该方C形缝隙121的三边长度相等。

上述基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，所述多个金属化过孔14，相邻金属化过孔中心之间的距离为D，且D＜4d，d是金属化过孔的直径，λ₀为电磁波在自由空间的波长，ε_r是介质基板的相对介电常数。

上述基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，超表面子单元1临近周边的位置设置的多个金属化过孔14和印制在介质基板11上板面的第一金属贴片12，下板面的第二金属贴片13形成一个谐振腔，谐振腔的谐振模式为TM_mn0，m≥1,n≥1，谐振腔的谐振频率为f_r：

其中，c₀是光速，d是金属化过孔的直径，D是每个方C形缝隙单侧设置的多个金属化过孔中相邻孔中心的距离，ε_r是介质基板的相对介电常数，W和L是超表面子单元的两个边长。

上述基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，所述l个矩形缝隙131，其长边与超表面子单元的排列方向平行。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明中超表面子单元临近周边位置的多个金属化过孔形成谐振腔，用于在谐振腔中产生谐振模式TM₁₁₀，通过方C形缝隙开口方向不同使通过不同方C形缝隙电磁波的电场方向不同，并通过相邻方C形缝隙开口方向依次旋转且在一个超表面单元中总旋转角为360°，使得左旋圆极化分量和右旋圆极化分量的相位梯度相反，解决了现有极化转换器仅能在实现单波束极化状态转换的同时实现波束指向的调控，实现了极化转换器的双波束双圆极化及波束指向可调的特性。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体结构示意图；

图2是本发明实施例1的超表面单元示意图；

图3是本发明实施例1的超表面子单元示意图；

图4是本发明实施例1的超表面子单元上下表面示意图；

图5是本发明超表面子单元的透射率和透射相位在15GHz随方C形缝隙开口方向变化图；

图6是本发明超表面子单元的等效圆极化透射率和透射相位在15GHz随方C形缝隙开口方向；

图7是本发明实施例1、2、3、4在15GHz时yz平面归一化远场强度；

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。

实施例1

参照图1，本发明包括4×16个周期性排布的超表面单元，所述超表面单元，在x轴和y轴的排布周期分别为：8.16mm和32.64mm。

参照图2，所述超表面单元，包括4个均匀排布的超表面子单元1。

参照图3，所述超表面子单元1，四边长度均为p且p＝8.16mm，包括介质基板11、印制在介质基板11上板面的第一金属贴片12和下板面的第二金属贴片13；介质基板31的相对介电常数ε_r＝3.5，厚度为3mm，该超表面子单元1临近周边的位置，设置有32个连接第一金属贴片12和第二金属贴片13的金属化过孔14，相邻金属化过孔中心之间的距离为D＝1.02mm，金属化过孔的直径d＝0.6mm，所述32个金属化过孔14，和第一金属贴片12，第二金属贴片13形成一个谐振腔，谐振腔的谐振模式为TM₁₁₀，谐振腔的谐振频率为15GHz；所述第一金属贴片12的中心位置蚀刻有方C形缝隙121；所述第二金属贴片13上蚀刻有矩形缝隙131；以超表面单元两端的任意一个超表面子单元1为起点，第c个超表面子单元1中方C形缝隙121的开口方向相对于起点位置的超表面子单元1中方C形缝隙的开口方向的旋转角度为β_c，β_c＝(c-1)*δ'，1≤c≤4，δ'＝90°，每个方C形缝隙321用于控制通过该方C形缝隙321电磁波的电场方向，使电磁波的电场方向与方C形缝隙321的开口方向平行。

参照图4(a)，所述方C形缝隙121，其几何中心与第一金属贴片12的几何中心重合，且该方C形缝隙121的三边长度相等且长度为a，宽度t＝0.4mm。

参照图4(b)，所述矩形缝隙131，长度为b，宽度t＝0.4mm，其长边与超表面子单元的排列方向平行且矩形缝隙131几何中心与第二金属贴片13几何中心的距离为s＝3mm。

所述方C形缝隙41开口方向与x轴正向夹角为δ，当δ变化时，为保证超表面子单元1的传输频率在15GHz，需要对尺寸a和b进行微调，且当δ＝0°时，a＝2.63mm，b＝5.27mm。

实施例2，本实施例的结构与实施例1中的结构相比，仅对如下结构作调整：

本发明包括2×16个周期性排布的超表面单元，所述超表面单元，在x轴和y轴的排布周期分别为：8.16mm和65.28mm。所述超表面单元，包括8个均匀排布的超表面子单元1，以超表面单元两端的任意一个超表面子单元1为起点，第c个超表面子单元1中方C形缝隙121的开口方向相对于起点位置的超表面子单元1中方C形缝隙的开口方向的旋转角度为β_c，β_c＝(c-1)*δ'，1≤c≤8，δ'＝45°。

实施例3，本实施例的结构与实施例1中的结构相比，仅对如下结构作调整：

本发明包括3×18个周期性排布的超表面单元，所述超表面单元，在x轴和y轴的排布周期分别为：8.16mm和48.96mm。所述超表面单元，包括6个均匀排布的超表面子单元1，以超表面单元两端的任意一个超表面子单元1为起点，第c个超表面子单元1中方C形缝隙121的开口方向相对于起点位置的超表面子单元1中方C形缝隙的开口方向的旋转角度为β_c，β_c＝(c-1)*δ'，1≤c≤6，δ'＝60°。

实施例4，本实施例的结构与实施例1中的结构相比，仅对如下结构作调整：

本发明包括6×18个周期性排布的超表面单元，所述超表面单元，在x轴和y轴的排布周期分别为：8.16mm和24.48mm。所述超表面单元，包括6个均匀排布的超表面子单元1，以超表面单元两端的任意一个超表面子单元1为起点，第c个超表面子单元1中方C形缝隙121的开口方向相对于起点位置的超表面子单元1中方C形缝隙的开口方向的旋转角度为β_c，β_c＝(c-1)*δ'，1≤c≤3，δ'＝120°。

本发明的工作原理是，矩形缝隙131用于将沿z方向传播的x极化电磁波耦合进谐振腔形成谐振模式TE₁₀₁，方C形缝隙121用于将TE₁₀₁模式释放出来形成透射波通超表面子单元透射波的电场方向与该超表面子单元中方C形缝隙121的开口方向相同，而任何一种极化的电磁波都可以等效为两个正交圆极化电磁波的叠加，超表面单元中相邻超表面子单元1中的方C形缝隙121按照相同方向旋转且l个方C形缝隙121开口方向完成360°的变化，而透射波的等效右旋相位和等效左旋相位分别满足因此该超表面在y方向的相位梯度为透射波的右旋圆极化和左旋圆极化分量的折射角分别为-θ和θ。因此，本发明中的极化转化器可以将入射的线极化电磁波分成一个左旋圆极化波和一个右旋圆极化波，且这两个圆极化波传播的方向关于x轴对称，既实现了双异常折射又实现了线极化到圆极化的转换。

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，对超表面子单元在15GHz时的透射率和透射相位随δ变化进行仿真，仿真结果如图5(a)和图5(b)所示；

仿真2，对超表面子单元在15GHz时的等效圆极化透射率和透射相位随δ变化进行仿真，仿真结果如图6(a)和图6(b)所示；

仿真3，对本发明实施例1、2、3、4的yz平面归一化远场强度进行仿真，仿真结果如图7(a)、7(b)、7(c)和7(d)所示。

2、仿真结果分析

参照图5(a)和图5(b)，超表面子单元在谐振传输频率点15GHz的透射率和透射相位在方C形缝隙的开口方向与x轴的夹角从0°变化到90°时，总透射率|T|²＝|T_xx|²+|T_yx|²≈1及透射相位在谐振传输频率点基本上可以分别保持在100％和0°左右，不随方C形缝隙开口方向与x轴的夹角的变化而变化。

参照图6(a)，超表面子单元在谐振传输频率点15GHz的等效右旋圆极化和左旋圆极化分量各占一半的传输能量，且不随方C形缝隙开口方向与x轴的夹角的变化而变化。

参照图6(b)，超表面子单元在谐振传输频率点15GHz的等效右旋相位和等效左旋相位的数值互为相反数，且其随着δ变化的斜率为相反的两个常数，这种等效圆极化波的传输特性，可以通过简单的旋转谐振腔超表面的方C形缝隙的开口方向去调控右旋和左旋圆极化波的等效传输相位，且在旋转方C形缝隙开口方向时可以保持等效圆极化波的传输幅度不变化，根据广义Snell定律，超表面单元的相位梯度为透射波的右旋圆极化和左旋圆极化分量的折射角分别为-θ和θ。

参照图7(a)，实施例1中l＝4，则δ'＝360°/l＝90°，由此计算得到相位梯度为因此设计异常折射角θ＝38°，仿真结果的波束指向及圆极化特性与设计结果一致，实现了双折射的极化转化。

参照图7(b)，实施例2中l＝8，则δ'＝360°/l＝45°，由此计算得到相位梯度为因此设计异常折射角θ＝18°，仿真结果的波束指向及圆极化特性与设计结果一致，实现了双折射的极化转化。

参照图7(c)，实施例3中l＝6，则δ'＝360°/l＝60°，由此计算得到相位梯度为因此设计异常折射角θ＝24°，仿真结果的波束指向及圆极化特性与设计结果一致，实现了双折射的极化转化。

参照图7(d)，实施例1中l＝3，则δ'＝360°/l＝120°，由此计算得到相位梯度为因此设计异常折射角θ＝54°，仿真结果的波束指向及圆极化特性与设计结果一致，实现了双折射的极化转化。

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 (5)

1.一种基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，包括e×f个周期性排布的超表面单元，e≥2,f≥2，其特征在于，所述超表面单元，包括l个均匀排布的超表面子单元(1)，l≥3，所述超表面子单元(1)包括介质基板(11)、印制在介质基板(11)上板面的第一金属贴片(12)和下板面的第二金属贴片(13)，该超表面子单元(1)临近周边的位置，设置有多个连接第一金属贴片(12)和第二金属贴片(13)的金属化过孔(14)；所述第一金属贴片(12)的中心位置蚀刻有方C形缝隙(121)；所述第二金属贴片(13)上蚀刻有矩形缝隙(131)；以超表面单元两端的任意一个超表面子单元(1)为起点，第c个超表面子单元(1)中方C形缝隙(121)的开口方向相对于起点位置的超表面子单元(1)中方C形缝隙的开口方向的旋转角度为β_c，β_c＝(c-1)*δ'，1≤c≤l，δ'＝360°/l。

2.根据权利要求1所述的基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，其特征在于，所述方C形缝隙(121)，其几何中心与第一金属贴片(12)的几何中心重合，且该方C形缝隙(121)的三边长度相等。

3.根据权利要求1所述的基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，其特征在于，所述多个金属化过孔(14)，相邻金属化过孔中心之间的距离为D，且D＜4d，d是金属化过孔的直径，λ₀为电磁波在自由空间的波长，ε_r是介质基板的相对介电常数。

4.根据权利要求1所述的基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，其特征在于，超表面子单元(1)临近周边的位置设置的多个金属化过孔(14)和印制在介质基板(11)上板面的第一金属贴片(12)，下板面的第二金属贴片(13)形成一个谐振腔，谐振腔的谐振模式为TM_mn0，m≥1,n≥1，谐振腔的谐振频率为f_r：

其中，c₀是光速，d是金属化过孔的直径，D是每个方C形缝隙单侧设置的多个金属化过孔中相邻孔中心的距离，ε_r是介质基板的相对介电常数，W和L是超表面子单元的两个边长。

5.根据权利要求1所述的基于谐振腔超表面的线-圆极化转化器，其特征在于，所述l个矩形缝隙(131)，其长边与超表面子单元的排列方向平行。