CN109786976A - 基于多层fss结构多功能圆极化转换器阵列、无线通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列、无线通信系统；采用加载双圆环形滤波结构的四层十字振子作为阵列单元，在不同频段具有不同的反透射特性；再通过合理调节FSS单元的沿X和Y方向的十字振子的尺寸并将其周期性排列，最后再将线极化馈源天线置于圆极化转换器阵列的正上方并于X轴成45度夹角，设计的圆极化转换器阵列就能够分别在高频段实现前向圆极化辐射波，有效地在同一款圆极化转换器上集成了反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器阵列的功能。本发明的FSS圆极化转换器，功能多样化和智能化程度明显提高，有力地促进了FSS圆极化转换器技术的发展和应用。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列、无线通信系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：在无线通信系统中，由于圆极化天线具有抗击雨雪云雾干扰和能够收发任意极化的电磁波等优势，因此备受青睐。圆极化转换器作为一种能够将馈源天线的线极化电磁波转换为圆极化电磁波的微波器件，很好适应了各种通信天线系统的需要。近年来，各种形式的圆极化转换器被设计出来，并广泛应用于卫星通信、雷达和电子对抗等通信领域。在这些设计方法中，由于多层频率选择表面(FrequencySelective Surface，FSS)结构的圆极化转换器具有结构简单、易于加工和实现等优点，已经获得了广泛的实际应用。
根据FSS种类的不同，传统的FSS圆极化转换器主要分为反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器等两大类。其中，反射型FSS圆极化转换器是将馈源天线发出的线极化入射波转换为圆极化反射波；透射型FSS圆极化转换器是将馈源天线发出的线极化入射波转换为圆极化透射波。基于FSS结构的圆极化转换器主要是通过合理调节FSS的结构参数，在正交方向上产生不同的幅度和相位相应，当FSS在正交方向上同时满足幅度相等和相位相差90度，就能够将馈源的线极化入射波转换为圆极化辐射波。然而，传统的FSS圆极化转换器功能比较单一固化，只能实现单向极化转换，而且其极化转换方向主要取决于采用FSS的类型。如果采用反射型FSS，则圆极化器的极化转换方向为后向反射方向(即反射型FSS圆极化转换器)；如果采用透射型FSS，则圆极化器的极化转换方向为前向透射方向(即透射型FSS圆极化转换器)。
虽然现有的FSS圆极化转换器技术已经获得了广泛的应用，但随着无线通信系统的智能化和集成化的日益普遍，远程通信系统迫切要求一款FSS圆极化转换器能够集反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器的功能于一身，实现极化转换方向的灵活调控，以便于该圆极化器能够同时应用于多种不同的通信技术场合，但通过现有方法技术实现该要求非常困难。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统的FSS圆极化转换器功能比较单一固化，只能实现单向极化转换，一旦采用的FSS类型被确定了，相应的极化转换方向就随之确定了。进一步说，如果采用反射型FSS，则圆极化器的极化转换方向为后向反射方向；如果采用透射型FSS，则圆极化器的极化转换方向为前向透射方向。由传统的FSS圆极化转换器造成的技术缺陷是：功能单一固化，无法实现极化转换方向的灵活调控，不能同时应用于多种通信技术场合。
解决上述技术问题的难度和意义：首先，解决上述技术问题的难度在于如何设计一种能够集反射型FSS圆极化转换和透射型FSS圆极化转换功能于一身的多功能FSS。其次，解决上述技术问题的意义在于：实现FSS圆极化转换器的多功能性，能够根据技术现场需要灵活地调控极化转换方向，并且避免了不同通信技术场合使用不同类型的FSS圆极化转换器(反射型FSS圆极化转换器或透射型FSS圆极化转换器)的麻烦，有力促进了FSS圆极化转换器技术的发展和进步。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列、无线通信系统。
本发明是这样实现的，一种基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列，该FSS圆极化器阵列采用4层介质板结构，如图1所示；阵列上共有19×19个FSS单元，如图10所示；FSS单元的具体结构如图3所示；阵列尺寸为285mm×285mm；上述硬件参数带来的技术效果是：在线极化入射波的条件下，11.1GHz到12.5GHz的范围内实现了圆极化透射波，且透射波在该频段的轴比值低于3dB；8.4GHz到10.2GHz的范围内实现了圆极化反射波，且反射波在该频段轴比值低于3dB。
所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列包括：位于每层介质板上表面的十字振子单元，对应图1中的十字振子单元2；
底端加载双圆环形滤波结构的四层十字振子单元作为FSS单元，对应图1中的FSS单元1；
FSS单元第四层介质板的底端加载双圆环形滤波结构，对应图1中的双圆环形滤波结构3；相同尺寸的十字振子单元和相同尺寸的双圆环形滤波结构沿X和Y方向周期性排列。
进一步，所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列采用线极化喇叭天线并置于阵列正上方，与x轴成45度夹角；使线极化入射波沿x轴和y轴的幅度分量近似保持相等，从而保证低频段反射波和高频段透射波沿x轴和y轴的幅度分量近似保持相等，形成低频段圆极化反射波和高频段圆极化透射波的必要条件之一。
FSS单元通过合理调节正交方向上的振子尺寸的方式在正交方向上获得特定的幅度相位相应。
进一步，所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列馈源发出的线极化入射波在阵列的前向转换为圆极化透射波；在低频段实现反射型FSS圆极化转换器的功能，馈源发出的线极化入射波在阵列后向转换为圆极化反射波。
进一步，所述FSS单元采用四层结构，每层介质板的上表面均敷有金属十字振子，双圆环形滤波结构加载在第四层介质板的底端。其中，采用四层结构带来的技术效果是：使设计的FSS单元能够覆盖设计的高低频段，这一点从图7和图8可以看出；每层介质板的上表面均敷有金属十字振子的技术效果是：通过改变十字振子在x和y方向的尺寸，实现对高频透射波和低频反射波在x和y方向的幅度和相位分量的独立调节，从而在高低频段分别合成圆极化透射波和圆极化反射波提供了必要的技术前提，这一点从图4和图5可以看出。采用双圆环形滤波结构加载在第四层介质板的底端的技术效果是：使设计的FSS单元在高频段近似全反射，低频段近似全透射，从而满足多功能FSS圆极化转换器的技术要求，这一点依然从图7和图8可以看出。
双圆环形滤波结构的在低频段呈现反射特性，对馈源发出的入射波经过单元全反射；在高频段呈现透射特性，对馈源发出的入射波经过单元全透射。
进一步，所述FSS单元的反射波和透射波在高低频段分别满足x和y方向的幅值分量相等和相位相差90度；FSS单元的Lx和Ly的长度为：Lx＝11.5mm，Ly＝9.5mm。由此带来的技术效果是：使低频段反射波和高频段透射波沿x轴和y轴的相位分量均保持90°±20°的相位差，从而形成低频段圆极化反射波和高频段圆极化透射波的必要条件之一，这一点从图7(b)和图8(b)可以看出。
本发明的另一目的在于提供一种包含所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列的圆极化转换器。
本发明的另一目的在于提供一种包含所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列的无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用四层介质板结构的非对称十字振子作为FSS单元，其中FSS单元底端加载双圆环形滤波结构。通过合理调节FSS单元在正交方向上的振子尺寸，使该FSS圆极化转换器阵列能够兼具反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器的功能。
本发明采用加载双圆环形滤波结构的四层十字振子作为阵列单元，在不同频段具有不同的反透射特性；再通过合理调节FSS单元的沿X和Y方向的十字振子的尺寸并将其周期性排列，最后再将线极化馈源天线置于圆极化转换器阵列的正上方并于X轴成45度夹角，设计的圆极化转换器阵列就能够分别在高(低)频段实现前(后)向圆极化辐射波，从而有效地在同一款圆极化转换器上集成了反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器阵列的功能。
传统的FSS圆极化转换器阵列功能单一固化，仅仅只能实现单向极化转换，无法同时集反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器阵列功能于一体。相比较而言，本发明所提出的新型的反透射一体化多功能FSS圆极化转换器阵列，利用该FSS单元在高(低)频率展现出的透(反)射特性，变单元尺寸调节相位的方法，在高(低)频率实现了前(后)向极化转换，实现了通过切换高低频率的方式灵活调整极化转换方向，有效地在一款FSS圆极化器上同时实现了反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器阵列的功能。因此，相比于传统FSS圆极化转换器阵列而言，本发明的FSS圆极化转换器，实现了通过切换高低频率的方式灵活调整极化转换方向，有效地在一款FSS圆极化器上同时实现了反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器阵列的功能，其功能多样化和智能化程度明显提高，有力地促进了FSS圆极化转换器技术的发展和应用。所以本发明适合多功能平FSS圆极化转换器阵列设计。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列结构示意图；
图中：1、FSS单元；2、十字振子单元；3、双圆环形滤波结构。
图2是本发明实施例提供的基于多层FSS结构多功能圆极化转换器的功能示意图。
图3是本发明实施例提供的FSS单元的结构示意图；
图中：(a)整体侧视图；(b)十字阵子结构图；(c)双圆环形滤波结构。
图4是本发明实施例提供的不同Ly情况下，FSS单元在9GHz处的透射系数的幅值和相位随十字振子长度Lx的变化示意图；
图中：(a)透射系数的幅值；(b)透射系数相位。
图5是本发明实施例提供的不同Ly情况下，FSS单元在12GHz处的反射系数的幅值和相位随十字振子长度Lx的变化示意图；
图中：(a)反射系数的幅值；(b)反射系数相位。
图6是本发明实施例提供的FSS单元产生圆极化的工作原理示意图。
图7是本发明实施例提供的FSS单元的透射系数分量随频率的变化示意图；
图中：(a)幅值分量；(b)相位分量。
图8是本发明实施例提供的FSS单元的反射系数分量随频率的变化示意图；
图中：(a)幅值分量；(b)相位分量。
图9是本发明实施例提供的给出了经过FSS单元后的透射波和反射波的轴比值示意图。
图10是本发明实施例提供的圆极化阵列的平面结构图。
图11是本发明实施例提供的矩形喇叭天线的平面结构图。
图12是本发明实施例提供的线极化馈源和FSS圆极化转换器一体化设置示意图。
图13是本发明实施例提供的FSS圆极化器阵列的反射波和透射波的轴比值随频率的变化情况示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用结构简单新颖的多功能FSS圆极化转换器，通过在FSS的底端加载双圆环型滤波结构，并利用在不同频率的反透射特性，使极化转换方向随频率变化的灵活调控，有效地在同一款圆极化转换器上集成了反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器的功能，实现了FSS圆极化转换器的智能化和功能多样性。和传统FSS圆极化转换器设计相比，本发明的多层FSS圆极化转换器具有能够实现极化转换方向随频率变化的灵活调控的优势。本发明多功能FSS圆极化转换器的提出和设计，有力地推进了FSS圆极化转换器技术的发展和应用。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列包括：FSS单元1、十字振子单元2、双圆环形滤波结构3。
四层结构的十字振子单元2作为FSS单元1，FSS单元1底端加载双圆环形滤波结构3；相同尺寸的十字振子单元2和相同尺寸的双圆环形频率选择表面单元4沿X和Y方向周期性排列而成。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明所设计的多功能FSS圆极化转换器，包括：采用四层结构的十字振子作为FSS单元，并且在FSS单元底端加载双圆环形滤波结构。该FSS圆极化转换器阵列是由相同尺寸的十字振子单元和相同尺寸的双圆环形滤波结构沿X和Y方向周期性排列而成。该圆极化转换器阵列的馈源采用线极化喇叭天线并置于阵列正上方，与x轴成45度夹角。圆极化转换器阵列上的FSS单元通过合理调节正交方向上的振子尺寸的方式在正交方向上获得特定的幅度相位相应，保证经馈源天线照射后线极化入射波能够在阵列的前向圆极化透射波或后向形成圆极化反射波。本发明的多功能FSS圆极化转换器的功能示意图如图2所示：
从图2中可以看出，本发明的多功能FSS圆极化转换器可以在高频段实现透射型FSS圆极化转换器的功能，馈源发出的线极化入射波在阵列的前向转换为圆极化透射波；在低频段实现反射型FSS圆极化转换器的功能，馈源发出的线极化入射波在阵列后向转换为圆极化反射波。
圆极化器阵列上FSS单元的结构如图3所示：从图3中可以看出，本发明多功能FSS单元采用四层结构，每层介质板的上表面均敷有金属十字振子，双圆环形滤波结构加载在第四层介质板的底端。其中，通过改变金属十字振子在正交方向上的长度Lx和Ly的方式可以对FSS单元在x和y方向的电磁波散射幅度，相位进行调节，从而将馈源发出的线极化入射波转换为相应的圆极化辐射波；双圆环形滤波结构的作用是在低频段(中心频率为9GHz)呈现反射特性，对馈源发出的入射波经过单元全反射(相当于金属地板)；在高频段(中心频率为12GHz)呈现透射特性，对馈源发出的入射波经过单元全透射(相当于高通滤波器)。采用四层FSS结构的原因是由于该结构对电磁波的反透射幅度和相位具有宽频响应的特点，为通过改变Lx和Ly的方式来调节x和y方向的电磁波散射幅度和相位提供了极大的自由度。因此，以上特征表明FSS单元可以通过切换不同频率和合理调节十字振子在正交方向的尺寸来实现不同频率处反透射波的圆极化转换。
图4给出了的FSS单元在低频段中心频率9GHz处的反射系数的幅值和相位随十字振子长度Lx的变化情况。从图中看出，随着振子长度Lx从6mm变化到13mm，单元在x极化方向的反射系数幅值大于-3dB，x极化方向的反射相位的变化范围在600度左右，而且随着十字振子在y方向的尺寸Ly从7mm变化到12mm，相应的相位曲线在同一个Lx尺寸下的变化不超过100度，反射系数幅值仍然在-3dB以内波动，反映了该FSS单元在低频处的x极化和y极化反射波之间的互耦很小，同时也充分说明了该FSS单元在低频处的x极化和y极化反射波幅度和相位可以分别通过改变Lx和Ly进行独立调节。上述特征为在低频处线极化入射波转换为圆极化反射波提供了必要条件。图5给出了FSS单元在高频段中心频率12GHz处的透射系数的幅值和相位随十字振子长度Lx的变化情况。从图中可以看出，随着振子长度Lx从5mm变化到12mm，单元在x极化方向的透射系数幅值大于-3dB，x极化方向的反射相位的变化范围在200度左右，而且随着十字振子在y方向的尺寸Ly从8mm变化到12mm，相应的相位曲线在同一个Lx尺寸下的变化不超过50度，透射系数幅值在同一个Lx尺寸下的变化不超过2dB，这反映了该FSS单元在高频处的x极化和y极化透射波之间的互耦也很小，同时也充分说明了该FSS单元在高频处的x极化和y极化透射波幅度和相位也可以分别通过改变Lx和Ly进行独立调节。上述特征为在高频处线极化入射波转换为圆极化透射波提供了必要条件。因此，通过采用上述FSS单元及合理调节十字振子在x和y方向上的长度Lx和Ly，既能保证该单元能够在高(低)频段呈现出透(反)射特性，又能确保该单元在高(低)频段实现x极化和y极化透(反)射波幅度和相位的独立调节，这一点也满足了多功能FSS圆极化转换器的内在技术要求。
FSS单元产生圆极化的工作原理如图6所示，假设一个极化方向与x轴呈45度的线极化波入射到FSS上(其中)，可以分解成为两个互相垂直且幅值相等的和分量，即|Ex|＝|Ey|。该FSS单元结构对入射的线极化波具有移相的反射或透射特性，设FSS的透射系数沿x方向和y方向的分量分别为和则经过FSS的透射电磁波沿沿x方向和y方向的场分量可表示为和根据圆极化定义可知，经过FSS的透射电磁波满足|Tx|＝|Ty|且Δφ＝φ(Tx)-φ(Ty)＝±90°时，就可以获得圆极化透射波。
同理，如果FSS的反射系数沿x方向和y方向的分量分别为和则经过FSS的反射电磁波沿沿x方向和y方向的场分量可表示为和根据圆极化定义可知，经过FSS的反射电磁波满足|Γx|＝|Γy|且Δφ＝φ(Γx)-φ(Γy)＝±90°时，获得圆极化反射波。
由以上分析可知，为了使FSS圆极化器在高低频段分别实现圆极化透射波和圆极化反射波，需要FSS单元的反射波和透射波在高低频段分别满足x和y方向的幅值分量相等和相位相差90度。通过图4和图5的结果可知，合理调节Lx和Ly的长度，就可以使FSS的反射波和透射波在高低频段均满足x和y方向的幅值分量相等和相位相差90度，从而实现圆极化透射波和圆极化反射波。经过反复的迭代和优化，最终FSS单元的Lx和Ly的长度确定为：Lx＝11.5mm，Ly＝9.5mm。
图7和图8分别给出了FSS单元的透射系数和反射系数分量随频率的变化情况。从图7(a)可以看出，在11.5GHz到12.6GHz的范围内，|Tx|＝|Ty|≈0dB；从图7(b)可以看出，在11GHz到12.3GHz的范围内，x和y方向之间的透射相位差Δφ＝φ(Tx)-φ(Ty)＝90°±20°的范围内。以上结果表明FSS单元在高频段近似满足圆极化透射波的获得条件。从图8(a)可以看出，在6.8GHz到9.6GHz的范围内，|Γx|＝|Γy|≈0dB；从图8(b)可以看出，在8.2GHz到10GHz的范围内，x和y方向之间的反射相位差Δφ＝φ(Γx)-φ(Γy)＝90°±20°的范围内。以上结果表明FSS单元在低频段近似满足圆极化反射波的获得条件。综合以上结果可知，设计的FSS单元在高低频段分别满足了圆极化透射波和圆极化反射波的获得条件。
图9给出了经过FSS单元后的透射波和反射波的轴比值(轴比是衡量圆极化程度的重要指标，一般情况下轴比值在3dB以下就表明近似实现了圆极化)随频率的变化情况。从图中可以看出，在11GHz到12.6GHz的范围内透射波的轴比值低于3dB；在8.1GHz到10GHz的范围内的反射波轴比值低于3dB。以上结果表明设计的FSS单元在高低频段分别实现了圆极化透射波和圆极化反射波，实现了多功能圆极化转换。
为了验证单元的设计有效性，本发明为一个由FSS单元在X和Y方向进行排列组成的圆极化器阵列，由19×19个FSS单元组成，其结构如图10所示。
由于矩形喇叭天线具有辐射线极化电磁波，工作频带宽和端射式等优点，因此本发明采用矩形喇叭天线作为FSS圆极化转换器的馈源天线，其结构如图11所示。
线极化馈源和FSS圆极化转换器一体化设置如图12所示。从图中可以看出，线极化馈源置于圆极化器阵列的正前方并与x轴成45度夹角。此时阵列上的各个FSS单元将矩形喇叭天线发出的线极化入射波分解为沿x和y方向幅值相等的分量，从而保证了线极化入射波经过该阵列之后，在高频段转换为圆极化透射波，在低频段转换为圆极化反射波。
图13给出了FSS圆极化器阵列的反射波和透射波的轴比值随频率的变化情况。从图中可以看出，该FSS圆极化器阵列在11.1GHz到12.5GHz的范围内透射波的轴比值低于3dB；在8.4GHz到10.2GHz的范围内的反射波轴比值低于3dB。上述结果表明设计的FSS圆极化器阵列在高低频段分别实现了圆极化透射波和圆极化反射波，实现了极化转换方向随频率的灵活调控，验证了本发明的有效性。更进一步来说，本发明提出的FSS圆极化器阵列在低频段表现出反射型FSS圆极化转换器阵列的功能，在高频段表现出透射型FSS圆极化转换器阵列的功能，所以在FSS圆极化转换器阵列上同时集成了反射型FSS圆极化转换器和透射型FSS圆极化转换器阵列的功能，实现了多功能性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列，其特征在于，所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列包括：十字振子单元；
四层结构的十字振子单元作为FSS单元；
FSS单元底端加载双圆环形滤波结构；相同尺寸的十字振子单元和相同尺寸的双圆环形频率选择表面单元沿X和Y方向周期性排列。
2.如权利要求1所述的基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列，其特征在于，所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列采用线极化喇叭天线并置于阵列正上方，与x轴成45度夹角；
FSS单元通过合理调节正交方向上的振子尺寸的方式在正交方向上获得特定的幅度相位相应。
3.如权利要求1所述的基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列，其特征在于，所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列馈源发出的线极化入射波在阵列的前向转换为圆极化透射波；在低频段实现反射型FSS圆极化转换器的功能，馈源发出的线极化入射波在阵列后向转换为圆极化反射波。
4.如权利要求1所述的基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列，其特征在于，所述FSS单元采用四层结构，每层介质板的上表面均敷有金属十字振子，双圆环形滤波结构加载在第四层介质板的底端；
双圆环形滤波结构的在低频段呈现反射特性，对馈源发出的入射波经过单元全反射；在高频段呈现透射特性，对馈源发出的入射波经过单元全透射。
5.如权利要求1所述的基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列，其特征在于，所述FSS单元的反射波和透射波在高低频段分别满足x和y方向的幅值分量相等和相位相差90度；FSS单元的Lx和Ly的长度为：Lx＝11.5mm，Ly＝9.5mm。
6.一种包含如权利要求1～5任意一项所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列的圆极化转换器。
7.一种包含如权利要求1～5任意一项所述基于多层FSS结构多功能圆极化转换器阵列的无线通信系统。
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