Yeni bir doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör anten tasarımı
Wang Quan, Li Pengkai
(İletişim ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Çin Elektronik Bilimi ve Teknolojisi Üniversitesi, Chengdu 611731, Sichuan)
Uzamsal dengeleme fazı değerini ve ortogonal polarizasyon fazı farkını bağımsız olarak kontrol edememe, geleneksel doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör dizisinde her zaman bir problem olmuştur. Elektrik alan vektör sentezine dayalı olarak, yüksek saflıkta doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm yansıma dizilerinin araştırılması için yeni bir yol sağlayan, uzamsal faz telafi modunu ve polarizasyon kontrol modunu tamamen ayırabilen bir doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşümü tasarım yöntemi önerilmiştir. Fikirler. Bu hattan daireye polarizasyon dönüşümünü gerçekleştirmek için üç paralel çift kutuplu birimi istifleme yöntemi önerilmiş ve X-bandında çalışan bir doğrusal polarizasyon-sağ dairesel polarizasyon dönüşümü tasarlanmış, işlenmiş ve test edilmiştir. Dizi antenini yansıtır. Test sonuçları, reflektörün merkez frekansta 22.4 dB kazancı olduğunu, çapraz polarizasyonun -28 dB'den daha iyi olduğunu ve 1 dB kazanç bant genişliği ve 3 dB eksenel oran bant genişliğinin yaklaşık% 10 olduğunu göstermektedir.
Dairesel polarizasyon; faz telafisi; polarizasyon dönüşümü; reflektör anten
TN82
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.12.022
Çince alıntı biçimi: Wang Quan, Li Pengkai Yeni bir doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör anten tasarımı türü Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (12): 85-88.
İngilizce alıntı biçimi: Wang Quan, Li Pengkai.Doğrusal polarize ve dairesel polarize dönüşüm reflektörlü anten tasarımı.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2016, 42 (12): 85-88.
0 Önsöz
Modern iletişimde, uzun mesafeli iletişim ve radar sistemlerinde yüksek kazançlı antenler gereklidir. Geleneksel yüksek kazançlı antenlerin temel olarak iki biçimi vardır: parabolik ve mikroşerit dizileri. Parabolik anten, onu aydınlatmak için yüksek radyasyon verimliliğine sahip, ancak boyutu büyük ve kurulumu karmaşık olan bir besleme kaynağı kullanır; mikroşerit dizili anten düz bir yapıdır ve üretimi kolaydır, ancak besleme ağında büyük kayıp ve düşük verimlilik vardır. Bu yazıda bahsedilen yansıtıcı antenler, parabolik yansıtıcı antenler ile mikro şerit dizili antenlerin avantajlarının organik olarak birleştirilmesiyle oluşturulan yeni bir anten türüdür. Esas olarak, periyodik olarak düzenlenmiş yansıtıcı diziler ve beslemelerden oluşur.Çalışma mekanizması: beslemelerden elektromanyetik dalgalar yayıldıktan sonra, yansıtıcı diziye ulaşmak için farklı iletim yollarından geçerler; Yansıtıcı diziler, her birimin boyut ve dönme açısından geçer. Veya besleme kaynağından gelen elektromanyetik dalganın yansıyan fazını buna göre ayarlamak için bağlantı açıklığı gibi fiziksel boyutların tasarımı, böylece yansıtıcı ön yüzeyden yansıyan alan, hepsini üretmek için dizi açıklığı yüzeyinde uygun bir faz dalga cephesi modeli oluşturur. Gerekli radyasyon modeli.
Öte yandan, dairesel polarize antenler, uzay ortamlarında parazitlere karşı iyi kararlılıkları ve güçlü parazit önleme özellikleri nedeniyle uydu iletişimi, radar karşı önlem teknolojisi, yüzey dalgası iletişimi ve radyo astronomisi alanlarında geniş uygulama olanaklarına sahiptir. Dairesel polarize reflektör dizisini gerçekleştirmek için iki ana yöntem vardır: (1) Yüksek besleme performansı gerektiren dönüş açısı birimini aydınlatmak için dairesel polarize besleme tasarımı; (2) Doğrusaldan daireye polarize bir dönüşüm elde etmek için kullanılır Bu yöntem, düşük profilli ve küçük koruma efektli, aşamalı yuvalı antenler (konik yuvalı antenler) ve diğer düzlemsel yapılar olarak seçilebilen doğrusal polarizasyon beslemelerini kullanır. Bununla birlikte, geleneksel doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör anten tasarımında, uzamsal faz kompanzasyon parametresi ve polarizasyon kontrol parametresi birbiriyle ilişkilidir, böylece iki ortogonal polarizasyon bileşeninin karmaşık yansıma katsayıları birbirini etkiler ve doğru bir birim elde etmek kolay değildir. Boyut ayrıca genel birim tasarımını ve optimizasyon sürecini karmaşıklaştırır.
Bu makale, iki ortogonal doğrusal polarizasyonun yansıma özelliklerini bağımsız olarak kontrol edebilen reflektör dizisi birimi için bir tasarım yöntemi önermektedir. Bu yöntem, uzaysal faz kompanzasyon modunu ve polarizasyon kontrol modunu birbirinden bağımsız olarak ayırır ve birbirini etkilemez. Yeni ünitenin tasarım süreci basittir, tasarım ve optimizasyon sürecini ve zorluğunu etkili bir şekilde azaltır.
1 Doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşümü ilkesinin analizi
Elektromanyetik dalgaların polarizasyon tanımı, uzayda belirli bir noktada, elektromanyetik dalgaların yayılma yönüne ortogonal bir düzlemdeki elektrik alan vektörünün yörüngesidir. Şekil 1'de gösterildiği gibi z ekseninin negatif yönü boyunca reflektör ünitesine dikey olarak gelen ve polarizasyon açısı f olan doğrusal polarize elektromanyetik dalga için.
Bunlar arasında, iki ortogonal polarizasyonun faz farkı = ± / 2, sırasıyla sol taraftaki dairesel polarize dalgaya ve sağ taraflı dairesel polarize dalgaya karşılık gelir. Düzende doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşümünü gerçekleştirmek için, yansıyan dalgadaki iki ortogonal doğrusal polarizasyonun genliğini ve fazını bağımsız olarak kontrol etmek gerekir. Bu, uzaysal faz telafisini ve iki polarizasyon arasındaki faz farkını aynı anda karşılamak için, tasarlanan reflektör ünitesinin iki ortogonal doğrusal polarizasyonun karmaşık yansıma katsayılarını bağımsız olarak kontrol edebilmesini gerektirir. Geleneksel doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör dizisi ünitesinin, iki polarizasyon yansıtma yapısı birbirine bağlı olduğu için, iki polarizasyon arasındaki yansıma fazının belirli bir dereceye kadar karşılıklı etkiye sahip olacağı belirtilmelidir. Bu "bağımsız olmayan" birim tipi, tasarım ve optimizasyonun karmaşıklığını büyük ölçüde artıracaktır ve bazı durumlarda, dairesel polarize reflektör dizisi eksen oranının ve çapraz polarizasyonun performansını etkileyecek olan optimal değer elde edilemez.
2 hat dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör ünitesi tasarımı
Bu yazıda, doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşümünü gerçekleştirmek için Şekil 2'de gösterildiği gibi yığılmış üç paralel çift kutuplu halka birimi grubu kullanılmıştır. Üç paralel çift kutuplu halka birimi yığını, iki üst ve alt katmandan oluşur. Üst katman, y ekseni polarizasyonunu kontrol eden üç paralel çift kutuplu halka birimi ve bir metal ızgara zemini içerir; alt katman, x ekseni polarizasyonunu kontrol eden üç paralel dipol içerir. Alt halka birimi ve metal zemin; üst ve alt katmanlardaki üç paralel çift kutuplu halka biriminin boyutları aynı tutulur ve belirli yapısal parametreler Tablo 1'de gösterilmiştir.
Üç paralel çift kutuplu halka, ünitenin çapraz polarizasyonunu azaltmak için ortasına bağlanan kısa metal şeritlerle birbirine paralel üç dikdörtgen çift kutup halkasından oluşur. Üst ve alt katmanların dipol halkaları aynı boyuttadır ve dielektrik substrat t = 0.508 mm kalınlığında Rogers 5880 (r = 2.2) kullanır; birim, üç halkanın uzunluğunu ayarlayarak 11.3 GHz merkez frekansında yaklaşık olarak doğrusal yansıma elde eder. Faz cevabı Şekil 3'te gösterilmektedir. Şekilden, tek katmanlı üç paralel çift kutuplu birimin yaklaşık 470 ° 'lik düz bir yansıma fazı kayma eğrisine sahip olduğu görülebilir. Ünitenin iyi yansıma katsayısı eğrisi, doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör dizisinin sonraki tasarımının temelini oluşturur.
Üst metal ızgara, x ekseni boyunca periyodik olarak düzenlenmiş, y eksenindeki doğrusal polarize dalgaları yansıtabilen ve x ekseninde doğrusal polarize dalgaları iletebilen bir dizi metal şeritten oluşur. Bu özelliği kullanarak, doğrusal olarak polarize edilmiş bir elektromanyetik dalga, iki bağımsız dikey doğrusal polarizasyona ayrıştırılabilir ve uzaysal faz farkı, yansıyan dalganın belirli bir yönde olması için üst ve alt katmanlardaki aynı üç paralel çift kutuplu halka birimi ile telafi edilebilir. Odaklanma etkisini elde edin. Öte yandan, doğrusal polarizasyon beslemesinin polarizasyon açısı f = 135 ° ve ünitenin iki katmanı arasındaki hava boşluğunun yüksekliği saç olduğunda, x-polarize elektromanyetik dalga, alt katmanın üç paralel çifti tarafından metal ızgara zeminden geçecektir. Kutup halkası birimi yansıtır ve y polarizasyonuna kıyasla yansıma fazı farkı:
Formülde k0, serbest uzay dalga sayısıdır; r, metal ızgara temelinin dielektrik sabitidir. Gerçek montajda, iki katman arasındaki mesafe çok küçük olmamalıdır. 11.3 GHz'de sağ el dairesel polarize dalgaya doğrusal polarize dalgayı gerçekleştirmek için, şu anda hair = -5 / 2 olan saç = 16.35 mm alın. Şekil 3'teki ünitenin üst ve alt katmanları sürecinde, yansıma fazı kayma eğrisi temelde paraleldir ve -90 ° 'lik bir faz farkını sürdürür (basitlik için -2 ded çıkarılmıştır) ve yansıma katsayısı genliğindeki değişiklikler temelde senkronize edilir. . Bu, iki ortogonal lineer polarizasyon arasındaki faz farkının, hava boşluğu yüksekliğini ayarlayarak uzamsal faz kompanzasyonundan bağımsız olarak kontrol edilebileceğini kanıtlamaktadır.
Yukarıdaki araştırma ve analiz sayesinde, yığılmış üç paralel çift kutuplu halka birim grubunun iki ortogonal doğrusal polarizasyonun yansıma katsayılarını ayrı ayrı kontrol edebildiğini ve metal ızgara zeminin iki polarizasyonun izolasyonunu ve ayrılmasını büyük ölçüde geliştirebileceğini görebiliriz. Bağımsızlık; Öte yandan ünite, katmanlar arasındaki hava boşluğunun yüksekliğini değiştirerek iki polarizasyon arasındaki herhangi bir faz farkını sağlayabilmektedir.Etkili lineer-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör ünitesi yapısı olup, isteğe göre elde etme kabiliyetine sahiptir. Değişken polarizasyon fonksiyonunun potansiyeli.
3 hatlı dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör dizisinin tasarımı ve doğrulanması
Yukarıda tanıtılan doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşümü prensibini ve istiflenmiş üç paralel çift kutuplu halka birimlerinin performansını doğrulamak için, bu kağıt, X-bandında çalışan sağ elle kullanılan dairesel polarize reflektör anten tasarlar. Yansıtıcı dizi antenin temel yapısı ve fiziksel haritası Şekil 4'te gösterilmektedir. Reflektör dizisinin merkez çalışma frekansı 11,3 GHz, dizi çapı 195 mm × 195 mm ve toplamda 15 × 15 birim bulunmaktadır. İstiflenmiş üç paralel çift kutuplu halka birimi ve metal ızgara zemini, 0,508 mm kalınlığında bir Rogers 5880 substratı üzerine basılır. Besleme kaynağının koruyucu etkisini azaltmak için, yansıtıcı dizi, önyargılı bir besleme yapısı kullanır, odak çapı oranı F / D = 1 ve dizi ışını, z ekseninin pozitif yönü boyuncadır.
Doğrusal polarize TSA anteni besleme olarak kullanılır ve gerçek fotoğraf ve merkez frekansta ölçülen model Şekil 5'te gösterilmektedir.
Beslemenin faz merkezi (0, -70.98 mm, 195 mm) olarak sabitlenir, kazanç 11.6 dB, -10 dB huzme genişliği 72 ° ve eğik olay açısı 20 ° 'dir. Reflektör antenin temel yapısı belirlendikten sonra gerekli dizi faz dağılımı literatürdeki yönteme göre hesaplanır.
Doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör dizisi anteninin performansını doğrulamak için, anten bir mikrodalga yankısız bölmede uzak alanda ölçüldü.Merkez frekans noktasının normalleştirilmiş modeli, eksenel oran ve simülasyon ve gerçek ölçümün kazanç eğrisi Şekil 6'da gösterilmektedir. Ve Şekil 7. Şekil 6'da 11,3 GHz'de doğrusal-dairesel polarizasyon reflektörünün XOZ ve YOZ düzlemlerinin 3 dB ışın genişliğinin yaklaşık 7,8 ° / 7,6 ° ve yan lob seviyesinin -14,5 dB / -14,9 dB olduğu görülebilir. Çapraz polarizasyon seviyesi -36 dB / -28 dB'dir. Test sonuçları, antenin daha iyi dairesel polarizasyon saflığına ve merkez frekansta çapraz polarizasyon bastırmaya sahip olduğunu göstermektedir.
Şekil 7'yi inceleyerek, doğrusal-dairesel polarize reflektör dizisi anteninin 0.17 dB'lik bir eksenel orana ve 11.3 GHz'de 22.4 dB'lik bir kazancı olduğunu görebiliriz. Merkez frekansı merkez olarak kullanıldığında, reflektör anten 3 dB eksenel oran bant genişliğinin yaklaşık% 10'una ve 1 dB kazanç bant genişliğine sahiptir.
Şekil 6 ve Şekil 7'deki simülasyon ve gerçek ölçüm sonuçları karşılaştırıldığında, doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör anteni, test sırasındaki işleme ve montaj hataları nedeniyle belirli bir frekans kaymasına sahiptir, ancak genel kazanç ve eksenel oran eğrileri işe yaramaktadır. Frekans bandındaki değişim eğilimi ve performans temelde benzerdir. Reflektör antenin çalışma bant genişliği geniş değildir Bunun nedeni, hava boşluğunun getirdiği gecikmiş fazın çalışma bant genişliğinin nispeten dar olması ve geniş bant aralığında kararlı ortogonal polarizasyon faz farkının garanti edilememesidir. Yansıtıcı antenin uzamsal dengeleme fazı değeri ve iki dikgen polarizasyon faz farkı değerinin, üç paralel çift kutuplu döngünün uzunluğu ve ara katman hava boşluğunun yüksekliği tarafından bağımsız olarak kontrol edildiğini ve birbirini etkilemediğini belirtmek gerekir; Çoklu polarizasyon ve değişken polarizasyon reflektör tasarımının bir sonraki adımı için temel oluşturur.
4. Sonuç
Bu makale, reflektör dizi ünitesinin uzamsal kompanzasyon fazı değerini ve ortogonal polarizasyon faz farkını tamamen bağımsız olarak kontrol edebilen bir doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm şeması ve uygulama ünitesi önermektedir. Bu yöntemi kullanarak ve istiflenmiş üç paralel çift kutuplu birim grubunu birleştirerek, X-bandında çalışan bir doğrusal-dairesel polarizasyon dönüşüm reflektör anteni tasarlandı, işlendi ve test edildi. Test sonuçları, reflektörün merkez frekansta 22.4 dB kazanç sağladığını ve çapraz polarizasyonun -28 dB'den daha iyi olduğunu; 1 dB kazanç bant genişliği ve 3 dB eksenel oran bant genişliğinin yaklaşık% 10 olduğunu göstermektedir. Yansıma dizisi, uzamsal dengeleme fazı değerinin ve ortogonal polarizasyon faz farkı değerinin bağımsız olarak kontrol edilebileceğini doğrular, bu da müteakip çoklu polarizasyon ve değişken polarizasyon yansıma dizisi tasarımının temelini oluşturur.
Referanslar
SHAKER J, CHAHARMIR M R, ETHIER J.Reflectarray antenleri: Analiz, tasarım, imalat ve ölçüm: Artech House, 2013.
HUANG J, RONALD J.A Değişken dönme açılarına sahip elemanlara sahip Ka-bant mikro şerit reflektör dizisi Antenler ve Yayılma Üzerine IEEE İşlemleri, 1998, 46 (5): 650-656.
YU A, YANG F, ELSHERBENI A Z, vd. Modifiye edilmiş bir element döndürme tekniği kullanan ofset beslemeli bir X-bandı reflektörlü anten. Antenler ve Yayılma Üzerine IEEE İşlemleri, 2012, 60 (3): 1619-1624.
Wu Zhihang.Araştırma ve Genişbant Polarizasyon Dönüşüm Mikroşerit Reflektör Dizisi Anten Uygulaması Nanjing: Southeast Üniversitesi, 2005.
Ren Lishi, Jiao Yongchang, Li Fan ve diğerleri.Doğrusal polarize beslemeli geniş bantlı dairesel polarize reflektör için çift katmanlı T şeklinde bir eleman. IEEE Antenleri ve Kablosuz Yayılma Mektupları, 2011, 10 (1): 407-410.
CHEN Y, GE Y, BIRD T.Çoklu polarizasyon uygulamaları için ofset reflektörlü anten IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016, 15: 1353-1356.
Wu Zhihang, Zhang Wenxun, Liu Zhiguo. Lineer polarize beslemeli dairesel olarak polarize reflektör. Elektronik Mektupları, 2005, 41 (7): 387-388.
CHEN Y, GE Y, LIU Y J. Lineer polarize besleyicili yeni bir dairesel polarize reflektör tasarımı.Antenas and Propagation ve USNC / URSI National Radio Science Meeting.Vancouver, Kanada: IEEE, 2015: 2137-2138.
Wang Quan, Shao Zhenhai, Cheng Yujian, ve diğerleri Modifiye edilmiş çapraz döngü elemanını kullanan bir çift polarizasyon, geniş bant, milimetre dalga reflektör dizisi.Mikrodalga ve Optik Teknoloji Mektupları, 2014, 56 (2): 287-293.
Wang Quan, Shao Zhenhai, Cheng Yujian ve diğerleri.Sarmal saplamalarla yüklenen değiştirilmiş çift kare döngü kullanan geniş bantlı düşük maliyetli bir reflektör. Antenler ve Yayılma Üzerine IEEE İşlemleri, 2015, 63 (9): 4224-4229.
