CN101752671A - 可实现极化变换的高增益谐振天线 - Google Patents

Abstract

可实现极化变换的高增益谐振天线，由馈源和谐振腔两部分组成，馈源位于谐振腔中，谐振腔的上部为上介质基板(25)，下部为下介质基板(22)，二者由紧固件(27)连接固定，上介质基板(25)与下介质基板(22)之间设有间隙(26)，在上介质基板(25)的下表面设有矩形金属贴片阵列(23)构成部分反射表面(24)；在下介质基板(22)的下表面设有接地板(21)。所述部分反射表面(24)由矩形金属贴片阵列(23)构成。上述结构即可实现将馈源所辐射的线极化波变换为与之垂直的正交线极化波或将其辐射的线极化波变换为圆极化波，同时实现高增益。

Description

可实现极化变换的高增益谐振天线

技术领域

本发明涉及一种高增益天线，尤其涉及一种极化可变换的高增益谐振天线。

背景技术

现代雷达、通信、电子侦察与对抗等领域的发展迫切要求天线极化态能根据瞬变的环境作出自适应变换，即需要变极化天线。其次在很多情形我们也需要改变电磁波的极化特性即极化变换，用以实现极化匹配、极化隔离等。通常的措施是在天线前方加载极化器，天线的辐射波束经极化器极化扭转再辐射。目前使用的极化器多通过加载铁氧体器件、波导极化变换器等三维结构来实现，同时也有如多层蛇形微带线等印刷型极化变换器，但上述极化变换器件都存在结构复杂，不便与天线集成。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，无需任何附加馈线网络，无需附加任何极化器即可实现中高增益，并在较宽频带上实现多种极化变换的高增益谐振天线。

技术方案：本发明的可实现极化变换的高增益谐振天线，由馈源和谐振腔两部分组成，馈源位于谐振腔中，谐振腔的上部为上介质基板，下部为下介质基板，二者由紧固件连接固定，上介质基板与下介质基板之间设有间隙，在上介质基板的下表面设有矩形金属贴片阵列构成部分反射表面；在下介质基板的下表面设有接地板。

所述部分反射表面由矩形金属贴片阵列构成。

所述矩形金属贴片阵列，由矩形金属贴片分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成，且沿矩形的长边和短边方向的周期长度不等，短边方向的周期长度小于长边方向的周期长度。

所述馈源由半波振子或其变型结构构成。

所述馈源的极化方向与矩形金属贴片阵列的长边或短边成45度夹角。

所述接地板与部分反射表面之间的距离满足d＝(1/2+n)λ₀，n＝0，1，2...，的谐振条件，其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。

当馈源所辐射的电磁波的极化方向与矩形金属贴片的长边或短边成45度夹角时，通过选择矩形金属贴片合适的长宽比来调节部分反射表面的反射相位频响，即可实现将馈源辐射的线极化波变换为与之垂直的线极化波即‘线极化-正交线极化’的变换或将线极化波变换为圆极化波即‘线极化-圆极化’的变换，同时实现高增益。

所述馈源由半波振子或其变型结构构成。

有益效果：与已有的极化变换天线相比，本发明的极化可变换高增益谐振天线免除了传统极化变换天线中加载极化器的累赘，纵向尺寸小，结构更加简单；其次无需任何馈线网络，不需要采用阵列结构即可实现高增益。本发明通过接地板及与接地板平行的部分反射表面共同构成谐振腔，利用谐振特性使得不需采用阵列结构、不需复杂的馈线网络、在较小的纵向尺寸下、天线的增益即可得到显著的提高。由于馈源的极化方向与矩形金属贴片的长边或短边成45度夹角，即馈源辐射的电磁波总可分解为两个极化正交的电磁波，其方向分别平行于矩形金属贴片的长边与短边。由矩形金属贴片阵列构成的部分反射表面一方面与接地板一起构成谐振腔，另一方面，提供两极化正交的电磁波间合适的反射相位差。通过选择矩形金属贴片合适的长宽比来调节部分反射表面的反射相位频响，即可实现将馈源辐射的线极化波变换为与之垂直的线极化波即‘线极化-正交线极化’的变换或将线极化波变换为圆极化波即‘线极化-圆极化’的变换。

最后，在本发明的极化可变换的高增益谐振天线中，当馈源的极化取向平行于贴片的长边或短边时，将不产生极化变换，即天线辐射的电磁波的极化方向与馈源的极化方向相同。因此可以根据实际应用中的要求，通过旋转馈源实现极化实时控制。

附图说明

图1是本发明提供的极化可变换的高增益谐振天线的总体结构立体示意图；

图2是本发明提供的极化可变换的高增益谐振天线的总体结构的侧视图；

图3是本发明的图1、图2中部分反射表面的结构示意图；

图4是本发明的图1、图2、图3中馈源相对于下介质基板的位置示意图；

图5是本发明的图1、图2、图3中部分反射表面周期单元的结构示意图；

图6是本发明提供的极化可变换的高增益谐振天线的回波损失的频响曲线图；

图7是本发明提供的极化可变换的高增益谐振天线极化的频响曲线图。

图8是本发明提供的极化可变换的高增益谐振天线增益的频响曲线图。

图9～图10为经过‘线极化-正交线极化’的极化变换后的水平面与垂直面方向图。

图11～图12为经过‘线极化-圆极化’的极化变换后的水平面与垂直面方向图。

以上的图中有：馈源1、谐振腔2、接地板21、下介质基板22、矩形金属贴片23、部分反射表面24、上介质基板25、间隙26、紧固件27。P_X为部分反射表面周期单元沿x方向的周期长度，P_y为部分反射表面周期单元沿y方向的周期长度。l_x为矩形金属贴片的长度，l_y为矩形金属贴片的宽度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的一种可实现极化变换的高增益谐振天线，由馈源和谐振腔单元两部分组成。谐振腔由背敷接地板的下介质基板及与之平行的背敷矩形金属贴片阵列构成的部分反射表面的上介质基板共同构成。矩形金属贴片阵列由矩形金属贴片分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成。且沿矩形的长边和短边方向的周期长度P_X与P_y不等。短边方向的周期长度P_y小于长边方向的周期长度P_X。长边方向的周期长度P_X为设计中心频率的自由空间波长的0.1～0.2倍。接地板与部分反射表面之间的距离满足d＝(1/2+n)λ₀，n＝0，1，2...，其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。所述馈源由半波振子或其变型结构构成。当馈源所辐射的电磁波的极化方向与矩形金属贴片的长边成45度夹角，通过选择矩形金属贴片合适的长宽比来调节部分反射表面的反射相位频响，即可实现将馈源辐射的线极化波变换为与之垂直的线极化波，即与矩形金属贴片的长边成-45度夹角的线极化波，即实现了‘线极化-正交线极化’的变换或将线极化波变换为圆极化波即‘线极化-圆极化’的变换，同时实现高增益。

参见图1和图2，本发明提供的极化可变换的高增益谐振天线，包括馈源1和谐振腔2两部分，谐振腔2由背敷接地板21的下介质基板22及与之平行的背敷矩形金属贴片23阵列构成的部分反射表面24的上介质基板25共同构成，接地板21与部分反射表面24之间的距离，满足d＝(1/2+n)λ₀，n＝0，1，2...的谐振条件。上介质基板25与下介质基板22通过紧固件27相连。

参见图3部分反射表面由矩形金属贴片23分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成。且沿矩形的长边和短边方向的周期长度不等。短边方向的周期长度小于长边方向的周期长度。

参见图4部分反射表面由矩形金属贴片23分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成。矩形金属贴片23的长度为l_x，宽度为l_y；P_X为部分反射表面周期单元沿x方向的周期长度，P_y为部分反射表面周期单元沿y方向的周期长度。

参见图5～图8为本发明提供的极化可变换的高增益谐振天线的性能曲线。图5为极化可变换的高增益谐振天线的回波损耗；图6为极化可变换的高增益谐振天线的极化频响曲线；图7为极化可变换的高增益谐振天线的增益频响曲线；图8～图9为经过‘线极化-正交线极化’的极化变换后的水平面与垂直面方向图。图10～图11为经过‘线极化-圆极化’的极化变换后的水平面与垂直面方向图。上述曲线是在上述给定条件下得出的，若改变结构参数等也可以与之相似的曲线。曲线计算机模拟仿真得到，可选用的仿真软件有如Ansoft公司的HFSS、CST公司的Microwave Studio CST等高频仿真软件。

本发明可延拓涵盖：当馈源辐射的电磁波的极化取向为左/右圆极化时，通过调节矩形金属贴片合适的长宽比来调节部分反射表面的反射相位频响，可实现将馈源辐射的左/右圆极化变换为与之正交的右/左圆极化波即‘左/右圆极化-右/左圆极化’的变换或将左/右圆极化波变换为线极化波即‘圆极化-线极化’的变换，同时实现高增益。

便于说明各结构参数的设计过程，以下表述基于给定的结构参数，但这并不失一般性。给定参数：矩形金属贴片23的I_x＝5.1mm，I_y＝2.5mm，沿长边x方向的周期长度P_X＝7.1mm，沿短边y方向的周期长度P_y＝3.6mm，。馈源位于谐振腔中，离开下介质基板的上表面的距离为3mm。中心工作频率f＝14GHz。接地板21与部分反射表面24之间的距离为11mm，满足： $d\≈\frac{1}{2}{\mathrm{\λ}}_0,$ 其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。

Claims (6)

1.一种可实现极化变换的高增益谐振天线，由馈源和谐振腔两部分组成，馈源位于谐振腔中，其特征在于谐振腔的上部为上介质基板(25)，下部为下介质基板(22)，二者由紧固件(27)连接固定，上介质基板(25)与下介质基板(22)之间设有间隙(26)，在上介质基板(25)的下表面设有矩形金属贴片阵列(23)构成部分反射表面(24)；在下介质基板(22)的下表面设有接地板(21)。

2.根据权利要求1所述的可实现极化变换的高增益谐振天线，其特征在于：所述部分反射表面(24)由矩形金属贴片阵列(23)构成。

3.根据权利要求1所述的可实现极化变换的高增益谐振天线，其特征在于：所述矩形金属贴片阵列(23)，由矩形金属贴片分别沿矩形的长边和短边方向周期排列构成，且沿矩形的长边和短边方向的周期长度不等，短边方向的周期长度小于长边方向的周期长度。

4.根据权利要求1所述的可实现极化变换的高增益谐振天线，其特征在于：所述馈源(1)由半波振子或其变型结构构成。

5.根据权利要求1所述的可实现极化变换的高增益谐振天线，其特征在于：所述馈源(1)的极化方向与矩形金属贴片阵列(23)的长边或短边成45度夹角。

6.根据权利要求1所述的可实现极化变换的高增益谐振天线，其特征在于：所述接地板(21)与部分反射表面(24)之间的距离满足d＝(1/2+n)λ₀，n＝0，1，2...，的谐振条件，其中λ₀为中心频率电磁波的自由空间波长。

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