一种透射阵单元及紧凑型任意极化旋转的传输阵列透镜

本发明涉及微波天线，尤其涉及一种透射阵单元及紧凑型任意极化旋转的传输阵列透镜。

背景技术：

1、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。

2、随着脉冲功率、等离子体物理和相对论真空电子学等技术的发展，使得高功率微波技术迅速发展并逐步成熟应用。其中，高功率微波武器将高功率微波通过增益天线定向辐射，将能量聚集在相对较窄的波束内，以较高的功率密度辐射目标，从而破坏敌方的电子设备。随着武器装备的信息化和信息系统的武器化，高功率微波武器作战应用越来越广泛。然而打击目标电子设备，需要特定极化的高功率微波才能奏效，但是目前高功率微波辐射天线的极化形式大多是单一的极化形式，只能做到针对打击特定极化接收的电子设备作用效果较好。因此，为了提升高功率微波天线的作用效果，需要丰富和发展任意极化辐射技术，做到一种高功率微波武器可以针对任意极化形式的电子设备。双透射式阵列天线作为一种可移相调幅的微波极化传输器件，凭借其平面化结构和高功率容量的性能，成为了近年来业界研究与应用的热点。

3、双透射式阵列透镜天线由变极化阵列透镜和圆极化阵列透镜组成，其传输原理大致如下：当线极化平面波照射到透射阵表面各单元时，该线极化波可被分解为与椭圆孔长轴平行以及与椭圆孔短轴平行的两个正交的极化分量ex和ey，这两个极化分量初始相位相同，而幅值由入射线极化波极化方向决定，因此通过旋转透射阵列天线，来控制线极化平面波输入时ex和ey的幅值比实现调幅式极化变化。又由于与长轴平行的极化分量的相速度大于与短轴平行的极化分量的相速度，在经过一定距离传输后，这两个极化分量会产生相位差，因此可是实现移相式极化变化。

4、因此现有的极化变换原理可分为两种：移相式极化变换、调幅式极化变换；

5、(1)移相式极化变换：将入射的线极化波分解为两正交分量，即ex和ey，控制两分量的相位差即可实现极化的变换，常见于线——圆极化转换。

6、(2)调幅式极化变换：将入射的线极化波分解为两正交分量，即ex和ey，控制两分量的幅值比即可实现极化的变换，常见于线——线极化转换。

7、单个透射镜仅能实现移相式或调幅式极化变换，只能实现线极化到圆极化变换或线极化180°旋转，无法实现任意极化的变换。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，至少克服一个，提出了一种透射阵单元及紧凑型任意极化旋转的传输阵列透镜。

2、本发明采取的技术方案如下：

3、本技术提供一种透射阵单元，包括：第一金属层、第一间隔空气波导层、第二金属层、第二间隔空气波导层以及第三金属层；

4、所述第一金属层、第一间隔空气波导层、第二金属层、第二间隔空气波导层以及所述第三金属层均为等大的正多边形板层并通过依次层叠设置形成柱体结构，正多边形板层的边长为d0；

5、所述第一金属层、第二金属层以及第三金属层上均形成有椭圆通孔，各金属层的椭圆通孔相互对齐，所述椭圆通孔的椭圆率为e，长轴尺寸为a，所述椭圆通孔的长轴方向与水平方向形成有夹角θ，各金属层具有相同的厚度d1；

6、所述第一间隔空气波导层以及所述第二间隔空气波导层的厚度相同均为d2，所述间隔空气波导层上形成有正多边形通孔，正多边形通孔的孔壁到多边形板层外壁的距离相等，正多边形通孔的边长为d3。

7、通过正多边形间隔空气波导层与椭圆金属孔层相结合形成的透射阵单元，当电磁波由上方入射，线极化平面波进入透射阵单元时，该线极化波与椭圆孔长轴平行的极化分量相位提前，与椭圆孔短轴平行的极化分量相位落后，所以在穿过透射阵单元后，两个极化方向的波会产生一个相位差。在经过一定距离的传输后，当与短轴平行的极化分量与长轴平行的极化分量产生相位差，线极化波发生极化变换。

8、本透射阵单元运用于圆极化器，当电磁波由上方入射，线极化平面波进入透射阵单元时，该线极化波与椭圆孔长轴平行的极化分量相位提前，与椭圆孔短轴平行的极化分量相位落后，如果波的极化方向刚好与椭圆孔长轴的夹角成45°时，线极化平面波平行于椭圆孔短轴的分量相位落后，所以在穿过透射阵单元后，两个极化方向的波会产生一个相位差。在经过一定距离的传输后，当与短轴平行的极化分量的相速度比与长轴平行的极化分量的相速度落后90°时，线极化变换成圆极化波。

9、本透射阵单元运用于变极化器，当电磁波由上方入射，线极化平面波进入透射阵单元时，该线极化波与椭圆孔长轴平行的极化分量相位提前，与椭圆孔短轴平行的极化分量相位落后，如果波的极化方向刚好与椭圆孔长轴的夹角成90°时，线极化平面波平行于椭圆孔短轴的分量相位落后，所以在穿过透射阵单元后，两个极化方向的波会产生一个相位差。在经过一定距离的传输后，当与短轴平行的极化分量的相速度比与长轴平行的极化分量的相速度落后180°时，线极化依旧变换成线极化波。

10、进一步的，所述第一金属层、第一间隔空气波导层、第二金属层、第二间隔空气波导层以及第三金属层均为等大的正六边形板层，所述间隔空气波导层上的正多边形通孔为正六边形通孔。

11、正六边形的外形板层结构使得椭圆通孔的孔壁相对周围的金属板层壁具有更大的面积差。

12、进一步的，椭圆通孔的长轴尺寸a与正六边形板层的边长d0之间满足关系式a＝0.86×d0-1.6。

13、所述关系式用于控制椭圆通孔的长轴尺寸a小于正六边形板层的边长d0。

14、实际使用时，椭圆通孔的长轴尺寸a与正六边形板层的边长d0在单位为毫米时代入上述公式。

15、本技术还提供一种紧凑型任意极化旋转的传输阵列透镜，包括安装座、圆极化器以及变极化器；

16、所述圆极化器以及所述变极化器均为圆盘结构，并中轴线重合的设置在所述安装座上，所述圆极化器可相对所述变极化器绕轴线转动，所述变极化器可相对所述圆极化器绕轴线转动；

17、所述圆极化器包括至少一个透射阵单元，所述透射阵单元为以上所述的透射阵单元；

18、所述变极化器包括至少一个透射阵单元，所述透射阵单元为以上所述的透射阵单元；

19、所述圆极化器和/或所述变极化器透射阵单元椭圆通孔的轴线与传输阵列透镜的轴线重合或者平行。

20、实际使用时，入射波先通过变极化器，后通过圆极化器。

21、当平面波垂直变极化器入射时，通过旋转变极化器和圆极化器来实现任意极化控制的效果：

22、(1)当圆极化器旋转至线极化波极化方向与椭圆长轴成0°/90°/180°时，圆极化器只能传输线极化波。又因为线极化波通过变极化器时，改变输入的线极化波极化方向与椭圆长轴角度只改变线极化波的输出方向。因此，当变极化器输出波与圆极化器固定形成0°/90°/180°时，变极化器和圆极化器一同旋转即可形成任意极化方向的线极化波。

23、(2)实现左旋/右旋圆极化波输出：无论如何旋转变极化器，只要变极化器输出的线极化波以45°极化角进入圆极化器，输出波即为左旋圆极化波；只要变极化器输出的线极化波以135°极化角进入圆极化器，输出波即为右旋圆极化波。

24、(3)旋转圆极化器保证输出的椭圆极化波的椭圆率是α，又因为线极化波通过变极化器时，改变输入的线极化波极化方向与椭圆长轴角度只改变线极化波的输出方向。因此，当变极化器输出波与圆极化器固定形成α时，变极化器和圆极化器一同旋转即可形成任意极化方向的椭圆极化波。

25、传统的基于反射式双光栅极化旋转器的复杂准光学链路和庞大占用空间，本发明传输阵列透镜的变极化器同轴设置在圆极化器的上方，相比传统的双反射式光栅旋转结构更为紧凑，光学链路更简单，也更容易加工制造。

26、进一步的，所述圆极化器与所述变极化器的外径相同。

27、圆极化器与所述变极化器的外径相同用于保证传输电磁波不会发生损耗。

28、进一步的，所述圆极化器与所述变极化器的外径均大于17cm。

29、进一步的，所述圆极化器包括85个透射阵单元，各透射阵单元依次周期阵列排布，各透射阵单元的椭圆通孔长轴方向与正六边形竖直边的垂直平分线形成有等大的夹角θ1；

30、所述变极化器包括65个透射阵单元，各透射阵单元依次周期阵列排布，各透射阵单元的椭圆通孔长轴方向与正六边形竖直边的垂直平分线形成有等大的夹角θ2；

31、θ1的大小为45°，θ2的大小为90°。

32、所述圆极化器与所述变极化器的外径大于17cm，并分别周期阵列排布85、65个透射阵单元，可以实现10gw传输功率容量。

33、进一步的，θ1与θ2的角度差值为45°。

34、进一步的，圆极化器的透射阵单元中，正多边形板层的边长为d0为5～20mm，椭圆通孔的椭圆率e为0.2～0.8645，所述金属层厚度d1为1～15mm，所述间隔空气波导层的厚度d2为1～15mm，正多边形通孔的边长d3为0.4～1mm。

35、进一步的，变极化器的透射阵单元中，正多边形板层的边长为d0为5～30mm，椭圆通孔的椭圆率e为0.2～0.8645，所述金属层厚度d1为1～20mm，所述间隔空气波导层的厚度d2为1～20mm，正多边形通孔的边长d3为0.5～0.9247mm。

36、进一步的，所述安装座上设置有转拨口，所述转拨口用于从外部拨动所述圆极化器和/或所述变极化器转动；所述安装座的内周侧壁上设置有转轨或轨槽，所述圆极化器和/或所述变极化器外周壁上设置有轨槽或转轨，所述转轨与所述轨槽配合，将所述圆极化器和/或所述变极化器分别转动安装在安装座上。

37、本发明的有益效果是：

38、(1)当平面波垂直变极化器入射时，通过旋转变极化器和圆极化器来实现任意极化控制的效果。

39、(2)所述圆极化器与所述变极化器的外径大于17cm，并分别周期阵列排布85、65个透射阵单元，可以实现10gw传输功率容量。

40、(3)本发明传输阵列透镜的变极化器同轴设置在圆极化器的上方，相比传统的双反射式光栅旋转结构更为紧凑，光学链路更简单，也更容易加工制造。

41、(4)本发明传输阵列透镜运用与天线设备中，可以使天线实现高效率传输，在带宽范围内透射效率可达到98％以上。