基于频率选择表面的宽带圆极化器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于频率选择表面的宽带圆极化器，由完全相同的单元结构周期性重复排列而成，每个单元结构为正方形，整个单元结构由四个FSS层和三个介质层按照“FSS‑1/介质‑1/FSS‑2/介质‑2/FSS‑3/介质‑3/FSS‑4”的空间位置关系级联组成。本发明专利技术将入射的线极化波分解为等幅同相的两个垂直线极化波，保证了输出圆极化波的性能；采用低损耗介质板，远大于现有技术的传输效率，极大的减小了传输损耗；采用两种不同的FSS贴片单元，使得本发明专利技术的带宽提高到64％，明显高于现有技术的带宽，本发明专利技术对结构简单，易于加工，且对加工要求精度低。

Broadband Circular Polarizer Based on Frequency Selective Surface

The invention provides a broadband circular polarizer based on frequency selective surface, which is composed of four FSS layers and three dielectric layers arranged periodically and repetitively with the same unit structure. The whole unit structure consists of four FSS layers and three dielectric layers cascaded according to the spatial position relationship of \FSS_1/dielectric_1/FSS_2/FSS_3/dielectric_3/FSS_4\. The invention divides the incident linear polarization wave into two vertical linear polarization waves with the same amplitude and phase to ensure the performance of the output circular polarization wave; adopts a low loss dielectric plate, which is far greater than the transmission efficiency of the prior art, and greatly reduces the transmission loss; adopts two different FSS patch units, which can increase the bandwidth of the invention to 64%, significantly higher than the bandwidth of the prior art. It is simple in structure, easy to process and low in precision.

【技术实现步骤摘要】
基于频率选择表面的宽带圆极化器
本专利技术涉及无线通信和雷达通信领域，尤其是一种线-圆极化转换器。
技术介绍
圆极化波在通信、遥感遥测、雷达、电子侦察和干扰方面的应用越来越广泛，实现圆极化波也逐渐发展为一个重要的研究课题，采用频率选择表面(FrequencySelectiveSurfaces，FSS)来实现线-圆极化的转换是一种非常可行的方法。在设计圆极化器时可使用不同结构的频率选择表面，较为常用的是曲折线极化器和缝隙环极化器。为了展宽工作带宽，近年来人们不断探索，设计出一些新的结构来实现圆极化：文献1M.Euler,V.Fusco,R.Cahill,andR.Dickie,“325GHzSingleLayerSub-MillimeterWaveFSSBasedSplitSlotRingLineartoCircularPolarizationConvertor,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.58,no.7,pp.2457-2459,Jul.2010.采用双层同心环实现亚毫米波的圆极化，工作带宽为11.75％，频段较窄。文献2Y.Ranga,S.G.Hay,T.S.Bird,“Ananisotropicimpedancesurfacefordual-bandlinear-to-circulartransmissionpolarizationconvertor,”2013InternationalWorkshoponAntennaTechnology(Iwat),Karlsruhe,pp:47-50,Mar.2013.该文献是将两个同心环在不同角度上进行切割来实现双频带的圆极化器，工作带宽分别为5.6％和4.3％，插入损耗为5.1dB，带宽较窄且损耗比较大。文献3M.L.Lourdes,R.C.Jorge,M.L.JoseI.,M.AlexanderE.,“Amultilayercircularpolarizerbasedonbisectedsplit-ringfrequencyselectivesurfaces,”IEEEAntennasandWire.Propag.Lett.,vol.13,pp:153-156,2014.采用多层FSS级联使工作频段展宽，降低交叉极化，工作带宽为57％，但加工时装配误差较大。文献4基于多层频率选择表面的极化转换器(申请号：201510036446.4)，提供了一种基于多层频率选择表面的极化转换器，解决结构复杂和损耗高的问题，工作带宽小于24％。综上所述，现有文献所提出的圆极化器存在工作带宽较窄，传输损耗大，且对加工精度要求过高等缺陷，不利于在天线系统中的应用。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于FSS的新型圆极化器，相对现有技术而言，本专利技术不仅增加了工作带宽，传输损耗明显降低，且该圆极化器结构非常简单，加工误差对其能影响较小，非常适合工程应用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于频率选择表面的宽带圆极化器，由M×N个完全相同的单元结构周期性重复排列而成，其中每个单元结构为正方形，且正方形的边长为p，整个单元结构由四个FSS层和三个介质层按照“FSS-1/介质-1/FSS-2/介质-2/FSS-3/介质-3/FSS-4”的空间位置关系级联组成。所述三个介质层完全相同，介质层厚度是h，介质层厚度h＝1.5～3mm，介质层的相对介电常数是εr，相对介电常数εr＝2.2～6。所述四个FSS层是不完全相同的四个金属图案，其中第一层FSS层FSS-1和第四层FSS层FSS-4完全相同的金属层，第二层FSS层FSS-2和第三层FSS层FSS-3完全相同的金属层；所述FSS层中FSS-1和FSS-4中，以大小为p×p正方形的任意一个边划分一个宽度为w的区域，即划出一个大小为p×w的金属区域，使金属区域位于正方形区域内的左边，在距离金属区域右边sx1处有两个上下排列且镜像对称的金属方形环一和金属方形环二，其中，两个金属方形环的高度均为ly1，宽度均为lx1，位于上方的金属方形环一的左边环形和下边环形的宽度均为w1，金属方形环一的右边环形和上边环形的宽度均为w2，金属方形环一的上沿与正方形的上边界的距离为sy1，位于下方的金属方形环二的左边环形和上边环形的宽度均为w1，右边环形和下边环形的宽度均为w2，且金属方形环一与金属方形环二之间的距离为sy2，金属方形环一与金属方形环二右边的sx2处，有与金属方形环一与金属方形环二左右镜像对称的金属方形环三和金属方形环四，四个金属方形环为左右对称且上下对称；其中，w＝2～3mm，sx1＝2～3mm，sx2＝4～5mm，sy1＝2～3mm，sy2＝2.5～3.5mm，lx1＝3.5～4mm，ly1＝3.5～4mm，w1＝0.25～0.75mm，w2＝0.2～0.3mm。所述FSS层中FSS-2和FSS-3，以大小为p×p正方形的任意一个边划分一个宽度为w的区域，即大小为p×w的金属区域，使金属区域位于正方形区域的左边，在金属区域右边sx3处有两个上下对称的L形金属区域，其中位于下方的L形金属区域一为将L形逆时针旋转90度，位于上方的L形金属区域二与L形金属区域一上下对称，L形金属区域一和L形金属区域二的L形横向长均为lx2、纵向长均为ly2，L形金属区域一和L形金属区域二的横向L形的宽度为w3，纵向L形的宽度为w4，L形状金属区域二的上沿与正方形上边界的距离为sy3，L形金属区域一和L形金属区域二之间的距离为sy4，L形金属区域一和L形金属区域二右边的sx4处有与其左右镜像对称的L形金属区域三和L形金属区域四，四个L型金属区域为左右对称且上下对称，其中，w＝2～3mm，sx3＝1～2mm，sx4＝1～2mm，sy3＝0.5～1.5mm，sy4＝5～6mm，lx2＝3.2～3.8mm，ly2＝3.2～3.8mm，w3＝1～2mm，w4＝1.5～2mm。所述FSS单元尺寸为p×p，其中p＝10～15mm。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术将入射的线极化波分解为等幅同相的两个垂直线极化波，在经过所述圆极化器后，由于金属条的作用，使得这两部分波的相位出现差异，而本专利技术所采用的四层级联，使得相位差较好的控制在±90°附近，从而保证了输出圆极化波的性能。(2)本专利技术在介质采用低损耗介质板，在不影响专利技术性能的前提下，将专利技术的传输效率提高到90％以上，远大于现有技术的传输效率，极大的减小了传输损耗。(3)本专利技术采用两种不同的FSS贴片单元，在第一层和第四层采用一种结构，第二层和第三层采用不同的另一种结构，这种设计使得本专利技术的带宽提高到64％，明显高于现有技术的带宽。(4)本专利技术对结构简单，易于加工，且对加工要求精度低，±0.05λ的加工误差对圆极化器的性能影响不大。附图说明图1是本专利技术的圆极化器示意图。图2是本专利技术的单元示意图。图3是本专利技术的FSS贴片示意图，其中图3(a)是FSS-1和FSS-4的示意图，图3(b)是FSS-2和FSS-3示意图。图4是本专利技术的圆极化器实物图。图5是本专利技术仿真和实测结果图，其中，图5(a)是本专利技术的传输和反射系数仿真图，图5(b)是相位差和轴比结果图。图6是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频率选择表面的宽带圆极化器，其特征在于：所述的基于频率选择表面的宽带圆极化器，由M×N个完全相同的单元结构周期性重复排列而成，其中每个单元结构为正方形，且正方形的边长为p，整个单元结构由四个FSS层和三个介质层按照“FSS‑1/介质‑1/FSS‑2/介质‑2/FSS‑3/介质‑3/FSS‑4”的空间位置关系级联组成。

【技术特征摘要】
1.一种基于频率选择表面的宽带圆极化器，其特征在于：所述的基于频率选择表面的宽带圆极化器，由M×N个完全相同的单元结构周期性重复排列而成，其中每个单元结构为正方形，且正方形的边长为p，整个单元结构由四个FSS层和三个介质层按照“FSS-1/介质-1/FSS-2/介质-2/FSS-3/介质-3/FSS-4”的空间位置关系级联组成。2.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的宽带圆极化器，其特征在于：所述三个介质层完全相同，介质层厚度是h，介质层厚度h＝1.5～3mm，介质层的相对介电常数是εr，相对介电常数εr＝2.2～6。3.根据权利要求1所述的一种基于频率选择表面的宽带圆极化器，其特征在于：所述四个FSS层是不完全相同的四个金属图案，其中第一层FSS层FSS-1和第四层FSS层FSS-4完全相同的金属层，第二层FSS层FSS-2和第三层FSS层FSS-3完全相同的金属层；所述FSS层中FSS-1和FSS-4中，以大小为p×p正方形的任意一个边划分一个宽度为w的区域，即划出一个大小为p×w的金属区域，使金属区域位于正方形区域内的左边，在距离金属区域右边sx1处有两个上下排列且镜像对称的金属方形环一和金属方形环二，其中，两个金属方形环的高度均为ly1，宽度均为lx1，位于上方的金属方形环一的左边环形和下边环形的宽度均为w1，金属方形环一的右边环形和上边环形的宽度均为w2，金属方形环一的上沿与正方形的上边界的距离为sy1，位于下方的金属方形环二的左边环形和上边环形的宽度均为w1，右边环形和下边环形的宽度均为w2，且金属方形环一与金属方形环二之间的距离为sy2，金...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保平，王夏菲，郑俊浩，冯景南，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61