CN101295813A - 基于交叉偶极子反射面天线的球面多层膜极化补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，本发明实施例公开了一种用于移动通信中一种天线发射信号的偏振补偿的装置。本发明实施例方法包括：通过球面多层模结构补偿由于反射面散射所造成的极化偏差；通过转移矩阵的方法计算入射场、透射场系数；利用伸缩式支撑杆调整球面多层膜的纵向位置。根据本发明的方法，可以通过简单增加球面多层膜补偿由于反射面散射所造成的极化偏差，并增大发射天线的波束宽度，降低接收端对准需求，从而降低接收设备的实现复杂度。本发明的方法对于天线的远场增益尚有略微提高。

Description

基于交叉偶极子反射面天线的球面多层膜极化补偿装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及移动通信中一种天线发射信号的偏振补偿的装置。

背景技术

随着无线移动通信的快速发展，圆极化天线(Circular PolarizedAntenna，简称CPA)得到广泛的应用，在波束方向的圆极化(CircularPolarization，简称CP)性能决定了可用波束的宽度。对于超长距离传输诸如GPS卫星的定位可以保持在较宽的范围之内，实现多角度定位功能，减少了由于目标偏移所需要的额外的***成本。在诸多的天线设计中，交叉偶极子(Crossed-Dipole)作为馈源的反射面天线可以在波束方向得到较好的CP性能。由于反射面和空间遮挡造成的散射引发了不同的偏振模值比降低了***的可用波束宽度，增加了***用于精确对准的额外成本。

基于旋转平面多层板的极化补偿方法可以在某个角度实现较大范围的较宽，但是由于其自身的非旋转对称性导致不可能在全方位实现天线角宽的扩大，需要旋转马达的机械式扫描方式来实现。

多层膜是一种周期性的交替结构，通过这种周期性的结构可以用于多个领域，如激光、光纤传输、传感、集成光学、构造高反/高透型器件等等。

综上所述，目前基于交叉偶极子作为馈源的反射面体现的波束宽度由于偏振的扭曲变窄，使得接收端不能够在一个较宽的范围内进行信号的接收，需要严格的对准，增加了***的成本。考虑到前述情况，存在克服相关技术中不足的需要。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是提供一种基于球面多层膜结构的极化补偿装置，通过该球面多层膜结构补偿由于反射面散射所造成的极化偏差，从而增大发射天线的波束宽度，从而减少接收设备的复杂度，节省成本。

本发明实施例提供的基于球面多层膜结构的极化补偿装置，包括：

基于球面多层膜构建透射型天线极化补偿器，通过转移矩阵的方法计算入射场、透射场系数。利用支撑杆、旋转杆等机械装置放置球面多层膜结构板，调整输入激励比，得到可用的最大波束宽度。

所述球面多层膜结构具有五层结构，其中一层为基板层，基板所用材料为玻璃，折射率ns＝1.52。其余两种介质采用ABAB周期型结构，其电介质常数分别为1.44和1.172的材料。

所述基板厚度为1mm，其余各层厚度为介质内等效波长的1/4。

所述Crossed-Dipole作为馈源的抛物型反射面天线，所述Dipole的单臂长度设计为3.6mm，Dipole的内宽为0.3mm，外宽为0.8mm，以增加所述Dipole的辐射阻抗，所述Dipole位于所述抛物面的焦点处。

所述抛物反射面的直径为72mm，高度为18mm，其焦点位于抛物反射面的水平面上。

在架设实际补偿装置于发射天线时，可采用的机械装置，包括：

伸缩式支撑杆，用于人工调整所述球面多层膜的放置高度；

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解，本发明的目的和其它优点可通过在所写的说明书、权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

结合描述了本发明的各种实施例的附图，根据以下对本发明的各发明的详细描述，将更易于理解本发明的这些和其它特征，其中：

图1描述了用于极化补偿球面多层膜结构；

图2示出被补偿的交叉偶极子作为馈源的反射面天线结构；

图3示出放置在基于交叉偶极子反射面天线上层的球面多层膜补偿结构；

图4示意性示出图3中球面多层膜的平面截面图；

图5示出本发明实施方式对于图2，图3的极化补偿结果；

图6示出球面多层膜补偿结构在各个角度/方向下的补偿结果；

图7示出图3所示结构输入辐射比为1∶0.5的二维辐射场分布；

图8示出图3所示结构输入辐射比为1∶1.35的二维辐射场分布；

图9示出图3所示结构输入辐射比为1∶1的二维辐射场分布；

图10示出图3所示结构输入辐射比为1∶1.1的三维远场增益分布图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

图1描述了用于极化补偿球面多层膜结构。

101层是空气层，折射率设为n0，电磁波从101层入射进来，在101和102间发生透射和反射。102为球面多层膜的ABAB型结构的第一种介质，折射率为n1，厚度为d1。103为第二种介质，折射率为n2，厚度为d2。104、105分别和102、103相同，构成周期性重复结构。106为基底，折射率为ns，厚度为ds。

对于球面多层膜而言，其中的场的方程可以使用修正的麦克斯韦方程组来描述：

入射的信号会在每一层发生反射和透射，波的方向的转移符合Snell定律，每一层的计算过程可以通过矩阵的方法来描述，通过转移矩阵的方法可以快速计算出透射场分布和反射场的分布。采用转移矩阵方法的另外一个优点就是可以非常适合频率选择性表面上场的分布。

入射波的电场和磁场必须满足边界条件的限制，也就是说对于每一层间的各个分量都要遵守电磁学的基本定律。可以得到，相邻层间的转移关系如下：

$\left[\begin{array}{c}{E}_k\\ B_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_k& i\sin {\mathrm{\δ}}_k/{\mathrm{\γ}}_k\\ i{\mathrm{\γ}}_k\sin {\mathrm{\δ}}_k& \cos {\mathrm{\δ}}_k\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{k+1}\\ B_{k+1}\end{array}\right]$

其中， ${\mathrm{\δ}}_k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_k{d}_k\cos {\mathrm{\θ}}_k,$ 1≤k≤N，并且对于通过球面多层膜的入射场和透射场的关系可以表示如下：

$\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_1\end{array}\right]\text{=M}\left[\begin{array}{c}{E}_N\\ E_N\end{array}\right]$

其中M为复合矩阵，M＝M₁M₂.....M_N.

将M矩阵更为一般地表示为： $M=\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right]$

定义反射系数和透射系数r和t为：

r＝E_r1/E₀，t＝E_tN/E₀

将r，t和M的表达式代入到边界条件限制中可以得到透射系数和反射系数分别为：

$t=\frac{2{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_0{m}_{11}+{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{\γ}}_s{m}_{12}+m_{21}+{\mathrm{\γ}}_s{m}_{22}}$

$r=\frac{{\mathrm{\γ}}_0{m}_{11}+{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{\γ}}_s{m}_{12}-m_{21}-{\mathrm{\γ}}_s{m}_{22}}{{\mathrm{\γ}}_0{m}_{11}+{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{\γ}}_s{m}_{12}+m_{21}+{\mathrm{\γ}}_s{m}_{22}}$

通过上式可以利用转移矩阵的方法将多层结构化为单层来计算。

转移矩阵的计算方法只是解决多层结构场计算的基本方法，也可以采用其它各种方法，不同的计算方法不构成对本发明的限制。

图2示出补偿的交叉偶极子作为馈源的反射面天线结构。201为交叉偶极子，材料为铜，电导率为5.8×10⁷Siemens/m，相对电介质常数为1，相对磁导率为0.999991，202为抛物型金属反射面，203为基板，相对电介质系数为4.4。作为馈源的交叉偶极子放置在抛物型反射面202的焦点处，根据几何光学理论可知，在焦点发出的波经过反射面的反射可以产生平行的波束。此处设计的Crossed-Dipole的工作频率为12.45GHz，也可以设计为其它频率的无线通信，不同的频率的Crossed-Dipole激励的反射面天线不构成对本发明的限制。

图3示出放置在基于交叉偶极子反射面天线上层的球面多层膜补偿结构。301为图1中所示的放置在最底层的基底，302为图2所示的以交叉偶极子为馈源的反射面天线结构。基底301材料选用玻璃，其折射率ns＝1.52，对于Crossed-Dipole 201的单臂长度设计为3.6mm，为了增加其辐射阻抗将Dipole的内宽设计为0.3mm，外宽设计为0.8mm。抛物反射面302的直径为72mm，高度为18mm，使得其焦点刚好位于抛物反射面的水平面上。

球面多层膜补偿结构在实际假设上可以采用伸缩式支撑杆，用于人工调整所述球面多层膜的放置高度，动态的改变天线的增益。也可以通过自动的机械扳动开关进行调整，不同的机械实现方式不构成对于本发明的限制。

图4示意性示出图3中球面多层膜的平面截面图。401为图1中所示的放置在最底层的基底，402、404为介质B，403、405为介质A，介质A402/404和介质B403/405分别选用介电常数为1.44和1.172的材料。基底厚度为1mm，其余各层厚度选择介质内等效波长的1/4。

材料的选取和厚度等参数的选择，是通过实验得到较好的补偿效果。也可以采用优化算法计算出来，不同的参数值大小不应构成对于本发明的限制。

图5示出本发明实施方式对于图2，图3的极化补偿结果。针对不同的激励比值来测量可用波束的宽度，其中NCP表示没有补偿时的结果，SPCP表示球面多层膜补偿，在可用波束宽度B范围内应当满足：

20log|R_Axial|＜3dB

其中，R_Axial表示轴比值，通过测量的轴比值来衡量可用波束宽度的大小，轴比值在3dB以内时，接收端可以恢复收到的信号。当轴比值的绝对大小超过3dB时，无法满足通信的需求，不在可用的波束宽度范围之内。于是：

B＝θ_max-θ_min

其中，为满足可用波束条件的最小方向角，θ_max为满足可用波束条件的最大方向角。

可以看出在输入激励比为1时，SPCP的效果并不如NCP，不但没有提高波束宽度，反而使得角宽下降，随着轴比值偏差不断加大，可用波束宽度逐渐减小，从25度减小到接近0，此时SPCP对于天线发射角宽的提高效果显著，在输入轴比值为1.1时发射天线的角宽度可以达到将近30度，在其余各个场景也基本可以将补偿前天线的角宽度提高4～6度。

图6示出球面多层膜补偿结构在各个角度/方向下的补偿结果。其中SPC表示是球面多层膜的补偿方法。图中T表示从子午线0度方向测量的角宽，G表示从子午线90度方向测量的角宽，L表示正向，R表示负向。可以看出在子午线0度方向的补偿结果由于子午线90度的方向，这是由于TE模和TM模分别具有不同的透射系数，故产生不对称的结构，SPCLT/SPCRT与SPCLG/SPCRG不能同时增大，或者同时减小，需要在两个方向上进行折中，可以看出最大角宽在输入激励比约为1.1时产生。

图7，图8，图9分别示出图3所示结构在输入辐射比为1∶0.5，1∶1.35和1∶1的二维辐射场分布。输入辐射比偏差越大，在两个方向发射天线所辐射的图样差别越大。在1∶1时，辐射方向的辐射图样基本一致。

图10示出图3所示结构输入辐射比为1∶1.1的三维远场增益分布图。对于天线的增益通常和天线辐射的方向性、效率相关，可以通过下式计算天线的增益：

$G\left(\mathrm{dB}\right)=10\log (4\mathrm{\πU}/\mathrm{real}(\underset{A}{\∫}E\×H^{*}\·\mathrm{ds}))$

其中U是在指定方向上单位球面角辐射的强度，real表示取实部的操作，A是模型的端口边界，E是辐射的电场，H^*是磁场H的复共轭。ds是法向量方向本地端口单位边界。

由于采用的是透射型多层膜结构，所以在加入补偿结构后，对于极化的球面多层膜补偿结构并未降低辐射场的强度，反而使透射场的强度有所增加，和加入补偿结构之前相比辐射信号强度提升了约2-3％。且由于球面本身的旋转对称特性，远场增益方向图基本保持为圆对称样式。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域内熟练的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (6)

1、一种可用于移动通信发射天线信号极化补偿的装置，其特征在于包括以下部分：

通过球面多层膜结构补偿由于反射面散射所造成的极化偏差；

基于Crossed-Dipole的抛物型反射面天线；

通过转移矩阵的方法计算入射场、透射场系数；

利用伸缩式支撑杆等机械装置放置球面多层膜结构板；

调整输入激励比，得到可用的最大波束宽度。

2、根据权利要求1所述的信号极化补偿球面多层膜结构，其特征在于所述球面多层膜具有以下特征：

采用ABAB周期型结构；

透射型补偿元件；

具有一层基板、两种不同的介质的多层结构；

确定所述相邻层的转移矩阵，具体是：

$\left[\begin{array}{c}{E}_k\\ B_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_k& i\sin {\mathrm{\δ}}_k/{\mathrm{\γ}}_k\\ i{\mathrm{\γ}}_k\sin {\mathrm{\δ}}_k& \cos {\mathrm{\δ}}_k\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{k+1}\\ B_{k+1}\end{array}\right]$

其中， ${\mathrm{\δ}}_k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_k{d}_k\cos {\mathrm{\θ}}_k,$ 1≤k≤N，并且根据单层转移关系，确定所述通过球面多层膜的入射场和透射场的关系可以表示如下：

$\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_1\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{E}_N\\ E_N\end{array}\right]$

3、根据权利要求2所述的信号极化补偿球面多层膜结构，其特征在于所述转移矩阵具有如下特征：

转移矩阵M为复合矩阵，M＝M₁M₂.....M_N.

所述M矩阵可以更为一般地表示为： $M=\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right]$

确定所述反射系数和透射系数r和t为：

r＝E_r1/E₀，t＝E_tN/E₀

根据r，t和M和所述边界条件限制中确定透射系数和反射系数分别为：

$t=\frac{2{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_0{m}_{11}+{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{\γ}}_s{m}_{12}+m_{21}+{\mathrm{\γ}}_s{m}_{22}}$

$r=\frac{{\mathrm{\γ}}_0{m}_{11}+{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{\γ}}_s{m}_{12}-m_{21}-{\mathrm{\γ}}_s{m}_{22}}{{\mathrm{\γ}}_0{m}_{11}+{\mathrm{\γ}}_0{\mathrm{\γ}}_s{m}_{12}+m_{21}+{\mathrm{\γ}}_s{m}_{22}}$

通过所述转移矩阵的计算方法解决多层结构的场计算。

4、根据权利要求1所述的天线信号极化补偿的装置，以及权利要求2、3所述的信号极化补偿球面多层膜结构，其特征在于所述用于补偿的球面多层膜结构具有如下特征：

所述球面多层膜基底材料为玻璃，折射率ns＝1.52；

其余两种介质的介电系数分别为1.44和1.172的材料；

所述基底厚度为1mm，其余各层厚度为介质内等效波长的1/4。

5、根据权利要求1所述的天线信号极化补偿的装置，其特征在于所述基于Crossed-Dipole的抛物型反射面天线具有如下特征：

Crossed-Dipole位于所述抛物面的焦点处；

所述Dipole的单臂长度设计为3.6mm，Dipole的内宽为0.3mm，外宽为0.8mm，以增加所述Dipole的辐射阻抗；

所述抛物反射面的直径为72mm，高度为18mm，其焦点位于抛物反射面的水平面上。

6、根据权利要求1所述的所述的天线信号极化补偿的装置，其特征在于所述放置球面多层膜结构板的机械装置包括：

伸缩式支撑杆，用于人工调整所述球面多层膜的放置高度，改变反射面天线的信号增益。

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