本實(shí)用新型屬于新型人工電磁媒質(zhì)以及無線通信系統(tǒng)電子器件領(lǐng)域，具體是一種圓極化器。
背景技術(shù)：
：圓極化波在衛(wèi)星和通信系統(tǒng)中具有非常重要的作用。在空間通信系統(tǒng)和遙感器件領(lǐng)域，圓極化波可以有效減少信號(hào)損耗，同時(shí)減少由于電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的極化反應(yīng)。在電子對(duì)抗領(lǐng)域，圓極化波可以檢測或擾亂除反向圓極化波外的任意極化的電磁波。更重要的是，加載于高速運(yùn)動(dòng)物體或旋轉(zhuǎn)物體上的圓極化天線可以在任意位置接收無線信號(hào)。因此近幾年來，圓極化波的產(chǎn)生方法引起了很多科研人員的興趣。目前有很多方法都可以實(shí)現(xiàn)從線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換，比如手性材料或者光子材料，彎折線結(jié)構(gòu)，光柵結(jié)構(gòu)和新型人工電磁表面等。但是現(xiàn)有圓極化器不具有波束賦性功能，同時(shí)體積較大。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，申請(qǐng)人提供了一種基于頻率選擇表面的具有波束賦形功能的圓極化器。本申請(qǐng)的技術(shù)方案具體為：一種基于頻率選擇表面的具有波束賦形功能的圓極化器，包括頻率選擇表面，所述頻率選擇表面包括介質(zhì)基板和位于介質(zhì)基板上的金屬結(jié)構(gòu)單元；所述金屬結(jié)構(gòu)單元包括若干縱橫排布的結(jié)構(gòu)相同或相似的結(jié)構(gòu)子單元；所述結(jié)構(gòu)子單元包括間隔分布的第一金屬帶、第二金屬塊和第三金屬條；所述第二金屬塊和第三金屬條各為兩個(gè)，分別對(duì)稱分布于第一金屬帶的兩側(cè)；所述第三金屬條的兩邊為弧形，一邊為直線。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，頻率選擇表面為兩層，頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)相同且布設(shè)方向一致。本方案涉及一種基于頻率選擇表面的具有波束賦形功能的圓極化器，包括介質(zhì)基底和位于所述介質(zhì)基底上的金屬結(jié)構(gòu)單元；所述金屬結(jié)構(gòu)單元包括多個(gè)形狀相同、尺寸相同(比例為1)或相似(比例不為1)的結(jié)構(gòu)子單元；不同位置的結(jié)構(gòu)子單元尺寸按比例縮放，對(duì)透射過的電磁波有不同的相位響應(yīng)，從而影響透過圓極化器后電磁波的等相位面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波束賦形。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述金屬單元結(jié)構(gòu)的金屬部分之間具有用以引入電容效應(yīng)的縫隙，結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)本身的電感效應(yīng)，使得x極化和y極化的電磁波在通過圓極化器后相位上有90°的區(qū)別，實(shí)現(xiàn)從線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。優(yōu)選的，所述結(jié)構(gòu)子單元包括間隔分布的第一金屬帶、第二金屬塊和第三金屬條；所述第二金屬塊和第三金屬條各為兩個(gè)，分別對(duì)稱分布于第一金屬帶的兩側(cè)；所述第三金屬條的兩邊為弧形，一邊為直線。實(shí)施本實(shí)用新型可獲得的有益效果是：本實(shí)用新型采用喇叭天線進(jìn)行饋電，在實(shí)現(xiàn)線極化波到圓極化波轉(zhuǎn)換的同時(shí)，可以對(duì)透射電磁波的輻射方向圖進(jìn)行賦形，相比于已有的圓極化器，本實(shí)用新型具有設(shè)計(jì)簡單，易于加工，體積小，同時(shí)具有波束賦形功能等優(yōu)點(diǎn)，在未來衛(wèi)星及通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用前景。附圖說明圖1a為單層頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1b為組成頻率選擇表面的單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a和圖2b分別是單元結(jié)構(gòu)入射電磁波的兩個(gè)正交分量的等效電路模型。圖3a是入射電磁波的兩個(gè)正交分量透射過單元結(jié)構(gòu)后的幅度大小。圖3b是入射電磁波的兩個(gè)正交分量透射過單元結(jié)構(gòu)后的相位大小。圖4是波束展寬的原理示意圖。圖5是展示了入射電磁波的兩個(gè)正交分量在透射過不同大小的單元結(jié)構(gòu)后的相位變化以及兩個(gè)分量之間的相位差。圖6a和6b分別為單純喇叭天線的測試輻射方向圖和加載了本實(shí)用新型的喇叭天線的測試輻射方向圖。圖7展示了透射電磁波的軸比。具體實(shí)施方式結(jié)合附圖描述本實(shí)用新型的技術(shù)方案、技術(shù)原理和技術(shù)細(xì)節(jié)。如圖1所示，本實(shí)用新型的基于頻率選擇表面的同時(shí)具有波束賦形功能的圓極化器，該結(jié)構(gòu)利用喇叭天線饋電，由錨形單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。在排陣時(shí)，通過對(duì)不同位置上的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同比例的縮放，實(shí)現(xiàn)特定的相位分布，最終實(shí)現(xiàn)特定的輻射方向圖。從圖中可見，結(jié)構(gòu)單元沿頻率選擇表面上的某個(gè)中心點(diǎn)呈中心對(duì)稱分布，或者距對(duì)稱中心相等的結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)相同并成鏡面對(duì)稱。值得注意的是，這里的鏡像圖案僅僅是為了保證金屬圖案的對(duì)稱性。如果單元結(jié)構(gòu)不按鏡面對(duì)稱，波束賦形功能也不會(huì)受到影響。進(jìn)一步地，圖1a和圖1b分別給出了所述單層頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)示意圖和組成頻率選擇表面的單元結(jié)構(gòu)示意圖，包括介質(zhì)基底及附在所述介質(zhì)基底上層的金屬結(jié)構(gòu)。具體如圖1b所示，金屬結(jié)構(gòu)包括多個(gè)結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)金屬結(jié)構(gòu)單元包括一條金屬帶和兩組分別分布在金屬帶兩邊的金屬塊和金屬條，金屬條和金屬塊各為兩個(gè)，對(duì)稱分布于金屬帶的兩邊，金屬塊為矩形，金屬條的一邊為直線，另外兩邊為弧形，金屬塊、金屬條與金屬帶之間具有預(yù)定的空隙。在圖1b所示的實(shí)施例中，金屬帶的寬度為W1，金屬帶與金屬塊之間的距離為g，金屬塊的長度為L2、寬度為W1。金屬條的直線邊長為W3，金屬條的外弧邊到結(jié)構(gòu)單元中心的距離為r。兩層頻率選擇表面間隔12mm，由螺絲固定于喇叭口徑面前20mm處。并且單元結(jié)構(gòu)的中間金屬帶線需和喇叭的軸線成45度角放置。本實(shí)用新型的圓極化器包括兩層相同的頻率選擇表面，并且兩層頻率選擇表面在放置時(shí)要保持單元結(jié)構(gòu)方向嚴(yán)格一致。單元結(jié)構(gòu)的周期長度為15mm。當(dāng)入射電磁波的電場方向和y軸成45度角時(shí)，則入射電磁波可以分解為兩個(gè)幅度相等的正交的分量：E→inc=E→||+E→⊥=E0(a→x+a→y)ejkz---(1)]]>其中，E0是入射電磁波的幅度，和分別為x軸和y軸的單位向量，k為自由空間的波數(shù)，和表示平行和垂直于中間金屬帶線的電場。當(dāng)電磁波透過由該單元結(jié)構(gòu)組成的頻率選擇表面時(shí)，透射電磁波可以寫為：其中，T||和T⊥為x極化和y極化的透射系數(shù)。從公式(2)可以得出，兩個(gè)分量的相位差為根據(jù)圓極化波的定義，當(dāng)并且|T|||＝|T⊥|時(shí)，線極化波就可以被轉(zhuǎn)化為圓極化波。圖2a和圖2b給出了單元結(jié)構(gòu)對(duì)于入射電磁波的兩個(gè)正交分量的等效電路模型。圖2a為對(duì)y極化電磁波的電路模型，圖2b為對(duì)x極化電磁波的電路模型。其中，Cgv和Cgh分別表示縫隙對(duì)于y極化和x極化的作用；由中間金屬帶線引入的電感效應(yīng)由Lms表示；Cv，Ch，Lv和Lh分別是其他金屬部分引起的電容和電感效應(yīng)。類似地，本實(shí)用新型的兩層頻率選擇表面的等效電路模型即為兩個(gè)圖中電路模型的級(jí)聯(lián)。通過調(diào)整電容以及電感的值，即調(diào)整金屬結(jié)構(gòu)和縫隙的尺寸，來滿足上述的圓極化波的條件，就可以實(shí)現(xiàn)圓極化器的功能。圖3a和圖3b給出了入射的線極化電磁波(電場方向與y軸成45度角)的兩個(gè)正交分量通過本實(shí)用新型的單元結(jié)構(gòu)后幅度和相位發(fā)生的變化。txx表示沿x軸的分量的透射系數(shù)，tyy表示沿y軸的分量的透射系數(shù)?？梢钥吹皆?GHz處，兩個(gè)分量通過單元結(jié)構(gòu)后的幅度大小一樣，相位相差90度?？梢耘卸ū緦?shí)用新型的單元結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)從線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。圖4給出了實(shí)現(xiàn)波束展寬的原理示意圖。對(duì)于波束的改變從形狀上分有兩種，一種是展寬，一種是壓縮。本實(shí)用新型的具有波束賦形功能的圓極化器則可以實(shí)現(xiàn)波束在一個(gè)方向上展寬，在另一正交方向上壓縮。本圖只給出了展寬的原理示意圖作為例子。由于在實(shí)際應(yīng)用中，饋源更接近于點(diǎn)源，因此在本原理圖中同樣考慮了點(diǎn)源引入的相位差。由點(diǎn)源引入的相位差用ψ-3，ψ-2，ψ-1，ψ1，ψ2，ψ3表示，分別對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)從-1到1的單元結(jié)構(gòu)。以標(biāo)號(hào)為-2和-1的單元結(jié)構(gòu)為例，這兩個(gè)單元結(jié)構(gòu)間的由點(diǎn)源引入的相位差為：Δψ=ψ-2-ψ-1=k(OA-OC)=k(1.5psinα′-0.5psinα)---(3)]]>其中，k為自由空間的波數(shù)，p為單元結(jié)構(gòu)的周期長度。當(dāng)電磁波穿過頻率選擇表面時(shí)，從頻率選擇表面不同位置的單元結(jié)構(gòu)到所需輻射方向圖的等相位面的距離是不一樣的。這部分的光程差可以寫為：其中，O′是展寬后的波束原點(diǎn)的虛像。根據(jù)上述兩個(gè)公式可以得到標(biāo)號(hào)為-2和-1的單元結(jié)構(gòu)的總相位差應(yīng)為：在實(shí)際應(yīng)用中，由于源點(diǎn)到所述圓極化器的距離已經(jīng)給定，因此α,α′,θ,θ′都可以求出。類似的，不同位置上單元結(jié)構(gòu)的相位差均可以求出。最終可以得到所需的整體相位分布。圖5給出了入射電磁波的兩個(gè)正交分量在透射過不同大小的單元結(jié)構(gòu)后的相位變化以及兩個(gè)分量之間的相位差。在工作頻率7GHz的時(shí)候，隨著單元結(jié)構(gòu)大小的變化，兩個(gè)正交分量的相位變化趨勢基本保持一致，且相位差在90°±10°范圍內(nèi)，可以認(rèn)為透射波依然是圓極化波。根據(jù)上述對(duì)于相位分布的分析，可以推得頻率選擇表面中不同位置單元的大小。由于本實(shí)用新型最終的波束形狀是一個(gè)方向展寬一個(gè)方向壓縮，因此應(yīng)將整個(gè)相位變化曲線分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分用來實(shí)現(xiàn)波束展寬，另一個(gè)部分用來實(shí)現(xiàn)波束壓縮。最終用來實(shí)現(xiàn)波束展寬的單元的縮放比例分別為1.1，1.02，0.96，用來實(shí)現(xiàn)波束壓縮的單元的縮放比例分別為0.3，0.62，0.96。圖6a和圖6b給出了單純喇叭天線的測試輻射方向圖和加載了本實(shí)用新型的喇叭天線的測試輻射方向圖的對(duì)比?？梢钥吹?，在波束展寬的方向，單純喇叭的輻射方向圖的3dB帶寬為37度，加載了本實(shí)用新型后，波束寬度變?yōu)?1.43度，有14.43度的展寬；同時(shí)在波束壓縮的方向，波束有3.77度的壓縮。圖7給出了測試的透射電磁波的軸比隨頻率的變化?？梢钥吹皆?GHz時(shí)，透射波束的軸比小于3dB，說明了極化轉(zhuǎn)換的成功，同時(shí)所提出的設(shè)計(jì)具有一定的帶寬。通過設(shè)計(jì)陣列中的每個(gè)部分的權(quán)重可產(chǎn)生特定輻射方向圖。一般而言，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)波束賦形。一種是優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)的排列方式，另一種則是優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)的相位分布。不同的情況需要有不同的輻射方向圖，各類應(yīng)用場景都需要能提供不同輻射方向圖的頻率選擇表面。因此具有波束賦形功能的頻率選擇表面就變得十分重要。通過設(shè)計(jì)頻率選擇表面的單元結(jié)構(gòu)，可以使得單元結(jié)構(gòu)對(duì)入射線極化電磁波的水平和垂直分量有不同的響應(yīng)。當(dāng)單元結(jié)構(gòu)對(duì)其中一種分量表現(xiàn)為電容效應(yīng)，同時(shí)對(duì)另一正交分量表現(xiàn)為電感效應(yīng)時(shí)，透射之后的兩個(gè)分量的相位差則可以達(dá)到90°。如果同時(shí)滿足透射之后兩個(gè)分量的幅度大小相等，則完成了從線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。綜上所述，本實(shí)用新型提供了一種基于頻率選擇表面的具有波束賦形功能的圓極化器，利用喇叭天線饋電，由改進(jìn)的錨形單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換。同時(shí)在排成陣列時(shí)，通過對(duì)不同位置上的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同比例的縮放，實(shí)現(xiàn)特定的相位分布，最終實(shí)現(xiàn)特定的輻射方向圖。本實(shí)用新型具有設(shè)計(jì)簡單，易于加工，體積小，同時(shí)具有波束賦形功能等優(yōu)點(diǎn)，在未來衛(wèi)星及通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用前景。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3