基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，包括频率选择表面，所述频率选择表面包括介质基板和位于介质基板上的金属结构单元；所述金属结构单元包括若干纵横排布的结构相同或相似的结构子单元；所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条；所述第二金属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧；所述第三金属条的两边为弧形，一边为直线。在实现线极化波到圆极化波转换的同时，可以对透射电磁波的辐射方向图进行赋形，相比于已有的圆极化器，本实用新型专利技术具有设计简单，易于加工，体积小，同时具有波束赋形功能等优点，在未来卫星及通信系统中有着重要的应用前景。

A circular polarizer with beam forming function based on frequency selective surface

The utility model discloses a circular polarizer with beamforming function based on frequency selective surfaces, including frequency selective surface, the frequency selective surface includes a dielectric substrate and metal structure located in the substrate unit; the metal structure unit comprises a plurality of longitudinal cross structure sub structure arranged in the same or similar unit the structure; sub unit includes a first metal band, second spaced metal plates and third metal strips; the second metal blocks and third metal strips of each of two, on both sides are symmetrically distributed on the first metal strip; both sides of the third metal strips for arc, straight side. In the realization of linear polarized wave and circular polarized wave conversion, can be shaped to the radiation pattern of the transmission of electromagnetic waves by circular polarization, compared to the existing, the utility model has the advantages of simple design, easy processing, small volume, and has the advantages of beamforming function, in order to have important application prospect the satellite communication system.

【技术实现步骤摘要】
基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器
本技术属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体是一种圆极化器。
技术介绍
圆极化波在卫星和通信系统中具有非常重要的作用。在空间通信系统和遥感器件领域，圆极化波可以有效减少信号损耗，同时减少由于电离层法拉第旋转效应引起的极化反应。在电子对抗领域，圆极化波可以检测或扰乱除反向圆极化波外的任意极化的电磁波。更重要的是，加载于高速运动物体或旋转物体上的圆极化天线可以在任意位置接收无线信号。因此近几年来，圆极化波的产生方法引起了很多科研人员的兴趣。目前有很多方法都可以实现从线极化波到圆极化波的转换，比如手性材料或者光子材料，弯折线结构，光栅结构和新型人工电磁表面等。但是现有圆极化器不具有波束赋性功能，同时体积较大。
技术实现思路
有鉴于此，为解决现有技术存在的上述问题，申请人提供了一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器。本申请的技术方案具体为：一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，包括频率选择表面，所述频率选择表面包括介质基板和位于介质基板上的金属结构单元；所述金属结构单元包括若干纵横排布的结构相同或相似的结构子单元；所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条；所述第二金属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧；所述第三金属条的两边为弧形，一边为直线。在进一步的实施例中，频率选择表面为两层，频率选择表面的结构相同且布设方向一致。本方案涉及一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，包括介质基底和位于所述介质基底上的金属结构单元；所述金属结构单元包括多个形状相同、尺寸相同(比例为1)或相似(比例不为1)的结构子单元；不同位置的结构子单元尺寸按比例缩放，对透射过的电磁波有不同的相位响应，从而影响透过圆极化器后电磁波的等相位面，进而实现波束赋形。在进一步的实施例中，所述金属单元结构的金属部分之间具有用以引入电容效应的缝隙，结合金属结构本身的电感效应，使得x极化和y极化的电磁波在通过圆极化器后相位上有90°的区别，实现从线极化波到圆极化波的转换。优选的，所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条；所述第二金属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧；所述第三金属条的两边为弧形，一边为直线。实施本技术可获得的有益效果是：本技术采用喇叭天线进行馈电，在实现线极化波到圆极化波转换的同时，可以对透射电磁波的辐射方向图进行赋形，相比于已有的圆极化器，本技术具有设计简单，易于加工，体积小，同时具有波束赋形功能等优点，在未来卫星及通信系统中有着重要的应用前景。附图说明图1a为单层频率选择表面的结构示意图。图1b为组成频率选择表面的单元结构示意图。图2a和图2b分别是单元结构入射电磁波的两个正交分量的等效电路模型。图3a是入射电磁波的两个正交分量透射过单元结构后的幅度大小。图3b是入射电磁波的两个正交分量透射过单元结构后的相位大小。图4是波束展宽的原理示意图。图5是展示了入射电磁波的两个正交分量在透射过不同大小的单元结构后的相位变化以及两个分量之间的相位差。图6a和6b分别为单纯喇叭天线的测试辐射方向图和加载了本技术的喇叭天线的测试辐射方向图。图7展示了透射电磁波的轴比。具体实施方式结合附图描述本技术的技术方案、技术原理和技术细节。如图1所示，本技术的基于频率选择表面的同时具有波束赋形功能的圆极化器，该结构利用喇叭天线馈电，由锚形单元结构实现从线极化波到圆极化波的转换。在排阵时，通过对不同位置上的单元结构进行不同比例的缩放，实现特定的相位分布，最终实现特定的辐射方向图。从图中可见，结构单元沿频率选择表面上的某个中心点呈中心对称分布，或者距对称中心相等的结构单元，结构相同并成镜面对称。值得注意的是，这里的镜像图案仅仅是为了保证金属图案的对称性。如果单元结构不按镜面对称，波束赋形功能也不会受到影响。进一步地，图1a和图1b分别给出了所述单层频率选择表面的结构示意图和组成频率选择表面的单元结构示意图，包括介质基底及附在所述介质基底上层的金属结构。具体如图1b所示，金属结构包括多个结构单元，每个金属结构单元包括一条金属带和两组分别分布在金属带两边的金属块和金属条，金属条和金属块各为两个，对称分布于金属带的两边，金属块为矩形，金属条的一边为直线，另外两边为弧形，金属块、金属条与金属带之间具有预定的空隙。在图1b所示的实施例中，金属带的宽度为W1，金属带与金属块之间的距离为g，金属块的长度为L2、宽度为W1。金属条的直线边长为W3，金属条的外弧边到结构单元中心的距离为r。两层频率选择表面间隔12mm，由螺丝固定于喇叭口径面前20mm处。并且单元结构的中间金属带线需和喇叭的轴线成45度角放置。本技术的圆极化器包括两层相同的频率选择表面，并且两层频率选择表面在放置时要保持单元结构方向严格一致。单元结构的周期长度为15mm。当入射电磁波的电场方向和y轴成45度角时，则入射电磁波可以分解为两个幅度相等的正交的分量：其中，E0是入射电磁波的幅度，和分别为x轴和y轴的单位向量，k为自由空间的波数，和表示平行和垂直于中间金属带线的电场。当电磁波透过由该单元结构组成的频率选择表面时，透射电磁波可以写为：其中，T||和T⊥为x极化和y极化的透射系数。从公式(2)可以得出，两个分量的相位差为根据圆极化波的定义，当并且|T|||＝|T⊥|时，线极化波就可以被转化为圆极化波。图2a和图2b给出了单元结构对于入射电磁波的两个正交分量的等效电路模型。图2a为对y极化电磁波的电路模型，图2b为对x极化电磁波的电路模型。其中，Cgv和Cgh分别表示缝隙对于y极化和x极化的作用；由中间金属带线引入的电感效应由Lms表示；Cv，Ch，Lv和Lh分别是其他金属部分引起的电容和电感效应。类似地，本技术的两层频率选择表面的等效电路模型即为两个图中电路模型的级联。通过调整电容以及电感的值，即调整金属结构和缝隙的尺寸，来满足上述的圆极化波的条件，就可以实现圆极化器的功能。图3a和图3b给出了入射的线极化电磁波(电场方向与y轴成45度角)的两个正交分量通过本技术的单元结构后幅度和相位发生的变化。txx表示沿x轴的分量的透射系数，tyy表示沿y轴的分量的透射系数。可以看到在7GHz处，两个分量通过单元结构后的幅度大小一样，相位相差90度。可以判定本技术的单元结构可以实现从线极化波到圆极化波的转换。图4给出了实现波束展宽的原理示意图。对于波束的改变从形状上分有两种，一种是展宽，一种是压缩。本技术的具有波束赋形功能的圆极化器则可以实现波束在一个方向上展宽，在另一正交方向上压缩。本图只给出了展宽的原理示意图作为例子。由于在实际应用中，馈源更接近于点源，因此在本原理图中同样考虑了点源引入的相位差。由点源引入的相位差用ψ-3，ψ-2，ψ-1，ψ1，ψ2，ψ3表示，分别对应标号从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在于，包括频率选择表面，所述频率选择表面包括介质基板和位于介质基板上的金属结构单元；所述金属结构单元包括若干纵横排布的结构相同或相似的结构子单元；所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条；所述第二金属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧；所述第三金属条的两边为弧形，一边为直线。

【技术特征摘要】
1.一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在于，包括频率选择表面，所述频率选择表面包括介质基板和位于介质基板上的金属结构单元；所述金属结构单元包括若干纵横排布的结构相同或相似的结构子单元；所述结构子单元包括间隔分布的第一金属带、第二金属块和第三金属条；所述第二金属块和第三金属条各为两个，分别对称分布于第一金属带的两侧；所述第三金属条的两边为弧形，一边为直线。2.如权利要求1所述的基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在于，频率选择表面为两层，频率选择表面的结构相同且布设方向一致。3.一种基于频率选择表面的具有波束赋形功能的圆极化器，其特征在于，包括介质基底和位于所述介质基底上的金属结构单元；所述金属结构单元包括多个形状相同、尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁浩，崔铁军，万向，周小阳，尹佳媛，
申请(专利权)人：江苏赛博防务技术有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32