宽波束圆极化可重构交叉偶极子天线

本发明属于射频微波，具体涉及宽波束圆极化可重构交叉偶极子天线。

背景技术：

1、宽波束圆极化天线因为其具有较宽的辐射波束、较高的低仰角增益以及较强的抗干扰能力，因此被广泛地应用于卫星导航系统、雷达系统以及基站天线中。

2、目前实现宽波束圆极化天线的方式主要有三种。最简单的宽波束圆极化天线是通过对传统的螺旋天线进行改进而实现的。通过将传统的单臂螺旋天线改进为多臂螺旋天线，能够提升天线的低仰角增益，从而实现宽波束圆极化，但螺旋天线往往存在结构复杂的问题。第二种方式则是通过改进普通的圆极化微带天线，实现宽波束。普通的圆极化微带天线可根据辐射贴片形状的不同进行分类，常见的辐射贴片形状有矩形、圆形、环形以及三角形等。在普通圆极化微带天线的基础上，主要通过对辐射贴片开槽或加载金属柱的方式实现宽波束。贴片开槽通常是通过在天线辐射贴片中心区域开槽，将原来的辐射区域进行分割，将各个区域的辐射波束进行叠加来扩展波束宽度。而加载金属柱则是在通过在天线贴片四周引入垂直电流分量，提升其低仰角增益，实现宽波束。由于微带贴片天线是一种谐振式天线，谐振特性决定了其输入阻抗对频率变化的高度敏感性，因此宽波束圆极化微带天线存在工作带宽较窄且工作频段单一的问题。除此之外，也可以采用十字形交叉偶极子天线实现圆极化和宽波束。十字形交叉偶极子天线通过有四分之一开口的相位延迟环连接两个正交的偶极子贴片。当相位延迟环的长度为工作频率对应工作波长的四分之一时，就能够使所连接的两个偶极子贴片馈电信号之间具有90°的相位差，以实现圆极化性能。交叉偶极子天线在使用四分之一开口的相位延迟环实现圆极化辐射时，固定90°的相位差顺序使得天线只能实现单一极化方式的圆极化辐射，而在实际的工程应用中，单一极化方式的天线通常很难实现极化分集，因此需要使用多种天线才能达到特定实际工作环境或通信系统的要求。

3、为了实现双圆极化工作，可以利用圆极化可重构的方式。在圆极化交叉偶极子天线基础上加载pin二极管，通过改变pin二极管的通断状态，实现不同的相位差，从而实现圆极化的可重构，实现天线的双圆极化。为了实现宽波束，在圆极化交叉偶极子天线基础上加载竖直金属柱，通过引入竖直电流分量，可以实现圆极化交叉偶极子天线的宽波束。但加载竖直金属柱会改变原有交叉偶极子天线的阻抗匹配状态，导致原有交叉偶极子天线的阻抗匹配变差，因此很难在实现宽波束的同时实现天线的双圆极化。

4、鉴于当前技术挑战，本发明旨在设计一种具备宽波束与圆极化可重构特性的交叉偶极子天线，以克服传统设计中难以同时达成宽波束覆盖与双圆极化性能的难题。具体而言，在基础交叉偶极子结构上，加载箭头形贴片与竖直金属柱作为寄生元件，这些元件不仅拓宽了天线的工作频率范围，还可以等效为磁偶极子。磁偶极子与原有的交叉偶极子等效为电偶极子的辐射模式相互叠加，有效增强了天线的波束宽度，实现宽波束特性。

5、进一步地，为了实现圆极化及宽波束的可重构性，通过在馈电同轴线的内外导体与作为移相装置的金属圆环之间加载pin二极管，并通过外部控制信号调节pin二极管的导通与截止状态，能够灵活调整相邻偶极子臂的馈电相位差。这一机制使得天线能够在不同极化状态下切换，从而实现了宽波束与圆极化特性的动态可重构，极大地提升了天线的适应性和灵活性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽波束圆极化可重构的交叉偶极子天线，解决交叉偶极子天线很难兼顾宽波束与双圆极化的问题。首先在交叉偶极子基础上，加载了箭头形贴片与竖直金属柱作为寄生元件。引入的寄生元件不仅可以增加天线的工作带宽，还可等效为磁偶极子。等效磁偶极子的辐射方向图与作为电偶极子的交叉偶极子辐射方向图叠加，可实现天线的宽波束性能。然后，通过馈电同轴线的内外导体馈电点与用作移相环的金属圆环之间加载pin二极管，通过控制pin二极管的通断状态，可以改变相邻偶极子臂的馈电顺序，从而实现相邻偶极子臂的不同相位差，实现了宽波束和圆极化可重构性能。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明宽波束圆极化可重构交叉偶极子天线，由一个上表面和下表面均设有金属贴片的介质基板、4个寄生金属柱、1个金属地面、1个同轴线及4个pin二极管构成，具体包括介质基板1、交叉设置的第一偶极子2和第二偶极子6、第一金属圆环5、第二金属圆环9、4个箭头形寄生贴片10、4个寄生金属柱11、右pin二极管12、左pin二极管13、下pin二极管14、下上pin二极管15、圆形贴片16、同轴线17、金属地面20。其中，第一偶极子2由矩形下臂3，和矩形上臂7构成，第二偶极子6由矩形右臂4、矩形左臂8构成。第一偶极子2、第二偶极子6、第一金属圆环5、第二金属圆环9、箭头形寄生贴片10均为金属贴片。

4、可选地，所述介质基板1的上表面金属部分包括矩形下臂3、矩形右臂4、第一金属圆环5、圆形贴片16。此外，所述介质基板1的上表面还有右pin二极管12、下pin二极管14。介质基板1的下表面金属部分包括矩形上臂7、矩形左臂8、第二金属圆环9、4个箭头形寄生贴片10、寄生金属柱11的上表面。此外，所述介质基板1的下表面还有左pin二极管13、上pin二极管15。

5、其中，所述第一偶极子2的矩形下臂3与第二偶极子6的矩形右臂4通过第一金属圆环5连接；所述第一偶极子2的矩形上臂7与第二偶极子6的矩形左臂8通过第二金属圆环9连接。所述第一金属圆环5和第二金属圆环9均为带有开口的圆环，开口所对应的圆心角为90°，实现馈电时所连接的两个偶极子之间具有90°的相位差。以介质基板中心为坐标原点，第一金属圆环(5)开口为从竖直方向夹角到以介质基板中心为坐标原点，第二金属圆环9开口为从竖直方向夹角到

6、所述的箭头形寄生贴片10各自分别与相邻的1个寄生金属柱11的上表面相连。以介质基板中心为坐标原点，4个箭头形寄生贴片10分别位于竖直方向夹角的方位。所述4个寄生金属柱11垂直立在金属地面20的对称的四个方位，以介质基板中心为坐标原点，分别位于竖直方向夹角方位。

7、同轴线17用以给天线馈电，同轴线17由金属外导体18和金属内导体19构成。金属外导体18通过位于介质基板1下表面的左pin二极管13与第二偶极子6的矩形左臂8相连，通过位于介质基板1下表面的上pin二极管15与第一偶极子2的矩形上臂7相连。金属内导体19连接圆形贴片16，圆形贴片16通过位于介质基板1上表面的右pin二极管12与第二偶极子6的矩形右臂4相连，圆形贴片16通过位于介质基板1上表面的下pin二极管14与第一偶极子2的矩形下臂3相连。

8、本发明所设计的天线的圆极化可重构性能是由加载pin二极管实现的。对于天线来说，辐射圆极化波必须满足两个条件：一是天线需要产生两个振幅相等的正交电场，二是这两个正交电场的相位差为90°。而交叉偶极子天线因为其两个偶极子的臂相互正交放置，且两个偶极子各臂尺寸几乎相同，因此可以很容易实现产生两个振幅相等的正交电场。而圆极化根据极化方向的不同，分为左旋圆极化与右旋圆极化。为了满足正交电场的相位差为90°，交叉偶极子天线通常使用金属移相环连接介质基板同一表面上相邻偶极子臂来实现。当同轴线连接金属移相环不同部位时，天线能实现的圆极化也不同。

9、根据各pin二极管的通断情况，可以将天线分为处于两种状态。当处于状态1时，即右pin二极管12和左pin二极管13导通，下pin二极管14和上pin二极管15断开时，采用理想的开路/起连接作用的传输线，代替pin二极管的断开/导通状态，交叉偶极子的相位差如附图4(a)所示，偶极子臂的相位按逆时针方向递增90°，天线极化为右旋圆极化。而当处于状态2时，即右pin二极管12和左pin二极管13断开、下pin二极管14和上pin二极管15导通时，交叉偶极子的相位差如附图4(b)所示，偶极子臂的相位按顺时针方向递增90°，此时天线实现左旋圆极化。因此通过控制两对pin二极管的通断状态，可以实现天线圆极化的切换，从而实现天线的双圆极化，pin二极管的通断状态对应天线的极化方式如表1所示。

10、表1pin二极管不同状态下对应天线的极化方式

11、 状态 极化方式 12，13通断状态 14，15通断状态 状态1 右旋圆极化 导通 断开 状态2 左旋圆极化 断开 导通

12、本发明所提出的宽波束圆极化可重构交叉偶极子天线的宽波束性能主要由所加载的箭头形寄生贴片10和竖直的寄生金属柱11实现。加载的寄生贴片10和寄生金属柱11可以等效为磁偶极子，而交叉偶极子可等效为电偶极子，则磁偶极子的辐射方向图与电偶极子辐射方向图进行叠加，可以实现天线的宽波束。为了进一步理解电磁偶极子方向图互补原理，可分别求解并绘制出电偶极子与磁偶极子的辐射方向图。

13、首先可以将沿z轴放置的长度为l的短导线看作电偶极子，它的长度l远小于λ(对应谐振频率下的波长)，因此可以将这段短导线上各点处的电流i看作均匀分布。因此在空气中，远场区(kr≥1)天线辐射强度通过矢量磁位法进行求解后的表达式如公式(1)所示，其中eθ表示电场强度在θ方向的分量；表示磁场强度在方向的分量；η为波阻抗，在空气媒质中约为120ω；k为对应媒质中的相位常数，同时r为待求解的远场点到电偶极子中心点的距离。

14、

15、而磁偶极子在自然界中并不存在，通常将磁偶极子模型等效为一个极小的载有电流的圆环。假设载有电流的小圆环半径为a(a<<λ),放置于xoy平面上，等效模型为沿z轴放置的长度为l，磁流强度为im的磁偶极子。通过矢量磁位法结合对偶原理可分析出磁偶极子的电场强度与磁场强度在远场区的表达式如公式(2)所示，其中表示电场强度在方向的分量，hθ表示磁场强度在θ方向的分量。

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17、由公式(1)与公式(2)可以绘制出电偶极子与磁偶极子的辐射方向图，如附图5与附图6所示，利用电偶极子与磁偶极子的方向图进行叠加，就可以获得宽波束的辐射方向图，叠加效果如附图7所示。

18、通过分析本发明所提出天线交叉偶极子与寄生元件上的电流分布，可以将交叉偶极子等效为电偶极子、寄生元件等效为磁偶极子。由于左旋和右旋圆极化对应的pin二极管12、13、14、15的通断状态正好相反，且原理相似，因此接下来仅对右旋圆极化进行分析。

19、选择右pin二极管12和左pin二极管13导通，下pin二极管14和上pin二极管15断开的状态，交叉偶极子的电流分布如附图8所示。可以看到，交叉偶极子上的正交电场幅度相等，偶极子臂上的相位沿逆时针方向递增90°，和附图3所示相同，此时天线为右旋圆极化。寄生元件上的电流分布如附图9所示，可以看到寄生元件上的电流沿介质基板的对角流动，流动路径为地板-竖直金属柱-箭头型角形寄生贴片-竖直金属柱-地板。同时可以看到寄生元件与交叉偶极子一样，能够提供正交电场，并且它们之间存在90°的相位差，因此寄生元件的加载可以使得天线的轴比得到改善。同时因为竖直金属柱上存在垂直电流，因此加载寄生元件能够改善低仰角的轴比，从而拓宽天线的轴比波束宽度。对于所提出的宽波束圆极化天线，带金属地反射板的交叉偶极子本身具有沿z轴方向的单向辐射图，其辐射功率密度随着θ的增加而减小，因此在θ＝90°附近得到相对较低的增益。而当加载寄生元件后，会在竖直的金属柱上引入垂直的电流分布，而金属柱产生的垂直电场与水平放置的磁偶极子电场相同，因此此时寄生元件的辐射方向图可以等效为磁偶极子的方向图。所以寄生元件可以等效为四个磁偶极子，而原有的交叉偶极子可等效为两个电偶极子，在4.5ghz时天线等效为电偶极子与磁偶极子的组合示意图如附图10所示。电偶极子与磁偶极子的辐射方向图进行叠加，叠加后的辐射方向图呈心形，此时天线在低仰角附近的增益得到加强，在天线的上半空间中形成更均匀的辐射图案，从而具有较宽的半功率波束宽度。

20、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。