CN110854543B - 一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，具体为一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，在保证宽带、低插损的前提下，有效解决双频圆极化栅入射角稳定性差的问题；特别适用于大容量、低损耗和高入射角稳定性的双频扫描圆极化卫星通信系统。本发明充分利用短微带线和金属线栅复合结构，能够大大增强了交叉极化抑制能力，且易于拓展带宽和减小插损；同时，通过在“I”型短微带线末端加载四个短枝节形成变形“I”型短微带线，能够进一步降低单元尺寸至0.13×0.18个工作波长，显著提高了入射角稳定性；该极化栅在双频段中心频点处插损分别仅为0.5和1.5dB，相对轴比带宽分别高达33％和12％，最大可工作入射角提高至45度，显著优于现有技术的25度。

Description

一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种双频宽带宽角圆极化栅，具体为一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，特别适用于大容量、低损耗和高入射角稳定性的双频扫描圆极化卫星通信系统。
背景技术
K/Ka波段圆极化卫星通信系统不仅需要宽的工作频段，如下行频段17.7-20.2GHz(13％)和上行频段27-30GHz(11％)，还需具备宽入射角稳定性以用于波束扫描。一种相对简单地生成圆极化波的方式是利用在线极化天线辐射口面一定距离处加载圆极化栅，天线和极化栅可独立设计；与传统圆极化天线相比，此方式不需要复杂的馈电网络，易于控制。
最近几十年报道了越来越多不同种类的圆极化栅，按其功能大体可分为反射型和传输型两类；相较于前者，后者实现起来更难，需要同时考虑传输系数的幅度和相位。目前，基于超材料谐振结构的双频圆极化栅大多在零星的几个谐振频率点处具备圆极化特性，因此其轴比带宽较窄，插损较大。如文献“P.Naseri,S.A.Matos,J.R.Costa,C.A.Fernandes,and N.J.G.Fonseca,“Dual-band dual linear to circular polarization converterin transmission mode-application to K/Ka-band satellite communications,”IEEETransactions on Antennas a nd Propagation,vol.66,no.12,Dec.2018”中采用天线-滤波器-天线耦合结构可有效降低插损，同时最大可工作入射角增至30度，但带宽较窄。又如文献“Q.Y Zeng,W.Ren,H.Z hao,Z.H.Xue,and W.M.Li,“Dual-band transmission-typecircular polariser based on fre quency selective surfaces,”IET Microwaves,Antennas&Propagation,vol.13,no.2,Feb.2019”中采用开口环、金属线、矩形贴片和矩形环复合多层金属结构增加设计自由度，在低损耗的基础上，其双频轴比带宽分别达到31％和13.8％，最大可工作入射角为25度。又如公开号为CN109755755A、发明名称为一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅的专利文献中提出了一种基于单层介质的双频宽带圆极化栅，该圆极化栅单元包含两层相同的金属表面结构，每层金属表面由十字型和“I”型偶极子复合多参调控结构组成，在双频段，插入损耗为2和0.8dB，轴比带宽为29％和12％，最大可工作入射角为20度。
由上可以看出，现有双频圆极化栅通过增加设计自由度可显著提高其工作带宽和降低插损，但因单元尺寸较大，存在入射角稳定性差的问题，要同时实现低插损、宽轴比带宽、宽入射角难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，在保证宽带、低插损的前提下，有效解决双频圆极化栅入射角稳定性差的问题。为了实现该目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，其单元结构包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层1、第一介质层2、第二金属覆铜层3、第二介质层4及第三金属覆铜层5，各单元采用矩形排布；其特征在于，
所述第三金属覆铜层5与第一金属覆铜层1结构相同、上下对应重叠设置；所述第一金属覆铜层1沿水平方向中心线呈对称结构，由分别沿上下边缘设置的两段直形短微带线11、以及设置于两段直形短微带线11中间的变形“I”型短微带线12构成；所述变形“I”型短微带线12由水平“I”型短微带线122、以及分别加载于水平“I”型短微带线122末端的四个水平短枝节121构成；
所述第二金属覆铜层3沿垂直方向中心线呈对称结构，由分别沿左右边缘设置的两个垂直半“I”型短微带线31、以及设置于两个垂直半“I”型短微带线31中间的金属线栅32构成。
本发明的有益效果：
本发明提供一种基于小型化单元实现双频宽带宽角圆极化栅，充分利用短微带线和金属线栅复合结构；相较传统设计，具有以下优点：
1)利用物理隔离电流方法，把单元中相互垂直极化子结构如水平方向的直形短微带线11以及变形“I”型短微带线12与垂直方向的半“I”型短微带线31以及金属线栅32分置于不同金属层，大大增强了交叉极化抑制能力；
2)相互垂直的变形“I”型短微带线12和半“I”型短微带线31可分别独立控制不同极化传输系数；此外，短微带线和金属线栅可进一步优化传输效率，易于拓展带宽和减小插损；
3)通过在“I”型短微带线122末端加载四个短枝节121形成变形“I”型短微带线12，能够进一步降低单元尺寸至0.13×0.18个工作波长，显著提高了入射角稳定性；该极化栅在双频段中心频点处插损分别仅为0.5和1.5dB，相对轴比带宽分别高达33％和12％，最大可工作入射角提高至45度，显著优于现有技术的25度。
附图说明
图1是本发明的双频圆极化栅单元三维结构侧视图。
图2是本发明的双频圆极化栅单元顶层金属表面俯视图。
图3是本发明的双频圆极化栅单元中间层金属表面俯视图。
图4是本发明的双频圆极化栅在正入射下的仿真传输系数曲线。
图5是本发明的双频圆极化栅在不同入射角下的仿真轴比曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，其单元结构如图1、图2和图3所示，包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层1、第一介质层2、第二金属覆铜层3、第二介质层4、第三金属覆铜层5，第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层3和第三金属覆铜层5通过第一介质层2和第二介质层4连接构成圆极化栅单元，各单元采用矩形排布方式，构成无限大圆极化栅；更为具体的讲：
所述第三金属覆铜层5与第一金属覆铜层1结构相同、上下对应重叠设置；所述第一金属覆铜层1沿水平方向中心线呈对称结构，由分别沿上下边缘设置的两段直形短微带线11、以及设置于两段直形短微带线11中间的变形“I”型短微带线12构成；所述变形“I”型短微带线12由沿水平方向放置的水平“I”型短微带线122、以及分别加载于水平“I”型短微带线122末端的四个沿水平方向放置的水平短枝节121构成；各单元采用矩形排布构成无限大圆极化栅后，上下相邻圆极化栅单元的直形短微带线11直接相连，可视为一个直形短微带线；
所述第二金属覆铜层3沿垂直方向中心线呈对称结构，由分别沿左右边缘设置的两个沿垂直方向设置的垂直半“I”型短微带线31、以及设置于两个垂直半“I”型短微带线31中间的金属线栅32构成；各单元采用矩形排布构成无限大圆极化栅后，左右相邻圆极化栅单元的垂直半“I”型短微带线31即构成一个完整的垂直“I”型短微带线。
本发明的工作原理为：当水平线极化波入射时，变形“I”型短微带线12在双频段之间谐振，通过谐振的阻带分离出高、低频两个通带；当垂直线极化波入射时，位于第二金属覆铜层3两端的“I”型短微带线31在高于工作频段外谐振，提供一个覆盖双频段的宽传输通带；此外，直形短微带线11和金属线栅32可进一步优化带内传输系数的幅值和相位；进而实现双频宽带圆极化响应。
综上，本发明利用短微带线和金属线栅高极化隔离结构，并把不同极化子结构分置于不同金属层，与传统中心连接型单元相比，交叉极化传输系数降低了10dB；同时，通过在“I”型短微带线122末端加载四个短枝节121，使单元尺寸减小了60％，显著提高了入射角稳定性。
本实施例中提供一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅的具体设计，双频段中心频率分别为17.9和28.5GHz，选用的第一和第二介质层均为TLY-5，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层3和第三金属覆铜层5的厚度均为0.018mm；该圆极化栅单元总厚度仅为0.13λ1(λ1为低频段中心波长)，单元尺寸仅为0.13×0.18λ1。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15.1-20GH z和26.4-29.2GHz下均小于0.5dB，在中心频率处分别为0.5和1.5dB；如图5所示，在正入射下，轴比在低频段15-20.8GHz(32.4％)和高频段26.9-30.2GHz(11.6％)均小于3dB，其工作通带覆盖K/Ka卫星通信频段。凭借小型化高极化隔离单元，3dB轴比带宽在45度斜入射下仍达到30％和11.7％。
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 (1)

1.一种基于小型化单元的双频宽带宽角圆极化栅，其单元结构包括从上往下依次层叠的第一金属覆铜层（1）、第一介质层（2）、第二金属覆铜层（3）、第二介质层（4）及第三金属覆铜层（5），各单元采用矩形排布；其特征在于，
所述第三金属覆铜层（5）与第一金属覆铜层（1）结构相同、上下对应重叠设置；所述第一金属覆铜层（1）沿水平方向中心线呈对称结构，由分别沿上下边缘设置的两段直形短微带线（11）、以及设置于两段直形短微带线中间的变形“I”型短微带线（12）构成；所述变形“I”型短微带线（12）由水平“I”型短微带线（122）、以及分别加载于水平“I”型短微带线（122）末端的四个水平短枝节（121）构成，所述四个水平短枝节（121）从水平“I”型短微带线（122）末端向单元中间水平延伸；
所述第二金属覆铜层（3）沿垂直方向中心线呈对称结构，由分别沿左右边缘设置的两个垂直半“I”型短微带线（31）、以及设置于两个垂直半“I”型短微带线（31）中间的金属线栅（32）构成；所述金属线栅（32）为垂直金属线栅。
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