专利名称：基于交叉偶极子反射面天线的一维光子晶体极化补偿装置的制作方法
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，圓极化天线(Circular Polarized Antenna,简称CPA )得到广泛的应用，在波束方向的圆极化(Circular Polarization,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系统成本。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系统的可用波束宽度，增加了系 统用于精确对准的额外成本。
光子晶体的概念是E. Yablonovitch和S.John首先提出的。光子 晶体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，增加了系统的成本。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一维光子晶体结 构的极化补偿装置，通过一维光子晶体结构补偿由于反射面散射所造 成的极化偏差，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一维光子晶体结构的极化补偿装置，包
括
基于Kronig-Penney (简称KP )模型设计的一维光子晶体，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光子晶体结构板，调整输入 激励比，得到可用的最大波束宽度。
所述一维光子晶体板结构，具有一层基板，基板材料为玻璃，折 射率ns4.52。其余两种介质采用ABAB周期型结构，折射率分别为 1.2和1.08的材料。
所述基板厚度为5mm，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 可调节式支撑杆，用于人工调整所述光子晶体板的方向角； 旋转式支撑杆，用于类似旋转马达的装置实现旋转扫描。 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。
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l描述了用于极化补偿一维光子晶体的结构； 图2示出补偿的交叉偶极子作为馈源的反射面天线结构； 图3示出平行放置一维光子晶体的补偿结构； 图4示意性示出适用于图2所示结构的旋转的补偿结构。 图5示出本发明实施方式对于图2,图3,图4几种结构的极化 补偿结果；
图6示出图2所示结构的三维远场增益； 图7示出图3所示结构的三维远场增益；图8示出图4所示结构的三维远场增益；
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描述了根据本发明的用于极化补偿一维光子晶体的结构。 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为一维光子晶体ABAB型结构的第一 种介质，折射率为nl,厚度为dl。 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。
对于一维光子晶体而言，其中的场的方程可以使用修正的麦克斯
韦方程组来描述 & c 。
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^f兹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
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，A ;t h， B"气并且对于通过一维光子晶体的
入射场和透射场的关系可以表示如下
人A-
其中M为复合矩阵， mw.
M =
将M矩阵更为一般地表示为
定义反射系数和透射系数r和t为
附 附12
.附21附22.
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
厂=^o附n + ^^附12 —附21 _ 7,附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5.8xl07Siemens/m，相对电介质常 数为1,相对;兹导率为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^f亍的波束。此处i殳计的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示出平行放置一维光子晶体的补偿结构。301为图1中所示 的放置在最底层的基底，302、 304为介质B， 303、 305为介质A， 306为图2所示的以交叉偶极子为馈源的反射面天线结构。307、 308、 309分别为该补偿结构的支撑杆。基底301材料选用玻璃，其折射率 ns二1.52,介质A302/304和介质B303/305分别选用折射率为1.2和1.08 的材料。基底厚度为5mm，其余各层厚度选择介质内等效波长的1/4。 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306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。
图4示意性示出适用于图2所示结构的旋转补偿结构，其结构为 图3中的补偿结构的偏转。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， 406为图2所示的以交叉偶 极子为馈源的反射面天线结构。407、 408、分别为该补偿结构的支撑 杆。409为旋转杆，可以用于调整补偿结构的方位角。
在具体机械实现时，可以采用可调节式支撑杆，也可以使用类似 于旋转马达来调节旋转杆的方向角。后者可以动态的调整不同的方 向，类似与雷达扫描器实现不同角度的快速调整。在具体实现时不同 的机械构建方式不构成对本发明的限制。
图5示出本发明实施方式对于图2,图3,图4几种结构的极化补偿结果。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，PCP表示平行光子晶体补偿，RCP表示旋转 补偿结构，旋转的角度为30度。在可用波束宽度B范围内应当满足
其中，^'。'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
5 = 6> _6
max min
其中，为满足可用波束条件的最小方向角，& 为满足可用波束 条件的最大方向角。
可以看出在一维光子晶体结构旋转30度后，将可用波束宽度从 25度提高到38度，对于平行式补偿结构不能够将轴比值调整到1:1 的区域扩大，对于NCP和PCP结构，其最大角宽在输入激励比值为 1:1时取到，而RCP由于旋转了 30度倾角，不再满足轴对称关系， 其在输入激励比值调整到1:0.75时，可以达到最大的角宽。
图6、图7、图8分别示出图2、图3、图4所示结构的三维远场 增益。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(dB) = 101og(4;rf/ /而/( J"五x i/* ,
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^f兹场H的复共轭。ds是法向量方向本地端口单位边界。
可以看出在加入补偿结构后，透射场的强度有所增加，由于补偿 元件是基于透射型结构所设计，对于辐射的增益不但没有降低，反而
提升了约2-3%。旋转式补偿结构改变了发射天线的方向性结构，其 3D辐射图不再满足严格轴对称，对于极化的补偿并未降低辐射场的 强度。
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。
权利要求
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一维光子晶体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；利用支撑杆、旋转杆等机械装置放置光子晶体结构板；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一维光子晶体结构，其特 征在于所述一 维光子晶体具有以下特征采用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<formula>formula see original document page 2</formula>其中，A A 44 \ B"w，并且根据单层转移关系，确定所述通过一维光子晶体的入射场和透射场的关系可以表示如下<formula>formula see original document page 2</formula>
3、根据权利要求2所述的信号极化补偿一维光子晶体结构，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 = M'M2"…似w.所述M矩阵可以更为一般地表示为 ^2」 确定所述反射系数和透射系数r和t为<formula>formula see original document page 3</formula>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<formula>formula see original document page 3</formula>Zo附l' + 7。y,W'2 +附21 +八附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一维光子晶体结构，其特征在于所述用 于补偿的一维光子晶体结构具有如下特征所述光子晶体板基底材料为玻璃，折射率ns^.52; 其余两种介质的折射率分别为1.2和1.08的材料； 所述基底厚度为5mm,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 4立于所述4旭物面的焦点处；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光子晶体结构板的机械装置包括可调节式支撑杆，用于人工调整所述光子晶体板的方向角； 旋转式支撑杆，用于类似旋转马达的装置实现旋转扫描。
全文摘要
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一维光子晶体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；利用支撑杆、旋转杆等机械装置放置光子晶体结构板；调整输入激励比，得到可用的最大波束宽度。根据本发明的方法，可以通过简单增加补偿光子晶体板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。
文档编号H01Q19/10GK101295814SQ20081010273
公开日2008年10月29日 申请日期2008年3月26日 优先权日2008年3月26日
发明者周锡增, 张永军, 彬 李, 李桂仁, 顾畹仪, 黄善国 申请人:北京邮电大学