CN109524794B - 一种曲线型圆极化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种曲线型圆极化器，属于通信技术领域，解决了现有技术印制板层数较多、制备复杂、加工成本较高的问题。该曲线型圆极化器包括自上而下依次平行排布的上曲线栅层和下曲线栅层。下曲线栅层，用于接收电场矢量与下曲线栅层平面呈45°夹角的线极化波，在其周围生成线极化电场矢量1。线极化波自下而上依次通过下曲线栅层和上曲线栅层。上曲线栅层，用于接收上述线极化波，生成与所述线极化电场矢量1呈90°相位差的线极化电场矢量2，并在所述上曲线栅层上方生成左旋或右旋圆极化波。该曲线型圆极化器具有宽带、低剖面、低损耗、低成本、圆极化纯度高等特点，并且结构简单，质量轻，配件结构少，易于加工和装配。

Description

一种曲线型圆极化器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种曲线型圆极化器。
背景技术
圆极化器在雷达探测、通信领域内有重要的应用价值，将其置于线极化天线的辐射口面前，可以将线极化波转换成圆极化波。圆极化天线的轴比是衡量圆极化纯度的重要指标，圆极化天线轴比越小，可认为该天线圆极化纯度较高。电压驻波比是衡量天线与圆极化器匹配程度的重要指标，驻波比越大，匹配越差，驻波比小于1.5，可认为天线匹配很好，传输效率较高。
S11是天线S参数中的一个，表示传输回波损耗，S11越大，能量反射越大，损耗越高，S11小于-10dB可认为能量损耗很小。
目前，常用的曲线型圆极化器以三层以上不同的印制板构成的居多，其印制板层数较多，制作复杂，加工成本较高，剖面较大。当前，缺少一种在减少印制板层数的基础上还能实现宽带、高纯度圆极化转换的圆极化器。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种曲线型圆极化器，用以解决现有技术印制板层数较多、制作复杂、加工成本较高的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种曲线型圆极化器，包括自上而下依次平行排布的上曲线栅层和下曲线栅层；
所述下曲线栅层，用于接收电场矢量与下曲线栅层平面呈45°夹角的线极化波，在其周围生成线极化电场矢量1；所述线极化波自下而上依次通过下曲线栅层和上曲线栅层；
所述上曲线栅层，用于接收上述线极化波，生成与所述线极化电场矢量1呈90°相位差的线极化电场矢量2，并在所述上曲线栅层上方生成左旋或右旋圆极化波。
上述技术方案的有益效果如下：与现有技术相比，上述技术方案提供的曲线型圆极化器具有宽带、低剖面、低损耗、低成本、圆极化纯度高等特点。电磁信号在微带线中传输需要阻抗具有连续性，电磁信号如果在微带线中走直角，拐角处的有效线宽会增大，阻抗不连续，引起信号反射。为了减小不连续性，通过对上曲线栅层和下曲线栅层的结构进行设计，可实现低S11值。以两层印制板实现了电磁波的高纯度圆极化转换，同时由于电磁信号的低反射和印制板层数的减少，实现了圆极化器与天线的良好匹配，获得低电压驻波比。
基于上述方法的另一个实施例中，所述上曲线栅层，包括M组平行排布的曲线型金属栅格，每组曲线型金属栅格包括周期性排列的N个切角型基本单元；
所述切角型基本单元采用在每个拐角处进行切角的矩形波单元结构；所述M≥2，N≥2。
上述技术方案的有益效果是：采用切角型基本单元构建曲线型金属栅格，钝化了尖锐边缘，可减小电压驻波比，降低S11值，降低传输损耗。
进一步，所述下曲线栅层的结构、尺寸和参数与所述上曲线栅层的结构、尺寸和参数相同。
上述进一步方案的有益效果是：采用两层完全相同的曲线栅层，使得该设计的圆极化器为对称周期结构，仿真优化时可仅针对单个切角型基本单元优化，易于设计。曲线栅层之间可以为空气层，结构简单，质量轻，配件结构少，易于加工和装配，降低能量损耗。可适用于各种线极化天线的圆极化转换。
进一步，所述曲线形圆极化器，还包括在所述上曲线栅层和下曲线栅层之间设置的功能层；
所述功能层，用于对上曲线栅层和下曲线栅层进行电气隔离；所述功能层的材料为空气、泡沫材料、蜂窝材料、PMI材料中的至少一种。
上述进一步方案的有益效果是：采用上述低介电常数的材料，可有效降低电磁波传输过程中的能量损耗。
进一步，所述上曲线栅层和下曲线栅层的连接方式为卡槽型结构件连接、螺钉连接中的至少一种。
上述进一步方案的有益效果是：采用的卡槽型结构件连接、螺钉连接，相比传统的粘胶方式连接，能够有效提高圆极化器结构的稳定性，简化制作工艺流程。
进一步，所述曲线形圆极化器，还包括在所述上曲线栅层的上方或下曲线栅层的下方设置的支撑层；
所述支撑层，用于放置时为圆极化器提供支撑；所述支撑层采用泡沫材料、蜂窝材料、PMI材料中的至少一种。
上述进一步方案的有益效果是：支撑层的作用是为上曲线栅层或下曲线栅层提供保护、支撑作用，且选用低介电常数材料使得电磁波传输时损耗较小。
进一步，所述曲线型金属栅格的垂直周期为5～14mm，其水平周期为9～23mm，线宽为0.5～2.5mm。
上述进一步方案的有益效果是：通过上述优化的金属栅格周期值，使得圆极化器具有宽带、高纯度圆极化效果。
进一步，所述上曲线栅层和下曲线栅层的材料为单面覆铜板。
上述进一步方案的有益效果是：对上曲线栅层和下曲线栅层的材料进行限定，采用的单面覆铜板工艺制作流程简单、成本低。
进一步，所述上曲线栅层和下曲线栅层的厚度为0.1～2mm，间距为2～9mm。
上述进一步方案的有益效果是通过上述优化的金属栅格厚度和间距，使得圆极化器具有宽带、低剖面、低损耗、低成本等优点。
进一步，所述切角型基本单元的切角为45°，切角边长为曲线型金属栅格线宽的1～1.1倍；
所述周期性排列为水平周期性排列。
上述进一步方案的有益效果是：通过优化的金属栅格切角，使得圆极化器具有宽带、低S11值、低损耗等优点。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1曲线型圆极化器结构示意图；
图2为本发明实施例2曲线形圆极化器结构示意图；
图3为本发明实施例2切角型基本单元结构示意图
图4为本发明实施例2切角基本单元尺寸参数示意图；
图5为本发明实施例2曲线型圆极化器剖面示意图；
图6为本发明实施例2曲线形圆极化器进行右旋圆极化示意图；
图7为本发明实施例2曲线形圆极化器进行左旋圆极化示意图。
附图标记：
1-上曲线栅层；2-下曲线栅层；3-上曲线栅层的曲线型金属栅格；4-下曲线栅层的曲线型金属栅格；5-切角；6-线极化波；a-垂直周期；b-水平周期；c-线宽；D-上曲线栅层和下曲线栅层的间距；t-上曲线栅层或下曲线栅层的厚度；θ-切角大小；E-线极化波的电场矢量；E水平-线极化波的电场矢量水平分量；E垂直-线极化波的电场矢量垂直分量。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种曲线型圆极化器，包括自上而下依次平行排布的上曲线栅层1和下曲线栅层2，如图1所示，两层曲线栅层自上而下对齐排布。
线极化波自下而上依次通过下曲线栅层2和上曲线栅层1。
下曲线栅层2，用于接收电场矢量与下曲线栅层2平面呈45°夹角的线极化波，在其周围生成线极化电场矢量1。
上曲线栅层1，用于接收上述线极化波，生成与所述线极化电场矢量1呈90°相位差的线极化电场矢量2，并在所述上曲线栅层1上方生成左旋或右旋圆极化波。
使用时，线极化波自下而上依次通过下曲线栅层2和上曲线栅层1，最后在上曲线栅层1上方生成左旋或右旋圆极化波。其中，当线极化波的电场斜向左上方依次穿过下曲线栅层2、上曲线栅层1进行入射时，生成右旋圆极化波，当线极化波的电场斜向右上方依次穿过下曲线栅层2、上曲线栅层1进行入射时，生成左旋圆极化波。
与现有技术相比，本实施例提供的曲线型圆极化器具有宽带、低剖面、低损耗、低成本、圆极化纯度高等特点。电磁信号在微带线中传输需要阻抗具有连续性，电磁信号如果在微带线中走直角，拐角处的有效线宽会增大，阻抗不连续，引起信号反射。为了减小不连续性，通过对上曲线栅层和下曲线栅层的结构进行设计，可实现低S11值。以两层印制板实现了电磁波的高纯度圆极化转换，同时由于电磁信号的低反射和印制板层数的减少，实现了圆极化器与天线的良好匹配，获得低电压驻波比。
实施例2
在实施例1的基础上进行优化，如图2所示，上曲线栅层1，包括M组曲线型金属栅格3，该栅格走向呈周期排列，每组中N个切角型基本单元周期性排列。所述切角型基本单元采用在每个拐角处进行切角的矩形波单元结构；所述M≥2，N≥2。切角型基本单元可减小驻波，降低S11值，降低传输损耗。因此，采用切角型基本单元构建的曲线型金属栅格，能够钝化尖锐边缘，减小电压驻波比，降低S11值，降低传输损耗。
优选地，上述周期性排列可为水平周期性排列。
优选地，下曲线栅层2的结构、尺寸和参数与上曲线栅层1的结构、尺寸和参数相同。即二者具有相同的M组曲线型金属栅格4，如图2所示。采用两层完全相同的曲线栅层，使得圆极化器为对称周期结构，仿真优化时可仅针对单个切角型基本单元优化，易于加工和装配，结构简单，质量轻，配件结构少，易于加工和装配。
优选地，该曲线型圆极化器还包括在上曲线栅层1和下曲线栅层2之间设置的功能层。功能层，用于对上曲线栅层1和下曲线栅层2进行电气隔离。功能层的材料为空气、泡沫材料、蜂窝材料、PMI材料中的至少一种。采用上述低介电常数的材料，可有效降低电磁波传输过程中的能量损耗。
优选地，上曲线栅层和下曲线栅层的连接方式为卡槽型结构件连接、螺钉连接中的至少一种。相比传统的粘胶方式连接，卡槽型结构件连接、螺钉连接能够有效提高圆极化器结构的稳定性，简化制作工艺流程。
优选地，该曲线型圆极化器还包括在上曲线栅层1的上方或下曲线栅层2的下方设置的支撑层。支撑层，用于放置时为圆极化器提供支撑。支撑层应采用低介电常数的支撑材料，可采用泡沫材料、蜂窝材料、PMI材料中的至少一种。选用低介电常数材料使得电磁波传输时损耗较小。
曲线型金属栅格3、4的垂直周期a为5～14mm，其水平周期b为9～23mm，线宽c为0.5～2.5mm。
优选地，如图4所示，曲线型金属栅格3、4的垂直周期a为11.754mm，其水平周期b为14mm，线宽c为1.292mm。水平周期b增大时，电磁波的水平分量和垂直分量的相位差增大；垂直周期a增大时，电磁波的水平分量和垂直分量的相位差减小。通过上述优化的金属栅格周期值，使得圆极化器具有宽带、高纯度圆极化效果。
优选地，上曲线栅层1和下曲线栅层2的材料为单面覆铜板，其介电常数为3。
上曲线栅层和下曲线栅层的厚度为0.1～2mm，间距为2～9mm。
优选地，如图5所示，上曲线栅层1和下曲线栅层2的厚度t为0.254mm，其间距D为5.654mm。印制板厚度t变薄时，轴比带宽变宽；印制板间距D减小时，轴比带宽变宽，且向低频偏移。通过上述优化的金属栅格厚度和间距，使得圆极化器具有宽带、低剖面、低损耗、低成本等优点。
优选地，切角型基本单元的切角5(如图3所示)θ为45°，切角边长(即切角后切去部分构成的直角三角形的直角边边长)为线宽c的1～1.1倍。通过优化的金属栅格切角，使得圆极化器具有宽带、低S11值、低损耗等优点。
宽带低剖面上曲线栅层1、下曲线栅层2上分别对应制有尺寸参数相同的曲线型金属栅格3、4，且两层曲线栅层自上而下对齐排布。线极化波6自下而上射入曲线型圆极化器，线极化波6的电场矢量方向与曲线型金属栅格3、4呈45°夹角，在通过下曲线栅层2、上曲线栅层1变极化后，线极化波6可变为左旋圆极化波或右旋圆极化波。
实施时，采用HFSS三维电磁仿真软件对本实施例的曲线型圆极化器进行优化设计。具体内容为：曲线型金属栅格3、4按水平周期排列，通过与入射线极化波6的电场矢量方向成45°夹角摆放，线极化波6依次按照下曲线栅层2、上曲线栅层1的顺序射入圆极化器，针对不同频点，可通过调整曲线型金属栅格3、4的基本单元排布周期及线宽c，使该线极化波6电场矢量E分解为两个幅度相同的电场分量E水平、E垂直，如图6和图7所示，且两个电场分量产生90°的相位差，以满足圆极化条件，从而在上曲线栅层1的上方形成圆极化波。具体地，当线极化波的电场斜向左上方依次穿过下曲线栅层2、上曲线栅层1进行入射时，生成右旋圆极化波，当线极化波的电场斜向右上方依次穿过下曲线栅层2、上曲线栅层1进行入射时，生成左旋圆极化波。
试验结果显示，该曲线型圆极化器适用于各种宽带线极化天线，并且在大于15％带宽内形成高纯度圆极化波，驻波小于1.5，S11小于-10dB。通过对金属栅格优化设计提高驻波带宽及圆极化轴比带宽，抑制交叉极化，其轴比带宽可以达15％以上。
与实施例1相比，本实施例提供的曲线型圆极化器采用切角型基本单元构建曲线型金属栅格3、4，钝化了尖锐边缘，可减小电压驻波比，降低S11值，减小电磁信号的反射，降低传输损耗，降低能量损耗。另外，经过大量的仿真试验计算获得的最优的微带线(曲线型金属栅格)的切角、线宽、周期、厚度及间距，使得曲线型圆极化器的整体厚度小于6mm，上、下曲线型金属栅格(3、4)尺寸参数相同的设计思路，简化了设计流程及制作工艺。以两层印制板实现了电磁波的宽带、低剖面、低损耗、高纯度圆极化转换，相比三层、四层印制板，减少了电磁波传输转换的次数，提高了天线与圆极化器的匹配程度，降低了驻波比，缩减了圆极化器的厚度，而且两层印制板尺寸参数相同，仅需制作一种印制板便可用来构建圆极化器，简化了制作、加工流程，降低了生产成本。制备的圆极化器具有宽带、低剖面、低损耗、低成本、极化纯度高等优点，特别适用于各种宽带、低剖面线极化天线的圆极化转换。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种曲线型圆极化器，其特征在于，包括自上而下依次平行排布的上曲线栅层和下曲线栅层；
所述下曲线栅层，用于接收电场矢量与下曲线栅层平面呈45°夹角的线极化波，在其周围生成线极化电场矢量1；所述线极化波自下而上依次通过下曲线栅层和上曲线栅层；
所述上曲线栅层，用于接收上述线极化波，生成与所述线极化电场矢量1呈90°相位差的线极化电场矢量2，并在所述上曲线栅层上方生成左旋或右旋圆极化波，所述上曲线栅层，包括M组平行排布的曲线型金属栅格，每组曲线型金属栅格包括周期性排列的N个切角型基本单元；
所述切角型基本单元采用在每个拐角处进行切角的矩形波单元结构，其中，所述切角型基本单元的切角为45°，切角边长为曲线型金属栅格线宽的1～1.1倍；所述M≥2，N≥2。
2.根据权利要求1所述的曲线型圆极化器，其特征在于，所述下曲线栅层的结构、尺寸和参数与所述上曲线栅层的结构、尺寸和参数相同。
3.根据权利要求2所述的曲线型圆极化器，其特征在于，还包括在所述上曲线栅层和下曲线栅层之间设置的功能层；
所述功能层，用于对上曲线栅层和下曲线栅层进行电气隔离；所述功能层的材料为空气、泡沫材料、蜂窝材料、PMI材料中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的曲线型圆极化器，其特征在于，所述上曲线栅层和下曲线栅层的连接方式为卡槽型结构件连接、螺钉连接中的至少一种。
5.根据权利要求3或4所述的曲线型圆极化器，其特征在于，还包括在所述上曲线栅层的上方或下曲线栅层的下方设置的支撑层：
所述支撑层，用于放置时为圆极化器提供支撑；所述支撑层采用泡沫材料、蜂窝材料、PMI材料中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的曲线型圆极化器，其特征在于，所述曲线型金属栅格的垂直周期为5～14mm，其水平周期为9～23mm，线宽为0.5～2.5mm。
7.根据权利要求3或4所述的曲线型圆极化器，其特征在于，所述上曲线栅层和下曲线栅层的材料为单面覆铜板。
8.根据权利要求3或4所述的曲线型圆极化器，其特征在于，所述上曲线栅层和下曲线栅层的厚度为0.1～2mm，间距为2～9mm。
9.根据权利要求1所述的曲线型圆极化器，其特征在于，所述周期性排列为水平周期性排列。
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