任意入射角度的曲折线圆极化栅的制作方法

本发明涉及一种曲折线圆极化栅，特别是适用于损耗小、圆极化纯度高、可满足任意入射角度和生成任意圆极化旋向波的圆极化栅。

背景技术：

随着通信系统的不断发展，对天线极化多样性的要求也越来越高，圆极化、双极化等技术的应用范围也越来越广，例如在ka频段的卫星通信系统中，要求发射天线为左旋圆极化天线，接收天线(k频段)为右旋圆极化天线。线性极化分为垂直极化和水平极化。圆性极化又分为左旋极化和右旋极化。入射波的传输方向与分界面的法线确定的角度为人射角。入射波可以分解为两个线极化波。对于线极化，当收信天线的极化方向与线极化方向一致(电场方向)时，感应出的信号最大(电磁波在极化方向上投影最大)；随着收信天线的极化方向与线极化方向偏离越来越多时，感应出的信号越小(投影不断减小)；当收信天线的极化方向与线极化方向正交(磁场方向)时，感应出的信号为零(投影为零)线极化方式对天线的方向要求较高。在实际条件下，电磁波传播途中遇到反射折射，会引起极化方向偏转，有时一个信号既可以被水平天线接收，也可以被垂直天线接收，但无论如何，天线的极化方向常常是需要考虑的重要问题，线极化类似弯曲在地面上爬行的蛇，圆极化类似蛇绕在木棍上绕行。对于圆极化，无论收信天线的极化方向如何，感应出的信号都是相同的，不会有什么差别(电磁波在任何方向上的投影都是一样的)。所以，采用圆极化方式，使得系统对天线的方位(这里的方位是天线的方位，和前面所提到的方向系统的方位是不同的)敏感性降低。因而，大多数场合都采用了圆极化方式。圆极化天线的轴比为衡量圆极化纯度的重要指标，圆极化天线轴比小于3db可认为该天线圆极化纯度较高。

如今，天线的圆极化的方式大体有三种：第一种天线本身就是圆极化天线，如螺旋天线、圆极化喇叭等；第二种为改变天线馈电系统，两个正交线极化移向、叠加形成圆极化天线；第三种是在线极化天线辐射口面上方一定高度加圆极化栅，将线极化转变成圆极化。本身就是圆极化形式的天线很少，应用范围也有很大局限性；通过改变天线馈电系统，两个正交线极化叠加形成的圆极化天线在空间布局、结构上有很大的局限性，很多馈电结构不能随意更改；而通过在辐射口面上加圆极化栅实现天线圆极化这一方式，脱离了天线本身，不受天线自身形式、结构的影响，可以满足大多数圆极化天线的需求。

曲折线圆极化栅是圆极化栅里较为常见是一种，由两层或多层金属栅格组成，金属栅格层之间采用低损耗泡沫或介质支撑，可用于常见的线极化口径天线或喇叭馈源上,实现天线的变极化工作，即线极化-圆极化(左旋或右旋)，这对于口径天线的多极化、全天候工作具有特殊意义。上世纪六七十年代，由美国科学界首次提出并申请专利，该圆极化栅具有极化损耗小、极化纯度高(轴比小于3db)等优势，但当时的曲折线极化栅带宽窄且仅适用于定向波束。近些年来，随着对曲折线圆极化栅研究的不断发展，对宽频带曲折线圆极化栅的研究取得了显著成果，目前曲折线圆极化栅的带宽可以做到大于20％，但也局限于定向波束。对于任意角度入射、不定波束的曲折线圆极化栅的研究寥寥无几，因此曲折线圆极化栅无法适用于相控阵等波束扫描的天线中。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术曲折线圆极化栅仅适用于定向波束、无法适用于扫描天线的这一缺陷，提供一种结构简单、极化纯度高、极化损耗小且可适用于任意入射角度的曲折线圆极化栅。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种任意入射角度的曲折线圆极化栅，包括从上到下依次为：上金属栅格层1、上泡沫介质层2、内金属栅格层3、下泡沫介质层4和下金属栅格层5，其特征在于：上金属栅格层1、内金属栅格层3和下金属栅格层5上分别对应制有按周期排列的曲折线金属栅格11、内金属栅格层曲折线金属栅格31、下金属栅格层曲折线金属栅格51，分别凸出于上泡沫介质层2和下泡沫介质层4的上下表面，且是按线阵排列分布的；相邻线阵金属栅格分别由各自的等宽度的空气槽12、32、52隔开，内金属栅格层3制于上泡沫介质层2和下泡沫介质层4之间；上泡沫介质层2与上金属栅格层1粘连，下泡沫介质层4与内金属栅格层3粘连，下金属栅格层5与下泡沫介质层4粘连；当水平线极化波以-60°<θ<60°，-40°<φ<40°范围内任意方向的可变入射角度(θ，φ)自下而上射入到曲折线金属栅格时，水平线极化波在通过下曲折线金属栅格51、内金属栅格层曲折线金属栅格31、上金属栅格层曲折线金属栅格11变极化后，将水平线极化波变为左旋或右旋圆极化波。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

结构简单、厚度小、质量轻、易于加工、成本低。本发明采用三层金属栅格层，金属栅格层之间由低损耗、低介电常数的泡沫支撑，层与层之间采用半固化片粘连，结构简单，厚度小(仅为10.4mm)、质量轻，配件结构少，易与加工和装配，且上金属栅格层1与下金属栅格层5尺寸参数相同，内金属栅格层3与上下金属栅格层尺寸参数不同，使得该设计的圆极化栅上下左右均为对称周期结构，仿真优化时可仅针对单个周期结构优化，易于设计。上金属栅格层1的曲折线金属栅格11与下金属栅格层5的曲折线金属栅格51尺寸参数相同，与内金属栅格层3的曲折线金属栅格31尺寸不同，保证了大角度入射波束的圆极化效果，泡沫介质层(2、4)对金属栅格层(1、3、5)起支撑作用，其厚度相同，金属栅格层之间采用低损耗、低介电常数泡沫支撑，可以降低变极化损耗。满足变极化损耗小这一关键因素。

适用于大角度入射波束。本发明区别于以往曲折线极化栅金属栅格层尺寸相同的设计思路，采用上下金属栅格层尺寸参数相同，内金属栅格层尺寸参数不同的设计思路，并用hfss三维电磁仿真软件进行优化设计。结果显示本发明的曲折线圆极化栅适用于波束(θ，φ)在-60°<θ<60°，-40°<φ<40°范围内任意方向入射的水平线极化波。并且在-60°<θ<60°，-40°<φ<40°的波束入射范围内，在10％带宽内轴比小于2.5db。

极化损耗小、极化纯度高、宽带。本发明泡沫介质层采用低损耗泡沫介质，满足低损耗的要求。采用按线阵排列分布的和分别凸出于上泡沫介质层2和下泡沫介质层4的上下表面曲折线金属栅格，通过对金属栅格优化设计提高驻波比带宽及圆极化带宽，抑制交叉极化，其轴比小于3db的轴比带宽可以达10％以上。本发明采用按周期排列的曲折线金属栅格，通过与入射线极化电场矢量45°夹角摆放，在具有明显长宽比的弓形口径上产生两个空间正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等(即简并模)，相位差90°，实现了线极化到圆极化的转变。线极化的电磁波以一定入射角度(θ，φ)自下而上射入曲折线极化栅，对于垂直入射波束(0°，0°)，在10％带宽内，极化损耗约为0.1db，轴比小于2db。随着角度增加，极化损耗会随之增加，对于大角度入射波束(60°，40°)，在10％带宽内，极化损耗约为1db，但极化纯度仍然很高，轴比小于2.5db。

本发明为低损耗、低剖面、低成本、极化损耗小、极化纯度高、不定波束的圆极化栅，特别适用于大角度圆极化扫描天线或不定波束天线。

附图说明

图1是任意入射角度的曲折线圆极化栅的构造示意图。

图2是图1金属栅格周期单元结构图。

图3是图1剖视图。

图4是图1的俯视图。

图中：1上金属栅格层，2上泡沫介质层，3内金属栅格层，4下泡沫介质层，5下金属栅格层。11上金属栅格层曲折线金属栅格，12上金属栅格层金属栅格空气槽，21泡沫介质，31内金属栅格层曲折线金属栅格，32内金属栅格层金属栅格空气槽。41下泡沫介质层。51下金属栅格层曲折线金属栅格，52下金属栅格层金属栅格空气槽。

具体实施方式

参阅图1-图4。在以下描述的实例中一种任意入射角度的曲折线圆极化栅，包括上金属栅格层1、上泡沫介质层2、内金属栅格层3、下泡沫介质层4和下金属栅格层5，且三层金属栅格层自上而下交替排布。三层金属栅格层和两层泡沫介质层，共5层结构。上泡沫介质层2、下泡沫介质层4对上泡沫介质层2、内金属栅格层3和下金属栅格层起支撑作用，其厚度相同。金属栅格层1上制有按周期排列的曲折线金属栅格11，相邻金属栅格11由等宽度的空气槽12隔开。上泡沫介质层2与上金属栅格层1粘连，材料为介电常数为1.1的泡沫21。内金属栅格层3制于上泡沫介质层2和下泡沫介质层4之间，制有按周期排列的曲折线金属栅格31，相邻金属栅格31由等宽度的空气槽32隔开，内金属栅格层3金属栅格31的尺寸参数不同于上金属栅格层1的金属栅格11。下泡沫介质层4与内金属栅格层3粘连，材料为介电常数为1.1的泡沫41。下金属栅格层5与下泡沫介质层4粘连，制有按周期排列的曲折线金属栅格51，相邻金属栅格51由等宽度的空气槽52隔开，下金属栅格层的金属栅格51尺寸参数与上金属栅格层的金属栅格11相同。设有一线水平线极化波以一定角度(θ，φ)自下而上射入曲折线极化栅，入射角度(θ，φ)可变，电场为水平线极化且电场矢量方向与金属栅格呈45°夹角，在通过曲折线圆极化栅后，线极化波可变为左旋或右旋圆极化波。5层结构自上而下依次排布，上金属栅格层曲折线金属栅格11,内金属栅格层曲折线金属栅格31,下金属栅格层曲折线金属栅格51为双向周期结构，按照相同的周期延伸。内金属栅格层3的曲折线金属栅格31的尺寸参数不同于上金属栅格层1的上金属栅格层曲折线金属栅格11。下金属栅格层的曲折线金属栅格51尺寸参数与上金属栅格层的上金属栅格层曲折线金属栅格11相同。下泡沫介质层4材料为介电常数为1.1的下泡沫介质层41，上泡沫介质层2材料为介电常数为1.1的泡沫介质21。上金属栅格层1、内金属栅格层3和下金属栅格层5所对应的金属栅格11内金属栅格层曲折线金属栅格31、下金属栅格层曲折线金属栅格51基本单元为双向周期结构。曲折线金属栅格以连续排列的弓形图案线阵分布在上金属栅格层1、内金属栅格层3和下金属栅格层5上，并凸出于上述各层的表面。

极化栅工作时，水平线极化波(θ，φ)，电场矢量方向与金属栅格11,内金属栅格层曲折线金属栅格31、下金属栅格层曲折线金属栅格51呈45°夹角，则该电场矢量可以分解为两个幅度相同的正交电场分量，该线极化波依次按照下金属栅格层5,下泡沫介质层4，内金属栅格层3，上泡沫介质层2，上金属栅格层1的顺序射入圆极化栅，使两个正交的电场分量产生90°的相位差，满足圆极化条件，在金属栅格层1的上方形成圆极化波。