一种极化可切换的圆极化器的制作方法

本发明涉及微波天线技术领域，特别是一种线极化波到左右旋圆极化波可切换的极化器。

背景技术：

极化是电磁波的一个重要特征，对于卫星通信来说，通畅的链路，不仅仅需要地面天线的波束指向对准卫星，还需要地面天线的极化和卫星波束的极化相匹配。电磁波的极化是由电磁波沿传播方向的电场矢量末端所走过的轨迹确定的，电场矢量末端的轨迹为直线、圆、椭圆时，对应的极化状态分别为线极化、圆极化、椭圆极化。根据电场矢量末端的轨迹的旋向不同，又可以将(椭)圆极化波分为左右旋(椭)圆极化波。极化匹配要求收发天线的极化完全相同，这样才不会有极化损失。卫星通信采用了多种极化形式，这就要求地面天线能够具备多种极化的辐射能力。以中星16号卫星为例，该卫星采用了左右旋圆极化复用增大通信容量，在地面不同的地区，该卫星的信号极化不同，如果需要在不同地面区间都能够和中星16号进行通信，这就需要地面天线能够实现左右旋圆极化的可切换能力。

实现天线波束的极化切换的方法主要可以分为两种形式：一是采用双极化天线，一般做法是同一个天线单元采用两路正交极化模式馈电，在天线的后端再通过极化网络对极化进行变换；另一种方法是采用单极化的天线单元组成阵列，然后在天线阵列口面上增加极化器实现对天线辐射电磁波的极化转换。

第一种方法实现极化转换的优势在于：通过选用不同的极化网络可以实现所需的任意极化波，极化网络可以采用可控电路结构实现极化的快速切换；但是，该方法需要采用双极化天线，增加了馈电网络的复杂性，另外，某些种类的天线(如波导裂缝天线、可变倾角连续横向节天线)实现双极化设计难度大，该方法实现极化的转换不具有普适性。

第二种方法实现极化转换的优势在于：通过增加二维平面结构就能实现天线的极化转换，天线可以是单线极化辐射天线，降低了天线设计的复杂度；由于增加了平面的电路结构，存在介质损耗和反射损耗等额外损耗，会一定程度地降低天线的辐射效率。但是，这种方法改变天线的极化具有普适性，在一些天线的设计中具有必需性。因此研究平面极化器，特别是可切换圆极化器具有重要意义。

圆极化器通常为平面周期结构，根据不同的周期单元形式和不同的结构层数可以设计多种形式的圆极化转换器，但所有的透射型圆极化器基本原理都相同：线极化入射波可以分解为电场垂直的两个方向的波，入射波透过圆极化器之后，两个垂直方向的电场幅度不变，相位相差90°，这样就实现了线极化波到圆极化波的转换，转换条件为：

文献[1]史赛群,伍捍东,任宇辉,etal.单片微带双面折线栅圆极化天线罩[c],全国军事微波技术暨太赫兹技术学术会议.2014:267-270.文献[2]max,huangc,panw,etal.adualcircularlypolarizedhornantennainku-bandbasedonchiralmetamaterial[j].ieeetransactionsonantennasandpropagation,2014,62(4):2307-2311.文献[3]linc,gey,birdts,etal.circularly-polarizedhornsbasedonstandardhornsandametasurfacepolarizer[j].ieeeantennasandwirelesspropagationletters,2018:1-1.文献[4]刘双兵.一种透射型线-圆极化转换超表面设计[j].电子元件与材料,2017(9):18-21.文献[5]akbarim,farahanim,sebakar,etal.ka-bandlineartocircularpolarizationconverterbasedonmultilayerslabwithbroadbandperformance[j].ieeeaccess,2017,5:17927-17937.上述文献中提出了多种圆极化器的设计方法，这些传统的圆极化器在设计过程中，并未考虑圆极化器的实际使用环境，通常采用喇叭天线作为馈源进行研究。但是在实际使用中，圆极化器的应用环境具有多样性，通常圆极化器和天线之间的电场非常复杂，仅仅是考虑喇叭天线作为馈源设计圆极化器无法满足使用需求。

传统的圆极化器注重线极化波到圆极化波的极化转换，但是并未考虑左右旋圆极化波切换的实际可行性。

随着无线通信技术的发展和极化分集技术的日益普遍，迫切需要一种能够实现多种极化方式的自由切换，而且具备较高极化变换效率、高口径辐射效率和低剖面高度的圆极化器。

综上所述：现有圆极化器技术存在的问题是：辐射极化形式单一，无法进行极化自由切换；极化器设计的应用环境单一，无法适应多种平面天线需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种极化可切换的圆极化器。本发明通过对极化器的结构进行旋转，能够将天线的辐射电磁波极化进行改变，能够实现线极化波到左、右旋圆极化波的任意转换，或者不改变原电磁波极化形式；另外，两层结构的设计，消除天线结构和曲折线圆极化器的相互作用影响，改善天线轴比性能，提高极化转换效率，该圆极化器能够适用于各种超薄的平面天线口面，在卫星通信领域具有广阔的应用前景。

本发明采用的技术方案如下：一种极化可切换的圆极化器，包括上层结构和下层结构，所述下层结构包括金属栅、介质板和泡沫层，所述金属栅由多条金属线均匀的间隙排布组成，所述金属栅印制在介质板上，所述介质板粘接到泡沫层上；所述上层结构包括两个泡沫层、三层介质板和金属曲折线结构，所述金属曲折线结构由多条金属曲折线均匀的间隙排布组成，所述三层介质板均印制了金属曲折线结构，所述三层介质板和两个泡沫层相间粘结；所述上层结构和下层结构为同轴线的圆盘结构，所述上层结构可相对下层结构绕轴线转动。

进一步的，在上层结构和下层结构的外沿粘结圆环。

进一步的，所述圆环下部设置导行轮，圆环上部设置金属导轨，所述导行轮在金属导轨滚动时，上层结构相对于下层结构转动。

进一步的，在上层结构和下层结构中心设置圆孔，在圆孔安装转动轴，转动轴带动上层结构相对于下层结构转动。

进一步的，所述圆环外侧设置工齿轮，利用齿轮或皮带带动圆盘结构转动。

进一步的，所述上层结构和下层结构间距为中心工作频率对应波长的1/2。

进一步的，所述金属栅中的多条金属线均匀分布。

进一步的，所述金属曲折线结构中的多条金属曲折线均匀分布。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：

(1)工作带宽宽：金属曲折线圆极化器以其独特的优势，自提出以来受到广泛关注，本发明采用了三层金属曲折线实现圆极化器，通过优化曲折线的关键参数，拓展圆极化器的带宽。

(2)适应性强：本发明采用了金属栅和金属曲折线组合结构，利用金属栅作用于天线口面复杂的电场，使得经过金属曲折线的电磁波极化为纯线极化波。从金属栅透射的纯线电磁波作为金属曲折线圆极化器的输入波，保证了输入电磁波的线极化特性，从而保证了极化转换的效率。仿真表明本发明提出的结构能够应用于victs天线、波导阵列天线、微带阵列天线等平面天线的口面上实现极化转换，本发明提出的结构具有适应性强的优点。

(3)极化可快速切换：由于采用了圆盘结构和可旋转结构设计，本发明提出的极化器能够通过电机驱动等形式改变各层结构的旋转角度，不同的旋转角度对应不同的极化转换形式。本发明提出的结构能够实现左旋圆极化波到右旋圆极化波的快速切换。

附图说明

图1为金属栅平面结构。

图2为圆极化器下层结构局部结构视图。

图3为金属曲折线的平面结构。

图4为圆极化器上层结构局部结构视图。

图5为圆极化器两层结构装配剖视图。

图6为实施例victs天线+圆极化器外形爆炸视图。

图7为实施例victs天线+圆极化器剖面视图。

图8为圆极化器的单元仿真s参数曲线。

图9为圆极化器的单元仿真两个正交方向透射波的相位差。

图10为圆极化器的单元理论轴比计算值(法向入射)。

图11为未加圆极化器时victs天线的线极化增益曲线。

图12为加圆极化器后victs天线的圆极化增益曲线。

图13为加圆极化器后victs天线的圆极化增益曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提出一种线极化波到左右旋圆极化波转化的装置，主要由两个可旋转平面结构组成，如图5所示。其中下层结构为金属栅结构(图中10为局部金属栅结构)，上层结构为多层金属曲折线结构(20为局部金属曲折线结构)。金属栅和金属曲折线均印制在低损耗薄介质板上，介质板粘接在泡沫上，保证整个旋转结构强度的同时，保证各层金属结构之间的间隙。两层结构采用了可旋转结构设计，通过改变两层结构金属栅和曲折线之间的夹角，可以实现对线极化波的极化转换，能够满足不同的通信极化需求，在卫星通信等领域，具有广阔的前景。

本发明是这样实现的：

如图3所示，极化器分为两个独立平面可旋转结构100、200。

如图1-2所示，极化器的下层结构100为金属栅结构，金属栅是由一定宽度的金属线101按照一定的间隙排布组成的结构。采用印制工艺将金属栅印制到薄介质板110上，再采用粘接工艺将薄介质板粘接到低损耗泡沫120上。金属栅能够保证透射电磁波的极化特性为纯线极化，该透射波作为上层结构的输入波。

如图3-4所示，极化器的上层结构200为多层金属曲折线结构，金属曲折线201按照一定的间距排布组成的结构，为了满足宽带等要求，本发明采用的是三层金属曲折线结构。同样是采用印制工艺将金属曲折线印制到薄介质板210上，三层薄介质板和两层一定厚度的泡沫220相间粘接，实现第二层圆极化器结构。

图3和图4中所示的金属曲折线的弯折处为90°角，需要说明的是，本申请中金属曲折线的形式不限制于图3和图4中所示的结构。

上下层结构均为圆盘结构，采用了外沿粘接圆环结构230增加该结构的强度。

为了实现两层圆盘的可旋转的能力，在圆盘的外沿圆环下部增加导行轮203、上部增加金属导轨105，上层结构可以在下层结构上绕圆盘中心转动。

在两层圆盘中心增加圆孔102、202，圆孔插进轴中实现多层结构的同心转动。在两层结构外沿圆环上可加工齿轮104、204，利用齿轮或皮带可带动圆盘结构转动。

两层结构的间距约为中心工作频率对应波长的1/2。

线极化波转换为圆极化波的过程是：入射线极化波按照一定的角度射向金属栅，该入射波在保证电场垂直于金属线的条件下可以实现全透射，透射后的电磁波具有高线极化纯度，通过旋转上层结构，使金属曲折线结构方向(金属曲折线结构方向是指曲折线延伸的方向)改变，实现投射后的电磁波电场方向与曲折线方向形成不同角度，由圆极化器的原理可知，当该角度为﹢45°(圆极化器逆时针旋转45°)，可实现线极化波到右圆极化波的转换；当该角度为-45°(圆极化器顺时针旋转45°)，可实现线极化波到左圆极化波的转换；当该角度为0度或者90°，圆极化器不改变原线极化波特性。

其中一个实施例：

本实施例采用可变倾角连续横向枝节(victs)天线作为辐射天线，该天线属于两层圆盘结构，如图6-7所示，由上层辐射单元层400和下层馈电层300构成，通过两层圆盘的转动可以实现天线波束的方位和俯仰扫描。天线的设计工作频段为18ghz-21ghz。

victs天线的两层圆盘外沿结构同圆极化器的两层外沿结构相同，增加了下部导行轮结构303和上部的导轨305设计。

圆极化器的两层结构置于victs天线的辐射单元层上面，两层结构与victs天线两层圆盘同心。

圆极化器的下层结构的金属线的宽度li_w＝0.3mm，金属线的间距li_dis＝0.9mm，介质板厚度为li_hl＝0.13mm，泡沫厚度为li_hp＝3.5mm。

本实施例中，为了简化一层传动结构，圆极化器的下层结构与victs天线的上层辐射单元层粘接。粘接保证victs金属缝隙方向与圆极化器下层结构金属线方向相同。

本实施例中各层结构口径均为144mm。

圆极化器上层结构单元参数如下:金属曲折线之间的间隔距离dx＝6.26mm，金属曲折线的一个弯折单元的长度dy＝4.77mm，金属曲折线突折部分的高度xx＝2.06mm，金属曲折线突折部分的宽度yy＝2.75mm，金属曲折线的宽度w＝0.4mm，需要说明的是，在本实施例中金属曲折线的三层参数采用相同的值，但本发明并不限制三层金属曲折线参数相同。

圆极化器上层结构采用的介质板厚度为cp_hl＝0.13mm，泡沫层厚度为cp_hp＝3.5mm。圆极化器的两层结构间隙为7.7mm。

本例圆极化器的工作原理如下：

由victs天线辐射的电磁波，经过圆极化器的下层结构以后，该辐射电磁波为纯线极化波，其电场方向与金属栅垂直。调整上层圆极化器的旋转角度，使得经过圆极化器下层结构的电磁波电场方向与上层结构呈45°的夹角，这样，该电磁波便可以分解为垂直金属折线(如图3中dx方向)和平行曲折线(如图3中dy方向)两个方向等幅的两个分量ex和ey，这两个分量的电磁波经过曲折线之后，相位相差90°。根据圆极化波的原理，在保证两个正交分量幅度相等和相位相差90°的条件下，从圆极化器透射的波为圆极化波，这样便实现了线极化波到圆极化波的转化。由于本发明提出了可旋转的结构设计，圆极化器上层结构可以根据需求进行任意角度的旋转，当需要进行相反旋向的圆极化辐射时，可以将上层结构与下层结构的角度增加(或减小)90°；当需要进行线极化波辐射时，可以将上层结构与下层结构角度调为相同(曲折线与金属栅的方向相同)。也就是说，通过旋转圆极化器上层结构，实现与下层结构不同的夹角，从而使得透射的电磁波具有不同的极化状态，可以根据需求实现对天线辐射波的极化进行切换。

(1)仿真结果

图8和图9的仿真结果表明：在15ghz-22ghz的频率带宽内，圆极化器单元两个垂直方向入射波的s21幅度大于0.95，相位差基本在90°±10°以内。基于该仿真结果，计算圆极化器单元的理论轴比如图10所示，在15ghz-22ghz的频段内，圆极化器轴比小于2，曲折线圆极化器具有宽带特性，圆极化器单元设计完全满足设计要求。

图11和图12的比较结果表明：通过旋转圆极化器角度，使得金属栅和金属曲折线成-45°夹角时，本发明的圆极化器能够将victs天线辐射波由线极化转化为左旋圆极化波。victs天线不加圆极化器的最大线极化增益为25.5dbi，加圆极化器后最大左旋圆极化增益为24.65dbi，考虑极化器的损耗的情况下，极化转换效率高于80％。

图11和图13的比较结果表明：通过旋转圆极化器角度，使得金属栅和金属曲折线成45°夹角时，本发明的圆极化器能够将victs天线辐射波由线极化转化为右旋圆极化波。victs天线不加圆极化器的最大线极化增益为25.5dbi，加圆极化器后最大左旋圆极化增益为24.85dbi考虑极化器的损耗的情况下，极化转换效率高于80％。

综上，本发明实现了线极化波到左右旋圆极化波的可切换转化，同时本发明具有带宽宽、适用性广等优势。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。