[发明专利]一种基于手征超表面的多频带圆极化器

说明书

一种基于手征超表面的多频带圆极化器，由同一平面内的多个极化单元周期性矩阵排列组成。每个极化单元包括一层介质基板、位于介质基板正面的正面谐振结构及位于介质基板背面的背面谐振结构。所述正面谐振结构包括对向放置的一个大U型金属环和一个小U型金属环以及分别与所述大U型金属环和小U型金属环相连接的金属条带。所述背面谐振结构由正面谐振结构绕图形中心逆时针旋转90°得到，其几何尺寸与正面谐振结构完全相同。本发明可以在四个工作频点将线极化入射波转换为两种具有不同旋向的圆极化透射波，同时还具有结构尺寸小，转换效率高及易于集成和加工的优点。

技术领域

本发明属于微波毫米波圆极化器领域，具体涉及一种基于手征超表面的多频带圆极化器。

背景技术

极化是电磁波最重要的特性之一。根据不同的极化状态，电磁波可以分为线极化波、椭圆极化波以及圆极化波。与线极化波和椭圆极化波相比，圆极化波具有稳定性高、抗干扰能力强等优点，因此它被广泛应用于卫星通信、雷达、电子对抗等方面。在工程应用中，要得到圆极化波，除了利用圆极化天线自身直接产生外，还可以利用圆极化器将入射的线极化波转换为圆极化波。传统的圆极化器例如波导圆极化器、栅条圆极化器等都具有结构复杂、难以制造等缺点。

近年来新兴的手征超表面因其特有的巨圆二色性以及巨旋光性等特点，被认为是一种能实现线极化入射波到圆极化透射波转换的新途径。与传统圆极化器相比，基于手征超表面的圆极化器具有结构简单、设计灵活、尺寸小、重量轻等特点，且其可利用现已非常成熟的标准印制电路板工艺及光刻工艺轻易加工，因此研究人员设计并制造了各种不同手征超表面结构的圆极化器。然而早期设计的圆极化器都具有工作频点少，转换效率低的缺点，这在一定程度上限制了这些手征超表面圆极化器在实际工程中的应用。为了解决这一问题，研究人员提出了两种方案，一种是在一个极化单元内放置多个具有不同尺寸的谐振单元，另一种则是在垂直方向上堆叠手征超表面的层数。虽然这两种方法都能有效增加圆极化器的工作频点，但也不可避免地增大了极化单元的尺寸与厚度，使得所设计的圆极化器不易于加工或与其他电路结构集成。

发明内容

本发明提出一种基于手征超表面的多频带圆极化器，目的是利用简单的新型单图案谐振结构实现多个工作频点，有效缩减手征超表面的尺寸及厚度，解决现有圆极化器工作频点少、结构复杂、不易于加工与集成的技术问题。另外，本发明中的每个工作频点均可通过改变谐振结构的尺寸参数加以调谐，在实际工程中更具实用性。

本发明的技术方案如下：

一种基于手征超表面的多频带圆极化器，包括在同一平面内周期性矩阵排列的多个极化单元。

每个极化单元包括一层介质基板、位于介质基板正面的正面谐振结构及位于介质基板背面的背面谐振结构。所述介质基板、正面谐振结构及背面谐振结构的中心位于同一条垂直线上。

正面谐振结构由对向放置的一个大U型金属环和一个小U型金属环以及将大U型金属环和小U型金属环相连接的金属条带组成。大U型金属环和小U型金属环具有同一条中轴线，所述金属条带即位于这条中轴线上。

背面谐振结构由正面谐振结构绕图形中心顺时针或逆时针旋转90°得到，其几何尺寸与正面谐振结构完全相同。

由于正面谐振结构与背面谐振结构互为90°旋转，二者所构成的极化单元不再具有对称特性，而是具有手征特性。

进一步，正面谐振结构和背面谐振结构中的大U型金属环和小U型金属环的开口方向相反，且具有不同的结构参数，通过调节二者的宽度可以有效改变每个工作频点的位置。

进一步，所述正面谐振结构与背面谐振结构均为铜箔。

进一步，所述介质基板包括聚四氟乙烯高频板、FR-4玻璃布基板、罗杰斯系列、Taconic系列介质基板材料。优选FR-4玻璃布基板，其介电常数为4.3，磁导率为1，损耗正切角为0.025。