CN103457034A - 一种基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线，是通过将能够在两个频段处将入射的线极化波分别转换为左旋圆极化波和右旋圆极化波的手性人工结构材料加载到传统的线极化喇叭天线中作为天线的覆层，构造出的双频双圆极化天线。手性人工结构材料由介质基板和两层印刷在介质基板两侧周期排列的圆弧形金属线组成。本发明在极小降低天线增益的情况下，将传统的线极化喇叭天线改造为圆极化天线，且在两个谐振点处输出具有不同旋向的圆极化波，转换效率接近90%。
Description
技术领域
本发明涉及圆极化天线领域，特别涉及一种基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线。
背景技术
辐射圆极化波的天线具有旋向正交性，也就是说辐射左旋圆极化波的天线只能接收左旋圆极化波，因此这种特性使得圆极化波在抗雨雾干扰方面具有较大的优势。因此圆极化波在现代通信中的应用越来越广泛。传统的实现圆极化辐射的方式包括直接构造圆极化天线和利用波带片等方法。微带天线是传统圆极化天线中典型的类型，包括切角微带天线、多馈电点微带天线等。然而这种微带天线增益较低并且工作频段窄、极化方式单一。
人工结构材料的出现为实现圆极化辐射指出了一条更有效的路径。利用人工结构材料制作的圆极化器已经广泛应用在圆极化天线的设计中。这种各向异性的人工结构材料具有极化方式单一和接近一半的能量损耗的缺点。利用手性材料设计圆极化器也是实现圆极化辐射的另一种常用手段。但是自然界中存在的手性材料中电场和磁场的耦合强度较弱，存在的奇异电磁特性不明显。为了获得较强的旋光效应和圆的二分性，人们利用人工结构材料来构造手性结构，人为的设计不对称结构获得电场和磁场之间的强耦合。手性人工结构材料构造的圆极化器、极化偏转器等均已见报道。并且多频手性人工结构材料也已经被提出。但是在已有的利用手性人工结构材料构造的圆极化器中，虽然能实现线极化波到圆极化波的转化，但是电磁波的透过率均较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线，是通过将该能够在两个频段处将入射的线极化波分别转换为左旋圆极化波和右旋圆极化波的手性人工结构材料加载到传统的线极化喇叭天线中作为天线的覆层，构造出双频双圆极化天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线，包括出射线极化电磁波的喇叭天线和加载到喇叭天线上方具有极化调制功能的手性 人工结构材料，其中，手性人工结构材料由介质基板和两层印刷在介质基板两侧周期排列的圆弧形金属线组成。
具体地讲，其中所述的两侧圆弧形金属线其下侧的圆弧形金属线在介质基板上表面的垂直投影与上侧的圆弧形金属线具有共同的圆心和相同的半径R、弧长以及宽度w，圆弧形金属线对应的圆心角为θ1，且下侧圆弧形金属线垂直投影与上侧圆弧形金属线之间的间隙部分对应的圆心角为θ2。
进一步讲所述圆弧形金属线的半径R，其取值范围为λ0/10＜R＜λ0/4，其中，λ0为中心波长；圆弧形金属线的宽度w，其取值范围为λ0/40＜R＜λ0/10；圆弧形金属线对应的圆心角大小为θ1，其取值范围为π/4＜θ1＜π；下侧圆弧形金属线垂直投影与上侧圆弧形金属线之间的间隙部分对应的圆心角θ2，其取值范围为0＜θ2＜π-θ1。
本发明具有的有益效果在于：
本发明在仅仅降低天线增益0.5dB的情况下，将传统的线极化喇叭天线改造为圆极化天线，且在两个谐振点处将入射的线极化波转换为具有不同旋向的圆极化波，转换效率接近90%。这种天线的工作频率可以通过改变手性材料的结构参数来进行调整，因此适用于各个波段，并且与传统的圆极化天线相比，设计相对简单，成本更低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为手性人工结构材料的单元结构的结构示意图；
图3为线极化波入射情况下手性人工结构材料的透过率曲线；
图4为双频双圆极化天线的回波损耗S11曲线的仿真结果和实验结果；
图5为双频双圆极化天线的极轴比AR曲线的仿真结果和实验结果；
图6为12.15GHz频率处，方位角phi=0时双频双圆极化天线的圆极化方向图；
图7为14.25GHz频率处，方位角phi=0时双频双圆极化天线的圆极化方向图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
具体实现过程如下：
如图1所示，本发明包括出射线极化电磁波的喇叭天线1和加载到喇叭天线上方具有极化调制功能的手性人工结构材料2，其中，手性人工结构材料由介质基板和两层印刷在介质 基板两侧周期排列的圆弧形金属线组成。
如图2所示，介质基板203两侧的圆弧形金属线其下侧的圆弧形金属线201在介质基板203上表面的垂直投影与上侧的圆弧形金属线202具有共同的圆心和相同的半径R、弧长以及宽度w，圆弧形金属线对应的圆心角为θ1，其取值范围为π/4＜θ1＜π；且下侧圆弧形金属线垂直投影与上侧圆弧形金属线之间的间隙部分对应的圆心角为θ2，其取值范围为0＜θ2＜π-θ1。
圆弧形金属线的半径R，其取值范围为λ0/10＜R＜λ0/4，其中，λ0为中心波长；圆弧形金属线的宽度w，其取值范围为λ0/40＜R＜λ0/10。
实施例1
基于上述结构，首先利用有限元方法对该手性人工结构材料的电磁性能进行模拟仿真。介质基板采用的是Taconic TLX-8，厚度为3.38mm，介电常数为2.55，介质损耗角为0.0019，圆弧形金属线的厚度为35um。在仿真中，该手性人工结构材料的单元结构放置在XY平面内，单元结构的周期大小为P，边界分别平行于X和Y轴，电场方向沿着X轴的线极化平面电磁波沿+z方向传播。为了减少计算量，本发明在X和Y方向设置了周期性边界条件用以代替全模计算，并且利用两个波导端口来监测电磁波的投射和反射特性。仿真中单元结构参数为p=13mm,R=5.6mm,w=1.2mm,θ1=78°，θ2=82°。在线极化波入射情况下，出射的左旋圆极化波（LCP）和右旋圆极化波（RCP）的透过率如图3所示。从图中可以看出，在12.25GHz处左旋圆极化波的透过率为-0.5dB，而在该谐振点处右旋圆极化波的透过率为-33dB，说明在该谐振点处线极化电磁波转换为了左旋圆极化波；于此相反，在高频谐振点，即14.28GHz处，右旋圆极化波的透过率明显高于左旋圆极化波的透过率，为-0.6dB，而左旋圆极化波的透过率达到一个谷值，为-31dB。说明在14.28GHz处，线极化电磁波在通过该手性人工结构材料后的出射波为右旋圆极化波。
将这种双频双圆极化的手性人工结构材料加载到宽带喇叭天线上，用以构造双频双圆极化天线。将一个具有8×9个周期的双频双极化手性人工材料放置到角锥喇叭的口面上，如图1所示。角锥喇叭口径大小为107.5mm×117mm，喇叭天线辐射的线极化电磁波电场方向沿着Y轴方向。利用喇叭天线辐射的准平面波作为设计的双频双圆极化的手性人工结构材料的激励源，从而在两个谐振频点处分别辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波。
图4显示的是双频双圆极化天线的回波损耗S11曲线的仿真结果和实验结果。从仿真结果可以看出，频率大于11.2GHz的范围内，天线的S11均小于-10dB，说明在这个频段内天线的阻抗匹配良好。在12.2GHz和14.5GHz处S11曲线出现两个谷值，说明在这两个频点 处能量几乎都被辐射出去。实验结果与仿真结果符合较好。
图5显示的是双频双圆极化天线的极轴比AR曲线的仿真结果和实验结果。从图中可以看出在两个频段内极轴比出现最小值，分别在12.15GHz和14.25GHz附近达到最小值，在11.9-12.23GHz和14.15GHz-14.5GHz这两个频率范围内极轴比的值小于3dB，说明在这两个频段内该天线辐射圆极化波；在低频的轴比最小值出现的地方与单元结构仿真结果略有差别，这主要是由于加工的手性材料样仅有8×9个周期，而单元结构的仿真是按照无限周期数来计算的，因此结果会有一定的变化。
为了明确在这两个频段内圆极化波的旋向，分别给出了12.15GHz和14.25GHz处的phi=0时的圆极化方向图，如图6和图7所示。可以看出，在轴向方向上，左旋圆极化波（LCP）的增益为22dB，而右旋圆极化波（RCP）的增益为0.5dB，两者的差值达到21.5dB，说明出射场表现为较为纯净的左旋圆极化；而在14.25GHz处的情况正好相反，右旋圆极化波的增益为22.5dB，而左旋圆极化波的增益值为2dB，两者的差值达到20.5dB，辐射场表现为较为纯净的右旋圆极化。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线，其特征在于：包括出射线极化电磁波的喇叭天线和加载到喇叭天线上方具有极化调制功能的手性人工结构材料，其中，手性人工结构材料由介质基板和两层印刷在介质基板两侧周期排列的圆弧形金属线组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线，其特征在于：所述两侧的圆弧形金属线其下侧的圆弧形金属线在介质基板上表面的垂直投影与上侧的圆弧形金属线具有共同的圆心和相同的半径R、弧长以及宽度w，圆弧形金属线对应的圆心角为θ1，其取值范围为π/4＜θ1＜π；且下侧圆弧形金属线垂直投影与上侧圆弧形金属线之间的间隙部分对应的圆心角为θ2，其取值范围为0＜θ2＜π-θ1。
3.根据权利要求2所述的一种基于弧形手性人工结构材料的双频双圆极化天线，其特征在于：所述圆弧形金属线的半径R的取值范围为λ0/10＜R＜λ0/4，其中，λ0为中心波长；圆弧形金属线的宽度w，取值范围为λ0/40＜R＜λ0/10。
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