CN107508047B - 一种平面结构圆极化与线极化微波双向转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,其包括多个转换单元,各转换单元包括依次叠置的第一谐振层、第一介质层、防透射层、第二介质层和第二谐振层;第一谐振层和第二谐振层分别包括两金属圆环,各金属圆环上分别设有一金属化过孔和一缺口;防透射层上设有两个通孔,两通孔分别与第一、第二谐振层中位于上部和位于下部的金属圆环上的金属化过孔相连通,且金属化过孔的边缘在防透射层上的投影位于通孔内部;第一谐振层的两金属圆环结构为中心对称,第二谐振层中的两金属圆环结构为上下对称;第一谐振层与第二谐振层中,位于上部的两金属圆环中的缺口位于金属化过孔的同一侧。本发明能够实现圆极化电磁波与线极化电磁波的双向转换,结构简单,转换效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波的极化转换技术领域,特别是一种平面结构圆极化与线极化微波双向转换器。
背景技术
信息化条件下,来自外界的电磁干扰对用频设备的威胁越来越大,电磁波的传播控制成为电磁领域研究的热点,电磁波的极化控制是电磁波空间传播控制的重要研究内容。无线电技术中,不同的极化在不同领域有着不同的应用。例如中波广播采用垂直极化传播,因为电波的特性,水平极化的电波传播会在大地表面产生极化电流,极化电流受大地的阻抗影响,会使电场信号衰减掉,而垂直极化方式不易产生极化电流。电视、调频广播和短波广播一般采用水平极化方式。电视信号和调频广播为空间直接波传播,不是地面波传播,不同于上述水平极化波在地球表面传播损耗大的情况。远距离的短波广播为电离层反射传播方式。采用水平极化的主要原因是:1) 工业电磁干扰大多为垂直极化的,采用水平极化有利于抗干扰; 2) 对于山丘和城市大建筑物阻挡造成信号传播的阴影区,当接收天线离地面高度大于一个波长时,水平极化电磁波的绕射能力比垂直极化略好一些:3) 架设水平极化天线时的支持物( 如铁杆、塔等) 及垂直馈线等的感应场的再辐射对天线特性影响较小。
垂直极化与水平极化都是线极化波。随着现代通信技术的发展,无线通信系统对天线的性能要求越来越高,普通的线极化天线已经难以满足人们的需求,圆极化天线越来越受到关注。与线极化电磁波相比,圆极化天线具有抗雨雾干扰、抗多径效应等优势,如果通信的一方或双方处于方向、位置不定的状态,例如在剧烈摆动或旋转的运载体( 如飞行器等) 上,为了提高通信的可靠性,收发天线之一应采用圆极化天线。在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中,信号穿过电离层传播后,因法拉第旋转效应产生极化畸变,这也要求地面上安装圆极化天线作发射或接收天线。在军事上为了干扰和侦察敌方的通信或雷达目标,在未知敌方的极化状态下,需要应用圆极化天线,因此圆极化天线在卫星通信、GPS、物联网等领域得到了广泛的使用。
不同的极化有不同特点,线极化天线只能接受圆极化电磁波一半的能量,圆极化天线只能接受线极化一半的能量。如果通信双方的天线极化特性不一样,比如一个线极化,一个圆极化,则需要将电磁波的极化进行转换以达到能量的最佳发射和接收。
发明内容
本发明的目的是,提供一种平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,其能够实现圆极化电磁波与线极化电磁波的双向转换,结构简单,转换效率较高。
本发明采取的技术方案为:一种平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,包括多个转换单元,各转换单元包括依次叠置的第一谐振层、第一介质层、防透射层、第二介质层和第二谐振层;
第一谐振层和第二谐振层分别包括两金属圆环,各金属圆环上分别设有一金属化过孔,金属化过孔的一侧设有一从金属圆环外环边缘贯穿至内环边缘的缺口;防透射层上设有两个通孔,其中一个通孔与第一谐振层和第二谐振层中位于上部的金属圆环上的金属化过孔相连通,另一个通孔与第一谐振层和第二谐振层中位于下部的金属圆环上的金属化过孔相连通,且金属化过孔的边缘在防透射层上的投影位于通孔内部;
第一谐振层中的两金属圆环结构关于第一谐振层中心对称,第二谐振层中的两金属圆环结构为上下对称;第一谐振层与第二谐振层中,位于上部的两金属圆环中的缺口位于金属化过孔的同一侧。
以上所述金属圆环结构包括金属圆环本身以及其上所设置的金属化过孔与缺口结构。
优选的,多个转换单元排列成m行×n列的阵列,且各转换单元的第一谐振层位于同一平面上,第二感应层位于同一平面上。多个转换单元的组合可提高转换器的信号转换效率。
优选的,所述金属圆环上的缺口为线型,沿金属圆环径向设置。
优选的,所述防透射层为金属板,防透射层上的通孔与和其连通的金属化过孔为同圆心设置,且通孔直径大于金属化过孔的直径。可避免从金属化过孔传导的电磁波与防透射层通孔边缘的金属板接触。
本发明的双向转换器在应用时,金属圆环结构呈中心对称的第一谐振层形成圆极化电磁波信号的入射端口或透射端口,金属圆环结构呈上下对称的第二谐振层形成线极化电磁波信号的入射端口或透射端口。
本发明针对右旋圆极化电磁波和左旋圆极化电磁波可分别适用:
入射信号为右旋圆极化电磁波时,第一谐振层中,位于上部的金属圆环中的缺口位于金属化过孔的右侧。此时为从转换单元的前侧看向第一谐振层,相应的位于下部的金属圆环中的缺口则位于金属化过孔的左侧,当从转换单元的背侧看向第二谐振层,第二谐振层中位于上部的金属圆环中的缺口位于金属化过孔左侧,位于下部的金属圆环中的缺口亦位于金属化过孔的左侧;
入射信号为左旋圆极化电磁波时,第一谐振层中,位于上部的金属圆环中的缺口位于金属化过孔的左侧。即第一谐振层和第二谐振层中各金属圆环的结构与入射信号为右旋圆极化电磁波时的相应结构分别成左右镜像对称。
优选的,所述第一介质层和第二介质层采用介电常数为2.65的F4B板。
优选的,各转换单元的结构尺寸为,高度42mm*宽度19mm*厚度5mm。厚度即5层结构叠加并经层压结合后的厚度。
有益效果
与现有技术相比,本发明具有以下优点和进步:
(1)传统的极化转换器只能实现单方向的转换,本发明能够实现圆极化与线极化的双向转换,适用于左旋及右旋圆极化电磁波,且转换效率高达98%;
(2)本发明的转换器厚度能够达到5mm,占用体积小,能够适应现代无线电通信技术低剖面的要求;
(3)与传统的极化转换器相比,本发明结构简单、易加工,且通过调节结构的大小,可以方便实现谐振频率的调谐;
(4)本发明提出了一种全新的极化转换方式,且其中的极化转换单元结构能够根据需要进行周期性扩展。
附图说明
图1所示为本发明一种阵列式微波双向转换器实施例第一端口(端口1)面结构示意图;
图2所示为图1所示实施例中的第二端口面(端口2)结构示意图;
图3所示为一个转换单元结构示意图;
图4所示为一个转换单元的侧视角度多层结构示意图;
图5所示为入射信号为右旋圆极化电磁波时转换单元第一谐振层的结构示意图;
图6所示为入射信号为右旋圆极化电磁波时转换单元第二谐振层的结构示意图;
图7所示为一个转换单元的防透射层结构示意图;
图8所示为入射信号为左旋圆极化电磁波时转换单元第一谐振层的结构示意图;
图9所示为S1(R)1(R)的仿真图,表示右旋圆极化的反射系数;
图10所示为S2(R)1(R)和S2(L)1(R)的仿真图,表示右旋圆极化电磁波从端口1入射,右旋圆极化和左旋圆极化透射系数;
图11所示为S2(R)1(R)和S2(L)1(R)的相位仿真示意图,即右旋圆极化和左旋圆极化透射相位示意图;
图12所示为S2(y)2(y)仿真示意图,表示y极化方向的线极化电磁波从端口2入射,y极化方向的电磁波从端口2反射系数;
图13所示为S1(x)2(y)和S1(y)2(y)幅度仿真示意图,表示y极化方向的线极化波从端口2入射,x极化方向的波和y极化方向的波从端口1的透射系数;
图14所示为S2(x)2(y)和S2(y)2(y)相位差仿真示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
结合图1至图8所示,本发明的平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,包括多个转换单元,参考图3和图4,各转换单元包括依次叠置的第一谐振层1、第一介质层2、防透射层3、第二介质层4和第二谐振层5;
第一谐振层和第二谐振层分别包括两金属圆环,各金属圆环上分别设有一金属化过孔6,金属化过孔的一侧设有一从金属圆环外环边缘贯穿至内环边缘的缺口;防透射层3上设有两个通孔,其中一个通孔与第一谐振层和第二谐振层中位于上部的金属圆环上的金属化过孔相连通,另一个通孔与第一谐振层和第二谐振层中位于下部的金属圆环上的金属化过孔相连通,且金属化过孔的边缘在防透射层上的投影位于通孔内部;
第一谐振层中的两金属圆环结构关于第一谐振层中心对称,第二谐振层中的两金属圆环结构为上下对称;第一谐振层与第二谐振层中,位于上部的两金属圆环中的缺口位于金属化过孔的同一侧。
以上所述金属圆环结构包括金属圆环本身以及其上所设置的金属化过孔与缺口结构。
实施例1
如图1和图2所示,本实施例的例举转换器由多个转换单元排列成3行×6列的阵列,且各转换单元的第一谐振层位于同一平面上,第二感应层位于同一平面上。
金属圆环上的缺口为线型,沿金属圆环径向设置。
防透射层为金属板,防透射层上的通孔与和其连通的金属化过孔为同圆心设置,两个通孔直径大于金属化过孔的直径。可避免同金属化过孔透射的电磁波与防透射层通孔边缘的金属板接触。
第一介质层和第二介质层采用介电常数为2.65的F4B板。
各转换单元的结构尺寸为,高度42mm*宽度19mm*厚度5mm。厚度即5层结构叠加并经层压结合后的厚度。各金属化过孔的直径可设置为1mm。
本发明的微波双向转换器在应用时,金属圆环结构呈中心对称的第一谐振层形成圆极化电磁波信号的入射端口或透射端口,即端口1;金属圆环结构呈上下对称的第二谐振层形成线极化电磁波信号的入射端口或透射端口,即端口2。
本发明针对右旋圆极化电磁波和左旋圆极化电磁波可分别适用:
参考图5和图6,入射信号为右旋圆极化电磁波时,第一谐振层中,位于上部的金属圆环中的缺口位于金属化过孔的右侧。此时为从转换单元的前侧看向第一谐振层,相应的位于下部的金属圆环中的缺口则位于金属化过孔的左侧,当从转换单元的背侧看向第二谐振层,第二谐振层中位于上部的金属圆环中的缺口位于金属化过孔左侧,位于下部的金属圆环中的缺口亦位于金属化过孔的左侧;
参考图7,入射信号为左旋圆极化电磁波时,第一谐振层中,位于上部的金属圆环中的缺口位于金属化过孔的左侧。即第一谐振层和第二谐振层中各金属圆环的结构与入射信号为右旋圆极化电磁波时的相应结构分别成左右镜像对称。
实施例2
一种平面结构圆极化电磁波与线极化电磁波双向转换器,即圆极化电磁波从端口1入射,线极化电磁波从端口2透射。线极化电磁波从端口2入射,圆极化电磁波从端口1透射。实现了圆极化波与线极化波双向转换的功能。
当右旋圆极化电磁波从端口1垂直入射时,在第一型号感应层上下两个金属圆环表面产生旋向相同感应电流,感应电流通过微波透射孔传导耦合到第二谐振层上下两个金属圆环5,形成两个旋向相反的辐射电流,两个旋向相反的辐射电流辐射旋向相反的圆极化波。图9是S1(R)1(R)仿真图,表示的是反射系数,即右旋圆极化波从端口1入射,右旋圆极化波从端口1反射系数。图10是S2(R)1(R),S2(L)1(R)幅度仿真结果,其中R表示右旋圆极化电磁波,L表示的是左旋圆极化电磁波,S2(R)1(R)和S2(L)1(R)表示透射系数,即端口1右旋圆极化波从端口1入射,右旋圆极化波和左旋圆极化波从端口2透射的透射系数。在频率5.8G时左右旋透射为-3.1dB。图11是S2(R)1(R),S2(L)1(R)相位仿真结果。频率在5.8G时透射幅度相同,相位一样。根据电磁场理论,旋向相反并且幅度相位相同的圆极化电磁波叠加形成线极化电磁波,所以y方向的线极化电磁波从端口2透射。
参考图5和图6的实施例,可实现右旋圆极化波从端口1入射,y方向的线极化波从端口2透射。经过计算在5.8G转换效率为98%。
当y方向的线极化电磁波从端口2入射时,在第二谐振层的金属圆环上形成旋向相反的感应电流,感应电流通过金属化过孔传导耦合到第一谐振层两个金属圆环上形成辐射电流,第一谐振层中位于下部的金属圆环中辐射电流改变旋向,上部金属圆环电流旋向不变,最终形成右旋圆极化电磁波从端口1透射。如图12是仿真结果,S2(y)2(y)表示反射系数,其中2表示端口2,y表示y坐标方向线极化电磁波。S2(y)2(y)表示y线极化波从端口2入射,y线极化波从端口2反射系数。图13是S1(y)2(y),S1(x)2(y)幅度的仿真图,表示y坐标方向线极化波从端口2入射,y坐标方向线极化波和x坐标方向线极化波从端口1透射系数,在频率5.8G时x方向与y方向线极波化透射为-3.1dB。图14是S1(y)2(y),S1(x)2(y)相位的仿真图。在频率5.8G时y方向的线极化波与x方向的线极化波相位相差90度,根据电磁场理论,两个极化方向垂直,幅度相同相位相差90度的线极化电磁波叠加合成圆极化波,所以从端口1透射圆极化波。形成了线极化波到圆极化波的转换,该转换效率达到98%。
图5与图6的结构结合可实现右旋圆极化波与线极化波的相互转换,只要将结构左右镜像对称变化,即可实现左旋圆极化波与线极化波相互转换。其转换的原理根据右旋圆极化波和线极化转换原理可推导。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,其特征是,包括多个转换单元,各转换单元包括依次叠置的第一谐振层、第一介质层、防透射层、第二介质层和第二谐振层;
第一谐振层和第二谐振层分别包括两金属圆环,各金属圆环上分别设有一金属化过孔,金属化过孔的一侧设有一从金属圆环外环边缘贯穿至内环边缘的缺口;所述金属圆环上的缺口为线型,沿金属圆环径向设置;防透射层上设有两个通孔,其中一个通孔与第一谐振层和第二谐振层中位于上部的金属圆环上的金属化过孔相连通,另一个通孔与第一谐振层和第二谐振层中位于下部的金属圆环上的金属化过孔相连通,且金属化过孔的边缘在防透射层上的投影位于通孔内部;
第一谐振层中的两金属圆环结构关于第一谐振层中心对称,第二谐振层中的两金属圆环结构为上下对称;第一谐振层与第二谐振层中,位于上部的两金属圆环中的缺口位于金属化过孔的同一侧;
多个转换单元排列成m行×n列的阵列,且各转换单元的第一谐振层位于同一平面上,第二感应层位于同一平面上。
2.根据权利要求1所述的平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,其特征是,所述防透射层为金属板,防透射层上的通孔与和其连通的金属化过孔为同圆心设置,且通孔直径大于金属化过孔的直径。
3.根据权利要求1所述的平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,其特征是,第一谐振层中,位于上部的金属圆环中的缺口位于金属化过孔的右侧。
4.根据权利要求1所述的平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,其特征是,第一谐振层中,位于上部的金属圆环中的缺口位于金属化过孔的左侧。
5.根据权利要求1所述的平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,其特征是,所述第一介质层和第二介质层采用介电常数为2.65的F4B板。
6.根据权利要求1所述的平面结构圆极化与线极化微波双向转换器,其特征是,各转换单元的结构尺寸为,高度42mm*宽度19mm*厚度5mm。
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