CN109755755B - 一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星通信领域，提供一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅，在保证基于低剖面单层介质结构前提下，解决现有报道双频圆极化栅插损大、带宽窄的问题。本发明圆极化栅的单元结构中，十字型结构的水平“I”型偶极子和半“I”型偶极子分别提供低频和高频谐振；通过调节所述水平“I”型偶极子及半“I”型偶极子的尺寸，实现圆极化栅低频通带及高频通带的调节以及双频异圆极化出射波；并且，十字型结构的垂直“I”型偶极子进一步优化工作频带，实现在两个中心频点18.55和28.54GHz处插损分别仅为1.1和0.8dB，轴比带宽分别高达24％和11％的效果，完全覆盖了K/Ka卫星通信工作频段。

Description

一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅
技术领域
本发明属于卫星通信领域，涉及一种新型双频宽带圆极化栅，具体为一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅，特别适用于大容量、低损耗、宽轴比的双频卫星通信系统。
背景技术
随着卫星通信系统的不断发展，多频宽带圆极化天线显得尤为重要。尤其在K/Ka卫星通信系统中，要求圆极化天线工作带宽能覆盖17.7-20.2GHz和27-30GHz两个频段，并且在各个频段表现为不同的极化工作方式。
目前圆极化天线实现方式主要分为两种：第一种为改变天线的馈电网络，通过调节功分器、移相器等结构产生两种极化相互垂直且相位相差90度的线极化波，二者叠加形成圆极化波；第二种是在线极化天线辐射口加载圆极化栅实现圆极化天线；与第一种方法相比，第二种方法实现圆极化天线不需要加载复杂的馈电网络，而且线极化天线和圆极化栅可分别独立设计，进一步降低了设计难度。因此，开展对高性能圆极化栅的研究显得越来越重要。
最近几十年来，单频圆极化栅已有大量报道。相反的是，双频圆极化栅由于设计难度较单频圆极化栅大，目前研究较少，且性能较差。传统基于单层或者双层金属结构的双频圆极化栅通常采用类似金属开口环结构，此类结构中，两种相互垂直的子结构之间能量耦合较强以及不同频段相互干扰较强；因此，此类双频圆极化栅表现为插损较大、带宽较窄等缺点。基于多层金属和介质结构的双频圆极化栅经合理设计能减少插损，一定程度上能拓展带宽，但仍存在工作频带不够宽、剖面高、多层压合对不准等问题。此外，多层结构的双频圆极化栅在不同工作频段表现为同一种旋向的圆极化状态。
因此，从目前仅有的几篇报道中可以发现，基于单层或者双层的圆极化栅剖面低，但插损较大、带宽较窄；增加金属层数能一定程度上减少插损和拓展带宽，但会导致极化栅剖面高、多层结构对不准等问题，要实现低剖面、低插损，同时工作频带宽，双频异极化，难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅，在保证基于低剖面单层介质结构前提下，解决现有报道双频圆极化栅插损大、带宽窄的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅，包括从上往下依次层叠第一金属覆铜层1、介质层2、第二金属覆铜层3；其特征在于，所述第一金属覆铜层与第二金属覆铜层结构相同、且上下重叠设置；所述金属覆铜层由多个金属图形单元拼接而成，所述金属图形单元呈正方形、且沿其中心线呈对称结构；所述金属图形单元由一个十字型结构12及两个半“I”型偶极子11构成，其中，十字型结构位于金属图形单元中心点位置，十字型结构12由垂直方向设置的垂直“I”型偶极子121与水平方向设置的水平“I”型偶极子122构成、且垂直“I”型偶极子与水平“I”型偶极子的中心均与金属图形单元中心点重合，所述两个半“I”型偶极子11对称设置于水平“I”型偶极子122两侧；多个金属图形单元在垂直方向通过垂直“I”型偶极子121连通、在水平方向通过半“I”型偶极子11连通。
进一步的，当线极化波沿着45度极化方向入射圆极化栅时，所述十字型结构的水平“I”型偶极子122提供低频谐振，所述半“I”型偶极子11提供高频谐振；通过调节所述水平“I”型偶极子及半“I”型偶极子的尺寸，实现圆极化栅低频通带及高频通带的调节以及双频异圆极化出射波。
进一步的，所述十字型结构的垂直“I”型偶极子121用于调节所述圆极化栅工作带宽，通过调节所述垂直“I”型偶极子的尺寸，实现圆极化栅工作带宽的调节。
本发明的有益效果在于：
本发明充分利用十字型和半“I”型偶极子复合结构，基于单层介质实现双频异极化圆极化栅；相较传统设计，本发明具有以下三个突出优点：
1、单层十字型和半“I”型偶极子复合结构实现双频响应，单元层数少、剖面低；
2、组成十字型结构的垂直子结构和水平子结构隔离度高，能够分别独立控制垂直和水平极化分量，易于设计，同时由于子结构之间相互影响小，耦合弱，可进一步降低通带插损；
3、基于连通的十字型的垂直子结构能进一步优化工作频带，该极化栅在两个中心频点1 8.55和28.54GHz处插损分别仅为1.1和0.8dB，轴比带宽分别高达24％和11％，完全覆盖了K/Ka卫星通信工作频段。
附图说明
图1是本发明的基于单层介质的双频宽带圆极化栅单元三维结构图。
图2是本发明的基于单层介质的双频宽带圆极化栅单元三维结构图剖视图。
图3是本发明的基于单层介质的双频宽带圆极化栅单元三维结构俯视图。
图4是本发明的基于单层介质的双频宽带圆极化栅单元的仿真传输系数曲线。
图5是本发明的基于单层介质的双频宽带圆极化栅单元的仿真轴比曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅，其单元结构如图1、图2和图3 所示，所述圆极化栅包括从上往下依次层叠第一金属覆铜层1、介质层2、第二金属覆铜层3；所述第一金属覆铜层与第二金属覆铜层结构相同、且上下重叠设置；所述金属覆铜层由多个金属图形单元拼接而成，所述金属图形单元呈正方形、且沿其中心线呈对称结构；所述金属图形单元由一个十字型结构12及两个半“I”型偶极子11构成，其中，十字型结构位于金属图形单元中心点位置，十字型结构12由垂直方向设置的垂直“I”型偶极子121与水平方向设置的水平“I”型偶极子122构成、且垂直“I”型偶极子与水平“I”型偶极子的中心均与金属图形单元中心点重合，所述两个半“I”型偶极子11对称设置于水平“I”型偶极子122 两侧；多个金属图形单元在垂直方向通过垂直“I”型偶极子121连通、在水平方向通过半“I”型偶极子11连通，水平方向连通后，两个半“I”型偶极子11则拼接为一个完整的“I”型偶极子；第一金属覆铜层1和第二金属覆铜层3通过介质层2连接构成圆极化栅单元；各单元连通后构成无限大圆极化栅。
本发明的工作原理：当线极化波沿着45度极化方向入射圆极化栅时，十字型结构的水平子结构(水平“I”型偶极子122)和半“I”型偶极子11分别提供低频和高频谐振；在低频段，半“I”型偶极子表现为容性，其控制的垂直极化电场分量相位超前于水平子结构控制的水平极化电场分量，出射波表现为左旋圆极化；随着频率提高并且低于半“I”型偶极子谐振频率，水平极化电场分量相位增加剧烈，以至超前垂直极化电场分量，此时出射波表现为右旋圆极化。
作为中心连接型单元，十字型结构中相互垂直的两臂之间隔离度高，因此可以独立调整垂直子结构(垂直“I”型偶极子121)和水平子结构(水平“I”型偶极子122)；同时，连通的十字型垂直臂能进一步优化调节工作带宽；因此，通过合理调节十字型和半“I”型偶极子复合结构的几何尺寸，能够实现达到降低插损，拓展带宽的目的。
本实施例中完成了一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅的具体设计，双频段中心频率分别为18.55和28.54GHz，选用的介质层2为TLY-5，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，介质厚度仅为0.1λ1(λ1为低频段中心波长)；第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层3的厚度均为0.018mm，单元周期长度为0.25λ1。如图4所示，该圆极化栅通过仿真软件HFSS优化后，其插入损耗在工作频带17.72-21.37GHz和26.94-29.53GHz下小于1.5dB，在中心频率处分别为1.1和0.8dB。如图5所示，在低频段，3dB轴比工作带宽为24％，频率覆盖范围为16.28-20.82GHz，出射波表现为左旋圆极化。在高频段，3dB轴比工作带宽为11％，频率覆盖范围为26.94-30.13GHz，出射波表现为右旋圆极化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅，包括从上往下依次层叠第一金属覆铜层(1)、介质层(2)、第二金属覆铜层(3)；其特征在于，所述第一金属覆铜层与第二金属覆铜层结构相同、且上下重叠设置；所述金属覆铜层由多个金属图形单元拼接而成，所述金属图形单元呈正方形、且沿其中心线呈对称结构；所述金属图形单元由一个耶路撒冷十字型结构(12)及两个半“I”型偶极子(11)构成，其中，耶路撒冷十字型结构位于金属图形单元中心点位置，耶路撒冷十字型结构由垂直方向设置的垂直“I”型偶极子(121)与水平方向设置的水平“I”型偶极子(122)构成、且垂直“I”型偶极子与水平“I”型偶极子的中心均与金属图形单元中心点重合，所述两个半“I”型偶极子(11)对称设置于水平“I”型偶极子(122)两侧；多个金属图形单元在垂直方向通过垂直“I”型偶极子(121)连通、在水平方向通过半“I”型偶极子(11)连通。
2.按权利要求1所述基于单层介质的双频宽带圆极化栅，其特征在于，当线极化波沿着45度极化方向入射圆极化栅时，所述耶路撒冷十字型结构的水平“I”型偶极子(122)提供低频谐振，所述半“I”型偶极子(11)提供高频谐振；通过调节所述水平“I”型偶极子及半“I”型偶极子的尺寸，实现圆极化栅低频通带及高频通带的调节以及双频异圆极化出射波。
3.按权利要求1所述基于单层介质的双频宽带圆极化栅，其特征在于，所述耶路撒冷十字型结构的垂直“I”型偶极子121用于调节所述圆极化栅工作带宽，通过调节所述垂直“I”型偶极子的尺寸，实现圆极化栅工作带宽的调节。
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