一种方向图可调的三极化单元及其阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种方向图可调的三极化单元及其阵列天线，具体是可实现单元的方向图调控和阵列的大角度扫描，以及降低交叉极化。

背景技术

电磁波在自由空间中传播时，受多径效应的影响，会严重影响通信质量。可通过分集技术来降低电磁波在自由空间传播时的多径效应。极化分集技术充分利用电磁波的空间维度可获得多个不相关的信道，从而提高通信容量和通信速率。三极化天线是三个两两相互正交的线极化组成的天线，充分利用极化分集技术，在全空间构成完备的极化矢量坐标系。三极化天线可实现更多的空间特征信道，从而极大地提高系统的传输速率和通信容量。现如今，三极化天线的研究主要集中在低剖面、宽频带和三个极化端口的实现等几个方面，但所设计的天线横向尺寸大且辐射方向图未能加以控制，即实际应用价值不大。设计小型化且方向图可调的三极化天线单元是三极化天线单元的设计要点。

在阵列天线的诸多应用领场景中，最多的是利用阵列天线来实现波束扫描，比如相控阵监视雷达通过在某个空间角内不断的波束扫描来实现对这一范围的监视，此时，阵列扫描的范围越宽所能监视的范围就越广。对于阵列天线来说，很容易在一个小的空间角度内实现电扫描，但是当扫描角增大到一定值时，天线阵的增益往往会急剧下降，也就是说阵列很难实现宽角扫描。这主要是由三个原因造成的。一是通常阵因子本身会随扫描角偏离阵列法向而逐渐减小。二是大多数单元天线尤其是平面单元天线的方向图本身就有方向性，其最大方向也是在法向，偏离法向其单元方向性也会降低，所以与阵因子相乘得到的总的阵列方向图随扫描角增大方向性会降低。此外，当处与阵列环境中时，由于互耦的影响，天线单元的有源输入阻抗会随扫描角变化，当扫描角变得越来越大时，有源输入阻抗也会有明显的变化，这直接导致天线单元匹配恶化，阵列增益下降。所以可调控单元方向图波束指向对于阵列天线实现宽角扫描阵具有很强的实际应用价值。

发明内容

要解决的技术问题

目前，平面阵列基本采用双极化单元进行组阵，当阵列进行大角度扫描时，扫描增益下降很快，即很难实现大角度扫描，为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种方向图可调的三极化单元及其阵列天线。

技术方案

一种方向图可调的三极化单元，其特征在于包括水平双极化辐射体、垂直极化辐射体、寄生辐射结构、金属底板、介质柱和正交介质板；所述的水平双极化辐射体包括4个扇形辐射片，印刷在介质柱的上表面；所述的垂直极化辐射体由4个上部相连的T型辐射片组成，垂直极化辐射体印刷在介质柱的柱面上；所述的寄生辐射结构由两块梯形辐射片组成，印刷在正交介质板的表面；所述的正交介质板位于介质柱上面；所述的介质柱位于金属底板上；通过调节寄生辐射体的尺寸可以进行方向图的调控，采用将不同极化的幅度和相位进行叠加实现三极化单元方向图的调控。

所述的扇形辐射片的角度为30°～60°。

所述的T型辐射片的下部两边采用斜边形式。

所述的介质板的相对介电常数为3。

所述的金属底板为铝。

一种由方向图可调的三极化单元组成的一维线阵，其特征在于包括8个一字排列的方向图可调的三极化单元。

一种方向图可调的三极化单元组成的阵列天线，其特征在于包括5*5个方向图可调的三极化单元。

有益效果

本发明提出的一种方向图可调的三极化单元，该三极化阵列采用小型化的三极化单元组成平面阵列，在双极化的基础上添加第三极化，当阵列进行大角度扫描时，第三极化参与辐射，从而在相同的阵列条件下，相比较于双极化阵列可实现阵列的大角度扫描。

三极化阵列的大角度扫描：利用寄生辐射结构或者通过不同极化端口的幅度相位叠加实现单元方向图指向的调控，进而通过调控单元方向图的指向，实现阵列的宽角扫描，该三极化阵列可获得大于双极化阵列的扫描范围。

与现有技术相比较，本发明三极化单元中垂直极化辐射体部分由首尾相连的4个辐射片组成。该三极化单元采用将垂直极化集成于水平双极化的正下方，实现了三极化单元本身的小型化。该三极化单元调控单元方向图指向的方法有：可通过三极化单元上方的寄生辐射结构进行调控，或者通过不同极化端口幅度和相位的叠加实现单元方向图指向的调控。通过调控单元方向图的指向，实现阵列的宽角扫描。

综上所述，由于该三极化单元采用将垂直极化集成于水平双极化的正下方，实现了三极化单元本身的小型化，利用寄生辐射结构或者通过不同极化端口的幅度相位叠加实现单元方向图指向的调控，进而通过调控单元方向图的指向，实现阵列的宽角扫描。因此本发明天线同时实现了单元的小型化和方向图波束指向的调控，以及阵列的宽角扫描。该三极化阵列可获得大于双极化阵列的扫描范围。

附图说明

图1为本发明天线三极化单元整体结构图；

图2为本发明天线三极化单元垂直极化辐射体部分平面图；

图3为本发明天线三极化单元垂直极化辐射体部分立体图；

图4为本发明天线三极化单元水平双极化辐射体部分立体图；

图5为本发明天线三极化单元寄生辐射体部分立体图；

图6为本发明天线一维线阵模型图；

图7为本发明天线二维平面阵模型图；

图8为本发明天线三极化单元垂直极化辐射模式加寄生结构前后对比图；

图9为本发明天线一维线阵在0°时的扫描增益图；

图10为本发明天线一维线阵在30°时的扫描增益图；

图11为本发明天线一维线阵在60°时的扫描增益图；

图12为本发明天线一维线阵在90°时的扫描增益图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供了一种方向图可调的三极化单元及其阵列天线，其包括，一三极化天线单元，所述三极化天线单元由两个水平正交的线极化辐射结构和一个垂直极化辐射结构组成；该三极化单元垂直极化辐射体部分由4个上部相连的渐变辐射片组成，其水平双极化辐射体部分由4个扇形辐射片组成；一寄生辐射结构，该寄生辐射结构由两块正交的渐变辐射片组成；一金属底板，该金属底板由一定厚度的金属块组成，作为该三极化天线单元的反射板和支撑板。

在上述技术方案的基础上，所述三极化单元垂直极化辐射体部分由上部相连的4个渐变辐射片组成，采用了平面阵的思想，在阵因子的作用下，三极化单元中垂直极化辐射方向图的稳定性良好。

在上述技术方案的基础上，所述三极化单元水平双极化辐射体部分由4个扇形辐射片组成，该三极化单元采用将垂直极化集成于水平双极化的正下方，实现了三极化阵列天线单元本身的小型化。

在上述技术方案的基础上，所述寄生辐射结构置于三极化辐射单元上方，由两块正交的渐变辐射片组成，用于对三极化辐射单元中垂直极化方向图进行调控，采用渐变结构可拓宽三极化单元的方向图带宽。

在上述技术方案的基础上，所述三极化单元方向图的调控除了通过寄生辐射体进行方向图的调控外，还可以采用将不同极化的幅度和相位进行叠加实现三极化单元方向图的调控。

在上述技术方案的基础上，所述三极化单元可组成一维线阵，通过对单元不同极化端口的幅度和相位进行叠加实现阵列的大角度扫描。

在上述技术方案的基础上，所述三极化单元可组成二维平面阵，通过调节单元异极化之间幅度和相位的比值实现阵列的宽角扫面，即三极化单元中垂直极化辐射模式对水平极化辐射模式性能衰退区的弥补使得阵列可以进行大角度扫描，并明显降低交叉极化。

请参考图1-图4，本发明提出一种方向图可调的三极化及其阵列天线，其包括4个扇形辐射片101，该扇形辐射片101(半径为2.75mm)印刷在介质柱5(相对介电常数为3，直径为5.5，高为16mm)的上表面以此组成该三极化单元水平双极化辐射体部分1，在水平双极化辐射体的正下方进行馈电，可采用电磁耦合微带巴伦进行馈电、同轴线馈电等；该三极化单元垂直极化辐射体部分2由4个顶部相连的辐射片201组成，垂直极化辐射体部分2印刷在介质柱5的柱面上，在垂直极化辐射体部分2的下部采用等功分微带匹配电路进行馈电；寄生辐射结构3(下底边为4mm，上边长为8mm高为10mm)，采用正交且渐变的两块金属组成用于调控三极化单元的方向图指向，寄生辐射结构3印刷在介质板6(相对介电常数为3，长为8mm，宽0.5mm，高为13mm)的表面；金属底板4(材质为铝，厚度为2mm)，作为天线的支撑板和反射板。该三极化单元可组成一维线阵7，通过对三极化单元方向图指向的调控实现阵列的大角度扫描，该三极化单元可组成二维平面阵8，通过调整单元异极化幅度和相位的比值，实现阵列的宽角扫描。

多项技术共同实施，使得本发明天线中三极化单元实现了小型化和单元防线图的调控，通过调控单元方向图实现了阵列的宽角扫描。

1、仿真内容

请参考图5至图9。利用仿真软件对上述实施例天线三极化单元的方向图和一维线阵在不同角度的扫描情况进行了仿真。

2、仿真结果

图5是对实施例三极化单元仿真得到三极化天线单元垂直极化方向图调空前后的对比图。结果表明：对三极化单元方向图调控，可以实现方向图波束指向的偏移。

图6～图9是对实施例一维线阵仿真得到的在不同角度的扫描方向图。结果表明：通过对单元方向图进行调控，可实现阵列的宽角扫描。

以上仅为本发明的最佳实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构、参数和频率进行修改，进而得到本发明天线的宽带宽波束双极化特性以及实现天线与金属载体的良好共生，但这些均在本发明的保护之列。