CN110829006B - 通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线，包括平面天线和极化器，所述平面天线包括介质板、位于介质板上表面的中心开孔的球拍形金属贴片和位于介质板下表面的馈电线；所述极化器由多个极化单元呈矩形周期排布，所述极化单元包括方形介质板、介质板上表面的长轴沿介质板对角线方向的椭圆形金属贴片和介质板下表面的金属层；平面天线和极化器之间存在间距；本发明能够通过频率扫描的方式控制天线辐射的多种极化模式的切换。

Description

通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线及设计方法
技术领域
本发明属于全极化天线设计的技术领域，具体涉及一种通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线及设计方法。
背景技术
随着现代通信和雷达技术的发展，多极化天线技术引起了大家的广泛关注。多极化天线可以避免多径效应造成的损耗，并且可以用于多极化雷达系统的目标特性测试中。传统的多极化天线的多种极化模式的切换通过复杂的可重构结构实现，主要分为三类：
1.利用PIN二极管的单向传输特性，在馈电网络中引入PIN二极管，改变馈电端口从而切换馈电网络从而激励不同极化模式的电磁波。
2.使用多个端口对应不同极化模式的激励，通过切换馈电端口使得不同极化模式的电磁波被激励。
3.使用单端口馈电，通过人工改变天线结构来激励不同极化模式的电磁波。
上述方法所涉及的多极化天线的多种极化模式均工作在同一频率范围内，通过开关电路改变天线结构或者馈电网络结构来改变极化模式，所以不同的极化模式无法在同一时间内进行工作，这无法满足现代通信系统对于实时性的要求。除此之外，这些多极化天线都具有复杂的控制电路并且需要直流源来控制开关从而切换极化模式，因此这些多极化天线的性能极大地依赖于电子器件的可靠性，而电子器件在高频时的性能恶化会导致多极化天线在高频频段的性能恶化。随着通信及雷达系统的发展，对单端口馈电和结构简单的多极化天线需求日益增加，除此之外还应减少甚至不使用电子器件从而减少电子器件对天线在高频处的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线及设计方法，能够通过频率扫描的方式控制天线辐射的多种极化模式的切换。
实现本发明的技术方案如下：
一种通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线，包括平面天线和极化器，所述平面天线包括介质板、位于介质板上表面的中心开孔的球拍形金属贴片和位于介质板下表面的馈电线；中心孔的半径为R1，馈电线长度为L，由介质板的边缘起，指向圆孔中心，且暴露在金属贴片外的长度为l；
所述极化器由多个极化单元呈矩形周期排布，所述极化单元包括厚度为h2的方形介质板、介质板上表面的长轴沿介质板对角线方向的椭圆形金属贴片和介质板下表面的金属层；其中，长轴的尺寸为R2，短轴的尺寸为r；
平面天线和极化器之间的间距为D。
进一步地，所述金属贴片、馈电线和金属层的材料为铜。
进一步的，对于工作频率为10.7GHz～16.9GHz的全极化天线，R1＝5.2mm，L＝13.7mm，l＝4.4mm，h2＝2.2mm，R2＝3.5mm，r＝1.2mm，介质板的介电常数为3。
一种通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据所需辐射波的工作频率范围的低频点fslot确定球拍型金属贴片上圆孔的半径R1，
Figure BDA0002234433200000021
其中，c为真空中的光速，εr为介质板的介电常数；
根据工作频率范围的高频点fmono确定暴露在金属贴片外的馈电线长度为l，l为频率fmono所对应波长的四分之一；
步骤二、根据工作频率范围的低频点fslot确定极化器上椭圆形金属贴片的长轴R2；长轴R2的长度为低频点所对应波长的二分之一，然后调整椭度来改变工作频率范围的带宽；
步骤三、根据极化器的反射波的相位差来确定平面天线和极化器之间的距离D；圆极化波两个相互垂直分量的相位差
Figure BDA0002234433200000031
由下式计算得：
Figure BDA0002234433200000032
Figure BDA0002234433200000033
是极化器反射波随频率f变化的相位，调整距离D使得
Figure BDA0002234433200000034
在工作频率范围内从90°单调连续减少至-180°。
有益效果：
与现有技术相比，本发明采用单端口馈电，无需通过开关电路改变天线结构来实现极化模式的切换，从而消除电子器件在高频处性能恶化带来的影响；在天线辐射通带内的四个不同的频点处同时实现了四种极化模式的电磁波：左旋圆极化波、右旋圆极化波以及两个不同方向的线极化波，实现了圆极化波与线极化波在同一系统的同时辐射，满足了天线系统对于极化模式切换的实时性的要求。
附图说明
图1为本发明工作原理图。
图2是本发明全极化天线的结构组成图。
图3是双向辐射平面天线的结构图及其参数，(a)透视图；(b)俯视图；(c)后视图。
图4是双向平面辐射天线的反射曲线和辐射通带内波束图，(a)反射系数图；(b)xz平面波束图；(c)yz平面波束图。
图5是极化旋转反射器的结构参数及其极化旋转性能曲线图，(a)透视结构及其参数图；(b)共极化和转极化反射曲线及其相位图。
图6是全极化天线的反射系数曲线和轴比随频率变化图。
图7是全极化天线辐射的左旋圆极化波与右旋圆极化波的波束图，(a)左旋圆极化波(f＝11.3GHz)在xz面波束图；(b)左旋圆极化波(f＝11.3GHz)在yz面波束图；(c)右旋圆极化波(f＝13.8GHz)在xz面波束图，(d)右旋圆极化波(f＝13.8GHz)在yz面波束图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线，其工作原理如图1所示，结构组成如图2所示，全极化天线结构由一个位于上部的双向辐射平面天线(以下简称平面天线)和一个位于底部的极化旋转反射器(以下简称极化器)组成。平面天线的地和馈线分别位于介质的两侧，其材料均为金属铜。位于底部的极化器的谐振结构和地也分别位于介质的两侧，其材料也均为金属铜。上层的平面天线与下层的极化器通过四个塑料支撑柱隔开。
圆极化电磁波是由两个幅度相同且相位差为±90°的极化方向相互垂直的两个线极化波分量组成。在本发明中，圆极化电磁波的两个分量是通过平面天线和极化器的共同作用产生。上层的平面天线可以产生两个沿着相反方向传播的具有相同幅度和极化方向的线极化电磁波。其中从上层天线向下层传播的电磁波会在极化器的作用下，极化方向旋转90°并沿原路反射回上层平面天线，并与天线向上层辐射的具有相同幅度电磁波的极化方向相互垂直，通过调整支撑柱的长度是使两个分量的相位差在所需要的第一个频点达到90°，从而形成一个左旋圆极化电磁波。在其他频率时，两个分量的相位差从0°变化到-90°再到-180°，则在这些频点分别产生了两个不同极化方向的线极化波和右旋圆极化波。因此，该结构可在天线的辐射通带内在不同的频点同时产生左旋圆极化波，右旋圆极化波以及两个不同极化方向的线极化波，从而可以通过频率扫描的方式控制天线辐射的多种极化模式的切换。
本发明中频率扫描全极化天线的实现由三个关键部分，即上层的平面天线，下层的极化器以及两层之间的距离。
本发明中全极化天线的辐射通带由上层平面天线的辐射通带(辐射通带范围为天线的反射曲线低于-10dB的频段，即|S11|≤-10dB)决定，而平面天线的辐射通带的位置由作为天线地结构球拍型中间开圆孔金属贴片的谐振模式和馈电线的谐振模式决定。天线地结构的谐振频率可以通过以下公式计算得出：
Figure BDA0002234433200000051
其中，c为真空中的光速，R1为球拍型金属贴片开圆孔的半径，εr为介质的介电常数。而天线的馈线l可以看成一个单极子，其露出开孔空间的部分的长度等于谐振频率对应波长的四分之一。
为使得平面天线向下层辐射的电磁波在被下层的极化器反射时的极化方向旋转90°，极化器的工作频带应该与上层平面天线的辐射通带保持一致。极化器的介质上表面是周期排布的对称轴与坐标轴夹角为45°的椭圆金属铜贴片，下表面是金属铜贴片作为地。上表面的椭圆形金属铜贴片的长轴决定了极化旋转反射器的工作频率，其长轴大小为工作频率所对应的半波长。椭圆形贴片的椭度即短轴与长轴的比值决定了工作频带的带宽。
本发明为了实现在平面天线的辐射通带内的四个不同频点分别实现左旋圆极化、右旋圆极化以及两个极化方向不同的线极化波，需使两个相互垂直且幅度相同的分量的相位差在四个频点分别达到90°、0°、-90°和-180°。两个分量的相位差
Figure BDA0002234433200000061
主要由两个部分组成：向下辐射电磁波经过下层极化器的反射作用的附加相位
Figure BDA0002234433200000062
和在上下两层空气中传播的附加传播相位
Figure BDA0002234433200000063
两个相位都是频率f的函数，可以通过以下公式计算：
Figure BDA0002234433200000064
通过调整塑料支撑柱的长度即上下两层结构的距离，使得两个相互垂直分量的相位差
Figure BDA0002234433200000065
在天线辐射通带内实现从90°经过0°和-90°到-180°的连续单调变化，从而在天线辐射通带内实现左旋圆极化波、右旋圆极化波和两个方向的线极化波的辐射。
全极化天线的设计方法包括以下具体步骤：
步骤1，首先确定该全极化天线的辐射通带，这由上层的平面天线的辐射通带决定。平面天线上表面的球拍型中间挖空金属贴片的孔半径R和下表面的馈线长度l决定了其辐射通带的范围。考虑到该天线的辐射通带内需要包含四种极化模式，因此孔半径R和馈线长度l所决定的反射曲线的两个极点应保持一定距离以展宽带宽，该天线的结构图及其参数如图3所示，R1＝5.2，a＝42，b＝35.5，h1＝0.5，L＝13.7，w＝0.2，l＝4.4，l1＝15，l2＝14.7，l3＝7.3，l4＝7，单位均为mm。该平面天线的反射曲线及其辐射通带内波束图如图4所示。可看出平面天线实现了在10.7GHz到17.1GHz频率范围内，同时向上下层辐射两个幅度相同传播方向相反的具有相同极化方向的线极化电磁波。
步骤2，接着设计下层的极化器的参数，调整其上表面椭圆形金属贴片的长轴大小及其椭度，使其可以将由上层平面天线产生的向下辐射的电磁波的极化方向旋转90°并使其反射向上层方向传播，从而获得与平面天线产生的向上辐射电磁波的垂直的分量。然而此时两个分量的相位差在辐射通带内的变化范围仍未达到获得四种极化模式所需要的相位差要求(即在通带内相位差
Figure BDA0002234433200000071
从90°单调连续变化到-180°)。图5给出了极化器的结构参数图和其极化旋转性能曲线图，其中，p＝6.2，R2＝3.5，r＝1.2，h2＝2.2，单位均为mm。
步骤3，最后调整上下两层结构的中间的距离，进一步改变两个相互垂直分线极化分量的相位差，当距离设置为15mm时，两个相互垂直的分量的相位差在11.3GHz、12.2GHz、13.95GHz和15GHz分别达到90°、0°、-90°和-180°。本发明在11.3GHz和13.95GHz分别实现了左旋圆极化波和右旋圆极化波，而在12.2GHz和15GHz实现了两种不同极化方向的线极化波。图6给出了全极化天线的反射系数曲线和轴比随频率变化图，可以看出从10.9GHz到11.75GHz和从13.2GHz到14.4GHz实现了圆极化波(轴比低于3dB)辐射。其圆极化波辐射模式如图7所示，从10.9GHz到11.75GHz实现了峰值增益为8.3dBi的左旋圆极化波，从13.2GHz到14.4GHz实现了峰值增益为10.5dBi的右旋圆极化波。
综上，最终设计的频率扫描全极化天线的性能如下：
1.该天线的从10.7GHz到16.9GHz频率范围内可以辐射电磁波。
2.所辐射的电磁波在从10.9GHz到11.75GHz频率范围内为左旋圆极化波，峰值增益为8.3dBi，从13.2GHz到14.4GHz频率范围内为右旋圆极化波，峰值增益为10.5dBi。在右旋圆极化电磁波的频段两侧分别辐射了两种不同极化方向的线极化电磁波。
3.本发明可以通过频率扫描的方式切换不同极化模式的电磁波辐射。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种通过频率扫描实现极化模式切换的全极化天线，其特征在于，包括位于上层的平面天线和下层的极化器，所述平面天线包括第一介质板、位于第一介质板上表面的中心开圆孔的球拍形金属贴片和位于第一介质板下表面的馈电线；所述馈电线由第一介质板的边缘起，指向圆孔中心，从俯视方向看，部分馈电线未被球拍形金属贴片遮挡，且暴露在球拍形金属贴片中心的圆孔内；
所述极化器由多个极化单元呈矩形周期排布，所述极化单元包括第二介质板、第二介质板上表面的长轴沿第二介质板对角线方向的椭圆形金属贴片和第二介质板下表面的金属层；
平面天线和极化器之间存在间距，所述平面天线产生两个沿着相反方向传播的具有相同幅度和极化方向的线极化电磁波，其中从平面天线向下传播的电磁波会在极化器的作用下，极化方向旋转90°并沿原路反射回平面天线，并与平面天线向上辐射的具有相同幅度电磁波的极化方向相互垂直，确定平面天线和极化器之间的间距，改变两个相互垂直线极化电磁波分量的相位差，从而在天线辐射通带内的四个不同的频点处同时实现左旋圆极化、右旋圆极化和两个方向的线极化模式的电磁波辐射。
2.如权利要求1所述的全极化天线，其特征在于，所述球拍形金属贴片、椭圆形金属贴片、馈电线和金属层的材料为铜。
3.如权利要求1所述的全极化天线，其特征在于，球拍形金属贴片的中心孔的半径为R1，馈电线长度为L，馈电线暴露在球拍形金属贴片中心圆孔内的长度为l，第二介质板的厚度为h2，椭圆形金属贴片的长轴的尺寸为R2，短轴的尺寸为r；对于工作频率为10.7GHz～16.9GHz的全极化天线，R1＝5.2mm，L＝13.7mm，l＝4.4mm，h2＝2.2mm，R2＝3.5mm，r＝1.2mm，第一介质板和第二介质板的介电常数为3。
4.一种设计如权利要求1所述的全极化天线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据所需辐射波的工作频率范围的低频点fslot确定球拍形金属贴片上圆孔的半径R1，
Figure FDA0002778008540000021
其中，c为真空中的光速，εr为第一介质板的介电常数；
根据工作频率范围的高频点fmono确定馈电线暴露在球拍形金属贴片中心圆孔内的长度为l，l为频率fmono所对应波长的四分之一；
步骤二、根据工作频率范围的低频点fslot确定极化器上椭圆形金属贴片的长轴R2；长轴R2的长度为低频点所对应波长的二分之一，然后调整椭度来改变工作频率范围的带宽；
步骤三、根据极化器的反射波的相位差来确定平面天线和极化器之间的距离D；圆极化波两个相互垂直分量的相位差
Figure FDA0002778008540000022
由下式计算得：
Figure FDA0002778008540000023
Figure FDA0002778008540000024
是极化器反射波随频率f变化的相位，调整距离D使得
Figure FDA0002778008540000025
在工作频率范围内从90°单调连续减少至-180°。
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