一種基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器及其設(shè)計方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于COS型頻率選擇表面的極化鑒別器及其設(shè)計方法，極化鑒別器包括位于第一圓極化器和第二圓極化器之間的線極化器，考慮電磁波在空間介質(zhì)中的傳播特性，經(jīng)過優(yōu)化后將設(shè)計結(jié)構(gòu)分為三部分，第一部分和第三部分是兩個COS型金屬帶互相垂直的兩個圓極化器，第二部分是一個線極化器，等間距排列；本發(fā)明專利技術(shù)能夠通過一種旋向的圓極化器波而反射另一種旋向的圓極化波，實現(xiàn)了X波段的寬帶極化選擇器；本發(fā)明專利技術(shù)提供的極化鑒別器的設(shè)計方法，讓用戶能夠根據(jù)設(shè)計有限快速的加工出極化鑒別器，并且實現(xiàn)對于任意波的極化鑒別功能，提高效率，省時省力。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器及其設(shè)計方法
本專利技術(shù)屬于極化鑒別器
，涉及一種基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器及其設(shè)計方法。
技術(shù)介紹
隨著圓極化波在通信電子偵察和衛(wèi)星通信中的普遍應(yīng)用，線—圓極化的轉(zhuǎn)換以及鑒別成了重要的研究方向，尤其隨著超材料在頻率選擇表面中的應(yīng)用，頻率選擇表面在雷達(dá)系統(tǒng)和衛(wèi)星通信中應(yīng)用廣泛，具有巨大的潛在商業(yè)價值，已然成為亞毫米波微波
的潛力發(fā)展方向。尤其隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展更是帶來頻率選擇表面研究熱潮。頻率選擇表面可以應(yīng)用于所有的電磁頻譜頻段，范圍囊括了整個電磁領(lǐng)域，在微波波段，主要用來做多頻天線的副反射器，雷達(dá)散射截面，濾波器，雷達(dá)天線罩，以及極化鑒別器等。隨著技術(shù)發(fā)展，頻率選擇表面FSS(FrequencySelectivesurface)的單元結(jié)構(gòu)也趨于多樣化，基于傳輸特性以及制作工藝，已經(jīng)存在的結(jié)構(gòu)有十字單元，耶路撒冷十字單元，線性普偶極子，圓環(huán)型結(jié)構(gòu)單元，正方形縫隙單元等。而極化選擇表面(CPSS)即極化鑒別器結(jié)構(gòu)被設(shè)計出來，一般系統(tǒng)生成的圓極化波并不是單純的左旋圓極化波或者右旋圓極化波，而往往具有較大的交叉極化分量，鑒于FSS易于實現(xiàn)極化鑒別(Polarizationdiscrimination)的功能，因此可以采用FSS選擇性通過以提高圓極化波單一旋向的純度。文獻(xiàn)L.Martinez-Lopez,J.Rodriguez-Cuevas,J.I.Martinez-LopezandA.E.Martynyuk,“Cascadedcircular-polarisation-selectivesurfacebasedonbisectedsplitrings,”Electron.Lett.,vol.50,no.19,pp.1335–1336,Sep.2014.通過一個9層的FSS級聯(lián)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)透射左旋圓極化波(left-handcircularlypolarizedwave:LHCPW)而反射右旋圓極化波(right-handcircularlypolarizedwave：RHCPW)，結(jié)果顯示在26GHz-35GHz頻段內(nèi)能夠獲得單純旋向的LHCPW。但是其結(jié)構(gòu)缺點也是很明顯的，層數(shù)很多，設(shè)計難度大，裝配誤差也大。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)解決的問題在于提供一種基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器及其設(shè)計方法，將超材料FSS應(yīng)用在極化鑒別中，其結(jié)構(gòu)簡潔，且易于加載其他天線以及擴(kuò)展應(yīng)用。本專利技術(shù)是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器，包括位于第一圓極化器和第二圓極化器之間的線極化器；所述的第一圓極化器為余弦型頻率選擇表面，其余弦方向與地面垂直，包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置的FSS曲折線單元；其中FSS曲折線單元包括波浪曲線和分布在波峰、波谷間的圓形單元，波峰或波谷與圓形單元的圓心在同一直線上；所述的線極化器包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置的平行線單元，其線極化波極化方向垂直于線極化器的金屬柵格方向；所述的第二圓極化器為余弦型頻率選擇表面，其余弦方向與第一圓極化器相垂直，包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置曲折線單元；其FSS曲折線單元為第一圓極化器曲折線單元旋轉(zhuǎn)90°。所述的第一圓極化器、第二圓極化器的FSS曲折線單元，對于垂直極化入射的入射波表現(xiàn)為等效并聯(lián)電感，對于水平極化入射波表現(xiàn)為并聯(lián)等效電容；線極化器只允許柵格的方向與極化的方向垂直的線極化波通過。所述的FSS曲折線單元中的波浪曲線為正弦曲線或余弦曲線，其寬度為1～2mm，圓形單元的圓心與波峰或波谷外線的距離為2.5～5mm，圓形單元的圓心與波峰或波谷內(nèi)線的距離為1.5～2.5mm，圓形單元的半徑為1.5～2mm；FSS曲折線單元長度為10.5～11.5mm；所述的線極化器的平行線單元為與y軸方向成45°方向的金屬帶，金屬帶的寬度為0.1～0.3mm，金屬帶之間的間距為0.3～0.5mm，金屬帶之間的間距大于金屬帶的寬度。所述的第一圓極化器、第二圓極化器中，介質(zhì)板的厚度h＝2mm，相對介電常數(shù)為εr＝2.65，損耗角正切tanδ＝0.001；所述的第一圓極化器、第二圓極化器與線極化器的距離相等，且在3～8mm之間。當(dāng)波數(shù)為k的LHCPW沿著-z方向通過極化鑒別結(jié)構(gòu)時，其入射波的電場矢量表述為：Ei＝E0(ax-jay)ejkz(1)沿-z方向看去，一個左旋圓極化波入射到第一圓極化器，入射波的電場矢量表示為：Ei＝E0(ax-jay)ejkz(2)-z方向看去的LHCPW的兩個正交線極化分量，x極化分量超前y極化分量90°；通過第一個極化器后的電場矢量表示為：Et＝E0(Txax-jTyay)ejkz(3)其中E0為入射波的電場大小，k為波數(shù)，電磁場沿著-z方向傳播，j是復(fù)數(shù)，j2＝-1，和分別是x和y極化分量的透射系數(shù)，y極化分量相位超前于x極化分量，兩者相位差正好彌補(bǔ)了之前LHCPW的x極化超前y極化的相位差90°，其兩個分量相位差為0，則LHCPW變成了與一個與x軸呈-45°的線極化波；電磁波繼續(xù)向-z方向傳播，通過線極化器時，傳輸?shù)木€極化波極化方向垂直于線極化器的金屬柵格方向，線極化波通過了線極化器到達(dá)第二圓極化器為第一部分圓極化器順時針轉(zhuǎn)置90°，第二圓極化器對y極化和x極化會產(chǎn)生負(fù)的90°相位差線極化波又轉(zhuǎn)化成LHCPW。一種基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器的設(shè)計方法，包括以下操作：1)設(shè)計圓極化器的FSS曲折線單元，使得對于垂直極化入射的入射波表現(xiàn)為等效并聯(lián)電感，對于水平極化入射波表現(xiàn)為并聯(lián)等效電容；2)根據(jù)FSS曲折線單元性能在CST中進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化參數(shù)，通過級聯(lián)改善帶寬，以及增加介質(zhì)板的厚度來增加入射角的穩(wěn)定性，使得通過極化器的入射波與透射波兩者的相位差為90°；在介質(zhì)版上印制呈陣列排列的FSS曲折線單元，得到第一圓極化器；將第一圓極化器的FSS曲折線單元旋轉(zhuǎn)90°并呈陣列的印制在介質(zhì)版上，得到第二圓極化器；3)線極化器設(shè)計為只允許柵格的方向與極化的方向垂直的線極化波可以通過；4)極化鑒別器的結(jié)構(gòu)設(shè)計組合：按照第一圓極化器和第二圓極化器之間放置線極化器的結(jié)構(gòu)排布，其中第一個圓極化器余弦方向與地面垂直，第二個為線極化器，第三部分為與第一部分垂直的一個圓極化器；并進(jìn)行在CST中進(jìn)行參數(shù)掃描進(jìn)行極化器的間距優(yōu)化：當(dāng)一束混合波入射時，選擇可以鑒別出左旋圓極化波或右旋圓極化波的極化器的間距為優(yōu)化結(jié)果。所述的圓極化器的FSS曲折線單元包括波浪曲線和分布在波峰、波谷間的圓形單元，波峰或波谷與圓形單元的圓心在同一直線上；所述的線極化器設(shè)計為與y軸方向成45°方向的金屬帶。所述的FSS曲折線單元中的波浪曲線為正弦曲線或余弦曲線，其寬度為1～2mm，圓形單元的圓心與波峰或波谷外線的距離為2.5～5mm，圓形單元的圓心與波峰或波谷內(nèi)線的距離為1.5～2.5mm，圓形單元的半徑為1.5～2mm；FSS曲折線單元的長度為10.5～11.5mm；所述的線極化器中，金屬帶的寬度為0.1～0.3mm，金屬帶之間的間距為0.3～0.5mm，金屬帶之間的間距大于金屬帶的寬度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益的技術(shù)效果：本專利技術(shù)提供的基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器，包括圓極化器的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于COS型頻率選擇表面的極化鑒別器，其特征在于，包括位于第一圓極化器和第二圓極化器之間的線極化器；所述的第一圓極化器為COS型頻率選擇表面，其COS方向與地面垂直，包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置的FSS曲折線單元；其中FSS曲折線單元包括波浪曲線和分布在波峰、波谷間的圓形單元，波峰或波谷與圓形單元的圓心在同一直線上；所述的線極化器包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置的平行線單元，其線極化波極化方向垂直于線極化器的金屬柵格方向；所述的第二圓極化器為COS型頻率選擇表面，其COS方向與第一圓極化器相垂直，包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置曲折線單元；其FSS曲折線單元為第一圓極化器曲折線單元旋轉(zhuǎn)90°。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器，其特征在于，包括位于第一圓極化器和第二圓極化器之間的線極化器；所述的第一圓極化器為余弦型頻率選擇表面，其余弦方向與地面垂直，包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置的FSS曲折線單元；其中FSS曲折線單元包括波浪曲線和分布在波峰、波谷間的圓形單元，波峰或波谷與圓形單元的圓心在同一直線上；所述的線極化器包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置的平行線單元，其線極化波極化方向垂直于線極化器的金屬柵格方向；所述的第二圓極化器為余弦型頻率選擇表面，其余弦方向與第一圓極化器相垂直，包括介質(zhì)基板以及在其正反面設(shè)置曲折線單元；其FSS曲折線單元為第一圓極化器曲折線單元旋轉(zhuǎn)90°。2.如權(quán)利要求1所述的基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器，其特征在于，所述的第一圓極化器、第二圓極化器的FSS曲折線單元，對于垂直極化入射的入射波表現(xiàn)為等效并聯(lián)電感，對于水平極化入射波表現(xiàn)為并聯(lián)等效電容；線極化器只允許柵格的方向與極化的方向垂直的線極化波通過。3.如權(quán)利要求1所述的基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器，其特征在于，所述的FSS曲折線單元中的波浪曲線為正弦曲線或余弦曲線，其寬度為1～2mm，圓形單元的圓心與波峰或波谷外線的距離為2.5～5mm，圓形單元的圓心與波峰或波谷內(nèi)線的距離為1.5～2.5mm，圓形單元的半徑為1.5～2mm；FSS曲折線單元長度為10.5～11.5mm；所述的線極化器的平行線單元為與y軸方向成45°方向的金屬帶，金屬帶的寬度為0.1～0.3mm，金屬帶之間的間距為0.3～0.5mm，金屬帶之間的間距大于金屬帶的寬度。4.如權(quán)利要求1所述的基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器，其特征在于，所述的第一圓極化器、第二圓極化器中，介質(zhì)板的厚度h＝2mm，相對介電常數(shù)為εr＝2.65，損耗角正切tanδ＝0.001；所述的第一圓極化器、第二圓極化器與線極化器的距離相等，且在3～8mm之間。5.如權(quán)利要求1所述的基于余弦型頻率選擇表面的極化鑒別器，其特征在于，當(dāng)波數(shù)為k的LHCPW沿著-z方向通過極化鑒別結(jié)構(gòu)時，其入射波的電場矢量表述為：Ei＝E0(ax-jay)ejkz(1)沿-z方向看去，一個左旋圓極化波入射到第一圓極化器，入射波的電場矢量表示為：Ei＝E0(ax-jay)ejkz(2)-z方向看去的LHCPW的兩個正交線極化分量，x極化分量超前y極化分量90°；通過第一個極化器后的電場矢量表示為：Et＝E0(Txax-jTyay)ejkz(3)其中E0為入射波的電場大小，k為波數(shù)，電磁場沿著-...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：侯建強(qiáng)，查華，徐超龍，李娜，茍仲榮，呂歡歡，李煥肖，滿明遠(yuǎn)，雷振亞，盧辰光，
申請(專利權(quán))人：西安電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61