利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器

1.本发明属于极化转换器领域，特别是一种利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器。


背景技术：

2.极化是电磁波的一个重要特性。当入射电磁波的极化与所需要的极化不同时需要使用极化转换器。极化转换器在天线设计和rcs减缩方面有重要应用。传统的极化转换器的设计通常利用双折射效应和光栅，这需要较长的传播距离才能获得所需要的相位变化，因而利用该方案设计的极化转换器体积较大，且带宽较窄。近年来，随着超材料/超表面技术的日趋成熟，利用超材料/超表面技术设计的极化转换器在微波波段到光波段均有应用。其中，利用各向异性超表面设计的反射型线性交叉极化转化器具有较多应用。许多学者利用各向异性超表面设计出了超宽带，低剖面，高效率的极化转换器。并且，通过合理设计各向异性超表面的单元结构，如使用双方形开口谐振环结构，双c形窄环结构，双切口开缝金属环结构等可以设计出双频带，高效率的极化转换器。然而，利用各向异性超表面设计需要对极化转换特性和频率特性进行综合考虑，该方案在设计超宽带或多频带的极化转换器中需要对单元图案精心设计，以同时满足极化和频率的要求，这给设计造成一定难度。并且，当所需的频率特性发生改变时，整个单元结构需要重新设计。同时，利用各向异性超表面设计的极化转换器在大角度的斜入射波的照射下，其极化转换性能容易发生改变，使其在使用中大多无法满足大角度照射的场合。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种利用滤波电路控制频率特性的极化转换器。该方案将极化特性与频率特性分开设计，使得频率特性可以被单独控制。利用该方案设计的极化转换器具有良好的斜入射角度特性。该方案可以作为极化转换器设计方案的良好补充。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，该极化转换器包括双极化天线阵列和设置于该双极化天线阵列地板背面的滤波电路；
5.所述双极化天线阵列，用于接收x-极化或y-极化的线极化入射波，并将其转换为y-极化或x-极化；
6.所述滤波电路，用于控制全通/带通的滤波特性，实现超宽带/双频带的频率响应。
7.进一步地，所述双极化天线阵列包括若干天线单元，所述天线单元包括从上至下依次设置的宽角匹配层、金属振子介质板、支撑层和共用地板；所述宽角匹配层和金属振子介质板之间设置有位于同一水平面的水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片，所述金属振子介质板和支撑层之间设置有耦合金属圆片；所述耦合金属圆片通过垂直通孔连接到共用地板；所述水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片通过两个垂直短路通孔分别连接到共用地板；所述水平金属振子辐射片通过第一垂直信号通孔贯穿共用地板连接滤波电
路的输入端，所述滤波电路的输出端通过第二垂直信号通孔连接垂直金属振子辐射片。
8.进一步地，所述金属振子介质板、支撑层为不对称的十字交叉结构。
9.进一步地，所述水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片分为位于金属振子介质板十字交叉结构的两个臂上，由此形成不对称的十字交叉结构。
10.进一步地，所述水平金属振子辐射片、垂直金属振子辐射片分别包括两个振子臂，一个振子臂为馈电端，另一个振子臂接地。
11.进一步地，所述耦合金属圆片设置于所述十字交叉结构的交叉位置。
12.进一步地，所述耦合金属圆片的中心位置通过垂直通孔连接到共用地板；所述水平金属振子辐射片和垂直金属振子辐射片的接地振子臂分别通过垂直短路通孔连接共用地板；所述水平金属振子辐射片的馈电端通过第一垂直信号通孔贯穿共用地板连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端通过第二垂直信号通孔连接垂直金属振子辐射片的馈电端。
13.进一步地，所述滤波电路包括一个全通滤波器或一个带阻滤波器，分别实现超宽带/双频带的频率响应。
14.进一步地，所述带阻滤波器包括位于主传输线上的依次连接的输入端微带线、第一微带线、第二微带线、第三微带线和输出端微带线，以及分别位于第二微带线前端、中间和末端的三条分支线的第四微带线、第五微带线、第六微带线。
15.进一步地，所述全通滤波器为一段50欧姆微带线。
16.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
17.(1)本发明提供了一种设计极化转换器的新方案，通过在双极化天线阵列地板背面加载滤波电路，可以将极化转换器的极化特性和频率特性分开设计。这与以往的基于各向异性超表面设计的反射型极化转换器完全不同，该方案提高了设计的灵活性和自由度。
18.(2)本发明将射频滤波电路引入到极化转换器的设计中，通过改变滤波电路频率特性可以获得不同频率特性的极化转换器，如需要设计单频带和多频带的极化转换器，可以保持天线不变，只改变滤波器的结构。该特点增加了极化转换器的频率可调性。
19.(3)本发明中的滤波电路不受斜入射角的影响，只要天线能够接收到入射波，在大角度下极化转换器依然可以保持良好的性能。
20.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
21.图1为实施例1中利用端接带阻滤波器控制频率特性的双频段极化转换器的结构图。
22.图2为实施例1中双极化天线的金属振子以及介质板的结构图。
23.图3为实施例1中双极化天线的支撑层结构图。
24.图4为实施例1中双极化天线与滤波电路的共用地板的结构图。
25.图5为实施例1中利用端接带阻滤波器控制频率特性的双频段极化转换器中带阻滤波器的结构图。
26.图6为实施例1中利用端接带阻滤波器控制频率特性的双频段极化转换器在不同入射角度的线性x-极化入射波下的反射系数示意图。
27.图7为实施例1中利用端接带阻滤波器控制频率特性的双频段极化转换器在不同入射角度的线性x-极化入射波下的极化转换比示意图。
28.图8为实施例1中利用端接带阻滤波器控制频率特性的双频段极化转换器在垂直入射的线性x-极化入射波下的极化方位角示意图。
29.图9为实施例2中利用端接微带线控制频率特性的超宽带极化转换器的结构图。
30.图10为实施例2中利用端接微带线控制频率特性的超宽带极化转换器中的微带线的结构图。
31.图11为实施例2中利用端接微带线控制频率特性的超宽带极化转换器在不同入射角度的线性x-极化入射波下的反射系数示意图。
32.图12为实施例2中利用端接微带线控制频率特性的超宽带极化转换器在不同入射角度的线性x-极化入射波下的极化转换比示意图。
33.图13为实施例2中利用端接微带线控制频率特性的超宽带极化转换器在垂直入射的线性x-极化入射波下的极化方位角示意图。
具体实施方式
34.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
35.结合图1，一种利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，该极化转换器包括双极化天线阵列和设置于该双极化天线阵列地板背面的滤波电路；
36.所述双极化天线阵列，用于接收x-极化或y-极化的线极化入射波，并将其转换为y-极化或x-极化；
37.所述滤波电路，用于控制全通/带通的滤波特性，实现超宽带/双频带的频率响应。
38.本发明的设计思路如下：首先选择一个宽带的双极化天线阵列，x-极化或y-极化的入射波都可以被该天线阵列接收；然后在天线阵列的两个极化的馈电端口之间加载一个滤波电路，实现对接收信号频率的选择。该滤波器加载在天线阵列地板的背面，与天线隔离。最后，能够通过滤波电路的信号由y-极化或者x-极化发射到自由空间中，实现交叉极化转换。
39.具体地，如图1所示，一种利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，包括双极化天线阵列和设置于天线阵列地板背面的滤波电路。所述双极化天线阵列包括若干天线单元，所述天线单元包括依次设置的宽角匹配层1、金属振子介质板2、支撑层3和共用地板9。所述宽角匹配层1和金属振子介质板2之间设置有水平金属振子辐射片5和垂直金属振子辐射片6；所述水平金属振子辐射片5和垂直金属振子辐射片6分别由两个振子臂组成，一个振子臂为馈电端，另一个振子臂接地，如图2所示。所述支撑层3是一个不对称的十字交叉结构，如图3所示。所述支撑层3的十字交叉位置上方设置有耦合金属圆片7；所述耦合金属圆片7的中心位置通过垂直通孔8连接到共用地板9；所述水平金属振子辐射片5和垂直金属振子辐射片6的接地振子臂分别通过垂直短路通孔10、11连接到共用地板9。所述水平金属振子辐射片5的馈电端通过垂直信号通孔12贯穿共用地板9连接到滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端通过垂直信号通孔16连接垂直金属振子辐射片6的馈电端。
10db以下，r
yx
在-1db以上。当斜入射角度增加到45度，高频处的工作带宽有所下降至17.75ghz，但是仍然能够保持良好的极化转换性能。
46.参见图7，为入射波为x-极化的线极化波，不同斜入射角度下的该极化转换器的极化转换比(pcr)，pcr＝r
yx2
/(r
yx2
+r
xx2
)。对于垂直入射的来波，在6.5-10gh和15-19gh的两个工作频带内，pcr均在90％以上。当斜入射角度增加到45度时，高频处的带宽有所减小，但在两个工作频带内pcr均大于90％。
47.参见图8，为入射波为x-极化的线极化波，垂直入射时该极化转换器的极化方位角θ。极化方位角θ定义为θ＝arctan(r
xy
/r
xx
)。它表示反射波与入射波的相对旋转角度。由图可见，极化方位角θ在6.62-9.85ghz和15.17-19ghz的范围内均高于75度，并且，在7.2ghz和9.5ghz时，极化方位角θ接近90度。以上结果说明该极化转换器具有良好的线性交叉极化转换性能。
48.实施例2
49.本实施例为一种利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，具体为一种利用端接微带线控制频率特性的超宽带极化转换器。当入射波为线性x-或y-极化电磁波时，可以实现超宽带的交叉极化转换功能。本实施例的极化转换器的工作频带为6-19ghz，相对带宽分别为104％。并且，该极化转换器具有超过90％的极化转换比和良好的斜入射角度稳定性。下面结合附图做进一步详细说明。
50.参见图9，一种利用端接微带线控制频率特性的超宽带极化转换器，包括双极化天线阵列和设置于天线阵列地板背面的微带线。双极化天线单元与图2所使用的结构完全相同。
51.参见图10，为利用端接微带线控制频率特性的超宽带极化转换器中的微带线示意图。该微带线特性阻抗为50欧姆，微带线宽度wm＝0.7mm。
52.参见图11，为入射波为x-极化的线极化波，不同斜入射角度下该极化转换器的反射系数。由图可见，在垂直入射时，在6-19ghz的频率范围内，该极化转换器的的反射系数r
xx
在-10db以下，r
yx
在-0.6db以上。当斜入射角度增加到30度时，在6-18ghz反射系数r
xx
仍然在-10db以下。当斜入射角度增加到45度时，18ghz的反射系数r
xx
为-8.35db，r
yx
均在-2db以内。
53.参见图12，为入射波为x-极化的线极化波，不同斜入射角度下的该极化转换器的极化转换比。对于垂直入射的来波，在6-19gh内，斜入射角度增加到30度时，pcr均在90％以上。当斜入射角度增加到45度时，整个工作频带内pcr仍然大于84.5％。
54.参见图13，为入射波为x-极化的线极化波，垂直入射时该极化转换器的极化方位角θ。由图可见，极化方位角θ在6-19ghz的范围内均大于72度，并且，在11.7ghz时，极化方位角θ接近90度。
55.本发明设计的具有超宽带和双频带的反射型极化转换，当线性x-极化或y-极化的电磁波照射到该极化转换器表面时，反射波为其正交极化。本发明可以用于天线设计，雷达散射截面(rcs)减缩和无线通信技术。
56.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进
都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，该极化转换器包括双极化天线阵列和设置于该双极化天线阵列地板背面的滤波电路；所述双极化天线阵列，用于接收x-极化或y-极化的线极化入射波，并将其转换为y-极化或x-极化；所述滤波电路，用于控制全通/带通的滤波特性，实现超宽带/双频带的频率响应。2.根据权利要求1所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述双极化天线阵列包括若干天线单元，所述天线单元包括从上至下依次设置的宽角匹配层(1)、金属振子介质板(2)、支撑层(3)和共用地板(9)；所述宽角匹配层(1)和金属振子介质板(2)之间设置有位于同一水平面的水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)，所述金属振子介质板(2)和支撑层(3)之间设置有耦合金属圆片(7)；所述耦合金属圆片(7)通过垂直通孔(8)连接到共用地板(9)；所述水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)通过两个垂直短路通孔(10、11)分别连接到共用地板(9)；所述水平金属振子辐射片(5)通过第一垂直信号通孔(12)贯穿共用地板(9)连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端通过第二垂直信号通孔(16)连接垂直金属振子辐射片(6)。3.根据权利要求2所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述金属振子介质板(2)、支撑层(3)为不对称的十字交叉结构。4.根据权利要求3所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)分为位于金属振子介质板(2)十字交叉结构的两个臂上，由此形成不对称的十字交叉结构。5.根据权利要求4所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述水平金属振子辐射片(5)、垂直金属振子辐射片(6)分别包括两个振子臂，一个振子臂为馈电端，另一个振子臂接地。6.根据权利要求3所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述耦合金属圆片(7)设置于所述十字交叉结构的交叉位置。7.根据权利要求6所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述耦合金属圆片(7)的中心位置通过垂直通孔(8)连接到共用地板(9)；所述水平金属振子辐射片(5)和垂直金属振子辐射片(6)的接地振子臂分别通过垂直短路通孔(10，11)连接共用地板(9)；所述水平金属振子辐射片(5)的馈电端通过第一垂直信号通孔(12)贯穿共用地板(9)连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端通过第二垂直信号通孔(16)连接垂直金属振子辐射片(6)的馈电端。8.根据权利要求1所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述滤波电路包括一个全通滤波器或一个带阻滤波器，分别实现超宽带/双频带的频率响应。9.根据权利要求8所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述带阻滤波器包括位于主传输线上的依次连接的输入端微带线(14)、第一微带线(17)、第二微带线(18)、第三微带线(19)和输出端微带线(15)，以及分别位于第二微带线(18)前端、中间和末端的三条分支线的第四微带线(20)、第五微带线(21)、第六微带线(22)。10.根据权利要求8所述的利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，其特征在于，所述全通滤波器为一段50欧姆微带线。

技术总结
本发明公开了一种利用端接滤波电路控制频率特性的极化转换器，包括：双极化天线阵列和设置于天线阵列地板背面的滤波电路，所述双极化天线阵列用于将接收到的电磁波信号传送到设置于天线阵列地板背面的滤波电路，以及将通过滤波电路输出端的信号发射到自由空间；所述滤波电路用于实现对于该极化转换器的频率特性的控制。通过在天线阵列地板背面设置不同的滤波电路，可以得到不同频率特性的极化转换器。本发明设计了具有超宽带和双频带的反射型极化转换器。当线性x-极化或y-极化的电磁波照射到该极化转换器表面时，反射波为其正交极化。本发明可以用于天线设计，雷达散射截面(RCS)减缩和无线通信技术。(RCS)减缩和无线通信技术。(RCS)减缩和无线通信技术。


技术研发人员：吴文 王兵 宗志园 方大纲
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.01.19
技术公布日：2023/7/31