基于全向双圆极化相控任意多极化天线和多极化通道通信系统的制作方法

本发明涉及天线和通信系统技术领域，具体地，涉及一种基于全向双圆极化相控任意多极化天线和多极化通道通信系统，尤其涉及一种通过全向双圆极化实现任意极化的天线和基于该天线进行多极化通道同时通信系统。

背景技术：

根据电磁波基础理论，任意线极化波可以由旋向相反的双圆极化波进行合成，因此任意极化天线可以通过双圆极化天线进行相控合成。现有技术中亟需一种基于全向双圆极化相控任意多极化天线和多极化通道通信系统。

zhoubin,junpinggeng等人2015年在internationaljournalofantennasandpropagation发表的文章“dualcircularlypolarizedomnidirectionalantennawithslotarrayoncoaxialcylinder”提出了一种全向双圆极化天线，但是由于其左右旋圆极化馈电端口分布在天线的上下两端。天线竖直放置时下端馈电口线缆对辐射方向图没有影响，但上端馈电端口所接线缆的下垂部分必定会影响辐射方向图，从而影响天线的全向圆极化特性，且导致安装不便。

专利文献cn106229635b公开了一种同侧馈电的全向双圆极化天线，包括：辐射结构、类同轴阻抗匹配结构、射频激励转换t型连接结构，所述类同轴阻抗匹配结构分为上类同轴阻抗匹配结构和下类同轴阻抗匹配结构，所述辐射结构的上、下端分别连接上类同轴阻抗匹配结构的下端和下类同轴阻抗匹配结构的上端，上类同轴阻抗匹配结构的上端用金属圆片封闭，下类同轴阻抗匹配结构的下端连接射频激励转换t型连接结构，射频激励转换t型连接结构的接口能够直接采用sma接头馈线进行射频激励。该专利在结构和性能上仍然有待提高的空间。

2019年在ieeeaccess发表的文章“dualcppolarizationdiversityandspacediversityantennasenabledbyacompactt-shapedfeedstructure”提出了一种通过t型头在天线同一端激励双圆极化的全向天线，避免天线上下两端馈电线缆对辐射方向图造成影响，并对该天线的双圆极化的特性进行仿真和实测，但是该文献并没有对双圆极化合成任意线极化特性进行分析和实测，且由于同一端进行馈电，天线辐射双圆极化波的初始相位并不相同，因此合成线极化波的相位需要进行校准。与此同时，任意多极化同时辐射特性也没有得到研究，利用该特性进行多通道通信具有充分的潜力。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种任意多极化的全向天线和基于该天线的多极化通道通信系统。该天线能够实现任意极化全向电磁波辐射，-8db带宽达到10％，在整个带宽内能实现任意极化的全向电磁波辐射，带内增益大于5db。基于该天线设计多极化通道通信系统，对不同通道使用不同极化电磁波同时进行通信，能够实现不同通道相同功率同时发射信号时，不同通道之间的信号功率差达30db。

根据本发明提供的一种基于全向双圆极化的任意多极化天线和多极化通道通信系统，包括：基于全向双圆极化的任意多极化天线、多端口相移网络、信号解耦网络，所述基于全向双圆极化的任意多极化天线分为全向双圆极化天线和双馈电端口，双端口依次与多端口相移网络、信号解耦网络级联。在发射部分中，信号依次通过解耦网络、相移网络、双馈电端口传输到双圆极化天线进行辐射。在接收部分中，双圆极化天线接收到电磁信号后依次通过相移网络和解耦网络进行输出。

通过对双圆极化天线实施不同相位馈电可以辐射任意线极化电磁波，通过对双圆极化天线实施不同幅度馈电可以辐射任意椭圆极化电磁波，通过对双圆极化天线馈入多通道信号和可以等效同时辐射任意数量的电磁波。

由于该天线能够辐射任意数量任意极化的全向电磁波，因此将不同通道分配不同极化的电磁波，实现任意数量的多通道同时通信。

对于发射部分，多端口相移网络能够将各个独立通道的信号通过功分器、移相器、合路器转化为两路具备相差的信号并合成输出到双圆极化天线的两个馈电端口。

对于接收部分，多端口相移网络则将信号从双圆极化天线的两个端口接收下来，通过功分器、移相器、合路器转化为相应多路不同极化电磁波信号传输给解耦网络输入端口。

由于不同极化电磁波之间存在耦合，需要对不同极化通道之间信号进行解耦。解耦网络通过抵消多极化通道之间的极化耦合对多通道同时传输信号进行解耦，具体采用对多通道信号矩阵乘以去耦矩阵实现解耦，可以在发射端进行解耦，可以在接收端进行解耦，也可以在发射端和接收端都进行解耦，以此实现各个通道之间信号隔离，实现多通道同时通信。

进一步的，本发明可用于极化捷变的无线传输系统。

如图1所示，采用数字移相器，对于一种发射信号，根据通信系统的编码帧长度周期的整数倍设定极化捷变时间周期，每个周期内设定一组天线发射两端口间的相差，从而发射的电磁信号在空间形成一种极化。下一极化捷变周期再变为另一相差，电磁波在空间形成另一极化。依次类推，在时域上就形成了一组相差序列。这个相差序列在收发两端提前约定好，那么接收端就可以在时域按照这个相差序列来设定接收端天线两个端口的相差，形成与发射端当前时刻对应的一致的极化，从而实现极化匹配，很好的接收发射端传来的电磁信号。

发射过程中，发射的电磁波的极化可以是左旋圆极化，可以是右旋圆极化，也可以是椭圆极化，也可以是任意线极化(与地面的夹角变化)。

这种极化捷变的工作方式可以抑制环境和噪声的干扰，也可以用于保密通信。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中，任意极化天线能够实现任意多极化全向辐射，且具有较高的增益；

2、本发明结构合理，使用方便，全向性能好；

3、本发明能够消除任意极化之间的耦合；

4、本发明能够实现任意多极化通道同时通信；

5、本发明能够实现相同功率发射信号不同极化通道之间接收功率差30db。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明实施例中的基于全向双圆极化相控任意多极化天线的结构示意图。

图3是本发明实施例中的多极化通道通信发射部分具体示意图。

图4为本发明实施例中的多极化通道通信接收部分具体示意图。

图5是本发明实施例中的基于全向双圆极化相控任意多极化天线双端口相控馈电时1端口回波损耗示意图。

图6是本发明实施例中的基于全向双圆极化相控任意多极化天线双端口相控馈电时2端口回波损耗示意图。

图7是本发明实施例中的双通道通信时两个通道之间接收功率电平示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例一

如图1-图4所示，本发明所提供的基于全向双圆极化相控任意多极化天线和多极化通道通信系统，包括：基于全向双圆极化天线的任意极化天线、多端口相移网络、信号解耦网络，所述基于全向双圆极化天线的任意极化天线分为发射天线和接收天线，二者均通过双端口同时相控馈电辐射任意极化波，所述多端口相移网络根据通道数量和极化要求输出两路对应信号，所述信号解耦网络根据各通道之间的极化耦合对信号进行解耦。全向双圆极化天线由在金属圆柱外壁开设两两互成90度的矩形缝隙辐射圆极化波，多端口相移网络通过移相器、功分器、合路器对信号实施相移、功率分配和信号叠加，解耦网络通过对信号进行矩阵变换去除各通道之间的极化耦合。

进一步地，天线辐射结构为在类(似)双同轴线结构，开互相垂直的周向4个的矩形缝隙，沿轴向重复排列4组构成4元阵提高增益。互相垂直的缝隙构成圆极化波，两个端口分别从不同方向馈电形成双圆极化。通过双圆极化合成线极化的原理，如图2所示，对原本的双圆极化天线双端口进行相控馈电，当同时辐射的两个圆极化波存在一定相差时，此时合成波为线极化波。同理如果对两个圆极化波进行幅控馈电，总的合成场为椭圆极化。但是在实际通信过程中，线极化波适用范围远大于椭圆极化，且相控馈电实现难度低于幅控馈电，因此本天线能适用于全向任意极化场合。

进一步地，通过调节图2中连接双圆极化天线两个馈电端口的移相器的相移量，可以对本发明天线的极化实时控制，相应的可以根据一定的时序进行控制极化，实现极化跳变通信。

进一步地，根据电磁场的线性叠加原则，可以同时输入多个不同极化信号，如图3所示，经过解耦网络输出的信号s_1^'(t)根据该信号的极化要求，通过功分器分为等功率的两路，左路通过移相器产生δφ1l的相移，右路通过移相器产生δφ1r的相移；同理解耦网络输出的信号s_2^'(t)根据该信号的极化要求，左路通过移相器产生δφ2l的相移，右路通过移相器产生δφ2r的相移；然后分别对通过左右路移相器输出的两个信号相加，左路合路信号输入双圆极化天线的左旋圆极化端口，右路合路信号输入双圆极化天线的右旋圆极化端口。

进一步地，接收部分的原理和发射部分相同，但是顺序发生颠倒，如图4所示。天线收到两路双圆极化信号，两个极化通道的信号其实各自拆解在两个圆极化信号里，需要根据两个通道的极化方向复原出原始信号。首先收到的两路圆极化信号先通过功分器分为功率相等的两路信号，此时取左1路信号通过移相器产生δφ1l的相移，左2路信号通过移相器产生δφ2l的相移，右1路信号通过移相器产生δφ1r的相移，左2路信号通过移相器产生δφ2r的相移。对左1路信号和右1路信号进行合路输出为对应一种极化的信号，对左2路信号和右2路信号进行合路输出为对应灵一种极化的信号。本实施例为便于阐述原理，采用双通道系统说明，根据通道数的不同，相应的功分器、移相器和合路器的数量端口数需要做针对性的调整。

进一步地，根据电磁波基本原理，不同线极化方向的电磁波之间存在耦合，耦合的关系由具体极化角度决定。当不同信号通过不同的极化通道进行无线传输后，需要对不同极化信号实施解耦。解耦可以在发射端实施，也可以在接收端实施，也可以在发射端和接收端均实施。具体在数学表达上，原始信号由于各个信号之间的耦合等效于乘以一个耦合矩阵，相应的解耦就是乘以该矩阵的逆矩阵，将信号之间的耦合去除。

如图5所示是本实施例仿真双圆极化天线进行相控馈电时得到端口1的回波损耗图。从图中可以看出，在5.2ghz-5.8ghz频段内所有相差馈电时回波损耗小于-8db。

如图6所示是本实施例仿真双圆极化天线进行相控馈电时得到端口2的回波损耗图。从图中可以看出，在5.2ghz-5.8ghz频段内所有相差馈电时回波损耗小于-8db。

如图7所示是本实例双通道通信时，两个相同功率不同频信号同时发射的两个通道各自的接收天平实测结果图。信号1是基带频率100khz的信号，信号2是基带频率200khz的信号。上半部分代表通道1的接收电平值，下半部分代表通道2的接收电平值。从图中可以看出，通道1中100khz频率信号的接收电平大于-50db，200khz频率信号的接收电平小于-80db下，通道2中100khz频率信号的接收电平小于-80db，200khz频率信号的接收电平大于-50db，实现单通道内有效信号比干扰信号大于30db效果。

实施例二

进一步的，本发明可用于极化捷变的无线传输系统。

如图1所示，采用数字移相器，对于一种发射信号，根据通信系统的编码帧长度周期的整数倍设定极化捷变时间周期，每个周期内设定一组天线发射两端口间的相差，从而发射的电磁信号在空间形成一种极化。下一极化捷变周期再变为另一相差，电磁波在空间形成另一极化。依次类推，在时域上就形成了一组相差序列。这个相差序列在收发两端提前约定好，那么接收端就可以在时域按照这个相差序列来设定接收端天线两个端口的相差，形成与发射端当前时刻对应的一致的极化，从而实现极化匹配，很好的接收发射端传来的电磁信号。

发射过程中，发射的电磁波的极化可以是左旋圆极化，可以是右旋圆极化，也可以是椭圆极化，也可以是任意线极化(与地面的夹角变化)。

这种极化捷变的工作方式可以抑制环境和噪声的干扰，也可以用于保密通信。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。