CN107508040A - 一种极化旋转方向回溯阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种极化旋转方向回溯阵列，由双馈方形贴片、相位共轭混频器、本振功分器构成。本发明可用于微波毫米波通信***、射频识别、无线能量传输中。其优点是可以对任意方向来波回溯其正交极化波、相位共轭电路结构简易、本振抑制度高、低成本、加工周期快。

Description

一种极化旋转方向回溯阵列
技术领域
本发明属于微波毫米波***领域，尤其涉及微波毫米波***中的方向回溯阵列。
背景技术
方向回溯阵列具有在不知道来波方向的前提下，自动转发一束指向来波方向的信号。由于其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，因此其在无线通信，无线能量传输，射频传输等领域中具有较大的应用前景。
现有的方向回溯阵列一般同频收发，因此多采用正交极化方式进行收发隔离。Luxey C等人公开了一种使用双端口耦合馈电方式实现正交极化收发的方向回溯阵列(Luxey C,Laheurte J M.A retrodirective transponder with polarizationduplexing for dedicated short-range communications[J].IEEE Transactions onMicrowave Theory&Techniques,2014,47(9):1910-1915.)；然而该阵列由于采用双线极化，因此需要收发天线准确的对齐避免极化损耗而不适用于对于移动目标的通信。Choi JH等人设计了一款对于任意极化方式的入射波都发射其正交极化波的回溯阵列(Choi J H,Dong Y,Sun J S,et al.Retrodirective Array Immune to Incident Waves WithArbitrary Polarizations[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2013,61(12):6008-6013.)，这种阵列不需要收发天线准确对齐就可以减小极化失配损耗；但是该阵列馈电***复杂，每一路都需要四个混频器，四个放大器，和两段相位延迟线，其实用性受到限制。
发明内容
本发明的目的是提出一种极化旋转方向回溯阵列，对于任意入射波都回溯其正交极化波，减小极化失配损耗，同时简化相位共轭电路结构，使整个结构紧凑可靠。
本发明的技术方案是：一种极化旋转方向回溯阵列，包括M个极化旋转方向回溯子单元、M路功分器、本振源；所述的M为大于等于3的整数；所述的极化旋转方向回溯子单元由双馈双极化贴片天线以及相位共轭混频器组成；所述的双馈贴片天线与相位共轭混频器通过两条等长第一射频电缆线连接在一起；所述的相位共轭混频器与M路功分器制备在同一张介质基板上；所述的本振源通过第二射频电缆线连接到M路功分器的输入端口。
进一步的，所述的相位共轭混频器由介质基板印制在介质基板上的两个射频滤波器、3dB耦合器、相位延迟线、本振滤波器、匹配枝节、两个射频同轴端口、二极管对组成；所述的相位共轭混器本振频率为射频频率的两倍，中频频率和射频频率相同；所述相位延迟线其长度为四分之一射频波长；每个射频同轴端口、射频滤波器和3dB耦合器采用等长度的微带线连接并中心对称放置。
进一步的，所述的射频滤波器由两个非对称抽头和两个弯折谐振器构成；在弯折谐振器上开有两个C形槽，C形槽的尺寸经过适当调整使射频滤波器的一个带外零点落在本振频率上。
本发明的优点和有益效果：
(1)本发明具有对于任意入射极化波，回溯其正交极化波，避免了普通的分极化双工***由于收发天线极化失配产生的损耗。
(2)本发明具有结构紧凑的特性。本发明利用3dB耦合器两个端口的固有相位差和一条相位延迟线，实现了两个端口输出180°的固有相位差，同时收发天线采用一个天线实现，收发端口也采用相同的端口实现。因此本发明只需要一个混频器，一个双端口天线即可实现极化旋转和方向回溯的功能。
(3)本发明使用的射频滤波器具有带外零点可调而不影响通带的特性。由于本发明所采用的本振为射频频率的二倍频且能量大于射频信号，为了抑制本振频率的辐射，可以通过调节射频滤波器的结构使得其带外零点落在本振频率上。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图
图2是本发明的相位共轭混频器结构图
图3是本发明的射频滤波器S参数曲线
图4是本发明在不同入射波角度下的方向图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：如图1所示，一种极化旋转方向回溯阵列，包括M个极化旋转方向回溯子单元1、M路功分器2、本振源3；所述的M为大于等于3的整数；所述的极化旋转方向回溯子单元由双馈双极化贴片天线以及相位共轭混频器组成；所述的双馈贴片天线与相位共轭混频器通过两条等长第一射频电缆线连接在一起；所述的相位共轭混频器与M路功分器制备在同一张介质基板上，这里采用厚度为0.508mm的F4B板材；所述的本振源通过第二射频电缆线连接到M路功分器的输入端口。所述的相位共轭混频器5由介质基板51印制在介质基板51上的两个射频滤波器52、3dB耦合器53、相位延迟线54、本振滤波器55、匹配枝节56、两个射频同轴端口57、二极管对58组成；所述的相位共轭混器5本振频率为射频频率的两倍，中频频率和射频频率相同；所述相位延迟线54其长度为四分之一射频波长，实际长度为20；每个射频同轴端口57、射频滤波器52和3dB耦合器53采用等长度的微带线连接并中心对称放置。所述的射频滤波器52由两个非对称抽头521和两个弯折谐振器522构成，抽头位置距离谐振器边缘2mm；在弯折谐振器522上开有两个C形槽523，C形槽523的尺寸经过适当调整使射频滤波器52的一个带外零点落在本振频率上。
本发明的原理是：如图2所示的相位共轭混频器，一共有4个端口，端口1和端口2分别用等长同轴线连接贴片天线的两个端口。当端口1输入相位为的信号时，经过射频滤波后进入3dB耦合器。其中一路信号经过3dB耦合器的直通端再经过相位延迟线后，以相位为加载到第一个二极管上；另一路经过3dB耦合器的耦合端同样以相位加载到第二个二极管上。由于两个二极管反向放置，在经过混频后两个二极管输出信号的相位为与一路信号通过相位延迟线分别输出到1端口和2端口，两个端口处信号相位分别为与另一路信号直接通过3dB耦合器输出到1端口和2端口，信号相位分别是与由上述分析可知当1端口输入射频信号时，在1端口由两个二极管输出的中频信号反向抵消；在2端口由两个二极管输出的中频信号同相叠加其相位为按照同样的方法分析，当2端口输入射频信号时，在1端口由两个二极管输出的中频信号同相叠加其相位为在2端口由两个二极管输出的中频信号反相抵消；也就是说当1端口输入射频信号时只有2端口会输出中频信号，当2端口输入射频信号时只有1端口会输出中频信号，同时由上面的分析可以知道这两个中频信号有180°的固有相位差，此外中频信号和射频信号相位共轭。由于相位共轭的特性因此每个天线元上的相位梯度和来波形成的相位梯度正好相反，于是发生方向回溯。当入射波是垂直极化波时，端口1和端口2分别接收到等相位的射频信号，经过共轭混频后分别由端口2和端口1输出，这两个信号由于有180°的相位差因此在贴片上形成水平极化电流向外辐射水平极化波；当入射波是45°角线极化波时，只有端口1接收到射频信号，并由端口2输出，因此辐射-45°角的线极化波；当入射波是水平极化波时端口1和端口2接收到等幅信号但其相位差相差180°，经过共轭混频后其中一路信号的180°相位差被补偿，两个输出信号相位相同，因此辐射垂直极化波；对于圆极化波来说过只是将上述过程旋转起来而已，因此会辐射与来波正交的圆极化波。由于每个单元都辐射正交极化波，因此回溯阵列辐射的也是和来波极化正交的波。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种极化旋转方向回溯阵列，包括M个极化旋转方向回溯子单元(1)、M路功分器(2)、本振源(3)；其特征在于：所述的M为大于等于3的整数；所述的极化旋转方向回溯子单元(1)由双馈双极化贴片天线(4)以及相位共轭混频器(5)组成；所述的双馈贴片天线(4)与相位共轭混频器(5)通过两条等长第一射频电缆线(6)连接在一起；所述的相位共轭混频器(5)与M路功分器(2)制备在同一张介质基板上；所述的本振源(3)通过第二射频电缆线(7)连接到M路功分器(2)的输入端口。
2.根据权利要求1所述的一种极化旋转方向回溯阵列，其特征在于：所述的相位共轭混频器(5)由介质基板(51)印制在介质基板(51)上的两个射频滤波器(52)、3dB耦合器(53)、相位延迟线(54)、本振滤波器(55)、匹配枝节(56)、两个射频同轴端口(57)、二极管对(58)组成；所述的相位共轭混器(5)本振频率为射频频率的两倍，中频频率和射频频率相同；所述相位延迟线(54)其长度为四分之一射频波长；每个射频同轴端口(57)、射频滤波器(52)和3dB耦合器(53)采用等长度的微带线连接并中心对称放置。
3.根据权利要求1所述的一种极化旋转方向回溯阵列，其特征在于：所述的双馈双极化贴片天线(4)含有两个正交放置的同轴馈电端口(11)，并采用等长度的第一射频电缆线(12)和相位共轭混频器(2)的两个射频同轴端口(28)连接。
4.根据权利要求1所述的极化旋转方向回溯阵列，其特征在于：所述的射频滤波器(52)由两个非对称抽头(521)和两个弯折谐振器(522)构成；在弯折谐振器(522)上开有两个C形槽(523)，C形槽(523)的尺寸经过适当调整使射频滤波器(52)的一个带外零点落在本振频率上。
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