CN108493603A - 一种电磁波极化可重构天线罩 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁波极化可重构天线罩，由若干个单元结构沿着正交方向规则排列而成，每个单元结构由正面金属层、第一介质板、中间金属层、第二介质板和背面金属层依次层压而成；正面金属层位于单元结构的正面，其形状为正方形，其上开有1个L形缝和1个金属化通孔，第一介质板的一条边沿上设有金属横条，正面金属层的一端点通过一带有夹缝的金属条与第一介质板边沿上的金属横条连接，该金属条的夹缝中设置电感，背面金属层位于单元结构的背面，单元结构的背面结构与前述单元结构的正面结构镜像对称设置，正面金属层上的金属化通孔与背面金属层上的金属化通孔之间通过金属丝连接。本发明能够方便地实现线极化‑左右圆极化‑线极化的转化。

Description

一种电磁波极化可重构天线罩
技术领域
本发明属于电磁技术领域，特别涉及了一种电磁波极化可重构天线罩。
背景技术
电磁波极化是电磁波的重要特征，用电磁波传输时电场矢量的振荡行为来描述。当电磁波沿着波矢的方向向前传播时，随着时间的变化，电场矢量的末端所走过的轨迹为直线、圆和椭圆时，其对应的极化状态分别为线极化、圆极化和椭圆极化。在实际应用中，经常对电磁波的极化特征进行检测和改变其极化状态。在雷达目标识别、通信、航空航天、电磁对抗等领域，电磁波的传播以及信号的接收性能均与波的极化形式有关。极化技术作为一项重要的干扰、抗干扰技术也成为了军事科研领域的一个研究热点。
随着无线通信技术的迅速发展，对各种类型天线的需求也与日俱增。圆极化天线由于其特殊的传播特性，在雷达、卫星通信和移动通信领域得到了广泛的应用。圆极化电磁波分为左旋圆极化波和右旋圆极化波。天线辐射的是左旋圆极化波，则只能接受左旋圆极化波而不能接受右旋圆极化波。反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只能接受右旋圆极化波而不能接受左旋圆极化波，随着高频卫星通信系统、雷达、无线通信系统，尤其是全球3G和4G网络建设的飞速发展，对天线的要求也越来越高，一方面天线具有多种工作模式并具有良好的传输性能；另一方面，又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本。如果现代通讯系统仍旧使用传统天线，那么为了满足系统动态改变工作参数的要求，天线的数量就会大幅增加。由此带来的弊端就是不仅提高了系统的成本，增大了系统的体积，而且天线之间的电磁耦合干扰也会变得非常严重，恶化了系统的电磁兼容特性。正是由于这样的需求，极化可重构天线的概念被提出并得到蓬勃发展。可重构天线罩主要是罩在天线发射方向上，通过控制系统中的射频开关元件切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于在传输中实现多种有效的分集。因此，极化可重构天线作为一种新型天线即将成为下一代无线通信系统中的核心技术之一。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种电磁波极化可重构天线罩，能够方便地实现线极化-左右圆极化-线极化的转化。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种电磁波极化可重构天线罩，由若干个单元结构沿着正交方向规则排列而成，每个单元结构由正面金属层、第一介质板、中间金属层、第二介质板和背面金属层依次层压而成；正面金属层位于单元结构的正面，其形状为正方形，其上开有1个L形缝和1个金属化通孔，第一介质板的一条边沿上设有金属横条，正面金属层的一端点通过一带有夹缝的金属条与第一介质板边沿上的金属横条连接，该金属条的夹缝中设置电感，背面金属层位于单元结构的背面，单元结构的背面结构与前述单元结构的正面结构镜像对称设置，正面金属层上的金属化通孔与背面金属层上的金属化通孔之间通过金属丝连接，第一介质板和第二介质板边沿上的金属横条分别连接直流电压源的正极和负极；正面金属层上的L形缝的两端分别开缝隙至邻近的正面金属层两边，且所述缝隙中设置pin二极管；当垂直线极化电磁波从背面端口垂直入射到单元结构背面时，形成的极化电流通过金属化过孔流到单元结构正面，控制其中一个pin二极管的导通，从而改变正面的电流走向，形成左旋或右旋圆极化电磁波，从正面端口辐射。
基于上述技术方案的优选方案，所述中间金属层上开有1个圆孔，正面金属层和背面金属层上的金属化通孔之间的金属丝从该圆孔穿过，且该圆孔的直径大于金属化通孔的直径。
基于上述技术方案的优选方案，所述第一介质板和第二介质板采用F4B板，其介电常数为2.65，损耗正切为0.001。
基于上述技术方案的优选方案，所述第一介质板和第二介质板的厚度为3mm。
基于上述技术方案的优选方案，所述电感的电感值为200nH。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)与现有的极化可重构天线罩相比，本发明结构简单，易加工，使用的射频开关元件更少，损耗更低，通过调节结构的大小可以方便的实现调节谐振频率；
(2)本发明中极化可重构天线罩功能更多，可以实现线极化到左右旋圆极化和线极化的转换；
(3)本发明中使用了新的极化转换方式传导耦合。本发明中的极化可重构能够进行周期性扩展，使得结构灵活多变，易于实现量产。
附图说明
图1是电磁波极化可重构天线罩示意图；
图2是单元结构的正面示意图；
图3是单元结构的背面示意图；
图4是中间金属层示意图；
图5是单元结构的侧面示意图；
图6是电磁波反射系数示意图；
图7是电磁波透射系数示意图；
图8是两个透射系数的相位差图。
标号说明：1、正面金属层；2、第一、第二介质板；3、中间金属层；4、背面金属层；5、金属化通孔；6、圆孔。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示为本实施例中电磁波极化可重构天线罩示意图，采用36个方形单元结构排列成6*6的方形阵列。每个单元结构由正面金属层1、第一介质板2、中间金属层3、第二介质板2和背面金属层4依次层压而成。图2-5依次为单元结构的正面示意图、背面示意图、中间金属层示意图和侧面示意图。由图2可见，单元结构的正面添加了3个射频元件：1个电感和2个pin开关二极管，电感大小是200nH，作用是滤除交流，二极管型号是smp1345-079LF，可以加直流电压控制其导通。由图3可见，单元结构的背面只添加1个电感元件。正面和背面连接直流电源，通过最上面的金属横条焊接，电流通过电感到达正面金属层1，再通过二极管，最后通过金属化通孔5到达背面金属层4，金属化通孔5之间通过一条金属丝连接从而形成了一条回路。在本实施例中，L形缝两端至邻近的金属层边沿的缝隙为1mm，该缝隙的宽度也为1mm，L形缝的宽度为2mm，且L形缝内侧边长为7mm。正面/背面金属层为正方向，其边长为12.7mm，单元结构的边长为23mm。电感所在夹缝为1mm，该夹缝的宽度为0.8mm，该夹缝两侧的长度均为1mm，介质板上边沿的金属横条的宽度为0.5mm。金属化通孔的直径为0.4mm。
由图4、图5可见，中间金属层3夹在两块介质板之间，防止电磁波透射过去。介质板采用F4B，介电常数为2.65，损耗正切为0.001。中间金属层3上开有圆孔6，其圆孔的直径要比金属化通孔的直径大，其孔直径为1mm，目的是防止金属丝与作为金属地的中间金属层3接触。
当垂直线极化电磁波从端口2垂直入射到结构表面时，形成的极化电流通过金属化过孔流到正面端口1，控制其中一个二极管的导通，从而改变正面金属的电流走向，成左旋或右旋圆极化电磁波从端口1辐射，即形成了线极化到左右旋圆极化的转换。根据电磁场原理,等幅同向的左右旋圆极化波可合成线极化波,可控制每一排的极化形式不同，从而形成线极化波。
图6是电磁波反射系数SZmin(2),Zmin(2)示意图，5.82G时产生谐振，达到-42dB。图7是电磁波透射系数SZmax(1),Zmin(2)和SZmax(2),Zmin(2)，图8是两个透射系数的相位差图。其中，2代表垂直极化，1代表水平极化，max代表正面，mix代表背面，根据电磁场理论，等幅相位相差90度的两个正交模可以形成圆极化,轴比在-3dB以下同样视为圆极化，所以在5.85G是圆极化的，其转换效率达到90％以上，其余的在介质中损耗掉，如果选用更低的损耗介质，其转换效率会继续提高。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电磁波极化可重构天线罩，其特征在于：由若干个单元结构沿着正交方向规则排列而成，每个单元结构由正面金属层、第一介质板、中间金属层、第二介质板和背面金属层依次层压而成；正面金属层位于单元结构的正面，其形状为正方形，其上开有1个L形缝和1个金属化通孔，第一介质板的一条边沿上设有金属横条，正面金属层的一端点通过一带有夹缝的金属条与第一介质板边沿上的金属横条连接，该金属条的夹缝中设置电感，背面金属层位于单元结构的背面，单元结构的背面结构与前述单元结构的正面结构镜像对称设置，正面金属层上的金属化通孔与背面金属层上的金属化通孔之间通过金属丝连接，第一介质板和第二介质板边沿上的金属横条分别连接直流电压源的正极和负极；正面金属层上的L形缝的两端分别开缝隙至邻近的正面金属层两边，且所述缝隙中设置pin二极管；当垂直线极化电磁波从背面端口垂直入射到单元结构背面时，形成的极化电流通过金属化过孔流到单元结构正面，控制其中一个pin二极管的导通，从而改变正面的电流走向，形成左旋或右旋圆极化电磁波，从正面端口辐射。
2.根据权利要求1所述电磁波极化可重构天线罩，其特征在于：所述中间金属层上开有1个圆孔，正面金属层和背面金属层上的金属化通孔之间的金属丝从该圆孔穿过，且该圆孔的直径大于金属化通孔的直径。
3.根据权利要求1所述电磁波极化可重构天线罩，其特征在于：所述第一介质板和第二介质板采用F4B板，其介电常数为2.65，损耗正切为0.001。
4.根据权利要求1所述电磁波极化可重构天线罩，其特征在于：所述第一介质板和第二介质板的厚度为3mm。
5.根据权利要求1所述电磁波极化可重构天线罩，其特征在于：所述电感的电感值为200nH。
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