CN109066064A - 一种复合左右手波导缝隙阵单元及天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合左右手波导缝隙阵单元及天线，所述复合左右手波导缝隙阵单元是由两个互为镜像的复合左右手波导缝隙阵子单元并联组成；所述复合左右手波导缝隙阵子单元的上表面设置旋转的缝隙，每个缝隙的中心在所述子单元的宽边中心线上；其中一个子单元的缝隙与宽边中心线的夹角为45°，另一个子单元的缝隙与宽边中心线的夹角为‑45°。所述天线包括：波导功分器、一个控制电路、两路收发组件和天线阵；所述波导功分器用于产生两路激励信号并输出至两路收发组件；所述控制电路用于对两组收发组件接收的信号的幅度和相位进行调节；所述两组收发组件用于将调节后的信号输出至天线阵；所述天线阵是由N个复合左右手波导缝隙阵单元沿直线级联而成。

Description

一种复合左右手波导缝隙阵单元及天线
技术领域
本发明涉及电磁微波天线领域，特别涉及一种复合左右手波导缝隙阵单元及天线。
背景技术
复合左右手(Composite Right/Left-Handed，CRLH)漏波天线由于其能够很容易地实现从后向到前向的连续波束扫描能力而得到广泛地关注与研究。迄今为止，已经提出了许多平面传输线结构或者三维波导结构的CRLH漏波天线，然而它们大部分都是单极化的。目前已经有部分工作涉及到CRLH圆极化或灵活极化漏波天线(参考文献[1]:Y.Dongand T.Itoh,"Substrate Integrated Composite Right-/Left-Handed Leaky-WaveStructure for Polarization-Flexible Antenna Application,"IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.60,pp.760-771,2012.以及参考文献[2]:A.Chen andJ.Wang,"Polarization reconfigurable frequency-scanning antenna based on halfmode substrate integrated waveguide,"in 2016International Symposium onAntennas and Propagation(ISAP),2016,pp.96-97.)，然而，它们均是基于平面结构的，具有损耗大，功率容量小的缺点，不适用于实际的雷达系统。并且，虽然它们称作是灵活极化的，但是在改变极化状态的时候，需要改变馈电形式，更换馈电网络，例如在线极化时，需要相位差为180°的3dB耦合器；在圆极化时，需要相位差为90°的3dB耦合器，无法实时改变极化状态。
发明内容
本发明的目的在于克服目前CRLH灵活极化的漏波天线存在的缺点，如功率容量小，损耗大，以及难以实时改变极化状态，提供了一种能够实时改变极化状态的灵活极化的CRLH波导缝隙阵天线，该天线具有功率容量大，损耗小，并且能够实时改变极化状态等优点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种复合左右手波导缝隙阵单元，所述复合左右手波导缝隙阵单元是由两个互为镜像的复合左右手波导缝隙阵子单元并联组成；所述复合左右手波导缝隙阵子单元的上表面设置旋转的缝隙，每个缝隙的中心在所述子单元的宽边中心线上；其中一个子单元的缝隙与宽边中心线的夹角为45°，另一个子单元的缝隙与宽边中心线的夹角为-45°。
作为上述装置的一种改进，所述复合左右手波导缝隙阵单元的两个缝隙沿单元的宽边中心线呈镜像对称，即两个缝隙互相垂直。
基于上述复合左右手波导缝隙阵单元，本发明还提供了一种复合左右手波导缝隙阵天线，所述天线包括波导功分器，其特征在于，所述天线包括波导功分器，其特征在于，所述天线还包括：一个控制电路、两路收发组件和天线阵；
所述波导功分器，用于产生两路激励信号，并分别输出至两路收发组件；
所述控制电路，用于对两组收发组件接收的信号的幅度和相位进行调节；
所述两组收发组件，用于将调节后的两路信号输出至天线阵；
所述天线阵是由N个复合左右手波导缝隙阵单元沿直线级联而成。
作为上述装置的一种改进，所述复合左右手波导缝隙阵单元的个数N≥2。
作为上述装置的一种改进，所述N个复合左右手波导缝隙阵单元的尺寸相同，每个复合左右手波导缝隙阵单元的缝隙的长度相同。
作为上述装置的一种改进，所述波导功分器为一分二波导功分器，输出的两路信号幅度相等且相位相同。
本发明的优点在于：
1、本发明的CRLH波导缝隙阵天线与现有的灵活极化的CRLH漏波天线相比，具有功率容量大，损耗小等优点；
2、本发明的CRLH波导缝隙阵天线能够在不改变天线结构的情况下，灵活改变极化状态，可以做到实时改变；而现有的灵活极化的CRLH漏波天线都需要更换馈电网络才能改变极化状态，因此本发明是真正意义上的实时灵活改变极化状态。
附图说明
图1为本发明的单个CRLH波导缝隙阵单元的结构图；
图2为本发明的CRLH波导缝隙阵子单元的结构图；
图3为本发明的CRLH波导缝隙阵的极化状态机制；
图4本发明的CRLH波导缝隙阵天线的结构图；
图5为本发明加载馈电网络的CRLH波导缝隙阵天线结构图；
图6为-45°线极化的增益方向图；
图7为y方向线极化的增益方向图；
图8为x方向线极化的增益方向图；
图9为左旋圆极化的增益方向图；
图10为左旋圆极化时的轴比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明的CRLH波导缝隙阵天线是基于一个高性能的CRLH波导实现的。
如图1所示，一种CRLH波导缝隙阵单元；所述CRLH波导缝隙阵单元是由图2所示的CRLH波导缝隙阵子单元以y轴为中心轴，与其镜像合并而成的并联结构。如图2所示，一种CRLH波导缝隙阵子单元；每个CRLH波导缝隙阵子单元的上表面设置旋转的缝隙，所述缝隙的中心在CRLH波导的宽边中心线上，且缝隙与中心线的夹角为45°；每个CRLH波导缝隙阵子单元缝隙的长度均为lslot，缝隙的宽度可以相同，也可以不同，缝隙宽度相同时，波导缝隙阵口面激励分布呈指数衰减分布；可以设计不同的缝隙宽度，使得波导缝隙阵口面激励分布呈递变分布(tapered distribution)，以降低天线方向图的副瓣电平。
CRLH波导缝隙阵单元可实现的极化状态见图3，同时调节端口1和端口3的激励幅度和相位，即可实现附图3中所有的极化状态。
将图1中的CRLH波导缝隙阵单元沿直线级联，即可构成灵活极化的CRLH波导缝隙阵天线，如图4所示。
本发明采用了一分二等幅同相的波导功分器来激励灵活极化的CRLH波导缝隙阵的端口1和端口3，为了实现该两个端口的激励幅度和相位的灵活调节，在功分器的两个输出端分别串联可调幅调相的收发组件，两个收发组件通过控制电路来实现幅度和相位的灵活调节，从而实现各个极化状态所需的激励和相位，如图5所示为包含完整馈电网络的灵活极化的CRLH波导缝隙阵。
作为所述灵活极化的CRLH波导缝隙阵天线的一个实施例，本发明设计了一个工作于Ka频段的灵活极化天线，单元尺寸a＝4.35mm,b＝2.8mm,d＝1.0mm,h＝4.35mm,lslot＝4.3mm,p＝2.8mm,s＝1.4mm,w＝1.8mm.所述参数含义见图2标注，缝隙的宽度为0.6mm。本实施例中，所述CRLH波导缝隙阵由M个该单元沿直线级联而成(即M个缝隙)，以每2个CRLH波导缝隙阵子单元来构成1个CRLH缝隙阵单元，即CRLH波导单元的个数N＝2M。本实施例中，设计M＝20，即20元的CRLH波导缝隙阵。
利用电磁仿真工具CST Microwave Studio仿真设计的灵活极化的CRLH波导缝隙阵天线，得到了该天线在不同极化状态下的增益方向图，分别在图6～图10中给出，其中图6为-45°线极化的增益方向图，图7为y方向线极化的增益方向图，图8为x方向线极化的增益方向图，图9为左旋圆极化的增益方向图，图10为左旋圆极化时的轴比。椭圆极化状态为天线的一般状态，只要满足给定的激励要求就能实现，事实上，其他几种极化状态可以看作是椭圆极化的特殊情况，因此椭圆极化的方向图这里不再专门给出。从这些方向图中，可以看到该天线能够在不同的极化状态下实现波束随频率的扫描，而且由于采用了收发组件，能够在不改变天线结构的情况下，灵活改变极化状态，可以做到实时改变。
图6的方向图是将波束扫描剖面(y-z面)沿z轴旋转了45°得到的，因为该状态下天线只有端口1被激励，此时极化是-45°的极化。该极化状态下，交叉极化的电平相对于主极化来说小于15dB以上。
图7和图8分别是y方向和x方向线极化的增益方向图，两者的极化互为交叉，即图7的主极化面(y-z面)是图8的交叉极化面，图7的交叉极化面(x-z面)是图8的主极化面。这两种状态下，交叉极化的幅度相对于主极化来说小于90dB以上，质量相当高。
图9是左旋圆极化状态下的天线增益方向图，其圆极化质量的好坏通过图10中的轴比来确定，轴比是指形成极化椭圆的长轴与短轴之比，对于理想的圆极化，轴比为0dB，即长短轴相等。一般要求实际圆极化天线的轴比在工作范围内小于3dB。轴比大于3dB时，即为一般的椭圆极化状态。从图10中可以看出，该天线的圆极化质量在工作的主波束范围内质量很好，基本都小于2dB。
在采取不同的工作频率和单元尺寸的情况下，经过多次实验同样可以证明本方法的有效性。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种复合左右手波导缝隙阵单元，其特征在于，所述复合左右手波导缝隙阵单元是由两个互为镜像的复合左右手波导缝隙阵子单元并联组成；所述复合左右手波导缝隙阵子单元的上表面设置旋转的缝隙，每个缝隙的中心在所述子单元的宽边中心线上；其中一个子单元的缝隙与宽边中心线的夹角为45°，另一个子单元的缝隙与宽边中心线的夹角为-45°。
2.根据权利要求1所述的复合左右手波导缝隙阵单元，其特征在于，所述复合左右手波导缝隙阵单元的两个缝隙沿单元的宽边中心线呈镜像对称，即两个缝隙互相垂直。
3.一种基于权利要求1-2之一所述的复合左右手波导缝隙阵单元实现的复合左右手波导缝隙阵天线，所述天线包括波导功分器，其特征在于，所述天线还包括：一个控制电路、两路收发组件和天线阵；
所述波导功分器，用于产生两路激励信号，并分别输出至两路收发组件；
所述控制电路，用于对两组收发组件接收的信号的幅度和相位进行调节；
所述两组收发组件，用于将调节后的两路信号输出至天线阵；
所述天线阵是由N个复合左右手波导缝隙阵单元沿直线级联而成。
4.根据权利要求3所述的复合左右手波导缝隙阵天线，其特征在于，所述复合左右手波导缝隙阵单元的个数N≥2。
5.根据权利要求4所述的复合左右手波导缝隙阵天线，其特征在于，所述N个复合左右手波导缝隙阵单元的尺寸相同，每个复合左右手波导缝隙阵单元的缝隙的长度相同。
6.根据权利要求3-5之一所述的复合左右手波导缝隙阵天线，其特征在于，所述波导功分器为一分二波导功分器，输出的两路信号幅度相等且相位相同。
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