英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

基于频率选择性屏幕的线性至环形开口环极化转换器的比较

M.EulerV.FuscoR.CahillR.Dickie

英国贝尔法斯特BT39DT贝尔法斯特皇后大学ECIT高频工程组

电子邮件：v.fusco@ee.qub.ac.uk

摘要：这项研究介绍了使用独立时隙频率选择性屏幕（FSS）的周期阵列作为从垂直入射到结构的入射线性极化信号产生圆极化信号的手段。针对10GHz操作提出了单层和双层偏振转换器结构中交叉，线性和各种环形槽元件形状的测量和模拟结果。结果表明，采用单层多孔屏蔽设计可以实现21％的3dB轴比（AR）带宽，并且变化率低于双层结构。对于分离式圆环双层周期性阵列可以实现0.34dB的插入损耗，并且呈现的三种拓扑中的六角形裂环极化转换器给出了AR的最低变化，其中入射角为1.8dB/45度和3.6dB/45度分别用于单屏和双屏FSS。此外，还介绍了它们对入射角变化的容限。这里报道的表面作为扭曲偏振器或空间隔离器组件的能力已经被证明，对于正在测量的双层设计，入射信号和再反射信号之间的隔离高达-30dB。

1介绍

透射型偏振器是各向异性介质，当放置在辐射孔径上时，它将线性极化（LP）信号转换为圆极化（CP）信号[1]。偏振变换器在许多天线应用中很重要[2]，例如，这些可用于将地面站或卫星天线的极化从线性切换到循环，反之亦然[3]，它们也可用于消除雨回声或抑制干扰[2,4]。

可以用多种不同的方法从LP信号获得CP信号的。这些形式有几种形式：蚀刻偶极子阵列[5]，不同材料的交替介质板[6]，金属和光蚀刻曲折线结构[7]以及使用条或棒的晶格结构[8]。在本文中，我们描述了基于线性偶极子和嵌套式分裂缝环形频率选择性屏幕（FSS）的新型LP到CP转换器的操作原理。

据报道，基于FSS的偏振转换表面的设计，结构和性能可以将倾斜的线性45度偏振信号转换为圆偏振波，反之亦然。以10GHz的中心频率进行操作，比较原型模型的轴比（AR）和插入损耗特性。介绍了三种偏振转换器元件设计;每个作为单层和双层频率选择表面。此外，还介绍了它们对入射角变化的容限。本文最后讨论了作为扭曲偏振器/隔离器设备的六种偏振转换器设计。

2设计和性能

本文研究的拓扑图1包括（i）具有由两个正交直槽组成的单位单元的结构，（ii）同心开环槽[9]和（iii）嵌套六角开槽环。所有结构都设计用于屏幕朝向0度时的操作，这是正常的，相对于入射平面波。

图1单层和双层偏振转换器设计的几何图形

a单层十字槽：dx=14.2mm，dy=17.8mm，l1=17.7mm，l2=13.5mm，w=1.2mm。双层十字槽：dx=15mm，dy=16mm，l1=15.5mm，l2=14.2mm，w=1.2mm

b单层环槽：dx=17.5mm，dy=17.5mm，R1=4.6mm，R2=5.8mm，R3=7.1mm，R4=8.3mma1=268，a2=85.68。

双层环槽：dx=17.5mm，dy=17.5mm，R1=4.8mm，R2=6mm，R3=6.8mm，R4=7.9mma1=288，a2=101.68

c单层六角槽：h1=1.09mm，h2=4.17mm，h3=4.96mm，h4=5.67mm，h5=7.73mm，h6=8.93mm，h7=2.16mm，h8=0.63mm，h9=1.27mm。双层六角槽：h1=1.12mm，h2=4.25mm，h3=4.64mm，h4=5.3mm，h5=7.73mm，h6=8.93mm，h7=2.13mm，h8=0.65mm，h9=1.29mm。

2.1工作原理

应用的45度倾斜入射LP平面波被分解为两个相等分量，一个在垂直方向而另一个在水平方向。其中一个组件是阶段提前了45度，而另一个是相位延迟了相同的数量。通过安排一个电场分量的相位遇到感应路径，而另一个元件遇到电容路径，就可以实现这一点。理想情况下，退出时的两个组件在FSS的输出处具有相等的幅度。当等量级和90度个微分相位条件满足时，来自FSS的出口波将完全是CP[10]。

参考图1，十字槽元件包括两个彼此垂直的不等长的直槽。一个插槽稍短，另一个稍长于对应于中心工作频率的1/2谐振长度。线性到圆极化转换是通过调整结构的正交缝隙长度的比例来实现的，使得在初始同相反电（TE）和反磁（TM）分量之间的等幅，差分90度相移事件瞬态电磁信号可以在从结构出来的信号后实现。

当相对于入射LP信号旋转时，一个圆形开口环会产生从其反射或通过它反射的信号中的幅度和相位的变化[9,11,12]。需要修改基本分裂环的特性以满足上述用于启动CP波的幅度和相位标准。等幅标准可以通过在嵌套配置中使用两个分裂环槽实施。参照图1所示的环和六角形槽的几何形状，入射的TE波分量使得较长的外部槽稍微低于偏振器的工作频率谐振，而TM波分量则使内部槽以一定频率谐振略高于共振时，两个槽的长度都是一个波长。因此，内槽和外槽的尺寸（长度和宽度）控制出口信号的幅度和相位。另外，如果相同的元素以周期性的方式排列，则与时隙FSS结构相关的带通滤波特性被保留[9,11]。

图1中的所有拓扑均通过使用CST微波工作室的重复分析进行合成来优化。然后将它们构建并测量为单层和双层FSS。与其他FSS结构基本一致，双层设计的优点是可以产生更宽的传输带宽，并且相对于单层结构可以降低插入损耗[13]。用于设计双层FSS[14]的法布里-珀罗方法用于确定初始屏幕间距要求。文献[14]阐述的方法将法布里-珀罗干涉仪的分析扩展到具有依赖于频率的透射/反射特性的级联表面，并提供用于获得FSS层间距要求的系统程序，其仅需要最小化的重新优化。对于此处报道的双层结构，通过改进的法布里-珀罗方法发现，10GHz工作时，最小插入损耗的层间距为10mm。在优化图1和2的最终间距尺寸之后。1a-c分别为9.73,8.75和10mm。

2.2最终设计和测量

CSTMicrowaveStudio被用来设计和优化结构的性能。周期性的边界条件被实现，从而将计算量减小到单个单元的计算量[15]。垂直于晶胞边界的边界是开放的，即它们是通过Floquet模式实现的。使用计算机控制的数字车床制造了6个原型模型，使用1mm厚，30times;30cm2的铝片进行10GHz操作。在模拟中考虑了由于半径为0.6毫米的铣刀导致的圆角端部的影响。为了排列成一个周期性的阵列，元素间隔很近，因为这提高了FSS对入射角变化的弹性[9]。

测量装置由两个LP喇叭天线组成;一个LP喇叭天线从网络分析仪馈入，并相对于每个屏幕以垂直入射角以45°的倾角定位。然后，使用连接到相同矢量网络分析仪的第二LP喇叭对每个屏幕的出口侧的信号的水平EX0和垂直EY0幅度和相位场分量进行采样，对于EX0和EY0场，其旋转通过90°采样。然后对测量的数据进行后处理以找到退出CP信号的AR[16]。

(1)

(2)

(3)

其中EX0和EY0分别是水平和垂直电场分量的最大值。这些场分量之间的相位差由给出。

由于该结构是为操作而设计的，因此在正常入射角下进行测试，因此在测量设置中会出现驻波和散射的可能性。因此，原始S21数据在MATLAB中通过逆傅里叶变换后处理成时域和随后的时间门控。这里，时间窗口放置在直接路径信号周围。因为这个函数在其终点完全归零，所以使用了时间门上的布莱克曼函数。因此，它完全拒绝所有不属于预期目标回报的时间范围内的晚期反射。在此过程之后，所得到的时域数据通过傅立叶变换转换回频域。每个测试结构的测量结果和模拟结果如图2-4所示。

图2显示了十字槽设计的测量和模拟结果。单层设计的等振幅和相位正交点转移到10.1GHz，见图2a。这是因为水平槽的制造长度略短于仿真模型。发现结构的插入损失为3.24分贝;然而，如图2b所示，双屏幕在中心工作频率下的损耗为0.85dB。单个TE和TM模式的滚降速率对于两个结构都是相似的，因此AR响应关于最小值对称，如图2e和f所示。传输的CP信号的3dBAR带宽对于单层设计是14％，对于双层设计是12％。图2c和d显示传输的CP信号的差分相位。相位差为90度5度的带宽为单层设计的中心频率的11％，双层设计的5.1％。虽然后者的相位响应明显更陡，但幅度变化相对平坦;因此两个结构的AR带宽相似。

图3给出了开环槽元件偏振器的结果。对于单层和双层结构，插入损耗分别为3.25和0.34dB。TE和TM组件的通带相比于十字槽屏幕获得的性能更宽，但相位变化略大。因此，对于单屏和双屏起偏器，分别为13.3和12.6％的3dBAR带宽，如图3e和f所示，都与交叉槽设计的先前结果类似。

对于单屏和双屏偏振器，六角形结构的插入损耗分别为3.3和0.8dB，见图1和图2。4a和b。与其他两种几何形状相比，高于和低于共振的相位和振幅滚降率更陡峭。对于单层和双层设计，90度5度的相位差只能保持5.6％的带宽，见图4c和d。该与双层设计的滚降率相比，单层设计的振幅滚降率更平坦，单层设计产生3dBAR带宽10.4％，双层设计产生6.8dB的AR带宽设计，见图4e和f。

所有结构的预测和测量的10GHz工作特性总结在表1中。如预期的那样，双层设计的插入损耗小于单层表面的值;然而，后者的结构产生更宽3dBAR带宽。

图2交叉槽结构

a振幅单层结构eAR单层结构

b振幅双层结构fAR双层结构

c相单层结构

d相双层结构

3改变入射角的影响

任何周期性结构的传输特性，无论是无限还是有限的，将随着入射角Q的变化而变化[13]。图5针对每个结构在产生最低AR的频率计算表明，结构的传输损耗随着入射角增加而增加。该图还显示了电场的两个透射系数之间的相差，其作为入射角的函数。在Q=0度时，两个组件之间的相位差为90度，这是为了生成CP波所需的。随着入射角的增加，相位差增大，AR带宽减小。

图3环槽结构

a振幅单层结构

b振幅双层结构

c相单层结构

d相双层结构

eAR单层结构

fAR双层结构

图6显示了作为入射角的函数的结构的3dBAR带宽性能。随着传输损耗和相位差的增加，传输的CP信号的AR带宽减小。对于大于20度的入射角，与双层交叉槽设计相关的最小AR超过3dB，因此无法为Q计算3dBAR带宽。总的来说，六边形单元对单层和双层设计的入射角变化较不敏感。

图4六角形槽结构

a振幅单层结构

b振幅双层结构

c相单层结构

d相双层结构

eAR单层结构

fAR双层结构

4对尺寸变化的敏感度

对传输的CP信号的3dBAR带宽的变化进行灵敏度分析，作为每个设计的结构参数的函数。对于槽的宽度和结构的长度（半径），假定相对于10GHz的自由空间波长的制造公差为 0.0210。此外，对于屏幕的最大未对准，假定 0.05l0变化，并且假设屏幕之间的距离的最大变化为 0.01l0。图7总结了最坏情况累积误差的分析结果。

灰条表示发生最小AR的频点的最差情况变化，以中心频率的百分比表示。白色条显示添加了上述尺寸公差后，最佳尺寸结构的3dBAR以分贝为单位的最差情况偏差。发现影响结构灵敏度的参数是屏幕之间的距离。这里可以容许高达plusmn;0.01°的间隔变化，使得对于图3和4分别发生不超过0.15,0.2和0.5dB的AR减少。图1A-C。

表1结果总结

图5传输损耗和相位差DF作为入射角的函数

图63dBAR带宽作为入射角的函数

图73dB灵敏度分析

图8测量的反射交叉极化信号a单层设计b双层设计

5偏振转换器作为扭曲偏振器和隔离器

本部分描述了上面讨论的偏光镜屏幕的两种可能的应用，并提供测量结果以支持将屏幕用作扭曲起偏器或准光学隔离器。扭曲起偏器将入射波的偏振平面旋转90度[17]。这类偏振器可用于反射器天线系统[18]或雷达横截面缩减[19]。为了保护准光放大器免受反射，可以使用准光学隔离器[20]。

操作的基本理论是通过用金属板支持FSS，PEC，从FSS出来的CP信号的手将被颠倒。由于PEC平面提供180度的相移，所以在第二次通过偏振转换器反向时，出射信号是在返回路径上穿过偏振器之后相对于原始入射LP信号旋转908的LP信号。为了表征屏幕作为扭曲起偏振器或隔离器的性能，在本文描述的每个屏幕后面放置一个金属反射镜，距离为1.5mm，通过实验确定最佳隔离度以及发射和接收喇叭并排放置在离屏幕50厘米处。两个天线相对于偏振转换器以45°的角度旋转。测量两个喇叭之间的隔离度为255dB。发射和接收喇叭之间产生的S21从8到12GHz测量。图8显示了对于单层设计，反射信号的隔离度在28和212dB之间，对于偏振转换器的工作频率下的双层设计，隔离度在218和230dB之间。可以看出，单层设计的隔离处于极化转换器工作频带以外的最低点，这是因为FSS和PEC平面之间存在多路径。对于所有单层设计，入射功率的一半被反射回来，并且只有一半来自PEC平面的反射能量随后被转换回LP，另一半被再次反射回PEC平面。所有双层设计都表现出较低的失配，从而在FSS通带内成功运行。

6结论

针对10GHz操作提出了各种分裂环槽单层和双层极化转换器结构的测量和模拟结果。模拟结果和测量值之间的总体一致性非常好。采用单层环形插槽设计可以实现最大3dB的AR带宽21.1％。给出了入射角对传输模式下3dBAR带宽的影响。结果表明，与双层屏幕相比，单层屏幕的3dB带宽变化率较低。当

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[21275]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word