CN112701438A - 基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线 - Google Patents

基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，包括双向波导功分器以及相对固定设置在所述双向波导功分器两侧的第一介质极化器和第二介质极化器，第一介质极化器和第二介质极化器相互垂直设置，所述第一介质极化器与所述双向波导功分器之间、所述第二介质极化器与所述双向波导功分器之间分别形成±45度的夹角，并且，所述双向波导功分器上设置有用于进行馈电的第一差分端口和第二差分端口。具有轴比带宽宽、增益高、工作频带内性能稳定、可实现极化可重构的优点。此外，本发明结构简单且便于加工。

Description

基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线。
背景技术
具有双向辐射特性的天线在实际应用中有着非常广泛的需求，尤其是在例如：隧道、桥梁、矿洞、街道等狭长的通信环境当中。在这些环境中，通信终端通常是近似直线地分布于一段狭长的空间之内，若采用单向或全向辐射的天线则容易导致通信盲区、能量损耗大等一系列问题，而双向辐射的天线则可以很好的避免这些问题。此外，就极化方式而言，由于圆极化天线可以有效的避免极化失配的问题，同时具有抗多径反射的优点，因此双向辐射的天线通常被设计为圆极化形式。为避免两个方向上的极化失配，通常要求双向天线在两个方向上的圆极化具有相同的旋向，即同为左旋或同为右旋。
目前实现双向同旋向圆极化天线的方案包括：一、采用多层PCB结构的贴片天线，如C.Deng等在《A bidirectional left-hand circularly polarized antenna usingdual rotated patches,Microw&Optical Technol Lett,2013,vol.55.no.9.pp.2044-2047,2013》中，将两个带有缝隙的贴片正交放置于馈电PCB板的两侧，每个缝隙分别与馈电的微带线形成±45度夹角，从而实现双向的同旋向圆极化辐射；二、如W.Liu等在《Abidirectional array of the same left-handed circular polarization using aspecial substrate,IEEE Antennas Wireless Propag.Lett,vol.12,pp.1543-1546,2013》中采用相距1/4波长且±45度交叉放置的八单元偶极子阵列；三、如Y.Zhao等在《Adual circularly polarized waveguide antenna with bidirectional radiations ofthe same sense,IEEE Trans.Antennas Propag,vol.62,no.1,pp.480-484,Jan.2014》中采用具有极化简并功能的矩形波导天线，并通过两个正交放置且相距1/4波长的金属片馈电；四、如J.Hu等在《A bidirectional same sense circularly polarized endfireantenna array with polarization reconfigurability,IEEE Trans.Antennas Propag,vol.67,no.11,pp.7150-7155,Nov.2019》中，采用磁、电偶极子相结合方式实现双向同旋向的圆极化辐射，并通过开关二极管实现圆极化的旋向可重构。
但目前的双向同旋向圆极化天线仍存在以下问题：
1、传统的双向同旋向圆极化天线通常轴比带宽窄且增益较低。一般轴比带宽不超过10％，增益平均为5dBic左右。
2、传统的双向同旋向圆极化天线在结构上都比较复杂，这将导致加工困难以及加工成本的增加。与此同时，天线的机械性能也受到很大的考验，当有外力作用时天线结构易发生形变。这一问题在立体结构中尤为明显。
3、传统的双向同旋向圆极化天线的极化方式较为单一，大部分设计为单左旋或右旋的圆极化，无法实现两种旋向之间的自由切换。实际应用中如能自由切换旋向则可以增加***的灵活性。
发明内容
本发明的目的是通过提供基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，以解决现有技术中存在的传统双向同旋向圆极化天线轴比带宽窄、增益低、天线结构复杂、加工困难、极化方式单一等问题。
本发明目的通过至少以下技术方案之一实现。
基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，包括双向波导功分器以及相对固定设置在所述双向波导功分器两侧的第一介质极化器和第二介质极化器，第一介质极化器和第二介质极化器相互垂直设置，所述第一介质极化器与所述双向波导功分器之间、所述第二介质极化器与所述双向波导功分器之间分别形成±45度的夹角，并且，所述双向波导功分器上设置有用于进行馈电的第一差分端口和第二差分端口。
进一步地改进，所述圆极化天线的主体为电介质材料。
进一步地改进，所述电介质材料的相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01。
进一步地改进，所述双向波导功分器上周向均匀设置有个同轴接头，其中相对的两个同轴接头构成所述第一差分端口，另两个相对的同轴接头构成第二差分端口。
进一步地改进，每个所述同轴接头与所述双向波导功分器之间粘接固定。
进一步地改进，每个所述同轴接头与所述双向波导功分器之间通过氰基丙烯酸乙酯胶粘贴固定。
进一步地改进，所述双向波导功分器的柱面覆盖有金属薄层。
进一步地改进，第一介质极化器和第二介质极化器上靠近与所述双向波导功分器连接的一侧上开设有切角面。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
与现有技术相比，本发明具有轴比带宽宽(30.1％，4.9-6.65GHz)、增益高(带内8.6±0.7dBic)、工作频带内性能稳定、可实现极化可重构的优点。此外，本发明结构简单且便于加工。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线另一视角的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线阻抗带宽以及端口隔离度示意图。
图4是本发明实施例提供的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线轴比性能示意图。
图5是本发明实施例提供的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线增益特性示意图。
图6是本发明实施例提供的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线在差分端口1激励时中心频率的方向图。
图7是本发明实施例提供的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线在差分端口2激励时中心频率的方向图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
请参阅图1和图2，本实施例提供的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，包括双向波导功分器2、第一介质极化器1和第二介质极化器3，双向波导功分器2、第一介质极化器1和第二介质极化器3的材料为电介质材料，且在双向波导功分器2的柱面以电镀的方式覆盖金属铜的薄层。整个结构一体成型，具体的加工可通过3D打印工艺、CNC工艺或注塑工艺任选其一实现。此方案选择最便利的3D打印工艺作为样例，介质材料的相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01,可以理解的是，在其他实施例中可以采用其他介电常数的介质材料。
如图1所示，基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线包括一个中心馈电的双向波导功分器2、呈矩形的第一介质极化器1和呈矩形的第二介质极化器3。双向波导功分器2的两端开路，第一介质极化器1和第二介质极化器3分别相对固定设置在双向波导功分器2的两侧，与其开口截面紧密相连，整个天线结构对称设置。双向波导功分器2基于圆波导，呈圆柱形，其柱面通过电镀的方式覆盖金属铜的薄层以形成波导壁。第一介质极化器1和第二介质极化器3相互正交且分别与中间的双向波导功分器2呈±45度的夹角。如图2所示，该天线由两对差分端口进行馈电，差分端口由同轴接头构成，双向波导功分器2的柱面周向均匀固定设置有四个同轴接头，其中相对设置的第一同轴接头4和第二同轴接头5构成第一差分端口，另两个相对设置的第三同轴接头6和第四同轴接头7构成第二差分端口。每根同轴接头的内导体***双向波导功分器2内，同轴线特性阻抗均为50欧姆。为方便同轴接头与双向波导功分器2连接，双向波导功分器2的侧面裁取4个矩形截面以贴合同轴接头的法兰盘。同轴接头通过氰基丙烯酸乙酯胶与双向波导功分器2粘合连接。
工作原理上，当天线由第一差分端口激励时，电磁波通过双向波导功分器2被等幅同相位分配至两个方向，然后经过第一介质极化器1和第二介质极化器3辐射至大气。电磁波在双向波导功分器2内为TE11模式的线极化分布，第一介质极化器1和第二介质极化器3可扰动波导内的来波，从而将来波分解为与介质极化器平行和垂直的两个线极化分量。设计过程中通过调整介质极化器的物理尺寸，平行和垂直的两个线极化分量可实现90度的相位差，两个分量叠加后形成圆极化辐射。由于第一介质极化器1和第二介质极化器3分别与中间的波导功分器2呈±45度的夹角，所以对两个方向的来波均有相同旋向的扰动，从而实现双向同旋向的圆极化辐射。由于圆波导的TE11模式为极化简并模式，当天线由第二差分端口激励时，双向波导功分器2内的线极化波的极化方向将发生改变，相应地，圆极化旋向也会发生改变。本方案中，当天线由第一差分端口激励时，可实现双向左旋的圆极化辐射，当天线由第二差分端口激励时，可实现双向右旋的圆极化辐射，因此，该天线通过改变馈电端口即可实现极化可重构功能。由于天线结构对称，两种圆极化的情况下，天线的辐射性能一致。
本实施例中，第一介质极化器1和第二介质极化器3均呈矩形，且靠近与双向波导功分器2连接的一侧上开设有切角。切角处理是为了便于后期同轴接头的安装，且切角处的电磁波能量分布较少，所以其对天线性能基本无影响。
如图3所示，本实施例提供的天线在4.5GHz至7GHz的频带范围内可实现低于-10dB的阻抗匹配，即|Sdd11|和|Sdd22|在频带内小于-10dB。与此同时，在该频带内端口隔离度低于-39dB，即|Sdd12|在频带内小于-39dB。以上说明天线在4.5GHz至7GHz的频带内阻抗是匹配的，同时两个端口之间的隔离度很好。
轴比性能如图4所示，从4.9GHz到6.65GHz，天线的轴比低于3dB，轴比带宽为30.1％。远超过现有的10％，具有较宽的轴比带宽。
增益特性如图5所示，在工作频带(4.9GHz-6.65GHz)内，天线的平均增益为8.6dBic，增益波动为±0.7dB，高于现有的5dBic，具有良好的增益性能。
图6和图7所示分别为第一差分端口和第二差分端口激励时中心频率的方向图，从图中可见，主极化均分别为左旋和右旋圆极化，说明本实施例提供的圆极化天线可以实现左旋和右旋圆极化两种极化方式，灵活性更强。
综上，本实施例提供的圆极化天线具有轴比带宽宽、增益高、工作频带内辐射性能稳定的优点。在两种不同的圆极化状态下，天线性能保持一致。且从结构上看，本实施例结构简单，可以大大减少加工的难度和加工成本。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上所述仅为本发明的优先实施例，而非对本发明作任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化和修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，其特征在于：包括双向波导功分器(2)以及相对固定设置在所述双向波导功分器(2)两侧的第一介质极化器(1)和第二介质极化器(3)，第一介质极化器(1)和第二介质极化器(3)相互垂直设置，所述第一介质极化器(1)与所述双向波导功分器(2)之间、所述第二介质极化器(3)与所述双向波导功分器(2)之间分别形成±45度的夹角，并且，所述双向波导功分器(2)上设置有用于进行馈电的第一差分端口和第二差分端口。
2.根据权利要求1所述的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，其特征在于：所述圆极化天线的主体为电介质材料。
3.根据权利要求2所述的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，其特征在于：所述电介质材料的相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01。
4.根据权利要求1所述的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，其特征在于：所述双向波导功分器(2)上周向均匀设置有4个同轴接头，其中相对的两个同轴接头构成所述第一差分端口，另两个相对的同轴接头构成第二差分端口。
5.根据权利要求4所述的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，其特征在于：每个所述同轴接头与所述双向波导功分器(2)之间粘接固定。
6.根据权利要求5所述的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，其特征在于：每个所述同轴接头与所述双向波导功分器(2)之间通过氰基丙烯酸乙酯胶粘贴固定。
7.根据权利要求1所述的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，其特征在于：所述双向波导功分器(2)的柱面覆盖有金属薄层。
8.根据权利要求1所述的基于介质极化器的极化可重构双向同旋向圆极化天线，其特征在于：第一介质极化器(1)和第二介质极化器(3)上靠近与所述双向波导功分器(2)连接的一侧上开设有切角面。
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