用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器及转换方法与流程

本发明属于卫星通信技术领域，特别是涉及一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器及转换方法。

背景技术：

随着无线通信技术和卫星通信系统的快速发展，特别是通信系统对于多功能天线系统的一体化、集成化的设计需求越来越高，具有高精度、低剖面、极化任意转换等特性的天线逐渐成为通信系统发展的趋势和要求。新型平面卫星天线是一种低剖面、低成本的无源相控阵天线，该天线没有传统相控阵天线复杂的T/R组件，仅通过不同功能层的旋转即可达到方位、俯仰和极化角调整的目的，具有波束灵活扫描、高增益、小尺寸、超低轮廓、高频谱利用率等特点。

研究用于新型平面卫星天线的线-线极化转换器，并与天线系统一体化设计，不仅能使天线系统具有任意线极化转换的功能，还可以降低其复杂性、提高灵活性，因而任意线-线极化转换器对新型平面卫星天线系统而言具有极其重要的意义。

现有技术中一种典型的线-线极化转换器的结构参考图1，主要底层的金属板、中间层的介质层及顶层的人工表面电磁结构组成：其底层的金属板和中间层的介质层的横截面为正方形，其人工表面电磁结构由等宽的金属结构线组成，包括两个V形谐振器、一个切割线谐振器和两个V形金属线结构；所述两个V形谐振器位于介质层表面同一对角线上且对称于介质层表面中心分布，开口相对，所述切割线谐振器位于两个V形谐振器所在对角线上且链接在两个V形谐振器之间，所述两个V形金属线结构位于介质层表面另一对角线上且对称与介质层表面中心分布，开口相对。但是这种极化转换器无法实现对任意极化角的线极化电磁波的转换，只能实现垂直线极化到水平线极化或水平线极化到垂直线极化的转换，适用性较差。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器，以实现对任意入射角线极化电磁波的线-线极化转换的目的，并提高极化转换器的适用性；本发明的另一目的是提供一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器，包括自上而下依次设置的第一介质板、第一泡沫板、第二介质板、第二泡沫板、第三介质板和第三泡沫板；所述第一介质板与第一泡沫板粘接，构成上层极化盘，所述第二介质板与第二泡沫板粘接，构成中层极化盘，所述第三介质板与第三泡沫板粘接，构成下层极化盘；所述第一介质板、第二介质板、第三介质板对应朝向第一泡沫板、第二泡沫板、第三泡沫板一侧的表面均设置有金属栅。

进一步地，所述金属栅由周期性结构金属条构成。

本发明还提供一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换方法，该方法包括：

当平面卫星天线接收电磁波时，上层极化盘旋转至第一介质板上的金属栅与入射波电场极化匹配的角度，下层极化盘旋转至第三介质板上的金属栅与平面卫星天线辐射电场垂直处，中层极化盘的位置则处于上层极化盘与下层极化盘交角的1/2处；

当平面卫星天线发射电磁波时，下层极化盘旋转至第三介质板上的金属栅与平面卫星天线发射波电场方向垂直的角度，上层极化盘旋转至出射波与地球同步卫星接收天线极化匹配处，中层极化盘的位置则处于上层极化盘与下层极化盘交角的1/2处。

进一步地，当平面卫星天线接收电磁波时，线极化电磁波依次穿过第一介质板、第一泡沫板、第二介质板、第二泡沫板、第三介质板和第三泡沫板进入平面卫星天线；当平面卫星天线发射电磁波时，线极化电磁波的流向与信号接收过程相反。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器，设置了三层介质板和三层泡沫板，且在介质板朝向泡沫板一侧均设置有金属栅；该线-线极化转换器通过旋转不同的极化盘层来达到对任意方向的任意入射极化角的线极化电磁波任意转换为平面卫星天线工作所需角度的线极化电磁波的目的。

2、本发明提供的线-线极化转换器能够根据实际需求通过调节金属栅的尺寸和周期、上中下三层极化盘间距等结构参数，即可达到改变极化转换器工作频率的目的，设计简单灵活，相对于通过传统电调控改变工作频率的方式，成本与复杂度均大大降低。

3、在线-线极化转换器的工作频段中，对入射线极化电磁波能量所带来的损耗基本是由介质板的介质损耗带来的，其他损耗可以忽略不计；相较于现有技术中的线-线极化转换器，在保证工作带宽的前提下，避免了额外的插入损耗。

4、本发明提供的线-线极化转换器仅通过调整极化转换器三层极化盘与入射线极化波极化方向的夹角角度，即可实现出射波的线极化任意转换，结构简单，易于控制，有效地避免了由电调控极化转换器引入的偏置电路和集总器件所带来的一系列复杂性问题。

5、本发明提供的线-线极化转换器的三个极化盘的结构组成相同，三块介质板及介质板上印制的金属栅的结构尺寸也均相同，不仅有效地降低了设计和制作的复杂度，而且由于采用了密度小且刚度强的泡沫板作为极化转换器的支撑结构，既有效地降低了剖面尺寸，又最大化地降低了整个极化转换器的重量，这在车载尤其是机载新型平面卫星天线设计中是极其重要的技术指标。

上述一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器的有益效果与一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换方法的有益效果类似，此处不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的线-线极化转换器的结构示意图；

图2是本发明提供的一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器的立体结构示意图；

图3是本发明提供的一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器的剖面结构示意图；

图4是金属栅的俯视结构示意图；

图5是实施例一中的线-线极化转换器的仿真模型的示意图；

图6是实施例一中的线-线极化转换器的透波性能仿真结果示意图；

图7是实施例二中的线-线极化转换器的仿真模型的示意图；

图8是实施例三中的线-线极化转换器的透波性能仿真结果示意图。

图中序号所代表的含义为：10.第一介质板，20.第一泡沫板，30.第二介质板，40.第二泡沫板，50.第三介质板，60.第三泡沫板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例提供了一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器，如图2和图3所示，应用于平面卫星天线，所述线-线极化转换器包括自上而下依次设置的第一介质板10、第一泡沫板20、第二介质板30、第二泡沫板40、第三介质板50和第三泡沫板60；其中，所述第一介质板10与第一泡沫板20粘接，构成上层极化盘，所述第二介质板30与第二泡沫板40粘接，构成中层极化盘，所述第三介质板50与第三泡沫板60粘接，构成下层极化盘；所述第一介质板10、第二介质板30、第三介质板50对应朝向第一泡沫板20、第二泡沫板40、第三泡沫板60一侧的表面均设置有金属栅。

作为优选地，如图4所示，图4示出了金属栅的俯视结构示意图，所述金属栅由周期性结构金属条构成。

本实施例还提供一种用于平面卫星天线的任意线-线极化转换方法，该方法包括：当平面卫星天线接收电磁波时，上层极化盘旋转至第一介质板10上的金属栅与入射波电场极化匹配的角度，下层极化盘旋转至第三介质板50上的金属栅与平面卫星天线辐射电场垂直处，中层极化盘的位置则处于上层极化盘与下层极化盘交角的1/2处；当平面卫星天线发射电磁波时，下层极化盘旋转至第三介质板50上的金属栅与平面卫星天线发射波电场方向垂直的角度，上层极化盘旋转至出射波与地球同步卫星接收天线极化匹配处，中层极化盘的位置则处于上层极化盘与下层极化盘交角的1/2处。

需要说明的是，平面卫星天线接收电磁波时，线极化电磁波依次穿过第一介质板10、第一泡沫板20、第二介质板30、第二泡沫板40、第三介质板50和第三泡沫板60进入平面卫星天线；当平面卫星天线发射电磁波时，线极化电磁波的流向与信号接收过程相反。

在本实施例中，所述线-线极化转换器的第一介质板10、第二介质板30和第三介质板50均采用RT/duriod6002介质基板，其相对介电常数=2.94±0.04，介电损耗=0.0012，介质板厚度hd1=hd2=hd3=0.254mm，介质板直径d=700mm；第一泡沫板20、第二泡沫板40和第三泡沫板60均采用泡沫板，相对介电常数为1.09，介质损耗角正切值为0.0038，泡沫板的直径d=700mm，第一泡沫板20、第二泡沫板40和第三泡沫板60的厚度依次为hp1=3mm，hp2=3mm，hp3=8.5mm。

参考图4，在第一介质板10、第二介质板30和第三介质板50的下表面均印制有类梯形金属贴片构成的金属栅，其中，w1=1.5mm，相邻金属贴片的间隔w2=0.2mm。

下面针对本实施例所述的线-线极化转换器进行仿真，并结合仿真结果对所述线-线极化转换器的效果进行进一步的阐述：

1、仿真内容：使用全波仿真软件ANSYSHFSS对如图5所示的本实施例中的极化转换器的仿真模型应用Floquet模型进行全波仿真，建立如图5所示坐标系，以介质板中金属条与X轴正向顺时针方向夹角表示相对应极化盘的旋转角度，上层极化盘旋转0度，中层极化盘旋转45度，下层极化盘旋转90度，截取一个单元建立Floquet仿真模型，1端口在上，2端口在下；端口波模式选择TE和TM模式，即相对于该结构是水平极化模式与垂直极化模式。

2、仿真结果：参照图6，图6示出了根据本发明本实施例的透波性能仿真结果。曲线501、502分别表示1端口入射波为垂直极化波、2端口出射波是水平极化波以及2端口入射波为水平极化波、1端口出射波为垂直极化波的插入损耗，503、504分别表示1端口入射波为水平极化波反射波是水平极化波和2端口入射波为垂直极化波的回波损耗。从图6中可以看出，从1端口到2端口实现了高效率的垂直极化到水平极化的转换，而从2端口到1端口也同样非常高效地实现了的水平极化波到垂直极化波的转换。该极化转换器的工作频率为8.8GHz-13.8GHz。

所述线-线极化转换器针对特定极化角的线极化电磁波进行转换，也就是说，所述线-线极化转换器可以针对不同极化角的线极化电磁波通过旋转介质板的角度来实现接收并转换的功能。

由于每一层极化盘都是独立可旋转的，因此本发明可以通过整体旋转三层极化盘并保持其相对位置关系，以达到对不同方向的同入射极化角的线极化电磁波相同的转换效果。

进一步地，所述线-线极化转换器的工作频率可以通过调节金属栅的尺寸和周期以及上中下极化盘间距等结构参数进行调整，设计简单灵活，相对于通过电调控改变工作频率的方式，成本与复杂度均大大降低。

另外，在所述极化转换器的工作频段中，对入射线极化电磁波能量所带来的损耗基本是由介质板的介质损耗带来的，其他损耗可以忽略不计；相较于现有技术中的线-线极化转换器，在保证工作带宽的前提下，避免了额外的插入损耗。

在本实施例中，三个极化盘的结构组成相同，三块介质板及介质板上印制的金属栅的结构尺寸也均相同，不仅有效地降低了设计和制作的复杂度，而且由于采用了密度小且刚度强的泡沫板作为极化转换器的支撑结构，既有效地降低了剖面尺寸，又最大化地降低了整个极化转换器的重量，这在车载尤其是机载新型平面卫星天线设计中是及其重要的技术指标。

实施例二，在本实施例中，参考图7，所述线-线极化转换器的第一介质板10、第二介质板30、第三介质板50、第一泡沫板20、第二泡沫板40和第三泡沫板60均与实施例一相同，直径均为d=700mm；在第一介质板10、第二介质板30和第三介质板50的下表面均印制的金属栅，也与实施例一相同，所不同的是上、中、下三层极化盘相对旋转的角度不同，上层极化盘旋转0度，中层极化盘旋转25度，下层极化盘旋转50度。

下面针对本实施例所述的线-线极化转换器进行仿真，并结合仿真结果对所述线-线极化转换器的效果进行进一步的阐述：

1、仿真内容：由于结构特殊，不适合使用HFSS的Floquet建模，因此使用全波仿真软件CST对如图7所示的本实施例中的极化转换器进行仿真，上层极化盘旋转0度，中层极化盘旋转25度，下层极化盘旋转50度，在极化转换器的上下两侧各放置一个标准喇叭天线，作为发射和接收端，喇叭天线1探针与上层极化盘金属栅垂直，喇叭天线2探针与下层极化盘金属栅垂直。仿真结果显示了从喇叭1到喇叭2实现了高效率的50度极化相互转换。

实施例三，在实施例一结构的基础上，对各个介质板和泡沫板的参数进行如下调整：

所述极化转换器的第一介质板10、第二介质板30和第三介质板50均采用RO4350B介质基板，其相对介电常数=3.48±0.05，介电损耗=0.0027，介质板厚度hd1=hd2=hd3=0.254mm；第一泡沫板20、第二泡沫板40和第三泡沫板60均采用泡沫板，相对介电常数为1.09，介质损耗角正切值为0.0038，第一泡沫板20、第二泡沫板40和第三泡沫板60的厚度依次为hp1=4mm，hp2=4mm，hp3=8.5mm。

下面针对本实施例所述的线-线极化转换器进行仿真，并结合仿真结果对所述线-线极化转换器的效果进行进一步的阐述：

1、仿真内容：使用全波仿真软件ANSYSHFSS对本实施例中的极化转换器的仿真模型应用Floquet模型进行全波仿真，仿真方法同实施例一，以介质板中金属条与X轴正向顺时针方向夹角表示相对应极化盘的旋转角度，上层极化盘旋转0度，中层极化盘旋转45度，下层极化盘旋转90度，截取一个单元建立Floquet仿真模型，1端口在上，2端口在下；端口波模式选择TE和TM模式，即相对于该结构是水平极化模式与垂直极化模式。

2、仿真结果：参照图8，图8示出了根据本发明本实施例的透波性能仿真结果。曲线801、802分别表示1端口入射波为垂直极化波、2端口出射波是水平极化波以及2端口入射波为水平极化波、1端口出射波为垂直极化波的插入损耗，803、804分别表示1端口入射波为水平极化波反射波是水平极化波和2端口入射波为垂直极化波的回波损耗。从图8中可以看出，从1端口到2端口实现了高效率的垂直极化到水平极化的相互转换。该极化转换器的工作频率为4.8GHz-7.7GHz。

本发明提供了一种应用于平面卫星天线的任意线-线极化转换器，所述线-线极化转换器设置了三层介质板和三层泡沫板，且在介质板朝向泡沫板一侧均设置有金属栅。该线-线极化转换器可通过改变不同的极化盘层的旋转角度，实现对任意方向、任意入射极化角的线极化电磁波进行任意角度线极化电磁波转换的目的，即可根据平面卫星天线应用场景需求，实现任意线-线极化电磁波转换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各实施例之间相同相似部分互相参见即可。实践证明，本发明可通过更改结构参数而扩展应用于C、X、Ku、Ka等波段。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来讲是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。