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CN105720377B - 一种新型多极化透射阵天线 - Google Patents

一种新型多极化透射阵天线 Download PDF

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CN105720377B CN201610056230.9A CN201610056230A CN105720377B CN 105720377 B CN105720377 B CN 105720377B CN 201610056230 A CN201610056230 A CN 201610056230A CN 105720377 B CN105720377 B CN 105720377B
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Abstract

本发明公开了一种新型多极化透射阵天线，包括：线极化馈源、透射阵列；透射阵列设置在线极化馈源的下方，是由81个透射单元组成；透射阵列单元包括：金属层、介质层、空气层；金属层上蚀刻有矩形环缝隙，金属层镀在介质层的上表面，不同介质层之间设置有空气层。本发明实现了不同旋向的圆极化和线极化的状态切换，使透射阵天线能够实现多极化变换的工作特性，实现不同旋向的圆极化和线极化的切换，免去了使用多副天线来实现不同极化的麻烦，大大提高了系统的集成度，促进了多极化透射阵天线技术的发展和应用；能够保持高透射率的基础上独立调节阵列单元在正交方向上的透射相位，天线实现在不同极化状态下的工作，并保持高增益。

Description

一种新型多极化透射阵天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种新型多极化透射阵天线。
背景技术
透射阵天线是将透镜天线和微带阵列天线的若干优点而形成的一种新型天线，它是由透射阵列和馈源天线组成的。透射阵列是由拓扑结构相似的透射型频率选择表面单元构成的，通过对阵列上每个单元进行相位补偿，以在阵列的另一侧产生所需要的辐射波束。由于其体积小、重量轻、剖面低、高增益等众多优点，已经在无线通信系统中获得了广泛的应用。在复杂的电磁环境中，由于圆极化天线具有极强的抗干扰特性而在微波系统中获得广泛应用。多极化透射阵天线作为一种在工作频段内能实现不同旋向圆极化和线极化切换的天线技术，已经成为透射阵天线技术的研究热点。传统的透射阵天线通常采用辐射线极化电磁波的馈源天线照射到透射阵列上，通过调节各个透射单元的尺寸对其进行相位补偿后在阵列的另一侧产生同相的高增益波束，透射波的极化方式为单一的线极化。为了产生圆极化波束，传统透射阵天线的馈源必须是圆极化天线，但这也仅仅只能实现单一的圆极化。
虽然现有的透射阵天线已经获得了广泛的应用，但随着无线通信技术的发展和极化分集技术的日益普遍，无线通信系统要求同一款天线既能实现线极化工作，又能实现线极化工作，而同时满足这些要求非常困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型多极化透射阵天线，旨在解决虽然现有的透射阵天线无法同时满足同一款天线既能实现线极化工作，又能实现线极化工作的问题。
本发明是这样实现的，一种新型多极化透射阵天线，所述新型多极化透射阵天线包括：线极化馈源、透射阵列单元；线极化馈源的下方设置有透射阵列；
线极化馈源,是一个Vivaldi天线，用于向透射阵列单元发射电磁波信号，
透射阵列单元,用于将馈源发出的电磁波透射到单元的另一侧，并调节透射波相位。
进一步，所述透射阵列单元包括：金属层、介质层、空气层；
金属层上蚀刻有矩形环缝隙，金属层镀在介质层的上表面，不同介质层之间设置有空气层。
进一步，Vivaldi天线作为透射阵天线的线极化馈源；采用三层矩形环缝隙结构作为透射阵列单元。
进一步，所述透射阵列是由81个三层结构的矩形环缝隙单元按照方形栅格分布周期性排列而成。
进一步，所述透射阵列单元均按照调节单元缝隙尺寸的方式对不同的极化方向进行相位补偿,通过调节缝隙沿横轴方向和纵轴的尺寸，使透射阵列单元沿横轴方向和纵轴方向的透射相位相差90度，并使透射阵列单元沿横轴方向的透射相位能够补偿由馈源到各单元的路程差所造成的相位差。
进一步，所述的透射阵列单元通过合理调节缝隙尺寸的方式，保证透射阵列单元透射系数维持在0.8以上，使馈源发出的电磁波全透射到单元的另一侧。
进一步，调整线极化馈源的空间旋转角度，阵列方向图实现不同旋向的圆极化和线极化的转换，当馈源与XOY面呈45度角时，阵列的方向图的极化方式为左旋圆极化；当馈源与XOY面呈0度角或90度角时，阵列的方向图的极化方式为线极化；当馈源与XOY面呈-45度角时，阵列的方向图的极化方式为右旋圆极化。
本发明提供的新型多极化透射阵天线，采用三层介质板的矩形环缝隙结构作为透射阵列单元，利用线极化的Vivaldi天线作为透射阵列的馈源，通过调节阵列上每个矩形缝隙透射单元在正交方向上的矩形缝隙长度，使馈源发出的电磁波全透射到单元的另一侧，并对单元沿横轴方向和纵轴方向的透射相位进行调节。然后再调整馈源天线的空间旋转角度，实现了不同旋向的圆极化和线极化的状态切换，具体来说当馈源与XOY面呈45度角时，阵列的方向图的极化方式为左旋圆极化；当馈源与XOY面呈0度角或90度角时，阵列的方向图的极化方式为线极化；当馈源与XOY面呈-45度角时，阵列的方向图的极化方式为右旋圆极化。通过以上方法，透射阵天线能够实现多极化变换的工作特性。本发明采用了一个线极化馈源，能实现不同旋向的圆极化和线极化的切换，免去了使用多副天线来实现不同极化的麻烦，大大提高了系统的集成度，促进了多极化透射阵天线技术的发展和应用。本发明采取了简单的三层矩形缝隙结构，能够在保持高透射率的基础上独立调节透射相位，再通过调整透射阵列上每个单元沿正交方向的缝隙长度和馈源Vivaldi天线的空间旋转角度，天线就可以实现在不同极化状态下的工作，包括线极化和不同旋向的圆极化，并保持高增益。
附图说明
图1是本发明实施例提供的新型多极化透射阵天线结构示意图；
图2是本发明实施例提供的透射阵列单元俯视图；
图3是本发明实施例提供的透射阵列单元侧视图；
图中：1、线极化馈源；2、透射阵列单元；2-1、金属层；2-2、矩形环缝隙层；2-3、介质层；2-4、空气层。
图4是本发明实施例提供的x极化方向的透射系数随Ax的变化示意图。
图5是本发明实施例提供的不同Ax的情况下y极化方向的透射系数随Ay的变化示意图。
图6是本发明实施例提供的Vivaldi天线的平面结构图。
图7是本发明实施例提供的Vivaldi天线的S11随频率变化示意图。
图8是本发明实施例提供的Vivaldi天线在6GHz处的辐射方向图。
图9是本发明实施例提供的透射阵列的平面结构图。
图10是本发明实施例提供的透射阵列的整体结构图；
图中：(a)左旋圆极化模式；(b)线极化模式；(c)右旋圆极化模式。
图11是本发明实施例提供的透射阵天线在6GHz处的线极化状态下辐射方向图。
图12是本发明实施例提供的透射阵天线在6GHz处的左旋圆极化状态下的辐射方向图。
图13是本发明实施例提供的透射阵天线在6GHz处的右旋圆极化状态下的辐射方向图。
图14是本发明实施例提供的透射阵天线在不同极化模式下轴比和增益随频率的变化示意图。
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。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例的新型多极化透射阵天线主要包括：线极化馈源1、透射阵列单元2。
线极化馈源1的下方设置有透射阵列单元2。
如图2和图3所示，透射阵列单元2包括：金属层2-1、矩形环缝隙2-2、介质层2-3、空气层2-4。
金属层2-1上蚀刻有矩形环缝隙2-2，金属层2-1镀在介质层2-3的上表面，不同介质层2-3之间设置有空气层2-4。
本发明的多极化透射阵天线，其特征包括：Vivaldi天线作为透射阵天线的线极化馈源、采用三层矩形环缝隙结构作为透射阵列的单元；透射阵列是由不同尺寸的矩形环缝隙单元周期性排列而成的，透射阵列单元均按照调节单元缝隙尺寸的方式对不同的极化方向进行相位补偿，从而保证经馈源照射后透射阵列在阵列的另一侧能发出同相的笔形波束。设计出的多极化透射阵天线。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
图4给出了阵列单元在中心频率6GHz处，x极化方向的透射系数幅度和相位随矩形环缝隙的长度Ax变化的曲线图。从图4中可以看出，缝隙长度在14-22mm的变化范围内，单元的透射相位的变化范围约为330°,透射系数的幅度保持在-2dB以上，所以该单元可以在保证较高的透射率的前提条件下，通过调节缝隙长度来调整单元的透射相位，以此实现透射阵列上各单元的相位补偿。图5给出了Ax逐渐变化的情况下，y极化方向的透射系数幅度和相位随矩形环缝隙的长度Ay变化的曲线图。从图5中可以看出，当不同Ax的情况下，随着Ay从12mm变化到22mm，y极化方向的透射系数幅度总在-2dB以上，透射相位的变化范围约为300°，这说明x方向的缝隙长度变化对y方向透射系数幅度和相位的影响不大。同理，y方向的缝隙长度变化对x方向透射系数幅度和相位的影响不大。所以，该单元在x,y方向上的透射相位可独立调节，并且保持较高的透射率。在此基础上，通过对阵列上各个单元在x,y方向上的缝隙长度进行调节，并调整馈源的旋转角度，就可以实现不同的极化方式切换。
由于馈源天线到透射阵列各个单元的路径不同，所以各个单元之间存在由路径差别所造成的相位差。为了使透射阵天线各个单元保持相同相位，本发明对阵列上各个单元的缝隙长度进行调节，从而补偿各个单元之间的相位差别。
设透射阵列上第(m,n)个单元由于空间路径差所需的相位为ψmn，x极化方向的透射相位为ψx，y极化方向的透射相位为ψy。对于阵列上第(m,n)个单元，如果分别调节x,y方向的缝隙长度，使ψx＝ψmn和ψy＝ψmn+90°。
在此基础上，当馈源位于透射阵列上方并与x轴形成45°夹角时，第(m,n)个单元的透射系数沿x,y方向的幅度分量相等，y方向的透射相位超前x极化方向透射相位90°，由圆极化的定义可知该单元的透射波的极化方式为左旋圆极化。
同理，当馈源位于透射阵列上方并与x轴形成-45°夹角时，由坐标变换可知，第(m,n)个单元的透射系数沿沿正交方向的透射相位超前滞后关系发生逆转，则该单元的透射波的极化方式为右旋圆极化。
当馈源位于透射阵列正上方并与x轴形成0°夹角时，第(m,n)个单元沿x方向的透射相位满足ψx＝ψmn，满足相位补偿条件，则该单元的透射波的极化方式为线极化。
综上所述，当我们对阵列上每个单元沿x,y方向的缝隙长度都进行合适的调节，使每个单元在x方向上满足空间相位补偿，在y方向的透射相位超前x极化方向透射相位90°，在这样的前提下，如果馈源位于透射阵列上方并与x轴分别形成45°,0°，-45°夹角时，则阵列透射波的极化方式分别为，左旋圆极化，线极化，右旋圆极化，这就形成了透射阵列不同极化方式的切换。
Vivaldi天线辐射线极化波，具有结构简单，成本低，宽带，端射式的特点，故采用Vivaldi天线作为透射阵天线的馈源。本发明设计的多极化透射阵工作频率为6GHz，所以采用中心频率为6GHz的Vivaldi天线。其结构如图6所示：
图7和图8分别给出了Vivaldi天线的S11和6GHz处的E，H面辐射方向图：
从图中可以看出，该Vivaldi天线在5.2-6.8GHz的范围内S11低于-10dB,对应驻波小于2，在中心频率6GHz处辐射方向图良好，可作为透射阵天线馈源。
透射阵列的结构和透射阵天线的整体结构分别如图9和图10所示：
从图10可以看出，如果馈源位于透射阵列上方并与x轴分别形成45°,0°，-45°夹角时，则阵列透射波的极化方式分别为，左旋圆极化，线极化，右旋圆极化，所以该透射阵天线可以实现多极化工作。
图11-13分别给出了透射阵天线在6GHz处线极化，左，右旋圆极化工作模式下的归一化辐射方向图：
从图中可以看出，该天线在线极化工作模式下，半功率波瓣宽度为11°,第一副瓣电平约为-20dB，最大辐射方向上的交叉极化电平在-25dB以下；在左旋圆极化工作模式下，主极化为左旋圆极化，交叉极化为右旋，半功率波瓣宽度为10°,第一副瓣电平约为-18dB，最大辐射方向上的交叉极化电平在-2dB以下；在右旋圆极化工作模式下，主极化为右旋圆极化，交叉极化为左旋，半功率波瓣宽度为11°,第一副瓣电平约为-15dB，最大辐射方向上的交叉极化电平在-18dB以下。所以该透射阵天线在各个极化模式下的辐射方向图均实现了高增益和低副瓣，达到了设计目的。
轴比和增益是衡量天线圆极化特性和辐射特性的重要指标，图14给出了该透射阵天线在圆极化工作模式下的增益和轴比，以及在线极化工作模式下的增益。
从图中可以看出，在圆极化的工作模式下，天线在6GHz处的增益约为20.4dB,在5.7-6.4GHz的频率范围内增益高于19dB,在5.3-6.3GHz的频率范围内轴比小于3dB,圆极化特性良好；在线极化的工作模式下，天线在6GHz处的增益约为20.9dB，在5.8-6.3Hz的频率范围内增益高于19dB。所以，天线在不同的极化模式下均保持了良好的性能，从而验证了本发明的正确性。
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 (1)

1.一种新型多极化透射阵天线，其特征在于，所述新型多极化透射阵天线包括：线极化馈源、透射阵列；线极化馈源的下方设置有透射阵列；
线极化馈源,用于向透射阵列单元发射电磁波信号；
透射阵列单元,用于将馈源发出的电磁波透射到单元的另一侧，并调节透射波相位；
所述透射阵列单元包括：金属层、介质层、空气层；
金属层上蚀刻有矩形环缝隙，金属层镀在介质层的上表面，不同介质层之间设置有空气层；
Vivaldi天线作为透射阵天线的线极化馈源；采用三层矩形环缝隙结构作为透射阵列单元；
所述透射阵列是由81个三层结构的矩形环缝隙单元按照方形栅格分布周期性排列而成；
所述透射阵列单元均按照调节单元缝隙尺寸的方式对不同的极化方向进行相位补偿,通过调节缝隙沿横轴方向和纵轴的尺寸，使透射阵列单元沿横轴方向和纵轴方向的透射相位相差90度，并使透射阵列单元沿横轴方向的透射相位能够补偿由馈源到各单元的路程差所造成的相位差；
调整线极化馈源的空间旋转角度，阵列方向图实现不同旋向的圆极化和线极化的转换，当馈源与XOY面呈45度角时，阵列的方向图的极化方式为左旋圆极化；当馈源与XOY面呈0度角或90度角时，阵列的方向图的极化方式为线极化；当馈源与XOY面呈-45度角时，阵列的方向图的极化方式为右旋圆极化。
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