CN116706567B - 极化编码阵列天线 - Google Patents

Abstract

本申请属于天线技术领域，涉及极化编码阵列天线，包括：天线阵面以及T/R组件；天线阵面包括多个呈阵列分布的极化天线；T/R组件与天线阵面相连，以对每个极化天线进行编码，使每个极化天线仅有一个极化端口被激励，并对被激励的极化端口施加相位调制，遍历所有极化状态；极化天线为双极化天线，具有水平极化端口和垂直极化端口；T/R组件根据输入的编码序列，对每个极化天线进行编码，以使双极化天线的水平极化端口或垂直极化端口被激励；所有被激励的水平极化端口所施加的相位调制值相同，所有被激励的垂直极化端口所施加的相位调制值相同。本申请能够在没有变极化器的情况下实现可变任意极化状态。

Description

极化编码阵列天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及极化编码阵列天线。

背景技术

极化作为电磁波的本质属性，是幅度、频率、相位以外的重要基本参量，有人称它是电磁波的“第四维度”，描述了电磁波的矢量特征。随着极化雷达日益发展，极化信息获取与利用已成为目标探测识别的有效手段之一。目前，极化技术在雷达探测、电子对抗等技术领域的应用越来越广泛。

对目前的极化天线而言，常见的极化状态包括线极化和圆极化，线极化又分为水平、垂直或者±45°线极化，圆极化又分为左旋或者右旋圆极化。对一个设计好的极化天线来说，其极化状态通常是确定的，要么为线极化，要么为圆极化。因此，在电子对抗领域使用极化天线时存在的问题包括：一是固定极化状态的天线不能自适应地改变极化状态抑制干扰；二是易被干扰设备侦察接收并及时调整干扰信号。因此，研究变极化技术十分必要。

现有技术中，天线变极化技术通常是通过额外加装变极化器来改变天线的极化状态，例如，可利用金属板或介质板来改变正交极化分量的相位差从而使天线极化状态发生改变。

但是，这种变极化器在使用时需要安装在天线口径面前侧一定距离处，且需要通过人工操作或电机驱动使变极化器转动来实现改变极化状态的目的，因此使用不便，难以满足日益复杂的电磁环境下的电子对抗需求。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种极化编码阵列天线，能够在不额外加装变极化器的情况下，实现可变任意极化状态。

极化编码阵列天线，包括：天线阵面以及T/R组件；

所述天线阵面包括多个呈阵列分布的极化天线，每个极化天线包括两个极化端口；

所述T/R组件与所述天线阵面相连，以对每个极化天线进行编码，使每个极化天线仅有一个极化端口被激励，并对被激励的极化端口施加相位调制，以使天线阵面的发射信号和接收信号可遍历所有极化状态。

在一个实施例中，所述极化天线为双极化天线。

在一个实施例中，所述双极化天线具有水平极化端口和垂直极化端口。

在一个实施例中，所述T/R组件根据输入的编码序列，对每个极化天线进行编码，以使所述双极化天线的水平极化端口或垂直极化端口被激励。

在一个实施例中，天线阵面中所有被激励的水平极化端口所施加的相位调制值相同，天线阵面中所有被激励的垂直极化端口所施加的相位调制值相同。

在一个实施例中，还包括：开关组件；

所述开关组件包括多个开关，多个开关与多个极化天线一一对应，所述开关的一个对应端与对应所述极化天线相连，所述开关的另一个对应端与T/R组件相连。

在一个实施例中，所述开关为单刀双掷开关。

在一个实施例中，还包括：波束形成网络；

所述波束形成网络的一端与所述T/R组件相连，所述波束形成网络的另一端与控制端相连。

在一个实施例中，所述控制端输出编码序列。

在一个实施例中，所述T/R组件包括可调移相器，所述可调移相器的两端分别与所述开关组件以及所述波束形成网络相连。

上述极化编码阵列天线，改变了天线辐射电场的两个极化分量的幅度和相位，从而合成新的极化状态，实现了由一种极化状态向另一种极化状态的转换；不同的编码序列对应不同的馈电方案，阵列中辐射水平极化电磁波和垂直极化电磁波的天线单元数量发生变化，导致合成的极化状态各不相同，在此基础上通过对水平极化端口或垂直极化端口增加相移，实现了线极化、椭圆极化和圆极化之间的切换；通过对双极化阵列天线的馈电端口进行编码调控，为发射和接收提供任意极化状态，使双极化阵列天线的发射信号和接收信号遍历所有极化状态；同时能够根据不同的工作场景快速、灵活的完成极化状态切换，实现天线的变极化；将实际接入工作的极化端口降低为原来的1/2，应用在相控阵系统中可以将T/R组件减少50%，成本大幅降低；无需加装额外物理结构，且无需对天线系统进行改造，易于工程实现；此外，本申请的变化灵活、成本较低，充分挖掘极化信息在电子对抗中的应用，为抗干扰背景下的目标辨识提供了新的自由度。

附图说明

图1为一个实施例中极化编码阵列天线的结构示意图；

图2为一个实施例中极化编码阵列天线的每个双极化天线极化端口的激励情况示意图，其中，(a)表示激励每个天线的水平极化端口，(b) 表示激励15个天线的水平极化端口，激励右下角天线的垂直极化端口，(c) 表示激励每个天线的垂直极化端口；

图3为一个实施例中仿真实验的极化编码阵列天线示意图；

图4为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的极化关系角和相位差曲线图；

图5为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的极化关系角和相位差曲线图；

图6为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的极化关系角和相位差曲线图；

图7为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的极化关系角和相位差曲线图；

图8为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的极化关系角和相位差曲线图；

图9为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的极化关系角和相位差曲线图；

图10为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的Poincaré球分布示意图；

图11为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的Poincaré球分布示意图；

图12为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的Poincaré球分布示意图；

图13为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的Poincaré球分布示意图；

图14为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的Poincaré球分布示意图；

图15为一个实施例中仿真实验中得到的典型相位调制值下的Poincaré球分布示意图。

附图标记：

天线阵面1，开关组件2，T/R组件3，T/R子件4，波束形成网络5。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本申请提供了一种极化编码阵列天线，如图1所示，在一个实施例中，包括：天线阵面1、开关组件2、T/R组件3以及波束形成网络5，天线阵面、开关组件、T/R组件以及波束形成网络依次相连。

天线阵面1包括多个呈阵列分布的极化天线，以形成极化天线阵列，每个极化天线包括两个极化端口。优选地，极化天线为双极化天线，具有水平极化端口和垂直极化端口这两个馈电端口。

开关组件2的两端分别与天线阵面以及T/R组件相连。开关组件包括多个开关，多个开关与多个极化天线一一对应，也就是说，开关与极化天线的数量相同，开关的一个对应端与对应极化天线的馈电端口相连，开关的另一个对应端与T/R组件相连。优选地，开关为单刀双掷开关，开关的输出与T/R组件相连，实现了T/R组件在每个双极化天线的两个极化端口之间的时分复用，起到了降低成本的作用。

T/R组件3的两端分别与开关组件以及波束形成网络相连，具体地，T/R组件包括多个T/R子件4，T/R子件的数量与极化天线的数量以及开关的数量相同，T/R子件的一端通过对应开关与对应极化天线相连，T/R子件的另一端与波束形成网络相连。T/R子件包括可调移相器，以根据输入的编码序列，对每个极化天线进行“0/1”编码，使每个极化天线仅有一个极化端口被激励，并通过可调移相器对被激励的极化端口施加相位调制，以使天线阵面的发射信号和接收信号遍历所有极化状态，也就是说，T/R组件通过编码序列作用于开关组件，完成开关的状态切换，开关的状态决定每个天线被激励的极化端口，从而实现了天线编码和相位调制。需要说明，当极化天线为双极化天线时，双极化天线的水平极化端口或垂直极化端口被激励，且在某种确定的编码序列中，所有被激励的水平极化端口所施加的相位调制值相同，所有被激励的垂直极化端口所施加的相位调制值相同。

波束形成网络5的两端分别与T/R组件和控制端相连，控制端输出编码序列。

以一副4×4的极化编码阵列天线的编码序列为例，列举了其中三种馈电编码序列的矩阵表示如下：

；

；

；

其中，“1” 状态表示水平极化端口被激励，对水平极化端口进行馈电，“0” 状态表示垂直极化端口被激励，对垂直极化端口进行馈电。

相应的各天线实际工作的极化端口如图2所示，图2（a）表示激励每个天线的水平极化端口，图2（b）表示激励15个天线的水平极化端口，激励右下角天线的垂直极化端口，图2（c）表示激励每个天线的垂直极化端口。同时，当激励水平极化端口时，通过与该天线相连的T/R组件对水平极化端口进行相位调制，当激励垂直极化端口时，与该天线连接的T/R组件不进行相位调制。最终通过波束形成网络层合成阵列方向图。

本申请中，改变编码序列和相位值，水平极化分量和垂直极化分量的幅度和相位发生改变，相应地，在空间合成极化的极化状态会发生改变。在双极化阵列天线中，改变阵列中水平极化端口和垂直极化端口的天线单元数量，等价于改变水平极化分量和垂直极化分量的幅度，在此基础上，对水平极化端口或垂直极化端口进行相位调制，使水平极化端口和垂直极化端口之间存在相位差，则能够产生极化状态的任意改变，即得到任意极化状态。

上述极化编码阵列天线，改变了天线辐射电场的两个极化分量的幅度和相位，从而合成新的极化状态，实现了由一种极化状态向另一种极化状态的转换；不同的编码序列对应不同的馈电方案，阵列中辐射水平极化和垂直极化的天线单元数量发生变化，导致合成的极化状态各不相同，在此基础上通过对水平极化端口或垂直极化端口增加相移，实现了线极化、椭圆极化和圆极化之间的切换；通过对双极化阵列天线的馈电端口进行编码调控，为发射和接收提供任意极化状态，使双极化阵列天线的发射信号和接收信号可遍历所有极化状态；同时能够根据不同的工作场景快速、灵活的完成极化状态切换，实现天线的变极化；将实际接入工作的极化端口降低为原来的1/2，应用在相控阵系统中可以将T/R组件减少50%，成本大幅降低；无需加装额外物理结构，且无需对天线系统进行改造，易于工程实现；此外，本申请的变化灵活、成本较低，充分挖掘极化信息在电子对抗中的应用，为抗干扰背景下的目标辨识增加了一个新的自由度。

在一个具体的实施例中，为了验证本申请提出的极化编码阵列天线具有较好的变极化能力，进行仿真实验，实验场景如图3所示，为了方便表达，图3中的极化编码阵列天线只包含了双极化阵列天线部分，双极化阵列天线的形式和阵元均不做限制，可以是线阵，也可以是方阵或圆阵。

极化编码阵列天线在工作时，由编码序列决定每个双极化天线（即天线单元）的极化馈电端口，当编码序列固定时，对应一个极化状态，当编码序列变化时，被激励的极化端口相应做出改变。当开关矩阵切换的速度达到微秒（μs）量级时，极化编码阵列可以实现雷达信号在脉冲内和脉冲间的联合变极化。极化状态数量与编码序列的数量和相位差的选取间隔有关，理论上，相移连续变化时，可以遍历所有极化状态。因此，极化编码阵列可以显著提高极化状态的时变性和灵活性，对于具有变极化需求的雷达对抗场景，具有很好的变极化效果。在实际使用中，对于固定大小的阵列，根据抗干扰目标辨识的需求进行合理选择相移间隔即可。

实验目的：利用HFSS软件联合MATLAB软件进行仿真实验，考察不同编码序列和相位差对极化状态的调制效果，验证本申请提出的极化编码阵列具有较好的变极化功能。

实验条件：在仿真实验中，遍历所有馈电编码序列，可调移相器的移相范围是360°，即，此处/>定义为双极化天线单元中垂直极化分量的相位/>减去水平极化分量的相位/>，考察不同的编码序列和相位调制值的变极化效应。

实验结果：本实验中用极化椭圆来描述极化状态的变化情况。极化椭圆是时变电场矢量端点划过的轨迹，当其形状、摆姿或极化旋向发生变化时，表明阵列的极化状态发生了改变。在数学上，用椭圆率角描述椭圆形状，倾角/>决定椭圆摆姿，两个正交极化分量之间的相位差/>决定旋向。具体地：

；

；

；

式中，为椭圆率角，/>为极化关系角，/>为两个正交极化分量之间的相位差，为倾角，/>为沿/>轴的电场分量，/>为沿/>轴的电场分量。

对于相位差，有：/>，右旋；/>，左旋。

由上式可知，极化关系角与相位差/>的变化范围决定了极化状态是否可遍历。

在本实验中，重点考察了6个不同的相位调制值下（，/>，，/>，/>，/>）极化编码阵列天线的极化关系角和相位差变化情况。

图4至图9给出了变化曲线，横坐标表示编码序列号，纵坐标分别表示极化编码阵列的极化关系角和两个极化分量之间的相位差。从图4至图9可以看出，在同一相位调制值下，当编码序列变化时，极化关系角由0到/>均匀变化，即/>，则，/>。不同相位调制值下（/>，/>，，/>，/>，/>）均观察到了两个极化分量的幅度相对变化现象。两个极化分量之间的相位差曲线以相位调制值为中心呈起伏变化。因此，当相位差/>在/>变化时，极化椭圆的椭圆率角/>、倾角/>在取值上具有完备性，极化状态得到遍历。

根据电磁波极化表征理论，每种极化状态均可利用Poincaré球上的一点唯一表示。图10至图15分别是对图4至图9的垂直极化分量、水平极化分量的Poincaré球表示（等价于Stokes矢量表征），图中LC表示左旋圆极化、RC表示右旋圆极化、H表示水平线极化、V表示垂直线极化。如图10至图15所示，当相位调制值为正值时，呈现左旋极化状态。当相位调制值为负值时，呈现右旋极化状态。特殊的，当相位调制值为0或时，在不同编码序列下仍为线极化；当相位调制值为/>时，随编码序列的变化，可经历线极化、椭圆极化、圆极化等多种极化状态。上述实验结果与理论基础完全符合。

本申请中，相位调制值是任意可调的，因此，极化编码阵列天线可以实现天线极化状态的连续、任意可调。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.极化编码阵列天线，其特征在于，包括：天线阵面、开关组件、T/R组件以及波束形成网络；

所述天线阵面包括多个呈阵列分布的极化天线，每个极化天线包括两个极化端口；

开关组件包括多个开关，多个开关与多个极化天线一一对应，开关的一个对应端与对应极化天线的馈电端口相连，开关的另一个对应端与T/R组件相连；

T/R组件包括多个T/R子件，T/R子件的数量与极化天线的数量以及开关的数量相同，T/R子件的一端通过对应开关与对应极化天线相连，T/R子件的另一端与波束形成网络相连；

T/R组件通过编码序列作用于开关组件，完成开关的状态切换，开关的状态决定每个天线被激励的极化端口，从而实现了天线编码和相位调制；所述T/R组件与所述天线阵面相连，以对每个极化天线进行编码，使每个极化天线仅有一个极化端口被激励，并对被激励的极化端口施加相位调制，以为发射和接收提供任意极化状态，使天线阵面的发射信号和接收信号遍历所有极化状态。

2.根据权利要求1所述的极化编码阵列天线，其特征在于，所述极化天线为双极化天线。

3.根据权利要求2所述的极化编码阵列天线，其特征在于，所述双极化天线具有水平极化端口和垂直极化端口。

4.根据权利要求3所述的极化编码阵列天线，其特征在于，所述T/R组件根据输入的编码序列，对每个极化天线进行编码，以使所述双极化天线的水平极化端口或垂直极化端口被激励。

5.根据权利要求4所述的极化编码阵列天线，其特征在于，天线阵面中所有被激励的水平极化端口所施加的相位调制值相同，天线阵面中所有被激励的垂直极化端口所施加的相位调制值相同。

6.根据权利要求1至5任一项所述的极化编码阵列天线，其特征在于，所述开关为单刀双掷开关。

7.根据权利要求6所述的极化编码阵列天线，其特征在于，还包括：波束形成网络；

所述波束形成网络的一端与所述T/R组件相连，所述波束形成网络的另一端与控制端相连。

8.根据权利要求7所述的极化编码阵列天线，其特征在于，所述控制端输出编码序列。

9.根据权利要求8所述的极化编码阵列天线，其特征在于，所述T/R组件包括可调移相器，所述可调移相器的两端分别与所述开关组件以及所述波束形成网络相连。