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

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

A fully polarized antenna with polarization mode switching by frequency scanning and its design method

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于全极化天线设计的
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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。实现本专利技术的技术方案如下：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，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由下式计算得：是极化器反射波随频率f变化的相位，调整距离D使得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，本专利技术采用单端口馈电，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为本专利技术工作原理图。图2是本专利技术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，对本专利技术进行详细描述。本专利技术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。在本专利技术中，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。本专利技术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。本专利技术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：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。而天本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；所述馈电线由介质板的边缘起，指向圆孔中心，且部分暴露在金属贴片外；/n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；/n平面天线和极化器之间存在间距。/n

【技术特征摘要】
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；所述馈电线由介质板的边缘起，指向圆孔中心，且部分暴露在金属贴片外；
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。


2.如权利要求1所述的全极化天线，其特征在于，所述金属贴片、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，馈电线暴露在金属贴片外的长度为l，方形介质板的厚度为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...

【专利技术属性】
技术研发人员：金城，吕奇皓，张彬超，曹凯淇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11