透射型双频极化不敏感极换表面的制作方法

1.本发明属于雷达抗干扰技术领域，具体涉及一种透射型双频极化不敏感转 换表面。


背景技术：

2.在微波技术领域，极化转换表面作为一种重要的微波器件被广泛应用于需 要改变入射电磁波极化状态的设备中；卫星通信、雷达和导航等对电磁波极化 方向有特殊要求的场合可以使用极化转换表面。
3.相关技术中，根据波的传播方向，极化转换表面可以分类为透射型和反射 型，在无线通信系统中，通过加载极化转换表面即可对入射波实现极化转换， 降低了系统的复杂度。在线极化转化领域，对透射的电磁波实现正交偏转非常 普遍，透射型极化转换表面中通常使用的是基于金属条栅型结构，只能实现基 本的交叉极化的转换；且大多数依据固定的入射波电场振荡方位角进行设计， 使得在入射波电场振荡方位角在未知情况下极化转换表面的转换效率不稳定。 此外，在无线通信领域，多频工作系统中，需要同时对多个频率的电磁波实现 极化不敏感转换实现通信，现有的透射型线极化转换表面局限于单频工作和难 以实现极化角不敏感。
4.因此，亟需解决在不受极化角的影响下实现双频点的极化转换的问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种透射型双频极化 不敏感转换表面。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本技术提供一种透射型双频极化不敏感转换表面，包括：
7.第一谐振层，包括阵列排布的多个第一金属贴片单元，第一金属贴片单元 至少包括正交排布的两个第一金属贴片，第一金属贴片包括第一区域和第二区 域，第一区域的谐振频率与第二区域的谐振频率不同；
8.第一介质层，位于第一谐振层的一侧；
9.金属地板层，位于第一介质层背离第一谐振层的一侧；
10.第二介质层，位于金属地板层背离第一谐振层的一侧；
11.第二谐振层，位于第二介质层背离第一谐振层的一侧，且第一谐振层与第 二谐振层对应设置；第二谐振层包括阵列排布的多个第二金属贴片单元，第二 金属贴片单元至少包括正交排布的两个第二金属贴片，第二金属贴片包括第三 区域和第四区域，第三区域的谐振频率与第四区域的谐振频率不同；第一金属 贴片与第二金属贴片电连接。
12.可选地，第一金属贴片单元包括4个第一金属贴片，第一金属贴片为矩形；
13.第一金属贴片沿第一方向环形正交排布，第一方向为顺时针方向或逆时针 方向。
14.可选地，第一金属贴片包括第一u型槽，位于第一u型槽内的第一金属贴 片为第一区域，位于第一u型槽外的第一金属贴片为第二区域，第一区域的谐 振频率大于第二区域
的谐振频率。
15.可选地，第二金属贴片单元包括4个第二金属贴片，第二金属贴片为矩形；
16.第二金属贴片沿第二方向环形正交排布，第二方向为逆时针方向或顺时针 方向。
17.可选地，第二金属贴片包括第二u型槽，位于第二u型槽内的第二金属贴 片为第三区域，位于第二u型槽外的第二金属贴片为第四区域，第三区域的谐 振频率大于第四区域的谐振频率。
18.可选地，每个第一金属贴片对应电连接一个与其正交的第二金属贴片，且 第一金属贴片与第二金属贴片通过过孔电连接。
19.可选地，金属地板层包括多个通孔；沿垂直于第一谐振层的方向，通孔贯 穿金属地板层，通孔用于为过孔避让空间。
20.可选地，第一区域的尺寸和第三区域的尺寸相同，第二区域的尺寸和第四 区域的尺寸相同。
21.可选地，第一区域沿第三方向的尺寸为w1，0.0143λ1《w1《0.0152λ1；第一区 域沿第四方向的尺寸为l1，0.160λ1《l1《0.258λ1；第三方向与第四方向相交，λ1为 第一金属贴片中第一区域的谐振频率对应的真空波长。
22.可选地，第二区域沿第三方向的尺寸为w2，0.0432λ2《w2《0.0434λ2；第二区 域沿第四方向的尺寸为l2，0.201λ2《l2《0.258λ2；第三方向与第四方向相交，λ2为第一金属贴片中第二区域的谐振频率对应的真空波长。
23.本发明的有益效果：
24.本发明提供的一种透射型双频极化不敏感转换表面，第一谐振层包括阵列 排布的多个第一金属贴片单元，第一金属贴片单元至少包括正交排布的两个第 一金属贴片，第一金属贴片包括第一区域和第二区域，其中，第一区域的谐振 频率与第二区域的谐振频率不同；第二谐振层包括阵列排布的多个第二金属贴 片单元，第二金属贴片单元至少包括正交排布的两个第二金属贴片，第二金属 贴片包括第三区域和第四区域，其中，第三区域的谐振频率与第四区域的谐振 频率不同；如此，实现双频段极化转换，实现高效率极化转换，插入损耗小， 剖面低，易于与其他微波器件集成。
25.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的透射型双频极化不敏感转换表面的一种结构示 意图；
27.图2是本发明实施例提供的第一金属贴片单元的一种结构示意图；
28.图3是本发明实施例提供的第二金属贴片单元的一种结构示意图；
29.图4是本发明实施例提供的金属地板层的一种结构示意图；
30.图5是本发明实施例提供的第一介质层的一种结构示意图；
31.图6是本发明实施例提供的极化转换表面在不同极化下的交叉极化透射幅 度系数的曲线图；
32.图7是本发明实施例提供的极化转换表面在不同极化下的共极化反射幅度 系数的曲线图；
33.图8是本发明实施例提供的极化转换表面在x极化下极化角度从0度增加 至45度
对应的交叉极化透射系数的曲线图；
34.图9是本发明实施例提供的极化转换表面在x极化下极化角度从0度增加 至45度对应的共极化反射系数曲线图的曲线图。
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式 不限于此。
36.请参见图1，图1是本发明实施例提供的透射型双频极化不敏感转换表面 的一种结构示意图，本技术所提供的一种透射型双频极化不敏感转换表面，包 括：
37.第一谐振层10，包括阵列排布的多个第一金属贴片单元11，第一金属贴片 单元11至少包括正交排布的两个第一金属贴片12，第一金属贴片12包括第一 区域13-1和第二区域13-2，第一区域13-1的谐振频率与第二区域13-2的谐振 频率不同；
38.第一介质层20，位于第一谐振层10的一侧；
39.金属地板层30，位于第一介质层20背离第一谐振层10的一侧；
40.第二介质层40，位于金属地板层30背离第一谐振层10的一侧；
41.第二谐振层50，位于第二介质层40背离第一谐振层10的一侧，且第一谐 振层10与第二谐振层50对应设置；第二谐振层50包括阵列排布的多个第二金 属贴片单元51，第二金属贴片单元51至少包括正交排布的两个第二金属贴片 52，第二金属贴片52包括第三区域53-1和第四区域53-2，第三区域53-1的谐 振频率与第四区域53-2的谐振频率不同；第一金属贴片12与第二金属贴片52 电连接。
42.具体而言，请继续参考图1所示，本实施例中提供的透射型双频极化不敏 感转换表面，依次层叠设置有第一谐振层10、第一介质层20、金属地板层30、 第二介质层40和第二谐振层50；其中，第一谐振层10用于接收入射电磁波， 第一谐振层10与第二谐振层50电连接，可以将电磁波传输到第二谐振层50， 第二谐振层50用于辐射电磁波，金属地板层30用于第一谐振层10和第二谐振 层50的公共地板；如此，采用平面电路级结构减小了单元结构的剖面，易于与 微波器件集成。
43.相关技术中，现有的线极化转换表面使用较多的是采用多层网栅结构堆叠， 存在电尺寸较大、结构设计复杂、成本高，以及剖面高的问题，不易与其他微 波器件集成；且现有的线极化转换表面使用较多的金属条栅型结构，一般在固 定频率段工作；此外，现有的极化转换表面均依据固定的入射波电场振荡方位 角进行设计，使得入射波电场振荡方位角未知情况下极化转换表面的转换效率 不稳定；现有的极化转换表面在单频点工作并且难以实现极化角不敏感极化转 换，不适用于多频无线通信系统。
44.有鉴于此，本实施例中提供的透射型双频极化不敏感转换表面，第一谐振 层10包括阵列排布的多个第一金属贴片单元11，第一金属贴片单元11至少包 括正交排布的两个第一金属贴片12，第一金属贴片12包括第一区域13-1和第 二区域13-2，其中，第一区域13-1的谐振频率与第二区域13-2的谐振频率不 同；第二谐振层50包括阵列排布的多个第二金属贴片单元51，第二金属贴片 单元51至少包括正交排布的两个第二金属贴片52，第二金属贴片52包括第三 区域53-1和第四区域53-2，其中，第三区域53-1的谐振频率与第四区域53-2 的谐振频率不同；如此，实现双频段极化转换，实现高效率极化转换，插入损 耗小，剖
面低，易于与其他微波器件集成。
45.需要说明的是，图1所示实施例中仅示意性示出了第一谐振层10、第一介 质层20、金属地板层30、第二介质层40和第二谐振层50的结构示意图，并不 代表其具体尺寸。
46.请参见图2，图2是本发明实施例提供的第一金属贴片单元11的一种结构 示意图，在本技术的一种可选的实施例中，第一金属贴片单元11包括4个第一 金属贴片12，第一金属贴片12为矩形；
47.第一金属贴片12沿第一方向环形正交排布，第一方向为顺时针方向或逆时 针方向。
48.需要说明的是，图2所示实施例中仅示意性示出了4个第一金属贴片12 的排布方式，其中，各第一金属贴片12的形状大小相同。
49.具体而言，请继续参见图2所示，本实施例中第一金属贴片单元11包括4 个第一金属贴片12，沿垂直于第一谐振层d1的方向，第一金属贴片12的形状 为矩形，第一金属贴片12沿第一方向环形正交排布；可以理解的是，各个第一 金属贴片12顺时针依次排布，相邻两个第一金属贴片12正交；或者，各个第 一金属贴片12逆时针依次排布，相邻两个第一金属贴片12正交；如此，可以 接收入射的线极化电磁波的x极化方向的分量和y极化方向的分量。
50.请继续参见图2所示，在本技术的一种可选的实施例中，第一金属贴片12 包括第一u型槽14，位于第一u型槽14内的第一金属贴片12为第一区域13-1， 位于第一u型槽14外的第一金属贴片12为第二区域13-2，第一区域13-1的 谐振频率大于第二区域13-2的谐振频率。
51.需要说明的是，图2所示实施例中仅示意性示出了第一u型槽14的形状， 并不代表第一u型槽14的实际尺寸。
52.具体而言，请继续参见图2所示，本实施例中第一金属贴片12包括第一u 型槽14，沿垂直于第一谐振层d1的方向，第一u型槽14将第一金属贴片12 分为两部分，即位于第一u型槽14内的第一金属贴片12为第一区域13-1，位 于第一u型槽14外的第一金属贴片12为第二区域13-2，第一区域13-1与第 二区域13-2联通，第一区域13-1的谐振频率大于第二区域13-2的谐振频率； 如此，通过在单谐振贴片上开槽并增加谐振枝节以实现双频点工作特性，双频 工作的第一金属贴片12的外围部分实现低频谐振，双频工作的第一金属贴片 12的中间部分实现高频谐振。
53.请参见图3，图3是本发明实施例提供的第二金属贴片单元51的一种结构 示意图，在本技术的一种可选的实施例中，第二金属贴片单元51包括4个第二 金属贴片52，第二金属贴片52为矩形；
54.第二金属贴片52沿第二方向环形正交排布，第二方向为逆时针方向或顺时 针方向。
55.具体而言，请继续参考图3所示，本实施例中第二金属贴片单元51包括4 个第二金属贴片52，沿垂直于第一谐振层d1的方向，第二金属贴片52的形状 为矩形，第二金属贴片52沿第二方向环形正交排布；可以理解的是，各个第二 金属贴片52逆时针依次排布，相邻两个第二金属贴片52正交；或者，各个第 二金属贴片52顺时针依次排布，相邻两个第二金属贴片52正交；需要说明的 是，第一金属贴片12环形正交排布的方向与第二金属贴片52环
形正交排布的 方向相反，即，第一金属贴片12顺时针环形正交排布，第二金属贴片52逆时 针环形正交排布；第一金属贴片12逆时针环形正交排布，第二金属贴片52顺 时针环形正交排布。
56.请继续参见图2所示，在本技术的一种可选的实施例中，第二金属贴片52 包括第二u型槽54，位于第二u型槽54内的第二金属贴片52为第三区域53-1， 位于第二u型槽54外的第二金属贴片52为第四区域53-2，第三区域53-1的 谐振频率大于第四区域53-2的谐振频率。
57.需要说明的是，图3所示实施例中仅示意性示出了第二u型槽54的形状， 并不代表第二u型槽54的实际尺寸。
58.具体而言，请继续参见图3所示，本实施例中第二金属贴片52包括第二u 型槽54，沿垂直于第一谐振层d1的方向，第二u型槽54将第二金属贴片52 分为两部分，即位于第二u型槽54内的第二金属贴片52为第三区域53-1，位 于第二u型槽54外的第二金属贴片52为第四区域53-2，第三区域53-1与第 四区域53-2联通，第三区域53-1的谐振频率大于第四区域53-2的谐振频率； 如此，通过在单谐振贴片上开槽并增加谐振枝节以实现双频点工作特性，双频 工作的第二金属贴片52的外围部分实现低频谐振，双频工作的第二金属贴片 52的中间部分实现高频谐振。
59.在本技术的一种可选的实施例中，每个第一金属贴片12对应电连接一个与 其正交的第二金属贴片52，且第一金属贴片12与其正交的第二金属贴片52通 过过孔60电连接；如此，可以将x方向极化和y方向极化的分量分别转换为正 交极化，实现双频段任意角度极化的线极化电磁波极化旋转90
°
。
60.需要说明的是，图2和图3所示实施例仅示意性示出了过孔60的位置示意 图，并不代表过孔60的实际尺寸。
61.具体而言，请继续参见图2和图3所示，本实施例中，每个第一金属贴片 12对应电连接一个第二金属贴片52，且第一金属贴片12与其正交的第二金属 贴片52通过过孔60电连接，其中，过孔60内注入金属材料，以实现电连接； 过孔60穿过第一介质层20、金属地板层30和第二介质层40，过孔60将第一 金属贴片12与其正交的第二金属贴片52电连接，能够减弱上下层双频工作的 金属贴片之间的能量耦合，降低损耗。
62.请继续参见图2和图3所示，在本技术的一种可选的实施例中，过孔60 的直径为d1，0.00716λ1《d1《0.00717λ1。
63.请参见图4，图4是本发明实施例提供的金属地板层30的一种结构示意图， 在本技术的一种可选的实施例中，金属地板层30包括多个通孔70；沿垂直于 第一谐振层d1的方向，通孔70贯穿金属地板层30，通孔70用于为过孔60 避让空间。
64.需要说明的是，图4所示实施例仅示意性示出了通孔70的位置，并不代表 通孔70的实际尺寸。
65.具体而言，请继续参见图4所示，本实施例中金属底板层包括多个通孔70， 沿垂直于第一谐振层d1的方向，通孔70贯穿金属地板层30，通孔70用于穿 过过孔60，即为过孔60的设置避让空间；通孔70的直径大于过孔60的直径， 能够保证过孔60的功能。
66.请继续参考图2和图3所示，在本技术的一种可选的实施例中，第一区域 13-1的尺寸和第三区域53-1的尺寸相同，第二区域13-2的尺寸与第四区域53-2 的尺寸相同。
67.需要说明的是，图2和图3所示实施例中仅示意性示出了第一金属贴片12 与第二金属贴片52的形状，其并不代表实际尺寸。
68.具体而言，请继续参见图2和图3所示，本实施例中第一区域13-1的尺寸 和第三区域53-1的尺寸相同，第二区域13-2的尺寸和第四区域53-2的尺寸相 同；沿垂直于第一谐振层d1的方向，过孔60设置于对应的第二区域13-2和第 四区域53-2，请继续参见图2和3所示，过孔60位于第一金属贴片单元11的 直角处。
69.请继续参见图1所示，在本技术的一种可选的实施例中，第一金属贴片单 元11与第二金属贴片单元51对应设置，即第一金属贴片单元11的数量与第二 金属贴片单元51的数量相等，即均包括m
×
n，m≥2，n≥2，第一谐振层10和 第二谐振层50的金属结构的材料均为铜；第一谐振层10与第一介质层20相互 电连接，第一介质层20的介电常数εr为2.65，损耗角正切tanδ＝0.002，厚度为 2mm；第一介质层20与金属地板层30电连接，金属地板层30与第二介质层 40电连接，第二介质层40的介电常数εr为2.65，损耗角正切tanδ＝0.002，厚度 为2mm。
70.请继续参见图2所示，在本技术的一种可选的实施例中，单元周期 p＝16.5mm。
71.请继续参见图2所示，在本技术的一种可选的实施例中，第一金属贴片12 的第一区域13-1沿第三方向d3的尺寸为w1，0.0143λ1《w1《0.0152λ1；第一金属 贴片12的第一区域13-1沿第四方向d4的尺寸为l1，0.160λ1《l1《0.258λ1；第一 u型槽14的开口沿第四方向d4的尺寸为w3，0.0035λ1《w3《0.0036λ1，第一u型 槽14开口处沿第四方向d4的尺寸为l3，0.0086λ1《l3《0.0091λ1，第一u型槽14 沿第四方向d4的尺寸为w4，0.0343λ1《w4《0.0359λ1，第一u型槽14沿第三方向 d3的尺寸l4，0.1785λ1《l4《0.1792λ1；第二区域13-2沿第三方向d3的尺寸为w2， 0.0432λ2《w2《0.0434λ2；第二区域13-2沿第四方向d4的尺寸为l2， 0.201λ2《l2《0.258λ2；第三方向d3与第四方向d4相交，可选的，第三方向d3 与第四方向d4垂直；λ1为所述第一金属贴片中所述第一区域的谐振频率f1对 应的真空波长，λ2为所述第一金属贴片中所述第二区域的谐振频率f2对应的真 空波长。
72.请继续参见图2所示，在本技术的一种可选的实施例中，相邻第一金属贴 片12之间的间隙距离为g，0.00537λ1《g《0.005375λ1。
73.具体而言，请继续参见图2所示，本实施例中第一金属贴片12中第一区域 13-1沿第三方向d3的尺寸w1＝0.8mm，第一区域13-1沿第四方向d4的尺寸 l1＝9mm，第一u型槽14的开口沿第四方向d4的尺寸w3＝0.2mm，第一u型槽 14开口处沿第四方向d4的尺寸l3＝0.5mm，第一u型槽14沿第四方向d4的尺 寸w4＝2mm，第一u型槽14沿第三方向d3的尺寸l4＝10mm，第二区域13-2沿 第三方向d3的尺寸w2＝2.8mm，第二区域13-2沿第四方向d4的尺寸l2＝13.2mm， 相邻第一金属贴片12之间的间隙距离g＝0.3mm。
74.需要说明的是，第二金属贴片52的尺寸可以参考第一金属贴片12的尺寸， 其中，第二金属贴片52的第三区域53-1的尺寸参考第一金属贴片12的第一区 域13-1的尺寸，第二金属贴片52的第四区域53-2的尺寸参考第一金属贴片12 的第二区域13-2的尺寸，本技术在此不一一详述。
75.需要说明的是，相邻第二金属贴片52之间的间隙距离参考第一金属贴片 12之间的间隙，本技术在此不一一详述。
76.需要说明的是，请继续参见图1所示，h1为第一介质层20的厚度，h2为 第二介质层
40的厚度。
77.请参见图5，图5是本发明实施例提供的第一介质层20的一种结构示意图， 在本技术的一种可选的实施例中，过孔60穿过第一介质层20，第一介质层20 上的过孔60的直径为d1，0.00716λ1《d1《0.00717λ1，可选的，d1＝0.4mm。
78.需要说明的是，请继续参见图5所示，第二介质层40上的过孔60的直径 与第一介质层20上的过孔60的直径相等，第二介质层40上的过孔60的直径 参考第一介质层20上的过孔60的尺寸。
79.请继续参见图4所示，在本技术的一种可选的实施例中，金属地板层30 上包括多个通孔70，通孔70的直径大于过孔60的直径，且通孔70的数量与 过孔60的数量相等；可选的，通孔70的直径为d2，0.025λ1《d2《0.026λ1，可选 的，d2＝1.4mm。
80.在本技术的一种可选的实施例中，请参见图6和图7所示，图6是本发明 实施例提供的极化转换表面在不同极化下的交叉极化透射幅度系数的曲线图， 图7是本发明实施例提供的极化转换表面在不同极化下的共极化反射幅度系数 的曲线图。以仿真条件1进行仿真，在垂直入射条件下分别以x极化和y极化 对本技术上述实施例提供的透射型双频极化不敏感极化转换表面进行仿真，得 到交叉极化透射系数与共极化反射系数曲线，如图6和图7所示；图6为该双 频极化不敏感极化转换器在x极化和y极化波入射下的交叉极化透射系数曲线， 图中t
yx
和t
xy
分别为x极化和y极化入射波下的交叉极化透射系数；图7为x 极化和y极化波入射下的共极化反射系数曲线，图中r
xx
和r
yy
分别为x极化和y 极化入射波下的共极化反射系数；由图6和图7可知，本实施例提供的双频极 化不敏感极化转换表面可以实现在4.58-4.69ghz和5.33-5.42ghz双频段的交叉 极化转换，并且在两个通带内的pcr均大于90％，其中心工作频率分别为 4.64ghz和5.37ghz；在4.64ghz和5.37ghz处的交叉极化透射系数分别为
ꢀ‑
0.22db和-0.35db，此时pcr达到了95％。
81.在本技术的一种可选的实施例中，请参见图8和图9所示，图8是本发明 实施例提供的极化转换表面在x极化下极化角度从0度增加至45度对应的交叉 极化透射系数的曲线图，图9是本发明实施例提供的极化转换表面在x极化下 极化角度从0度增加至45度对应的共极化反射系数的曲线图。以仿真条件1 进行仿真，在垂直入射条件下以x极化波入射下不同极化角对本技术上述实施 例提供的透射型双频极化不敏感极化转换表面进行仿真，得到交叉极化透射系 数与共极化反射系数曲线，如图8和图9所示，本实施例提供的透射型极化转 换表面在极化角从0-45
°
范围内变化时完全不影响其交叉极化系数和共极化系 数，说明该结构具有对入射波的极化角不敏感的特性，即对于任意极化方位角 的来波均能在两个通带范围内经透射后将其旋转90
°
。
82.本发明提供的一种透射型双频极化不敏感转换表面，第一谐振层10包括阵 列排布的多个第一金属贴片单元11，第一金属贴片单元11至少包括正交排布 的两个第一金属贴片12，第一金属贴片12包括第一区域13-1和第二区域13-2， 其中，第一区域13-1的谐振频率与第二区域13-2的谐振频率不同；第二谐振 层50包括阵列排布的多个第二金属贴片单元51，第二金属贴片单元51至少包 括正交排布的两个第二金属贴片52，第二金属贴片52包括第三区域53-1和第 四区域53-2，其中，第三区域53-1的谐振频率与第四区域53-2的谐振频率不 同；如此，实现双频段极化转换，实现高效率极化转换，插入损耗小，剖面低， 易于与其他微波器件集成。
83.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替 换，都应当视为属于本发明的保护范围。