本發(fā)明涉及一種曲折線圓極化柵，特別是適用于損耗小、圓極化純度高、可滿足任意入射角度和生成任意圓極化旋向波的圓極化柵。

背景技術(shù)：

隨著通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對天線極化多樣性的要求也越來越高，圓極化、雙極化等技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣，例如在ka頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，要求發(fā)射天線為左旋圓極化天線，接收天線(k頻段)為右旋圓極化天線。線性極化分為垂直極化和水平極化。圓性極化又分為左旋極化和右旋極化。入射波的傳輸方向與分界面的法線確定的角度為人射角。入射波可以分解為兩個線極化波。對于線極化，當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向一致(電場方向)時，感應(yīng)出的信號最大(電磁波在極化方向上投影最大)；隨著收信天線的極化方向與線極化方向偏離越來越多時，感應(yīng)出的信號越小(投影不斷減小)；當(dāng)收信天線的極化方向與線極化方向正交(磁場方向)時，感應(yīng)出的信號為零(投影為零)線極化方式對天線的方向要求較高。在實際條件下，電磁波傳播途中遇到反射折射，會引起極化方向偏轉(zhuǎn)，有時一個信號既可以被水平天線接收，也可以被垂直天線接收，但無論如何，天線的極化方向常常是需要考慮的重要問題，線極化類似彎曲在地面上爬行的蛇，圓極化類似蛇繞在木棍上繞行。對于圓極化，無論收信天線的極化方向如何，感應(yīng)出的信號都是相同的，不會有什么差別(電磁波在任何方向上的投影都是一樣的)。所以，采用圓極化方式，使得系統(tǒng)對天線的方位(這里的方位是天線的方位，和前面所提到的方向系統(tǒng)的方位是不同的)敏感性降低。因而，大多數(shù)場合都采用了圓極化方式。圓極化天線的軸比為衡量圓極化純度的重要指標(biāo)，圓極化天線軸比小于3db可認(rèn)為該天線圓極化純度較高。

如今，天線的圓極化的方式大體有三種：第一種天線本身就是圓極化天線，如螺旋天線、圓極化喇叭等；第二種為改變天線饋電系統(tǒng)，兩個正交線極化移向、疊加形成圓極化天線；第三種是在線極化天線輻射口面上方一定高度加圓極化柵，將線極化轉(zhuǎn)變成圓極化。本身就是圓極化形式的天線很少，應(yīng)用范圍也有很大局限性；通過改變天線饋電系統(tǒng)，兩個正交線極化疊加形成的圓極化天線在空間布局、結(jié)構(gòu)上有很大的局限性，很多饋電結(jié)構(gòu)不能隨意更改；而通過在輻射口面上加圓極化柵實現(xiàn)天線圓極化這一方式，脫離了天線本身，不受天線自身形式、結(jié)構(gòu)的影響，可以滿足大多數(shù)圓極化天線的需求。

曲折線圓極化柵是圓極化柵里較為常見是一種，由兩層或多層金屬柵格組成，金屬柵格層之間采用低損耗泡沫或介質(zhì)支撐，可用于常見的線極化口徑天線或喇叭饋源上,實現(xiàn)天線的變極化工作，即線極化-圓極化(左旋或右旋)，這對于口徑天線的多極化、全天候工作具有特殊意義。上世紀(jì)六七十年代，由美國科學(xué)界首次提出并申請專利，該圓極化柵具有極化損耗小、極化純度高(軸比小于3db)等優(yōu)勢，但當(dāng)時的曲折線極化柵帶寬窄且僅適用于定向波束。近些年來，隨著對曲折線圓極化柵研究的不斷發(fā)展，對寬頻帶曲折線圓極化柵的研究取得了顯著成果，目前曲折線圓極化柵的帶寬可以做到大于20％，但也局限于定向波束。對于任意角度入射、不定波束的曲折線圓極化柵的研究寥寥無幾，因此曲折線圓極化柵無法適用于相控陣等波束掃描的天線中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)曲折線圓極化柵僅適用于定向波束、無法適用于掃描天線的這一缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、極化純度高、極化損耗小且可適用于任意入射角度的曲折線圓極化柵。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種任意入射角度的曲折線圓極化柵，包括從上到下依次為：上金屬柵格層1、上泡沫介質(zhì)層2、內(nèi)金屬柵格層3、下泡沫介質(zhì)層4和下金屬柵格層5，其特征在于：上金屬柵格層1、內(nèi)金屬柵格層3和下金屬柵格層5上分別對應(yīng)制有按周期排列的曲折線金屬柵格11、內(nèi)金屬柵格層曲折線金屬柵格31、下金屬柵格層曲折線金屬柵格51，分別凸出于上泡沫介質(zhì)層2和下泡沫介質(zhì)層4的上下表面，且是按線陣排列分布的；相鄰線陣金屬柵格分別由各自的等寬度的空氣槽12、32、52隔開，內(nèi)金屬柵格層3制于上泡沫介質(zhì)層2和下泡沫介質(zhì)層4之間；上泡沫介質(zhì)層2與上金屬柵格層1粘連，下泡沫介質(zhì)層4與內(nèi)金屬柵格層3粘連，下金屬柵格層5與下泡沫介質(zhì)層4粘連；當(dāng)水平線極化波以-60°<θ<60°，-40°<φ<40°范圍內(nèi)任意方向的可變?nèi)肷浣嵌?θ，φ)自下而上射入到曲折線金屬柵格時，水平線極化波在通過下曲折線金屬柵格51、內(nèi)金屬柵格層曲折線金屬柵格31、上金屬柵格層曲折線金屬柵格11變極化后，將水平線極化波變?yōu)樽笮蛴倚龍A極化波。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：

結(jié)構(gòu)簡單、厚度小、質(zhì)量輕、易于加工、成本低。本發(fā)明采用三層金屬柵格層，金屬柵格層之間由低損耗、低介電常數(shù)的泡沫支撐，層與層之間采用半固化片粘連，結(jié)構(gòu)簡單，厚度小(僅為10.4mm)、質(zhì)量輕，配件結(jié)構(gòu)少，易與加工和裝配，且上金屬柵格層1與下金屬柵格層5尺寸參數(shù)相同，內(nèi)金屬柵格層3與上下金屬柵格層尺寸參數(shù)不同，使得該設(shè)計的圓極化柵上下左右均為對稱周期結(jié)構(gòu)，仿真優(yōu)化時可僅針對單個周期結(jié)構(gòu)優(yōu)化，易于設(shè)計。上金屬柵格層1的曲折線金屬柵格11與下金屬柵格層5的曲折線金屬柵格51尺寸參數(shù)相同，與內(nèi)金屬柵格層3的曲折線金屬柵格31尺寸不同，保證了大角度入射波束的圓極化效果，泡沫介質(zhì)層(2、4)對金屬柵格層(1、3、5)起支撐作用，其厚度相同，金屬柵格層之間采用低損耗、低介電常數(shù)泡沫支撐，可以降低變極化損耗。滿足變極化損耗小這一關(guān)鍵因素。

適用于大角度入射波束。本發(fā)明區(qū)別于以往曲折線極化柵金屬柵格層尺寸相同的設(shè)計思路，采用上下金屬柵格層尺寸參數(shù)相同，內(nèi)金屬柵格層尺寸參數(shù)不同的設(shè)計思路，并用hfss三維電磁仿真軟件進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果顯示本發(fā)明的曲折線圓極化柵適用于波束(θ，φ)在-60°<θ<60°，-40°<φ<40°范圍內(nèi)任意方向入射的水平線極化波。并且在-60°<θ<60°，-40°<φ<40°的波束入射范圍內(nèi)，在10％帶寬內(nèi)軸比小于2.5db。

極化損耗小、極化純度高、寬帶。本發(fā)明泡沫介質(zhì)層采用低損耗泡沫介質(zhì)，滿足低損耗的要求。采用按線陣排列分布的和分別凸出于上泡沫介質(zhì)層2和下泡沫介質(zhì)層4的上下表面曲折線金屬柵格，通過對金屬柵格優(yōu)化設(shè)計提高駐波比帶寬及圓極化帶寬，抑制交叉極化，其軸比小于3db的軸比帶寬可以達10％以上。本發(fā)明采用按周期排列的曲折線金屬柵格，通過與入射線極化電場矢量45°夾角擺放，在具有明顯長寬比的弓形口徑上產(chǎn)生兩個空間正交的線極化電場分量，并使二者振幅相等(即簡并模)，相位差90°，實現(xiàn)了線極化到圓極化的轉(zhuǎn)變。線極化的電磁波以一定入射角度(θ，φ)自下而上射入曲折線極化柵，對于垂直入射波束(0°，0°)，在10％帶寬內(nèi)，極化損耗約為0.1db，軸比小于2db。隨著角度增加，極化損耗會隨之增加，對于大角度入射波束(60°，40°)，在10％帶寬內(nèi)，極化損耗約為1db，但極化純度仍然很高，軸比小于2.5db。

本發(fā)明為低損耗、低剖面、低成本、極化損耗小、極化純度高、不定波束的圓極化柵，特別適用于大角度圓極化掃描天線或不定波束天線。

附圖說明

圖1是任意入射角度的曲折線圓極化柵的構(gòu)造示意圖。

圖2是圖1金屬柵格周期單元結(jié)構(gòu)圖。

圖3是圖1剖視圖。

圖4是圖1的俯視圖。

圖中：1上金屬柵格層，2上泡沫介質(zhì)層，3內(nèi)金屬柵格層，4下泡沫介質(zhì)層，5下金屬柵格層。11上金屬柵格層曲折線金屬柵格，12上金屬柵格層金屬柵格空氣槽，21泡沫介質(zhì)，31內(nèi)金屬柵格層曲折線金屬柵格，32內(nèi)金屬柵格層金屬柵格空氣槽。41下泡沫介質(zhì)層。51下金屬柵格層曲折線金屬柵格，52下金屬柵格層金屬柵格空氣槽。

具體實施方式

參閱圖1-圖4。在以下描述的實例中一種任意入射角度的曲折線圓極化柵，包括上金屬柵格層1、上泡沫介質(zhì)層2、內(nèi)金屬柵格層3、下泡沫介質(zhì)層4和下金屬柵格層5，且三層金屬柵格層自上而下交替排布。三層金屬柵格層和兩層泡沫介質(zhì)層，共5層結(jié)構(gòu)。上泡沫介質(zhì)層2、下泡沫介質(zhì)層4對上泡沫介質(zhì)層2、內(nèi)金屬柵格層3和下金屬柵格層起支撐作用，其厚度相同。金屬柵格層1上制有按周期排列的曲折線金屬柵格11，相鄰金屬柵格11由等寬度的空氣槽12隔開。上泡沫介質(zhì)層2與上金屬柵格層1粘連，材料為介電常數(shù)為1.1的泡沫21。內(nèi)金屬柵格層3制于上泡沫介質(zhì)層2和下泡沫介質(zhì)層4之間，制有按周期排列的曲折線金屬柵格31，相鄰金屬柵格31由等寬度的空氣槽32隔開，內(nèi)金屬柵格層3金屬柵格31的尺寸參數(shù)不同于上金屬柵格層1的金屬柵格11。下泡沫介質(zhì)層4與內(nèi)金屬柵格層3粘連，材料為介電常數(shù)為1.1的泡沫41。下金屬柵格層5與下泡沫介質(zhì)層4粘連，制有按周期排列的曲折線金屬柵格51，相鄰金屬柵格51由等寬度的空氣槽52隔開，下金屬柵格層的金屬柵格51尺寸參數(shù)與上金屬柵格層的金屬柵格11相同。設(shè)有一線水平線極化波以一定角度(θ，φ)自下而上射入曲折線極化柵，入射角度(θ，φ)可變，電場為水平線極化且電場矢量方向與金屬柵格呈45°夾角，在通過曲折線圓極化柵后，線極化波可變?yōu)樽笮蛴倚龍A極化波。5層結(jié)構(gòu)自上而下依次排布，上金屬柵格層曲折線金屬柵格11,內(nèi)金屬柵格層曲折線金屬柵格31,下金屬柵格層曲折線金屬柵格51為雙向周期結(jié)構(gòu)，按照相同的周期延伸。內(nèi)金屬柵格層3的曲折線金屬柵格31的尺寸參數(shù)不同于上金屬柵格層1的上金屬柵格層曲折線金屬柵格11。下金屬柵格層的曲折線金屬柵格51尺寸參數(shù)與上金屬柵格層的上金屬柵格層曲折線金屬柵格11相同。下泡沫介質(zhì)層4材料為介電常數(shù)為1.1的下泡沫介質(zhì)層41，上泡沫介質(zhì)層2材料為介電常數(shù)為1.1的泡沫介質(zhì)21。上金屬柵格層1、內(nèi)金屬柵格層3和下金屬柵格層5所對應(yīng)的金屬柵格11內(nèi)金屬柵格層曲折線金屬柵格31、下金屬柵格層曲折線金屬柵格51基本單元為雙向周期結(jié)構(gòu)。曲折線金屬柵格以連續(xù)排列的弓形圖案線陣分布在上金屬柵格層1、內(nèi)金屬柵格層3和下金屬柵格層5上，并凸出于上述各層的表面。

極化柵工作時，水平線極化波(θ，φ)，電場矢量方向與金屬柵格11,內(nèi)金屬柵格層曲折線金屬柵格31、下金屬柵格層曲折線金屬柵格51呈45°夾角，則該電場矢量可以分解為兩個幅度相同的正交電場分量，該線極化波依次按照下金屬柵格層5,下泡沫介質(zhì)層4，內(nèi)金屬柵格層3，上泡沫介質(zhì)層2，上金屬柵格層1的順序射入圓極化柵，使兩個正交的電場分量產(chǎn)生90°的相位差，滿足圓極化條件，在金屬柵格層1的上方形成圓極化波。