CN103219595A - 在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵，具有分成若干个子阵的天线阵面，天线阵面采用具有自旋特性的圆极化天线子阵结构，并分成若干个矩形阵列子阵(10)，每一矩形阵列子阵(10)在空间结构上具有四个自旋单元等效为一个自旋子阵，每个矩形阵列子阵(10)以四个十字下垂振子天线单元为一组，在空间排布上呈矩形阵列排列，每个子阵的四个十字下垂振子天线，分别排布在矩形阵列的四个角的顶点，其布局为依顺时针方向呈0°、90°、180°、270°自旋排列。采用本发明能够实现较好的圆极化辐射性能，并且不需要改变单个单元的设计尺寸。

Description

在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵

技术领域

本发明涉及一种在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线子阵结构，采用这种子阵的圆极化阵列天线具有优良的圆极化辐射性能。

背景技术

自1886年在德国卡尔斯诺的赫兹实验室中，海因里希.赫兹发现首个无线电链路以来，作为人类无线通信中电波出入口的天线已经走过了120多年的历史。从最开始简单的电火花信号，到后来的全球定位卫星以及探测定位的相控阵雷达系统。对于天线的要求，人类已经不满足于仅仅是能够传送简单的信号，而是向着更准确、更快捷、更方便的纵深里研究和探寻。随着卫星通信、遥测遥感等技术的发展，原始的线极化天线已经面临着云雨干扰、剧烈震动、影响重叠等问题带来的挑战。而圆极化天线由于其极化性能可以在面对这些外来因素干扰时表现出优异的特性，能够满足在通信、雷达、电子对抗、电视广播等方面的更严格、更精密的探测和传输要求。圆极化天线具有以下一些性能优势：一是任意极化的电磁波均可分解为两个旋向相反的圆极化波，对于线极化波来说，可以分解为两个反向等幅的圆极化波，因此，任意极化的电磁波均可被圆极化天线接收，而圆极化天线发射的电磁波则可被任意极化的天线接收到，这样就为高效、准确、快速传输数据提供了一个很好的传输平台。二是圆极化波入射到对称目标时，其反射波会发生旋向反转。对于接近球形的水滴来说，圆极化波探测的目标一般是比较复杂的结构，它对圆极化波的反射波是椭圆极化波从而具有同旋向的圆极化波成分。正是由于这个特性，圆极化波工作状态下的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。这在电子侦察和干扰方面具有重大的战略意义。极化波在复杂传输环境中易产生极化偏转而造成电平衰落，而圆极化天线可以抗降雨的干扰，可以接收任意的线极化波，可以干扰任何的线极化波，也不需要复杂的跟踪系统就可以实现较好的匹配，现代许多无线通信系统都使用了圆极化方式来传输信号。实现圆极化的方法一般分为两类：

1)通过双馈点或多馈点设置不同的馈电相位来实现，这种实现圆极化的效果很大程度上取决于相移电路，增加了天线系统的复杂度和制造成本。

2)通过在同一幅天线上实现不同谐振模式来实现圆极化，这种方法不需要相移电路和多个馈点，电路结构简单，但对天线辐射单元的设计精度要求较高。

常用的圆极化天线有十字(折尾、下垂等)金属振子天线、微带贴片天线、波导天线、螺旋天线等。

图11是由上述十字下垂振子天线单元组成的11×11常规阵列，即所有单元排列方式一致。对中心单元进行仿真计算，图12是采用Ansoft公司三维申磁场仿真软件HFSS仿真的轴比图，图13是采用矩量法编程计算的轴比图。在阵列当中对中心单元进行计算，考虑了天线单元之间的互耦，更加接近于实际情况。结果表明：中心单元轴比大于8dB，已经无法形成有效的圆极化辐射。

对采用上述十字下垂振子天线组成的11×11常规阵列，即单元呈矩形栅格排列且每一单元排布方式相同，仿真计算结果表明：在阵列不扫描的情况下，轴比在主瓣范围内的值高达9dB，这是因为传统的方法组阵后并没有考虑阵列中互耦的影响，虽然设计的孤立单元都具有良好的轴比和较宽的波束，但当将其组阵之后，得到的结果并不理想，很难实现圆极化。可见，阵列单元的设计必需考虑互耦因素。

发明内容

本发明的任务是针对金属十字下垂振子天线单元组成的圆极化天线阵列，在组阵后结果不理想，很难实现圆极化的情况下，提供一种能够抵消交叉极化分量，实现较好的圆极化辐射性能的圆极化天线阵。

本发明目的可以通过下述技术方案予以实现：一种在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵，具有分成若干个子阵的天线阵面，其特征在于，天线阵面采用具有自旋特性的圆极化天线子阵结构，并分成若干个矩形阵列子阵10，每一矩形阵列子阵10在空间结构上，具有四个自旋单元等效为一个自旋子阵；每个矩形阵列子阵10以四个十字下垂振子天线单元为一组，在空间排布上呈矩形阵列排列，每个子阵的四个十字下垂振子天线单元，分别排布在矩形阵列的四个角的顶点，其布局为依顺时针方向呈0°、90°、180°、270°自旋排列。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明根据对振子自阻抗的分析，当两振子臂的长度大于λ/2时(其中λ光波长)，振子阻抗呈感性，电流相位超前；当两振子臂的长度小于λ/2时，振子阻抗呈容性，电流相位滞后。由于极化方向是由超前向滞后旋转，因此由两对振子相对于馈电的不同摆放方法，可以产生左旋或右旋圆极化波。对该十字下垂振子天线单元采用Ansoft公司三维电磁仿真软件HFSS以及矩量法进行计算，结果表明：单个单元在主波瓣宽度内的轴比基本上都小于4dB，具有较好的圆极化辐射性能。试验证明，本发明采用一种在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线子阵结构，将单元自旋后并加入补偿相位，以四个周期为一组的排列改变可以使得相邻单元耦合的交叉极化分量与本振子单元产生的交叉极化分量相抵消，轴比在主波瓣宽度内基本上都小于4dB，能够较好的实现圆极化辐射。采用具有自旋特性的圆极化天线子阵结构，能够实现较好的圆极化辐射性能，且并不需要改变单个单元的设计尺寸，从而大大减轻了设计难度和强度，使得整个设计周期缩短了至少6个月。

本发明将整个天线阵面分成若干个子阵，每一子阵在空间结构上具有自旋特性，该子阵由四个圆极化十字下垂振子天线单元组成，四个单元在空间排布上具有以下特点：四个单元呈矩形排列，各自位于该矩形的四个顶点之一，设其编号按顺时针方向依次为1#、2#、3#和4#，则1#单元不动，2#单元自旋90°，3#单元自旋180°，4#单元自旋270°，并在馈电相位上给予自旋单元相应的90°，180°和270°的相位补偿，在含有很多单元的大阵中，4个一组的自旋子阵就可以等效为一个单元。

本发明由于不需要3dB电桥和90度相移结构直接实现圆极化，因而体积小、重量轻，结构简单，加工容易，成本低；既可单独作接收或发射天线使用，也可作为阵列天线的阵元，还可作为智能天线的基本单元。

附图说明

图1是本发明的十字下垂振子天线单元结构示意图。

图2是本发明矩形阵列自旋子阵布局示意图。

图3是自旋子阵Ansoft HFSS仿真轴比图。

图4是自旋子阵矩量法计算轴比图。

图5是由图1自旋子阵构造的12×12阵列单元排列天线阵面图。

图6是由自旋子阵构造的12×12阵列中心单元驻波图。

图7是由自旋子阵构造的12×12阵列矩量法计算轴比图。

图8是十字下垂振子天线单元Ansoft HFSS仿真轴比图。

图9是十字下垂振子天线单元矩量法计算轴比图。

图10是椭圆极化分解示意图。

图11是11×11常规布阵单元排列图。

图12是11×11常规布阵Ansoft HFSS仿真轴比图。

图13是11×11常规布阵矩量法计算轴比图。

图中：1.同轴金属管，2.振子下垂长臂，3.扼流槽，4.振子短臂，5.馈电巴伦，6.0°自旋单元，7.90°自旋单元，8.180°自旋单元，9.270°自旋单元，10.矩形阵列子阵。

具体实施方式

参阅图1，在以下描述的实施例中，首先利用现有的计算机技术结合三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS进行电磁仿真，完成整个天线的参数设计。十字下垂振子天线单元是由同轴金属管1上端筒体四周径向对称固联的振子下垂长臂2、振子短臂4和位于同轴金属管1筒体中心的馈电巴伦5组成的，且同轴金属管1筒体端口沿筒体母线方向制有扼流槽3，两对振子下垂长臂2和振子短臂4分别对称于扼流槽3的两边。巴伦(balun)是英文词组“平衡与不平衡”的缩写，又称作平衡馈电器或平衡器，是指一种形式上为三端口器件，一端接到同轴线而另外两端接到双导线的用来保持系统平衡的器件。平衡器分成四大类：扼流式平衡器、对称式平衡器、倒相式平衡器、磁耦合式平衡器。本实施例中采用的巴伦结构就是一种对称式平衡器。下垂十字振子加金属套筒使用开槽同轴线进行同相馈电，同轴金属管1馈电加入馈电巴伦5结构和扼流槽3，进行平衡与不平衡馈电的转换，而单元振子天线的下垂长臂2下垂是为了在阵列中缩短单元间距以抑制栅瓣的出现。因此可以利用改变振子下垂长臂2和振子短臂4振子臂长度来实现圆极化。根据振子自阻抗的分析，当两下垂振子臂的长度大于λ12时，λ为波长，振子阻抗呈感性，电流相位超前；当两振子臂的长度小于λ/2时，振子阻抗呈容性，电流相位滞后，而极化方向是由超前向滞后旋转实现的，因此由两对振子相对于馈电的不同摆放方式，可以产生左旋或右旋圆极化波。

参阅图2。在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线，包括，以四个十字下垂振子天线单元为一组，呈矩形阵列排列组成的子阵，每个子阵的四个十字下垂振子天线，分别排布在呈矩形阵列的四个角的顶点，并按顺时针方向依次列阵为0°自旋单元6、90°自旋单元7、180°自旋单元8和270°自旋单元9的矩形阵列子阵10。四个十字下垂振子自旋子阵布局，依顺时针方向呈0°、90°、180°、270°自旋排列。

矩形阵列子阵10自旋子阵单元抵消交叉极化原理，围绕矩形阵列子阵10外侧四周，沿顺时针旋转的粗箭头是矩形阵列子阵10自旋子阵单元的主极化，而围绕矩形阵列子阵10矩形内侧，两对角线线上，分别绕各自十字下垂振子天线单元中心馈电巴伦5旋转的细箭头为交叉极化，其中一对角线上的交叉极化顺时针旋转，另一对角线上的交叉极化沿反时针旋转。根据前面的分析，当这样变化时，可使得相邻单元耦合的交叉极化分量与本振子单元产生的交叉极化分量相抵消，从而改善阵列圆极化辐射性能。

图3、图4分别是矩形阵列子阵10采用Ansoft仿真的轴比图和矩量法编程计算的轴比图。从图中可看出，在两个主平面上(0°、90°)，自旋子阵单元的轴比在较宽波瓣宽度(90°)范围内都小于4dB，表明自旋子阵的圆极化性能较常规布阵得到了大幅度提高。

图5中，整个天线阵面分成若干个矩形阵列子阵10，每一矩形阵列子阵10在空间结构上具有四个自旋单元等效为一个自旋子阵。采用反射地板可构造12×12自旋阵列或11×11常规阵列。在由自旋子阵单元阵列排列构造的天线阵面中，表示矩形阵列子阵10是由按顺时针方向依次列阵为0°自旋单元6、90°自旋单元7、180°自旋单元8和270°自旋单元9组成的，分别表示12×12阵列中心自旋子阵0°、90°、180°、270°自旋单元。

图6所示的0°自旋单元6、90°自旋单元7、180°自旋单元8和270°自旋单元9的有源驻波图结果表明，在阵列中所采用的单元有源驻波小于1.65，具备良好的匹配特性。

在图7所示的由矩形阵列子阵10构造的12×12阵列采用矩量法计算的轴比图中，两个0°、90°主平面上和45°交叉平面上，矩形阵列子阵10的轴比在±10°波瓣宽度范围内都小于4dB，表明自旋阵列具备优良的圆极化辐射性能。

在图8和图9分别所示的十字下垂振子天线单元Ansoft仿真轴比图和矩量法计算轴比图中，可看出在两个主平面上(0°、90°)，十字下垂振子天线单元的轴比在较宽波瓣宽度(90°)范围内都小于4dB，表明单元的圆极化性能还是不错的。根据十字下垂振子天线阵列组成的天线阵面实物图，可以对11×11常规阵列和12×12自旋阵列构造的天线阵列进行实测，为便于比较说明，将实测结果和仿真数据罗列于表1、表2、表3中。表1为十字下垂天线单元的仿真和实测数据；表2为11×11常规阵列中心单元仿真和实测数据；表3为12×12自旋阵列中心四单元的仿真和实测数据。从三个表格可以看出，天线单元的轴比还是很好的，加工的天线单元的远场辐射特性与仿真的结果基本一致；常规布阵11×11的轴比的确很差，无法形成有效的圆极化辐射；周期自旋12×12天线阵列的轴向轴比在全频段范围内均小于4dB，具备良好的圆极化辐射性能，并且证明所设计的天线以及所采用的自旋排列方式，已经具备工程实用价值。

表1十字下垂振子天线单元仿真与实测数据

表211×11常规布阵天线阵列中心单元仿真与实测数据

表312×12自旋天线阵列中心四单元的仿真与实测数据

参阅图10。众所周知，圆极化是椭圆极化的一种特例。椭圆极化可以分解

为两个旋向相反的圆极化，在x’，y’坐标中有一椭圆复矢量E，x’与x轴成β

角。

第一项： $\frac{A+B}{2}(x^{\′}+{\mathrm{jy}}^{\′})=\frac{A+B}{2}[\cos \mathrm{\βx}+\sin \mathrm{\βy}+j(-\sin \mathrm{\βx}+\cos \mathrm{\βy})]$

$=\frac{A+B}{2}[(\cos \mathrm{\β}-j\sin \mathrm{\β})x+j(-j\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\β})y]$

$=\frac{A+B}{2}({\mathrm{xe}}^{-\mathrm{j\β}}+{\mathrm{jye}}^{-\mathrm{j\β}})$

$=\frac{A+B}{2}{e}^{-\mathrm{j\β}}(x+\mathrm{jy})$

其中，

为左旋圆极化波的幅度相位，β由倾角转化为时间相位同理可得，第二项： $\frac{A-B}{2}(x^{\′}-{\mathrm{jy}}^{\′})=\frac{A-B}{2}[\cos \mathrm{\βx}+\sin \mathrm{\βy}+j(\sin \mathrm{\βx}-\cos \mathrm{\βy})]$

$=\frac{A-B}{2}[(\cos \mathrm{\β}+j\sin \mathrm{\β})x-j(\sin \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\β})y]$

$=\frac{A-B}{2}{e}^{-\mathrm{j\β}}(x-\mathrm{jy})$

其中，为右旋圆极化波的幅度相位。

$\left\{\begin{array}{c}{E}_L=\frac{A+B}{2}\\ E_R=\frac{A-B}{2}\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}A=(E_L+E_R)\\ B=(E_L-E_R)\end{array}\right.$

轴比其中，EL、ER表示左右旋圆极化幅度。

从上面椭圆轴比的方程可知，对单元旋转后轴倾角β改变，会引起主极化和交叉极化相位特性的改变。假如给左旋的单元自旋角度β，那么再对该单元进行+β的相位补偿，这样做的好处是主极化相位为0没发生改变，但交叉极化相位为+2β。

由 $E=\frac{A+B}{2}(x+\mathrm{jy})+\frac{A-B}{2}{e}^{2\mathrm{j\β}}(x-\mathrm{jy})---\left(1\right)$

在波束扫描方向为(θ，φ)时：

其中：R＝x-jy，L＝x+jy；

为第mi单元在(θ，φ)方向上的右旋圆极化幅度，同理为第mi单元在(θ，φ)方向上的左旋圆极化幅度。对于阵列中有M组这样的等效单元，每组有n个单元，场方程如下所示：

式中，k为波数，即k＝2π/λ；ρ_mi为单位矢量。将(2)式代入(3)式，整理得：

设左旋L为主极化，令

用来补偿空间的程差及主极化旋转的相差，则场方程变化为：

其中，表示左旋圆极化同相相加，能达到最佳状态。如果β_mi构成一个周期，则反旋分量成周期相消状态，反旋分量减小。

根据上述理论分析，对n的取值进行讨论，按矩形栅格排列，则取n＝4，阵列的排列较为容易，故将单元天线以4个为一组，分别自旋90°，180°，270°并在馈电相位上给予相应的90°，180°和270°的相位补偿，在有很多单元的大阵中，这样4个一组的自旋子阵就可以等效为一个单元。

以上所述仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，类似的同类结构的等效变换，均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵，具有分成若干个子阵的天线阵面，其特征在于，天线阵面采用具有自旋特性的圆极化天线子阵结构，并分成若干个矩形阵列子阵(10)，每一矩形阵列子阵(10)在空间结构上，具有四个自旋单元等效为一个自旋子阵；每个矩形阵列子阵(10)以四个十字下垂振子天线单元为一组，在空间排布上呈矩形阵列排列，每个子阵的四个十字下垂振子天线单元，分别排布在矩形阵列的四个角的顶点，其布局为依顺时针方向呈0°、90°、180°、270°自旋排列。

2.如权利要求1所述的在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵，其特征在于，所述的十字下垂振子天线单元是由同轴金属管(1)上端筒体四周径向对称固联的振子下垂长臂(2)、振子短臂(4)和位于同轴金属管(1)筒体中心的馈电巴伦(5)组成的。

3.如权利要求2所述的在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵，其特征在于，所述同轴金属管(1)筒体端口沿筒体母线方向制有扼流槽(3)，两对振子下垂长臂(2)和振子短臂(4)分别对称于扼流槽(3)的两边。

4.如权利要求1所述的在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵，其特征在于，下垂十字振子单元加金属套筒使用开槽同轴线进行同相馈电，同轴金属管(1)馈电加入馈电巴伦结构和扼流槽(3)，进行平衡与不平衡馈电的转换，而单元天线的振子下垂长臂(2)下垂是为了在阵列中缩短单元间距以抑制栅瓣的出现。

5.如权利要求2所述的在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵，其特征在于，当两下垂振子臂的长度大于λ/2时，振子阻抗呈感性，电流相位超前；当两振子臂的长度小于λ/2时，振子阻抗呈容性，电流相位滞后，其中λ为波长。

6.如权利要求1所述的在空间结构上具有自旋特性的圆极化天线阵，其特征在于，围绕矩形阵列子阵(10)外侧四周，沿顺时针旋转的十字下垂振子天线单元是矩形阵列子阵(10)自旋子阵单元的主极化，而围绕矩形阵列子阵(10)矩形内侧，两对角线线上，分别绕各自十字下垂振子天线单元中心馈电巴伦(5)旋转的为交叉极化，其中一对角线上的交叉极化顺时针旋转，另一对角线上的交叉极化沿反时针旋转。

Images