一种等通量波束的多极化可重构天线

随着航天技术的革新,对近地轨道的通信需求逐年增高。近地轨道卫星就在此背景下产生,主要应用于遥感探测天气预报和数据通信领域。由于近地轨道卫星天线辐射波束所覆盖的地球表面是球面,因此波束通常设计为等通量形式。由于卫星通信通常存在极化失配、多径效应等问题,选择多极化而不是圆极化作为近地卫星天线的工作状态能更好地适应复杂的工作环境,保证通信质量,将等通量波束天线和多极化可重构技术结合起来有很大的应用前景。基于一对正交圆极化波能合成线极化波的设计原理,文中提出了一种具有等通量波束的多极化可重构天线,该天线由可重构馈电网络和带扼流环的隔片极化器圆波导组成。馈电网络中嵌入单刀四掷开关(SP4T)与单刀双掷开关(SP2T),通过改变开关的工作状态,馈电网络将给圆波导提供不同的馈电条件,在圆波导内隔片的作用下天线实现两种圆极化与两种线极化的可重构。通过在圆波导口引入扼流环以及波导口作“T”型开槽处理,实现波束赋形,并且保证天线在不同极化状态下辐射等通量波束。实测结果显示,天线在不同的极化状态下-15 dB重叠阻抗带宽14.7%,覆盖4.80~5.56 GHz,方向图顶部在θ为-24°~+24°范围内具有平坦效果,圆极化状态下空间轴比覆盖-51°~+50°,覆盖范围大于方向图顶部平坦范围。天线实测结果与仿真结果有较好的一致性,具有多极化和方向图顶部平坦的优势,可满足移动通信和卫星通信中多极化应用场景的需要。

三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列

提出了一种三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列。该阵列单元由蝶形偶极子、阻抗变换器和巴伦组成,通过最大功率传输效率法(MMPTE)优化出天线三个端口的所需最优激励分布,从而实现天线在左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)以及在方位角平面任意角度线极化(LP)多种辐射模式之间的切换。最终优化得到的阵列的尺寸为π×60^(2)mm~2×30 mm(π×0.7^(2)×0.35λ_(0)^(3)=0.549λ_(0)^(3),其中λ_(0)为中心频率处的自由空间波长)。测试结果表明,该阵列在左右旋圆极化和线极化状态下的相对阻抗带宽(|S_(11)|<-10 dB)都为50.7%,且3 dB增益带宽基本能覆盖阻抗带宽。左右旋圆极化轴比小于3 dB,并且轴比带宽(AR<3 dB)可以覆盖整个阻抗带宽。在3.5 GHz处,阵列在各种极化状态下的最大实际增益均大于8.8 dBi。

X波段极化可重构高功率微波辐射器仿真设计

为了提高高频段高功率微波反射面天线的馈电效率,同时使波束波导馈线更加紧凑,提出一种新型的X波段极化可重构高功率微波辐射器结构。通过波纹喇叭辐射器产生准高斯的HE11模辐射,采用双相位修正镜组成的波束变换系统实现将准高斯波束转换为电场分布更为均匀的平顶波束或其余期望分布的波束,平顶分布的输出波束可使得馈源在相同介质窗尺寸下获得更高的功率容量,同时实现了波束传播方向的90°转弯;此外采用双圆极化栅网的级联组合,实现了对输出波束极化特性的调变。通过全电磁波仿真分析验证了该辐射器的设计思路。

一种基于共面波导馈电的宽带多极化可重构天线

为了应对日益复杂的通信环境,提高通信系统容量和通信质量,文中提出了一款基于共面波导馈电的宽带多极化可重构天线。该天线采用共面微带线设计,在参考地上开缝并置入4个PIN二极管,通过控制PIN二极管开关的开/关状态,天线表面电流分布被重构,从而改变天线在辐射远场的辐射状态;辅以优化的阻抗匹配和简单的寄生单元,进而实现宽带多极化可重构天线设计,包括线极化、左旋圆极化和右旋圆极化。实测结果显示,天线在3个极化模式下的重叠阻抗带宽(天线回波损耗丨S-11丨<-10 dB)达到48.5%,覆盖频率范围为2.42~3.97 GHz;圆极化模式下的重叠轴比带宽(轴比<3 dB)为48.2%,覆盖频率范围为2.33~3.81 GHz。天线实测结果与仿真结果有着较好的一致性,具有宽带、多极化模式的优势,可满足移动通信和卫星通信中多极化应用场景的需要。

低剖面极化可重构超表面天线

提出了一种低剖面极化可重构超表面天线.天线由三部分组成:3×4金属矩形贴片阵列组成的超表面覆层、缝隙耦合天线和直流偏置控制电路.电路包括8个PIN二极管开关组成的四对开关(PIN1,PIN2,PIN3和PIN4)和直流偏置线,通过控制上述四对PIN开关的工作状态,天线可以在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化状态之间转换.对天线样机进行了加工并给出了实测反射系数、实际增益、轴比和归一化辐射方向图,结果表明:天线在不同工作状态下的共享工作频带为4~5.4 GHz,−10 dB阻抗带宽为29.8%;3 dB轴比带宽为8.3%,从4.6~5 GHz;各状态下的实测增益相差不大,其平均增益都大于5 dBi.仿真结果与实测结果吻合良好.

S波段Y形馈电的极化可重构圆形贴片天线

为了实时控制天线的极化方式,本文提出了极化可重构的S波段圆形贴片天线。该天线由圆形贴片、Y形馈线和2支PIN二极管组成。在圆形贴片的中心设置了接地过孔,便于给PIN二极管施加直流偏置电压。调整直接馈电和耦合馈电方式之间的相位差,控制天线上的电流分布,实现2种圆极化或线极化的工作模式。在辐射贴片和馈线之间引入2支PIN二极管作为开关,使天线分别工作在线极化(LP)、左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)模式。在圆极化模式时,该天线中心频率为2.53 GHz,10 dB回波损耗和3 dB轴比相对带宽分别为6.6%和1.2%。该天线结构简单,便于加工,在无线通信、雷达、无线能量传输等领域具有潜在的应用价值。

磁电偶极子天线的极化可重构研究(特邀文章)

磁电偶极子天线有着宽带、对称方向图、低后瓣和稳定增益等优越性能,在诸如基站天线设计等应用场合颇受青睐.另一方面,随着通信系统朝着大容量、高可靠性和智能化等方向发展,可重构天线因其可重配置的天线特性受到广泛关注.该文总结回顾了极化可重构磁电偶极子天线的研究进展,着重介绍了一种高天线效率、三种极化选择和一种单端口、四种极化选择的磁电偶极子天线的设计和分析.相对于传统的基于微带天线的极化可重构设计,提出的基于磁电偶极子天线的极化可重构天线,具有交叠带宽宽,方向图对称,增益稳定等优点;并且通过采用如低损耗的可重构微扰结构和交叉阵子结构馈电等技术,可以实现较高的天线效率或是更少的馈电端口和不复杂的直流偏压电路.其在未来高度集成化、绿色和智能化的无线通信系统中有着一定的应用前景.

左/右旋圆极化可重构微带天线

设计了一种左/右旋圆极化可重构的微带天线。在矩形微带贴片的两条边上增加枝节,贴片与枝节通过PIN二极管开关连接,通过控制PIN二极管的通断来改变正交模式的相位差,使天线在同一个馈电点上可实现左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)的重构。该天线在(2800±10)MHz的频率范围内驻波比小于2,轴比小于3dB。仿真结果与测试结果均验证了该方案的可行性。

超表面加载极化可重构双极化微带天线设计

基于超表面结构设计了一种2.555~2.655 GHz频段的极化可重构双极化微带天线。首先根据微带天线理论设计了缝隙耦合正交馈电的双极化微带贴片天线,然后提出并设计了一种方形切角的新型超表面结构,并将该超表面放置在双极化微带天线上,通过机械方式旋转超表面,实现了左、右旋圆极化和水平、垂直线极化之间的极化转换。利用HFSS仿真软件对该超表面加载微带双极化天线进行了仿真。结果表明,该双极化天线能够便捷地实现极化转换,且在两种极化状态下,天线在工作频带内的回波损耗小于–10 dB,隔离度大于20 dB,圆极化工作状态下的轴比小于3 dB,天线的整体性能良好。

一种新型圆极化可重构天线

本文利用最大功率传输效率法(MMPTE),通过4个相同左旋圆极化贴片单元作为子阵来实现阵列天线圆极化可重构。通过在被设计阵列(作为发射阵列)远场区引入极化控制接收天线,可以将整个收发系统看作一个无线功率传输系统,这样就可以把阵列天线的设计问题转换为一个天线之间的传输效率最优化的问题。通过调节接收天线的极化方式和接收位置,可控制被设计阵列的极化方式和扫描角度。与传统做法不同的是,被设计阵列单元的极化方式确定时,通过改变接收天线的极化方式,阵列还能产生与单元极化相反的极化方式,同时两种极化方式所得的增益差距在1 dBi以内。本文以中心频率在2.45 GHz的左旋圆极化单元组成的十六单元阵列为例,说明如何实现阵列左右旋极化的可重构以及+/-60°的扫描功能。

超表面的极化可重构天线

设计了一种基于超表面的极化可重构天线,该天线由缝隙微带天线及上层超表面组成。通过旋转改变超表面与缝隙微带天线相对位置,能够实现线极化、右旋圆极化、左旋圆极化等不同的极化工作方式。该天线在圆极化状态时,相对阻抗带宽达到32%,右旋和左旋圆极化时3dB轴比带宽均可达到14%;线极化状态时,相对阻抗带宽均可达到10%以上。为了验证仿真结果的有效性进行了天线实物的加工和测试,实测结果与仿真结果吻合较好,进一步验证了该天线具有良好极化可重构特性。

频率和极化可重构U型槽贴片天线的研究（英文）

本文设计了一种可切换贴片单元的U型槽可重构天线,可以实现频率和极化多样性,并且大大地提高了轴比带宽。天线的工作频率和极化方式通过改变PIN二极管的工作状态实现电可调,PIN二极管的工作状态通过所加载的偏置电压控制。为了验证仿真的可行性,我们加工实物并进行了测试。实验结果表明,就天线的回波损耗和辐射方向图而言,仿真和实验结果基本保持一致。天线可以工作在两个频段,即1.67GHz(L波段)和2.42GHz(S波段),并且可以分别工作在线极化和9.3%轴比带宽的圆极化模式。本文所提出的频率和极化可重构天线可以大大提高无线通信系统的可靠性和灵活性。

基于超表面的极化可重构天线设计

提出了一种基于超表面的极化可重构天线设计,由上层结构的圆弧切角矩形单元和下层结构的微带缝隙天线组成。通过采用机械方式旋转圆弧切角矩形单元结构,分析了超表面天线的极化可重构功能。设计的超表面天线能够在3.20~3.64 GHz内实现左旋圆极化、右旋圆极化和线极化三种极化方式,且可以相互转换。超表面天线在左旋和右旋圆极化状态的阻抗带宽为2.98~4.10 GHz,相对带宽达31.6%,轴比相对带宽达12.8%,辐射增益均大于6.8 dB;在线极化状态的相对带宽达17%以上,辐射增益均大于5.4 dB;圆极化和线极化的辐射效率均大于82%。通过对提出的超表面天线进行实物加工和测试,并对比仿真和实测结果,证明所提出的超表面天线具有较好的极化可重构功能。

基于SIW的频率/极化可重构背腔缝隙天线

针对现有可重构天线难以同时对频率与极化特性进行切换的不足,提出了一种低剖面紧凑型的频率与极化可重构波导背腔天线。天线由基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)谐振腔和十字型槽线组成。在十字型槽线内加载PIN二极管,通过二极管的导通和断开调整有效谐振长度,达到频率可重构目的。在十字槽线两侧加载短路通孔可重构谐振腔内电场分布,在不改变辐射结构下实现圆极化波与线极化波之间任意切换。2种重构方式的切换结构各位于天线底层与顶层,二者互不影响,且天线制作简单,成本低廉。测试结果表明,天线仿真与实测保持一致,且工作性能良好。

基于极化可重构阵列的信号多域测量方法研究

针对电子侦察装备往高灵敏度、高精度和一体化方向发展需求,提出一种极化可重构阵列的信号多域测量方法.通过四个高增益极化可重构天线子阵列构建四天线阵元多基线相位干涉仪,满足雷达信号和通信信号的最优极化接收和高灵敏度侦测,完成信号极化域、频域、时域和空域等多域特征参数的测量;根据来波信号极化方向,选择对应极化幅相一致性误差数据校正补偿,实现高精度测向.仿真结果验证了该方法的可行性.

极化可重构天线的研究与设计

文章设计了一款极化可重构微带贴片天线,它可以实现线极化与圆极化之间的转换以及左旋圆极化与右旋圆极化之间的转换。圆极化波是由幅度相等、相位相差90的相互垂直的线极化波产生,通过开在地面上的梯形槽激励产生的,每个梯形槽中都嵌有一个PIN二极管,用来改变电流的流向,通过控制二极管的通断来实现极化可重构。当左边的PIN二极管接通,右边的PIN二极管断开时,产生左旋圆极化;当右边的PIN二极管接通,左边的断开时,产生右旋圆极化。由于梯形槽与PIN二极管都开在接地面上,因此对天线性能的影响非常小。仿真与测量的阻抗带宽大约为60 MHz,轴比小于2。该天线结构简单,易于优化、仿真、制作,可应用于无线通信技术。

宽带极化可重构频率选择表面设计

提出一种多功能可重构宽带频率选择表面,与传统的频率选择表面结构相比,该设计可以实现二阶滤波与极化旋转功能的可切换,并且对横电(TE)波和横磁(TM)波进行极化独立调控。首先基于等效电路模型,使用三层金属表面设计一个宽带二阶滤波结构,并利用PIN二极管控制TE和TM极化波的传输与屏蔽,达到极化独立调控的效果。接着在二阶滤波结构的基础上根据法布里-珀罗腔的基本原理,在中间层构造转换层来实现极化旋转的功能。在二阶滤波功能下,该结构能够在2.29~4.21 GHz内带通传输,相对带宽达59.1%。在极化旋转功能下,能够在1.87~4.48 GHz内实现线极化转交叉极化,极化转换率在90%以上的相对带宽为82.2%。基于这些特点,该技术在实现高透射率和宽带要求的多模天线罩方面具有良好的应用潜力,并且能够满足天线传输或者接收信号时对特定极化信号的需求。

面向卫星通信的K波段低剖面可重构线圆极化变换表面

针对K波段卫星通信容量大、工作模式灵活的需求,设计了一款用于K波段卫星通信的反射型可重构线圆极化变换表面。该线圆极化变换表面基于改进型耶路撒冷十字结构,在PIN二极管导通和关闭时,分别可在18.59~20.50 GHz和18.66~23.19 GHz实现线极化波转右旋圆极化波和左旋圆极化波,重叠工作频段为18.66~20.50 GHz,带宽1.84 GHz。该极化变换表面的单元尺寸为0.22λ×0.2λ×0.083λ(λ为重叠频段中心工作波长),剖面高度仅为0.083λ。该极化变换表面在PIN二极管处于导通和关闭状态下,入射角度稳定性分别为40°和20°,且交叉极化电平低于-60 dB。

具有谐波抑制功能的多极化微带天线阵设计

本文提出了一种基于切换馈电网络的极化可重构微带天线阵。阵列单元采用正方形辐射贴片,利用微带线缝隙耦合进行馈电,通过在馈电结构中心加载短路柱,可获得宽带性能的同时,有效抑制偶次谐波。综合采用串联组阵和并联组阵技术,优化设计了一款2×2的天线阵列,将阵列端口分别与微带分支线耦合器及微带混合环相连,最终实现了水平和垂直线极化,左旋和右旋圆极化四种模式的切换。实验结果表明,所提出的天线在ISM频段2.4~2.5 GHz频率范围内获得了良好的匹配和多极化特性。该天线阵设计简单、易于操作,可潜在应用于无线通信系统中天线极化分集的场合。

用于Ka波段卫星通信的双频段圆极化无源相控阵天线

针对Ka波段卫星通信在收发频段对圆极化切换和圆极化性能的需求,设计了一款用于Ka波段卫星通信的双频段圆极化无源相控阵天线。利用带约束条件的最大功率传输效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency with Constraints, CMMPTE),通过引入测试接收天线,待设计的天线与之构成无线功率传输(Wireless Power Transmission, WPT)系统,以收发之间传输效率为优化目标函数,同时设置约束条件控制2个正交的场分量,获得发射天线的最优激励分布,在收发频段实现所需偏转方向的左右旋圆极化波束。该天线是一款收发共面的天线,整体尺寸仅为37.18 mm×37.18 mm×0.762 mm,在29.5~30 GHz的发射频段和19.7~20.2 GHz的接收频段内实现了圆极化可重构和波束扫描功能。仿真和实测结果表明,该天线在收发频段分别实现了左右旋波束的切换,圆极化波束在偏转60°时的轴比始终保持在3 dB以下,并且拥有极低的交叉极化电平。