本發(fā)明屬于平面透射陣天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低剖面高效率極化變換透射陣天線。

背景技術(shù)：

平面透射陣天線是將傳統(tǒng)曲面透鏡天線和微帶陣列天線的若干優(yōu)點而形成的一種新型高增益天線，它是由平面透射陣列和饋源天線組成的。平面透射陣列是由拓撲結(jié)構(gòu)相似的透射型頻率選擇表面單元構(gòu)成的，通過對陣列上每個單元進行相位補償，以在陣列的另一側(cè)產(chǎn)生所需要的輻射波束。由于其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、高增益等眾多優(yōu)點，已經(jīng)在無線通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。傳統(tǒng)的透射陣天線通常采用介質(zhì)板層數(shù)至少在三層以上的多層頻率選擇結(jié)構(gòu)作為陣列單元，通過改變陣列上每個多層頻率選擇結(jié)構(gòu)的尺寸或旋轉(zhuǎn)角度大小來補償各個單元之間的相位差別，從而在陣列的另一側(cè)形成同相的高增益波束。然而，傳統(tǒng)透射陣天線只能工作在單一的極化模式下，且透射陣列的極化方式主要取決于饋源天線的極化方式。如果透射陣天線采用線極化饋源，則透射陣列工作在線極化模式；如果透射陣天線采用圓極化極化饋源，則透射陣列工作在圓極化模式?，F(xiàn)有的多極化透射陣天線采用二維結(jié)構(gòu)的三層矩形環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)作為陣列單元，通過調(diào)整矩形環(huán)縫隙在正交方向上的尺寸和饋源的旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)多種極化方式，但這種單元的縱向剖面較高，總厚度在中心頻率處的0.5個波長以上；而且這種單元在正交極化方向的透射系數(shù)幅度相位的相互影響作用比較大，導致透射陣天線的極化轉(zhuǎn)換效率和各個極化模式下的口徑輻射效率比較低，其口徑輻射效率最大值僅為27％。而且，傳統(tǒng)透射陣單元的結(jié)構(gòu)較為復雜，介質(zhì)板使用層數(shù)至少在三層以上，總厚度至少在中心頻率處的0.5個波長以上，從而導致透射陣列的縱向剖面高度過大，不易與系統(tǒng)集成。雖然現(xiàn)有的透射陣天線技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應用，但隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和極化分集技術(shù)的日益普遍，通信系統(tǒng)迫切要求同一款天線能夠?qū)崿F(xiàn)多種極化方式的自由切換，而且具備較高極化變換效率、高口徑輻射效率和低剖面高度，但同時滿足這些要求非常困難。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：傳統(tǒng)透射陣天線的極化方式單一，不能實現(xiàn)不同極化方式的自由切換，傳統(tǒng)透射陣列單元的縱向剖面高度過大，不易與系統(tǒng)集成，而且傳統(tǒng)多極化透射陣天線的極化轉(zhuǎn)換效率和口徑輻射效率比較低。造成傳統(tǒng)透射陣天線的極化方式單一的原因在于：傳統(tǒng)透射陣單元的極化方式單一，不具備不同極化之間的變換能力；造成傳統(tǒng)透射陣天線縱向剖面高度過大的原因在于：傳統(tǒng)透射陣單元采用縱向剖面過大的二維多層結(jié)構(gòu)，如果要保證足夠的透射系數(shù)幅度和相位變化范圍，其介質(zhì)板層數(shù)至少在3層以上，其厚度在中心頻率處的0.5個波長以上；造成傳統(tǒng)多極化透射陣天線的極化轉(zhuǎn)換效率和口徑輻射效率比較低的原因在于：采用的三層矩形環(huán)縫隙單元的透射損耗比較大，而且單元在正交極化方向上的幅度相位的相互影響作用比較大。

現(xiàn)有技術(shù)問題解決的難度在于:傳統(tǒng)透射陣天線很難同時具備多種極化方式之間的變換能力、高極化變換效率、高口徑輻射效率和低剖面高度等眾多優(yōu)勢于一身。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種低剖面高效率極化變換透射陣天線。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種低剖面高效率極化變換透射陣天線，其特征在于，所述低剖面高效率極化變換透射陣天線包括：

角錐喇叭天線作為透射陣天線的饋源；

采用雙層三維部分對稱十字振子作為透射陣列單元。通過獨立調(diào)節(jié)陣列上各個三維部分對稱十字振子單元在兩個正交方向上的結(jié)構(gòu)尺寸，使兩個正交方向極化的透射波相位相差90度，以保證陣列單元具有不同極化方式的變換能力，從而使設計的透射陣列能夠?qū)崿F(xiàn)多種極化方式的自由切換。

進一步，所述透射陣列單元是由不同尺寸的三維部分對稱十字振子單元周期性排列而成。

進一步，所述雙層部分對稱三維十字振子，縱向剖面高度為中心頻率處的0.22個波長。

本發(fā)明所提出的雙層三維部分對稱十字振子單元，是在借鑒傳統(tǒng)透射陣單元設計方法的基礎(chǔ)上，對僅能實現(xiàn)單一極化方式的雙層三維完全對稱十字振子單元的一種有效改進。通過這種技術(shù)改進，本發(fā)明的雙層三維部分對稱十字振子單元具備了不同極化方式之間的變換能力，從而使本發(fā)明設計的透射陣天線能夠?qū)崿F(xiàn)多種極化方式(包括線極化和圓極化)，有效促進了極化分集透射陣天線技術(shù)的發(fā)展和應用，改善了傳統(tǒng)透射陣天線僅能實現(xiàn)單一極化的不足。此外，由于本發(fā)明的雙層三維部分對稱十字振子單元在正交極化方向的透射系數(shù)幅度與相位之間保持了良好的隔離，從而保證了設計的透射陣天線較高的極化轉(zhuǎn)換效率，進而使透射陣天線在各種極化模式下的口徑輻射效率高達54％以上，因此實現(xiàn)了透射陣天線在各個極化模式下較高的輻射效率。

本發(fā)明的優(yōu)點為：通過采用具有不同極化方式變換能力的變尺寸型雙層三維部分對稱十字振子作為陣列單元，使本發(fā)明的透射陣天線能夠克服傳統(tǒng)透射陣天線僅能實現(xiàn)單一極化的不足，實現(xiàn)了多種極化方式的自由變換，而且設計的透射陣天線僅僅采用了一個線極化饋源，就實現(xiàn)不同旋向的圓極化和線極化的切換，免去了使用多副天線來實現(xiàn)不同極化的麻煩。本發(fā)明的天線通過采用透射型三維頻率選擇結(jié)構(gòu)作為陣列單元，和傳統(tǒng)透射陣天線設計相比，本發(fā)明設計的三維透射陣天線實現(xiàn)了較低的縱向剖面高度，從而大大提高了和系統(tǒng)之間的集成度。此外，由于本發(fā)明的雙層三維部分對稱十字振子單元在正交極化方向的透射系數(shù)幅度與相位之間保持了良好的隔離，從而保證了設計的透射陣天線較高的極化轉(zhuǎn)換效率，進而使透射陣天線在各種極化模式下的口徑輻射效率高達54％以上，因此實現(xiàn)了透射陣天線在各個極化模式下較高的輻射效率。綜上所述，本發(fā)明的透射陣天線具有低剖面和能夠?qū)崿F(xiàn)多種極化方式自由切換以及在各個極化模式下較高的輻射效率等眾多優(yōu)點；本發(fā)明的低剖面極化變換透射陣天線的提出和設計，有力地推進了透射陣天線技術(shù)的發(fā)展和應用。

本發(fā)明的積極技術(shù)效果為：通過采用具有不同極化方式變換能力的變尺寸型雙層三維部分對稱十字振子作為陣列單元，使本發(fā)明的透射陣天線能夠克服傳統(tǒng)透射陣天線僅能實現(xiàn)單一極化的不足，實現(xiàn)了多種極化方式的自由變換的功能；設計的三維透射陣天線相比于傳統(tǒng)二維透射陣天線，其介質(zhì)板使用層數(shù)減少了1層，縱向剖面高度降低了中心頻率處的0.28個波長，而且天線在各種極化模式下的口徑輻射效率高達54％以上，實現(xiàn)了在各個極化模式下較高的輻射效率。此外，天線在在圓極化的工作模式下，中心頻率處的增益約為24.7db,1-db增益帶寬和3-db軸比帶寬均為10.9％(9.5-10.6ghz),這說明本發(fā)明設計的透射陣天線能夠在較寬的頻帶內(nèi)保持良好的圓極化輻射特性，天線在線極化的工作模式下，中心頻率處的增益約為25.2db，1-db增益帶寬約為9％(9.6-10.5ghz)，這說明本發(fā)明設計的透射陣天線在線極化工作模式下也能夠保持寬帶高增益的輻射特性。

本發(fā)明采用簡單的三維雙層部分對稱十字振子作為陣列單元，能夠在具備較大透射相位補償范圍的基礎(chǔ)上保持較高的透射率，再通過調(diào)整透射陣列上每個單元上的十字振子的尺寸，天線就可以在具有較低縱向剖面高度的同時，實現(xiàn)較高的軸向增益和口徑利用效率。傳統(tǒng)的透射陣天線采用二維完全對稱結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)板層數(shù)至少在三層以上，縱向剖面高度至少在中心頻率處的0.5個波長以上，存在結(jié)構(gòu)復雜、縱向剖面高度較高和透射損耗較大和極化方式單一等眾多缺陷。相比較而言，本發(fā)明所提出的雙層三維部分對稱十字單元，縱向剖面高度僅為中心頻率處的0.22個波長，而且具有較小的透射損耗。利用所提出的三維部分對稱十字振子單元設計的透射陣天線，克服了傳統(tǒng)透射陣天線極化方式單一的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)多種極化的自由切換，而且天線在各種極化模式下的口徑利用效率高達54％以上，其縱向剖面高度明顯降低，有力地促進了透射陣天線技術(shù)的發(fā)展和應用；所以本發(fā)明適合低剖面高效率極化變換透射陣天線設計。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的低剖面高效率極化變換透射陣天線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、饋源；2、透射陣列單元。

圖2是本發(fā)明實施例提供的透射陣列單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：(a)俯視圖(b)側(cè)視圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的x極化方向的透射系數(shù)隨x方向的振子尺寸lx的變化曲線

圖4是本發(fā)明實施例提供的不同lx的情況下y極化方向的透射系數(shù)隨ly的變化

圖5是本發(fā)明實施例提供的角錐喇叭天線的平面結(jié)構(gòu)圖。

圖6是本發(fā)明實施例提供的角錐喇叭天線的反射系數(shù)隨頻率變化示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例提供的角錐喇叭天線在10ghz處的e、h面增益方向圖。

圖8是本發(fā)明實施例提供的透射陣列的平面結(jié)構(gòu)圖。

圖9是本發(fā)明實施例提供的極化變換透射陣天線的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖中：(a)線極化－左旋圓極化變換模式(b)線極化－右旋圓極化變換模式(c)線極化－線極化模式。

圖10是本發(fā)明實施例提供的透射陣天線在10ghz處的線極化狀態(tài)下歸一化輻射方向圖。

圖11是本發(fā)明實施例提供的透射陣天線在10ghz處的左旋圓極化狀態(tài)下的歸一化輻射方向圖。

圖12是本發(fā)明實施例提供的透射陣天線在10ghz處的右旋圓極化狀態(tài)下的歸一化輻射方向圖。

圖13是本發(fā)明實施例提供的不同極化模式下的最大輻射方向上的增益和軸比隨頻率的變化示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的低剖面高效率極化變換透射陣天線包括：饋源1、透射陣列單元2。

角錐喇叭天線作為透射陣天線的饋源1、采用雙層結(jié)構(gòu)的三維十字振子作為透射陣列單元2。透射陣列單元2是由不同尺寸的三維十字振子單元周期性排列而成的，陣列上的各個單元均按照獨立調(diào)節(jié)十字振子在正交方向上的尺寸的方式對各自的透射相位進行補償，從而保證經(jīng)饋源照射后透射陣天線能夠?qū)崿F(xiàn)多種極化方式的自由變換和在陣列的另一側(cè)能發(fā)出同相高增益透射波束。設計出的低剖面極化變換透射陣天線如圖1所示：

從圖2中可以看出，設計的透射陣單元采用雙層結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)板的上表面和下層介質(zhì)板的下表面均敷有金屬十字貼片，四個金屬圓柱分布在十字振子的四側(cè)，分別連接了兩個十字振子的四個側(cè)臂。四個金屬圓柱的采用，使設計單元在縱軸方向增加了一個維度，故而形成了三維結(jié)構(gòu)的透射陣單元。設計單元的中心工作頻率為10ghz，總高度為(h+2t)＝6.5mm，相當于中心工作頻率的0.22個波長。而現(xiàn)有的二維結(jié)構(gòu)的透射陣單元，其介質(zhì)層數(shù)至少在三層以上，總高度至少在中心工作頻率的0.5個波長以上。因此，相比于傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)的透射陣單元，設計單元的縱向剖面高度明顯降低。

圖3給出了陣列單元在中心頻率10ghz處，x極化方向的透射系數(shù)幅度和相位隨十字振子在x軸方向上的尺寸lx變化的曲線圖。從圖3中可以看出，振子長度在7-17mm的變化范圍內(nèi)，單元的透射相位的變化范圍約為300度,透射系數(shù)的幅度保持在-0.8db以上，所以該單元可以在保證較高透波系數(shù)的前提條件下，通過調(diào)節(jié)十字振子的尺寸來調(diào)整單元的透射相位，以此實現(xiàn)透射陣列上各單元的相位補償。

圖4給出了lx逐漸變化的情況下，y極化方向的透射系數(shù)幅度和相位隨十字振子在y軸方向上的尺寸ly變化的曲線圖。從圖4中可以看出，當不同lx情況下，隨著ly從7mm變化到17mm，y極化方向的透射系數(shù)幅度總在-1db以上，透射相位的變化范圍均在300度左右，并且不同lx情況下的y極化方向的透射系數(shù)幅度和相位變化曲線基本重合，這說明設計的三維十字振子單元在x方向和y方向之間保持良好的極化隔離度，即x方向的振子尺寸變化對y方向透射系數(shù)幅度和相位的影響幾乎為0。同理，y方向的振子尺寸變化對x方向透射系數(shù)幅度和相位的影響也幾乎為0。所以，該單元在x,y方向上的透射相位可獨立調(diào)節(jié)，并且保持高達-1db以上的透波系數(shù)和300度左右的相位變化范圍。需要說明的是，正是由于這種三維非對稱十字振子在正交極化方向上均具有-1db以上的透波系數(shù)，并且其幅度和相位均保持了良好的隔離度，所以才能保證本發(fā)明的透射陣天線在各個模式下均具有高極化轉(zhuǎn)換效率和高輻射效率，這是本發(fā)明的關(guān)鍵優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，通過對陣列上各個單元在x,y方向上的振子尺寸lx和ly進行調(diào)節(jié)以保證陣列單元在正交極化方向上的透波幅度相等和相位相差90度，并適當調(diào)整饋源的旋轉(zhuǎn)角度，就可以實現(xiàn)從線極化到不同極化方式的變換。

由于饋源天線到透射陣列各個單元的路徑不同，所以各個單元之間存在由路徑差別所造成的相位差。為了使透射陣天線各個單元保持相同相位，本設計對陣列上各個單元的縫隙長度進行調(diào)節(jié)，從而補償各個單元之間的相位差別。

假設透射陣列上第(m,n)個單元所需的相位補償為ψmn，其在x極化方向的透射系數(shù)為tx∠ψx，y極化方向的透射系數(shù)為ty∠ψy。如果單元無透射損耗，即當入射波全透射時，有tx＝ty＝1。對于陣列上第(m,n)個單元，如果分別調(diào)節(jié)x,y方向的振子尺寸lx和ly，使ψx＝ψmn和ψy＝ψmn+π/2。在此基礎(chǔ)上，可以得到以下的結(jié)論：

(1)當饋源位于透射陣列上方并與x軸形成45度夾角時，第(m,n)個單元的透射系數(shù)沿x,y方向的幅度分量相等，y方向的透射相位超前x極化方向透射相位90度，由圓極化的定義可知該單元的透射波的極化方式為左旋圓極化。

(2)當饋源位于透射陣列上方并與x軸形成-45度夾角時，由坐標變換可知，第(m,n)個單元的透射系數(shù)沿沿正交方向的透射相位超前滯后關(guān)系發(fā)生逆轉(zhuǎn)，則該單元的透射波的極化方式為右旋圓極化。

(3)當饋源位于透射陣列正上方并與x軸形成0度夾角時，第(m,n)個單元沿x方向的透射相位滿足ψx＝ψmn，滿足相位補償條件，則該單元的透射波的極化方式為線極化。

綜上所述，當我們對陣列上每個單元沿x,y方向的縫隙長度都進行合適的調(diào)節(jié)，使每個單元在x方向上滿足空間相位補償，在y方向的透射相位超前x極化方向透射相位90度，在這樣的前提下，如果饋源位于透射陣列上方并與x軸分別形成45度,0度，-45度夾角時，則陣列透射波的極化方式分別為，左旋圓極化，線極化，右旋圓極化，這就形成了透射陣列不同極化方式的切換。

由于角錐喇叭天線具有寬帶，高增益，端射式的優(yōu)點，故本發(fā)明采用角錐喇叭天線作為透射陣天線的饋源。本發(fā)明設計的多極化透射陣工作頻率為10ghz，所以采用中心頻率為10ghz的角錐喇叭天線。其結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖6和圖7分別給出了角錐喇叭天線的反射系數(shù)和10ghz處的e，h面輻射方向圖：

透射陣列的結(jié)構(gòu)和透射陣天線的整體結(jié)構(gòu)分別如圖8和圖9所示：

從圖9可以看出，如果饋源位于透射陣列上方并與x軸分別形成45度,0度，-45度夾角時，則陣列透射波的極化方式分別為，左旋圓極化，線極化，右旋圓極化，所以該透射陣天線可以實現(xiàn)多種極化方式的自由切換。

圖10-12分別給出了透射陣天線在10ghz處線極化，左，右旋圓極化工作模式下的歸一化輻射方向圖：

從圖中可以看出，該天線在線極化工作模式下，半功率波瓣寬度為9度,第一副瓣電平約為-19db，最大輻射方向上的交叉極化電平在-50db以下；在左旋圓極化工作模式下，主極化為左旋圓極化，交叉極化為右旋，半功率波瓣寬度為9度,第一副瓣電平約為-19db，最大輻射方向上的交叉極化電平在-30db以下；在右旋圓極化工作模式下，主極化為右旋圓極化，交叉極化為左旋，半功率波瓣寬度為9度,第一副瓣電平約為-19db，最大輻射方向上的交叉極化電平在-24db以下。所以該透射陣天線在各個極化模式下的輻射方向圖均實現(xiàn)了高增益、高極化轉(zhuǎn)換效率和低副瓣，達到了設計目的。

圖13給出了該透射陣天線在圓極化工作模式下的增益和軸比，以及在線極化工作模式下的增益。從圖中可以看出，在圓極化的工作模式下，天線在10ghz處的增益約為24.7db,相應的口徑輻射效率約為54％。在9.5-10.6ghz的頻率范圍內(nèi)增益衰減不超過1db；同樣在9.5-10.6ghz的頻率范圍內(nèi)軸比值小于3db,這表明本發(fā)明設計的透射陣天線能夠在較寬的頻帶內(nèi)保持良好的圓極化輻射特性；在線極化的工作模式下，天線在10ghz處的增益約為25.2db，相應的口徑輻射效率約為64％。在9.6-10.5ghz的頻率范圍內(nèi)增益高于24db。值得注意的是，設計的透射陣天線在圓極化模式下，中心頻率10ghz處的軸比值在0.5db以下，這充分說明其具有高極化變換效率和良好的圓極化性能。通過比較已有的透射陣天線設計方法相比較，該三維透射陣天線在各種極化模式下的口徑效率明顯高于傳統(tǒng)二維透射陣天線，其原因在于設計的三維部分對稱十字單元在正交極化方向的透射系數(shù)幅度與相位之間保持了良好的隔離，從而保證了設計的透射陣天線較高的極化轉(zhuǎn)換效率，進而實現(xiàn)了透射陣天線在各個極化模式下較高的輻射效率。此外，該天線的剖面高度僅為中心頻率處的0.22個波長，相比于傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)的透射陣天線而言，其剖面高度也明顯降低。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。