一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于COS型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法，极化鉴别器包括位于第一圆极化器和第二圆极化器之间的线极化器，考虑电磁波在空间介质中的传播特性，经过优化后将设计结构分为三部分，第一部分和第三部分是两个COS型金属带互相垂直的两个圆极化器，第二部分是一个线极化器，等间距排列；本发明专利技术能够通过一种旋向的圆极化器波而反射另一种旋向的圆极化波，实现了X波段的宽带极化选择器；本发明专利技术提供的极化鉴别器的设计方法，让用户能够根据设计有限快速的加工出极化鉴别器，并且实现对于任意波的极化鉴别功能，提高效率，省时省力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法
本专利技术属于极化鉴别器
，涉及一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法。
技术介绍
随着圆极化波在通信电子侦察和卫星通信中的普遍应用，线—圆极化的转换以及鉴别成了重要的研究方向，尤其随着超材料在频率选择表面中的应用，频率选择表面在雷达系统和卫星通信中应用广泛，具有巨大的潜在商业价值，已然成为亚毫米波微波
的潜力发展方向。尤其随着航空航天技术的快速发展更是带来频率选择表面研究热潮。频率选择表面可以应用于所有的电磁频谱频段，范围囊括了整个电磁领域，在微波波段，主要用来做多频天线的副反射器，雷达散射截面，滤波器，雷达天线罩，以及极化鉴别器等。随着技术发展，频率选择表面FSS(FrequencySelectivesurface)的单元结构也趋于多样化，基于传输特性以及制作工艺，已经存在的结构有十字单元，耶路撒冷十字单元，线性普偶极子，圆环型结构单元，正方形缝隙单元等。而极化选择表面(CPSS)即极化鉴别器结构被设计出来，一般系统生成的圆极化波并不是单纯的左旋圆极化波或者右旋圆极化波，而往往具有较大的交叉极化分量，鉴于FSS易于实现极化鉴别(Polarizationdiscrimination)的功能，因此可以采用FSS选择性通过以提高圆极化波单一旋向的纯度。文献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.通过一个9层的FSS级联结构来实现透射左旋圆极化波(left-handcircularlypolarizedwave:LHCPW)而反射右旋圆极化波(right-handcircularlypolarizedwave：RHCPW)，结果显示在26GHz-35GHz频段内能够获得单纯旋向的LHCPW。但是其结构缺点也是很明显的，层数很多，设计难度大，装配误差也大。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器及其设计方法，将超材料FSS应用在极化鉴别中，其结构简洁，且易于加载其他天线以及扩展应用。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，包括位于第一圆极化器和第二圆极化器之间的线极化器；所述的第一圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与地面垂直，包括介质基板以及在其正反面设置的FSS曲折线单元；其中FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；所述的线极化器包括介质基板以及在其正反面设置的平行线单元，其线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向；所述的第二圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与第一圆极化器相垂直，包括介质基板以及在其正反面设置曲折线单元；其FSS曲折线单元为第一圆极化器曲折线单元旋转90°。所述的第一圆极化器、第二圆极化器的FSS曲折线单元，对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容；线极化器只允许栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波通过。所述的FSS曲折线单元中的波浪曲线为正弦曲线或余弦曲线，其宽度为1～2mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷外线的距离为2.5～5mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷内线的距离为1.5～2.5mm，圆形单元的半径为1.5～2mm；FSS曲折线单元长度为10.5～11.5mm；所述的线极化器的平行线单元为与y轴方向成45°方向的金属带，金属带的宽度为0.1～0.3mm，金属带之间的间距为0.3～0.5mm，金属带之间的间距大于金属带的宽度。所述的第一圆极化器、第二圆极化器中，介质板的厚度h＝2mm，相对介电常数为εr＝2.65，损耗角正切tanδ＝0.001；所述的第一圆极化器、第二圆极化器与线极化器的距离相等，且在3～8mm之间。当波数为k的LHCPW沿着-z方向通过极化鉴别结构时，其入射波的电场矢量表述为：Ei＝E0(ax-jay)ejkz(1)沿-z方向看去，一个左旋圆极化波入射到第一圆极化器，入射波的电场矢量表示为：Ei＝E0(ax-jay)ejkz(2)-z方向看去的LHCPW的两个正交线极化分量，x极化分量超前y极化分量90°；通过第一个极化器后的电场矢量表示为：Et＝E0(Txax-jTyay)ejkz(3)其中E0为入射波的电场大小，k为波数，电磁场沿着-z方向传播，j是复数，j2＝-1，和分别是x和y极化分量的透射系数，y极化分量相位超前于x极化分量，两者相位差正好弥补了之前LHCPW的x极化超前y极化的相位差90°，其两个分量相位差为0，则LHCPW变成了与一个与x轴呈-45°的线极化波；电磁波继续向-z方向传播，通过线极化器时，传输的线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向，线极化波通过了线极化器到达第二圆极化器为第一部分圆极化器顺时针转置90°，第二圆极化器对y极化和x极化会产生负的90°相位差线极化波又转化成LHCPW。一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器的设计方法，包括以下操作：1)设计圆极化器的FSS曲折线单元，使得对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容；2)根据FSS曲折线单元性能在CST中进行仿真，根据仿真结果优化参数，通过级联改善带宽，以及增加介质板的厚度来增加入射角的稳定性，使得通过极化器的入射波与透射波两者的相位差为90°；在介质版上印制呈阵列排列的FSS曲折线单元，得到第一圆极化器；将第一圆极化器的FSS曲折线单元旋转90°并呈阵列的印制在介质版上，得到第二圆极化器；3)线极化器设计为只允许栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波可以通过；4)极化鉴别器的结构设计组合：按照第一圆极化器和第二圆极化器之间放置线极化器的结构排布，其中第一个圆极化器余弦方向与地面垂直，第二个为线极化器，第三部分为与第一部分垂直的一个圆极化器；并进行在CST中进行参数扫描进行极化器的间距优化：当一束混合波入射时，选择可以鉴别出左旋圆极化波或右旋圆极化波的极化器的间距为优化结果。所述的圆极化器的FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；所述的线极化器设计为与y轴方向成45°方向的金属带。所述的FSS曲折线单元中的波浪曲线为正弦曲线或余弦曲线，其宽度为1～2mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷外线的距离为2.5～5mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷内线的距离为1.5～2.5mm，圆形单元的半径为1.5～2mm；FSS曲折线单元的长度为10.5～11.5mm；所述的线极化器中，金属带的宽度为0.1～0.3mm，金属带之间的间距为0.3～0.5mm，金属带之间的间距大于金属带的宽度。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提供的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，包括圆极化器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于COS型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，包括位于第一圆极化器和第二圆极化器之间的线极化器；所述的第一圆极化器为COS型频率选择表面，其COS方向与地面垂直，包括介质基板以及在其正反面设置的FSS曲折线单元；其中FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；所述的线极化器包括介质基板以及在其正反面设置的平行线单元，其线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向；所述的第二圆极化器为COS型频率选择表面，其COS方向与第一圆极化器相垂直，包括介质基板以及在其正反面设置曲折线单元；其FSS曲折线单元为第一圆极化器曲折线单元旋转90°。

【技术特征摘要】
1.一种基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，包括位于第一圆极化器和第二圆极化器之间的线极化器；所述的第一圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与地面垂直，包括介质基板以及在其正反面设置的FSS曲折线单元；其中FSS曲折线单元包括波浪曲线和分布在波峰、波谷间的圆形单元，波峰或波谷与圆形单元的圆心在同一直线上；所述的线极化器包括介质基板以及在其正反面设置的平行线单元，其线极化波极化方向垂直于线极化器的金属栅格方向；所述的第二圆极化器为余弦型频率选择表面，其余弦方向与第一圆极化器相垂直，包括介质基板以及在其正反面设置曲折线单元；其FSS曲折线单元为第一圆极化器曲折线单元旋转90°。2.如权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，所述的第一圆极化器、第二圆极化器的FSS曲折线单元，对于垂直极化入射的入射波表现为等效并联电感，对于水平极化入射波表现为并联等效电容；线极化器只允许栅格的方向与极化的方向垂直的线极化波通过。3.如权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，所述的FSS曲折线单元中的波浪曲线为正弦曲线或余弦曲线，其宽度为1～2mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷外线的距离为2.5～5mm，圆形单元的圆心与波峰或波谷内线的距离为1.5～2.5mm，圆形单元的半径为1.5～2mm；FSS曲折线单元长度为10.5～11.5mm；所述的线极化器的平行线单元为与y轴方向成45°方向的金属带，金属带的宽度为0.1～0.3mm，金属带之间的间距为0.3～0.5mm，金属带之间的间距大于金属带的宽度。4.如权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，所述的第一圆极化器、第二圆极化器中，介质板的厚度h＝2mm，相对介电常数为εr＝2.65，损耗角正切tanδ＝0.001；所述的第一圆极化器、第二圆极化器与线极化器的距离相等，且在3～8mm之间。5.如权利要求1所述的基于余弦型频率选择表面的极化鉴别器，其特征在于，当波数为k的LHCPW沿着-z方向通过极化鉴别结构时，其入射波的电场矢量表述为：Ei＝E0(ax-jay)ejkz(1)沿-z方向看去，一个左旋圆极化波入射到第一圆极化器，入射波的电场矢量表示为：Ei＝E0(ax-jay)ejkz(2)-z方向看去的LHCPW的两个正交线极化分量，x极化分量超前y极化分量90°；通过第一个极化器后的电场矢量表示为：Et＝E0(Txax-jTyay)ejkz(3)其中E0为入射波的电场大小，k为波数，电磁场沿着-...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯建强，查华，徐超龙，李娜，苟仲荣，吕欢欢，李焕肖，满明远，雷振亚，卢辰光，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61