CN111430932A - 一种极化扭转有源角反射方向回溯系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极化扭转有源角反射方向回溯系统，由有源极化扭转天线阵列、第一极化选择表面和第二极化选择表面两两正交，拼接构成三面角反射器。本发明利用有源极化扭转天线阵列和极化选择表面的镜面反射，实现微波信号的方向回溯与极化扭转，以提高收发隔离；另外，利用极化扭转天线阵列的有源特性，可根据应用环境的需求，对回溯信号实现功率放大。本发明适用于雷达、微波功率传输、卫星通信等领域，具有收发隔离度高、回波功率可控等特性，并且设计过程简单，能够采用印刷电路技术进行批量生产。

Description

一种极化扭转有源角反射方向回溯系统
技术领域
本发明属于天线阵技术，具体为一种极化扭转有源角反射方向回溯系统。
背景技术
方向回溯阵列具有不需要复杂的信号处理设备而自动追踪来波方向的特性，在雷达、无线通信、微波能量传输等领域中具有较大的应用前景。目前实现方向回溯的方法主要有Van Atta阵、相位共轭阵(PON阵)和角反射器三种方式，其中Van Atta阵利用空间共轭实现相位共轭，其缺点是等长馈电网络设计较为复杂；PON阵可回溯的角度范围较宽，但需要大量的混频器和本振馈电网络，成本较高；角反射器多为无源系统、工作在单个极化模式且回波功率低，不能满足雷达、通信以及无线能量传输系统中对于多功能、高收发隔离、远距离传输的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种极化扭转有源角反射方向回溯系统，通过有源极化扭转天线阵列和极化选择表面之间的极化调控与镜面反射，完成对来波信号的方向回溯、极化扭转及功率放大。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种极化扭转有源角反射方向回溯系统，包括有源极化扭转天线阵列、第一极化选择表面、第二极化选择表面，所述有源极化扭转天线阵列、第一极化选择表面、第二极化选择表面两两正交放置。
进一步地，所述有源极化扭转天线阵列包括M×N个呈周期排列的有源双极化缝隙耦合微带天线。
进一步地，所述有源双极化缝隙耦合微带天线从上至下依次包括：辐射贴片、上介质层、金属地板、下介质层，以及位于下介质层下表面的水平极化馈线、第一垂直极化馈线、第二垂直极化馈线、λ0/2连接线、50Ω微带线、低噪声放大器；所述水平极化馈线关于有源双极化缝隙耦合微带天线的中心轴对称，第一垂直极化馈线与第二垂直极化馈线对称设置在水平极化馈线两侧；所述第一垂直极化馈线与第二垂直极化馈线通过λ0/2连接线相连；所述水平极化馈线通过50Ω微带线与λ0/2连接线连接；所述低噪声放大器设置在50Ω微带线中间；所述金属地板上设置有水平极化缝隙、第一垂直极化缝隙、第二垂直极化缝隙；所述第一垂直极化缝隙和第二垂直极化缝隙对称放置在水平极化缝隙两侧，并分别位于第一垂直极化馈线、第二垂直极化馈线的正上方，其中，λ0为工作频率f0对应的波长。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
本发明在实现方向回溯功能的同时也实现了极化扭转的功能，收发隔离度高；
本发明能够针对应用环境需求对回溯信号进行功率放大；
本发明在不改变阵面结构的前提下，通过调整各个阵面的摆放，可对不同极化方式的线极化波产生极化扭转及方向回溯效果；
本发明不需要设计复杂的馈电网络，亦无需使用混频器，易于实现，可运用印刷电路技术进行批量生产。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的有源双极化缝隙耦合微带天线结构示意图，其中图2(a)为俯视图，图2(b)为侧视图，图2(c)金属地板俯视图，图2(d)为仰视图。
图3为本发明的极化选择表面单元结构示意图，其中图3(a)为俯视图，图3(b)为侧视图。
图4为本发明分别的方向图，其中，图4(a)为在0°入射波角度下的方向图，图4(b)为在30°入射波角度下的方向图，图4(c)为在45°入射波角度下的方向图，图4(d)为在60°入射波角度下的方向图。
具体实施方式
一种极化扭转有源角反射方向回溯系统，包括位于xoy面上的有源极化扭转天线阵列、位于xoz面上的第一极化选择超表面以及位于yoz面的第二极化选择表面，所述有源极化扭转天线阵列、第一极化选择超表面、第二极化选择超表面两两正交设置，构成三面角反射器。
进一步的实施例中，所述有源极化扭转天线阵列包括M×N个呈周期排列的有源双极化缝隙耦合微带天线；
具体地，所述有源双极化缝隙耦合微带天线从上至下依次包括：辐射贴片、上介质层、金属地板、下介质层，以及位于下介质层下表面的水平极化馈线、第一垂直极化馈线、第二垂直极化馈线、λ0/2连接线、50Ω微带线、低噪声放大器；所述水平极化馈线关于有源双极化缝隙耦合微带天线的中心轴对称，第一垂直极化馈线与第二垂直极化馈线对称设置在水平极化馈线两侧；所述第一垂直极化馈线与第二垂直极化馈线通过λ0/2连接线相连；所述水平极化馈线通过50Ω微带线与λ0/2连接线连接，从而与第一垂直极化馈线、第二垂直极化缝隙相连；所述低噪声放大器设置在50Ω微带线中间；所述金属地板上设置有水平极化缝隙、第一垂直极化缝隙、第二垂直极化缝隙；所述水平极化缝隙位于水平极化馈线正上方；所述第一垂直极化缝隙和第二垂直极化缝隙对称放置在水平极化缝隙两侧，并分别位于第一垂直极化馈线、第二垂直极化馈线的正上方。其中，λ0为工作频率f0对应的波长。
进一步的实施例中，所述第一极化选择表面包括P×Q个周期排列的极化选择表面单元；
具体地，所述第一极化选择表面单元从上至下依次包括上层条带形金属贴片和下层介质基板。
所述第二极化选择表面与第一极化选择表面结构相同，但放置方法不同，第一极化选择表面位于xoz平面，金属条带平行于x轴，第二极化选择表面位于yoz面，金属条带平行于z轴。
所述有源极化扭转天线阵列、第一极化选择表面以及第二极化选择表面的工作频率均为f0。
本发明利用天线阵和超表面的有源及极化调控特性来改变传统角反射器后向散射的功率和极化特征。本发明对于某一线极化来波信号回溯其正交极化波，提高收发隔离度(例如：来波信号为水平/垂直极化，则回溯信号为垂直/水平极化)，同时通过加入有源器件，实现对回波信号的功率放大，并具有无需使用大规模连接线及混频网络，结构简单，可采用印刷电路技术进行批量生产等有益特性。
实施例
如图1所示，一种极化扭转有源角反射方向回溯系统，包括位于xoy面的有源极化扭转天线阵列1、位于xoz面的第一极化选择表面2、位于yoz面的第二极化选择表面3，三个阵面两两相互正交，拼接构成三面角反射器结构。所述有源极化扭转天线阵列1由M×N个周期排列有源双极化缝隙耦合微带天线4组成，所述第一极化选择表面2由P×Q个周期排列的极化选择表面单元18组成，所述第二极化选择表面3与第一极化选择表面2结构相同。
如图2所示，所述有源双极化缝隙耦合微带天线4的结构从上至下依次为：辐射贴片5、上介质层6、金属地板7、下介质层8以及位于下介质层下表面的水平极化馈线9，第一垂直极化馈线10和第二垂直极化馈线11、λ0/2连接线12(λ0为工作频率f0对应的波长)、50Ω微带线13、低噪声放大器14；所述第一垂直极化馈线10与第二垂直极化馈线11通过λ0/2连接线12相连；所述水平极化馈线9通过50Ω微带线13与λ0/2连接线12连接，从而与第一垂直极化馈线10、第二垂直极化馈线11相连；所述低噪声放大器14设置在50Ω微带线13中间；所述金属地板7上设置有水平极化缝隙15、第一垂直极化缝隙16、第二垂直极化缝隙17；所述第一垂直极化缝隙16和第二垂直极化缝隙17对称放置在水平极化缝隙15两侧。
如图3所示，所述第一极化选择表面单元18的结构从上至下依次为：上层条带形金属贴片19，下层介质基板20。
示例性地，极化扭转天线阵列1、第一极化选择表面2和第二极化选择表面3工作频率同为5.8GHz，来波为水平极化波。图4是本发明极化扭转有源角反射方向回溯系统在不同入射波角度下的RCS结果，结果图表明在工作频率5.8GHz处，0～60°入射角范围内，均有良好的方向回溯效果。
本实施例提供的一种极化扭转有源角反射方向回溯系统，其工作方式及具体流程如下：有源极化扭转天线阵列1的目的在于实现水平极化波到垂直极化波的转换，并在极化扭转过程中实现功率控制；第一极化选择表面2和第二极化选择表面3的目的在于水平极化波起透射作用，对垂直极化波起镜面反射作用。首先，有源极化扭转天线阵列接收到水平极化信号，经极化扭转及有源功率放大后，发送至极化选择表面的波为垂直极化；而后，极化选择表面对此垂直极化波进行反射，通过三面角反射器的两次或三次反射后，得到指向来波方向的回溯信号。另一方面，若保持有源极化扭转天线阵列1在xoy面不变，而第一极化选择表面2在xoz面内旋转90°，即金属条带平行于z轴，第二极化选择表面在yoz面内旋转90°即金属条带平行于y轴，则第一极化选择表面2和第二极化选择表面3将对垂直极化波起透射作用，对水平极化波起镜面反射作用，此时，若有源极化扭转天线阵列接收到垂直极化信号，经极化扭转及有源功率放大后，发送至极化选择表面的波为水平极化；而后，极化选择表面对此水平极化波进行反射，得到指向来波方向的回溯信号。

Claims (5)

1.一种极化扭转有源角反射方向回溯系统，其特征在于，包括有源极化扭转天线阵列(1)、第一极化选择表面(2)、第二极化选择表面(3)，所述有源极化扭转天线阵列、第一极化选择表面、第二极化选择表面两两正交放置。
2.根据权利要求1所述的极化扭转有源角反射方向回溯系统，其特征在于，所述有源极化扭转天线阵列包括M×N个呈周期排列的有源双极化缝隙耦合微带天线。
3.根据权利要求2所述的极化扭转有源角反射方向回溯系统，其特征在于，所述有源双极化缝隙耦合微带天线从上至下依次包括：辐射贴片、上介质层、金属地板、下介质层，以及位于下介质层下表面的水平极化馈线、第一垂直极化馈线、第二垂直极化馈线、λ0/2连接线、50Ω微带线、低噪声放大器；所述水平极化馈线关于有源双极化缝隙耦合微带天线的中心轴对称，第一垂直极化馈线与第二垂直极化馈线对称设置在水平极化馈线两侧；所述第一垂直极化馈线与第二垂直极化馈线通过λ0/2连接线相连；所述水平极化馈线通过50Ω微带线与λ0/2连接线连接；所述低噪声放大器设置在50Ω微带线中间；所述金属地板上设置有水平极化缝隙、第一垂直极化缝隙、第二垂直极化缝隙；所述水平极化缝隙位于水平极化馈线正上方；所述第一垂直极化缝隙和第二垂直极化缝隙对称放置在水平极化缝隙两侧，并分别位于第一垂直极化馈线、第二垂直极化馈线的正上方，其中，λ0为工作频率f0对应的波长。
4.根据权利要求1所述的极化扭转有源角反射方向回溯系统，其特征在于，所述第一极化选择表面包括P×Q个周期排列的极化选择表面单元，所述极化选择表面单元包括介质基板以及设置在介质基板上的条带形金属贴片。
5.根据权利要求4所述的极化扭转有源角反射方向回溯系统，其特征在于，所述第二极化选择表面与第一极化选择表面结构相同，第一极化选择表面条带形金属贴片平行于x轴，第二极化选择表面条带形金属贴片平行于z轴。
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