[发明专利]基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面

说明书

本发明公开一种基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，由若干个相同的单元结构在二维方向上周期排列而成，其单元结构包括两个相互交错的Pierrot结构，该Pierrot结构是经过两次弯折的导体棒，单元结构中的一个Pierrot结构是通过另一个围绕单元中心轴旋转180度，再沿中心轴平移一段距离得到。本发明的圆极化频率选择表面能在其工作带宽内完全反射左旋圆极化波而无损地传输右旋圆极化波，当垂直于周期表面方向入射左旋圆极化波时，单元结构中的两个Pierrot结构能够同时谐振，其相对工作带宽可提高至19％。本发明能够覆盖X波段的上行频率和下行频率，有着很好的实际应用价值。

技术领域

本发明涉及一种基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，属于电磁场与微波技术领域。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是由若干相同的单元按二维周期性排列而成的阵列结构，它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有频率选择滤波特性。圆极化FSS作为FSS的一种，它对圆极化电磁波具有频率选择滤波作用，即在谐振频率处，其能够使入射的左旋圆极化电磁波(或右旋圆极化电磁波)完全反射，而入射的右旋圆极化电磁波(或左旋圆极化电磁波)完全透射。由于圆极化波在穿过雨雪层和电离层时，引入的损耗小，也不存在线极化波极化面旋转的问题，因而CPSS在卫星通信、导航系统和汽车雷达等方面得到广泛应用。

实现圆极化FSS的方式一般有两种：第一种是采用多层结构，先将入射的圆极化电磁波转为线极化波，随后在线极化状态进行选择滤波，最后再将线极化波转换为圆极化波，这种方式对加工精度要求较高；另一种方式则不需要经过线极化波与圆极化波转换，直接对圆极化波进行选择滤波，最早能够实现这种方式的结构为皮埃罗(Pierrot)单元结构，它是由一根总长为一个波长的导体棒经两次弯折而成，其在谐振频率处能够完全地反射左旋圆极化波而无损地传输右旋圆极化波。导体棒的弯折过程如下：将导体棒平行中心轴放置，将导体棒以1.5：1：1.5的比例划分，依次记为上、中、下三段，再分别将导体棒上段和下段沿垂直于轴向的两个正交方向弯折90°，弯折后的三段导体彼此正交，其中上、下相等的两段被称为两个横臂，中间一段被称为纵臂。两个横臂具有相同的长度，保证了较低的轴比值。中间的纵臂长度为四分之一波长，保证了产生圆极化波的90度空间相位差。

相比于多层结构，虽然Pierrot单元结构的实现不需要较高的加工精度，但是其相对带宽难以拓宽，这是因为Pierrot单元结构仅仅包含一根弯折的导体棒，在工作带宽内只能提供一个谐振点。近几年国外研究者对Pierrot单元结构仅从加工角度进行改进，例如在柔性的衬底材料上印刷薄的金属条，每根金属条包含Pierrot单元的两个横臂和一个纵臂，沿着横臂和纵臂的连接处对柔性材料进行弯折，形成一个锯齿栅形的结构，从而更方便的实现集成化。然而，单元结构中只包含一个Pierrot结构，相对工作带宽只能达到7％(左旋圆极化波入射时，反射系数小于-10dB)，因而存在相对带宽较窄的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，通过在单元结构中设置两个相互交错的Pierrot结构，且这两个Pierrot结构在周期平面(xoy平面)内呈角对称排布，当左旋圆极化波入射至本发明的下表面时，单元结构中的两个Pierrot结构同时产生谐振，从而提高其相对工作带宽，并且保证了在工作带宽内左旋圆极化波和右旋圆极化波的轴比都低于3dB。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双皮埃罗结构的宽带圆极化频率选择表面，由若干个相同的单元结构在二维方向上周期排列而成，所述单元结构为三维立体结构，包含两个尺寸完全相同的Pierrot结构，两个Pierrot结构相互交错，并在xoy平面内呈角对称排布。