超宽频面具(UWB),因为它被定义为FCC ( 1)允许无须许可使用3.1 GHz之间的光谱和10.6 GHz的最大的功率谱密度−41.3 dBm / MHz。这个带宽打开许多可能性,不仅与潜在的高数据率通信系统也在本地化和雷达系统,精度、分辨率带宽成正比。另一方面,大带宽是天线设计相关的挑战。特别是双极化天线。超宽频技术中的最新研究显示越来越需求超宽频双极化天线元素( 2]。对于许多应用程序,极化多样性的重要性。在单偏振的情况下,可能会有一个退化的表现如果正交偏振传输和接收天线,特别是在视距环境。极化多样性还可以提高雷达的性能和成像系统( 3- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - - - 5MIMO技术),几乎是必不可少的。

在文学中,只有几个dual-orthogonal极化超宽带天线的概念可以找到。他们中的大多数辐射电磁波在很widebandwidth利用行波原理如著名的quad-ridged喇叭天线( 6),绝缘拉杆天线( 7]或锥形槽(又名维瓦尔第)天线( 8]。然而,这样的天线一般庞大,难以融入任何设备。此外,只有少数天线提供极化纯度比20 dB的几个GHz的带宽。所有的天线基于行波原理通常需要一个3 d结构为了执行正确。这样的设计使散热器的集成到任何设备紧凑困难。出于这个原因,平面交叉极化抑制高的解决方案被调查,以确保两个正交的宽带辐射线性偏振。天线是一种稳定的阶段的一个重要需求中心的辐射,这位置很widebandwidth是恒定的。这保证小失真pulse-based辐射脉冲的超宽频系统。相位中心应具备相同的位置为偏振光,保证同样的辐射条件独立的偏振模式。散热器的集成到一个设备,天线是垂直于表面的辐射模式是有利的。 The main beam direction should be constant over the frequency range. Similar beamwidths in the<我talic> E飞机和<我talic> H飞机允许相同的照明空间独立于极化。本文提出一种数组配置原则的实现超宽频dual-orthogonal,线性极化天线满足上述要求。的阵列配置抑制交叉极化在一定角地区。原理方法,同时介绍了相位中心的稳定运动的频率。在下面,辐射特性的数学描述,和阵列配置的性能评估。在论文的最后一部分的影响nonidealities(振幅和相位平衡)的总体性能提出的配置了。

首先,一个单一的、任意的,平面天线元素,如图 1(一)一个蓝色的表面,被认为是。目标极化是线性的和符合<我talic> z设在。辐射电场矢量<我talic> E(实心箭头)是面向任意。首先,的取向<我nline-formula> y z 飞机被认为是。的辐射<我nline-formula> E 场向量分成copolarized(虚线箭头表示)和正交偏振(虚线箭头)。所需的线性极化是平行<我nline-formula> z 设在,可以很容易地通过一个旋转的天线。然而,这并不适用于实践自极化可能与频率。此外,天线的转动并不是一个解决方案的一个意想不到的椭圆极化。为了克服这些问题,使用第二个镜像天线,如图 1 (c)。配置是对称的<我nline-formula> y 设在。如果两个天线由一个信号相同的振幅和相位,辐射偏振(实心箭头)从两个元素也与除了对称<我nline-formula> y 设在。这意味着交叉极化组件(虚线箭头)是相同的振幅和相位和振幅co-polarization组件是一样的但是面向相反的方向。这个结果在一个期望co-polarization的取舍。为了克服这个缺点,天线采用的微分喂养,示意图见图 1 (d)。它可以指出,通过微分喂养的实现交叉极化向量是面向相反的方向,因此干涉相消,而co-polarization的是在同一方向,增强干涉。这样的配置所需的线性偏振辐射的结果<我nline-formula> E 场平行<我nline-formula> z 设在。很明显,极化不取决于单个天线的电磁特性但只有单一的机械装置中的天线元素数组配置。明显是主声束方向(也<我nline-formula> x 设在)取消交叉极化的原理,同时增强co-polarization是独立的波长。因此,它适合超宽频技术。

获得两个线性正交偏振,天线阵已经被两个额外的升级元素旋转90°,如图 1 (e)。如果两个子序列是独立经营,独立两个线性正交偏振可以辐射。

根据天线类型、相位中心的位置可以是一个函数的频率,从而导致不必要的辐射脉冲的色散( 9]。这个相位中心的变化示意图如图 2(一个)相位中心,在一个特定的频率<我nline-formula> f 我 由黑点表示。在天线阵列两个元素之间的相位中心总是位于中间的相位中心两个元素(关于主声束方向)。因此,在天线阵列与第二散热器,对称布置的相位中心的变化对称轴(这里是有限的<我nline-formula> y 设在),如图 2 (b)( 10]。这导致部分补偿色散特性的天线。这一原则是有效的,只要天线电磁的相同属性和不夫妻双方。如果元素有一个相位中心,只是沿着一个轴不同,建议安排阶段中心可以固定在一个单点宽频率范围。如果第二个天线对旋转在这一点上,一个双极化相同的散热器,frequency-independent相位中心两个偏振。

类似的配置已经被证明文献[ 11, 12]。然而,作者集中在窄带天线。的独立性原理的优点对于稳定频率和相位中心还没有完全显示。

在下面,一个镜像的辐射特性数学模型,differential-fed天线阵。天线和相应的坐标系如图 3(一个)。天线放置在上半球(<我nline-formula> z > 0 )索引为天线“1”和一个低半球(<我nline-formula> z < 0 )作为天线“−1”。散热器的喂养电压相互微分输入电压和规范化。因此,喂养电压可以描述的 (1) U ̲ 1 = 1 2 , U ̲ - - - - - - 1 = 1 2 e j π 。

传递函数<我nline-formula> H ̲ 基于“增大化现实”技术 ( θ , ψ ) 数组的配置可以确定如下 (2) H ̲ 基于“增大化现实”技术 ( θ , ψ ) = ∑ 我 H ̲ 我 ( θ , ψ ) ⋅ Φ ̲ 我 ( θ , ψ ) , 在哪里<我nline-formula> H ̲ 我 ( θ , ψ ) 是单一元素的复杂的传递函数。<我nline-formula> Φ ̲ 我 ( θ , ψ ) 是一个权重因子,这就是来自典型的阵因子的定义和定义在以下公式: (3) Φ ̲ 我 ( θ , ψ ) = U 我 e - - - - - - j β 0 ( r 0 - - - - - - r 我 ) , (4) r 0 - - - - - - r 我 = 我 d 2 因为 ⁡ θ , (5) β 0 = 2 π λ 0 , 在哪里<我nline-formula> r 我 代表观测点之间的距离<我nline-formula> P 的基点坐标系统,<我nline-formula> d 两个天线之间的距离(cf。图吗 3 (b)),<我nline-formula> U 我 喂养电压的振幅。结合( 2)- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - - - -( 5),数组的传递函数<我nline-formula> H ̲ 基于“增大化现实”技术 ( θ , ψ ) 收益率 (6) H ̲ 基于“增大化现实”技术 ( θ , ψ ) = H ̲ - - - - - - 1 ( θ , ψ ) ⋅ U ̲ - - - - - - 1 e - - - - - - j β 0 ( - - - - - - 1 ) ( d / 2 ) 因为 ⁡ θ + H ̲ 1 ( θ , ψ ) ⋅ U ̲ 1 e - - - - - - j β 0 ( 1 ) ( d / 2 ) 因为 ⁡ θ , 在哪里<我nline-formula> H ̲ 1 和<我nline-formula> H ̲ - - - - - - 1 是复杂的传递函数相应的天线。简化后,重排的几何对称的剥削<我nline-formula> H ̲ 1 和<我nline-formula> H ̲ - - - - - - 1 ,( 6)可以写成函数的极化组件 (7) H ̲ 基于“增大化现实”技术 ( θ , ψ ) = ( H ̲ 1 , θ ( - - - - - - θ , ψ ) u θ - - - - - - H ̲ 1 , ψ ( - - - - - - θ , ψ ) u ψ ] ⋅ 1 2 e j ( 1 / 2 ) β 0 d 因为 ⁡ θ + ( H ̲ 1 , θ ( θ , ψ ) u θ H ̲ 1 , ψ ( θ , ψ ) u ψ ] ⋅ 1 2 e - - - - - - j ( 1 / 2 ) β 0 d 因为 ⁡ θ , 在哪里<我nline-formula> u θ 代表的是在这种情况下,co-polarization单位向量,<我nline-formula> u ψ 代表了交叉极化单位向量。它可以观察到,copolarized组件<我nline-formula> u θ 有相同的主要标志,正交极化组件<我nline-formula> u ψ 有相反的主要传递函数相应的加式的迹象<我nline-formula> H ̲ 。这导致建设性和破坏性的合作和交叉极化干扰,分别。

调查的影响天线布置在相应的组件<我nline-formula> H 基于“增大化现实”技术 , θ ( θ , ψ ) (co-pol)和<我nline-formula> H 基于“增大化现实”技术 , ψ ( θ , ψ ) ( x 波尔<我nline-formula> ) 后,对各向同性散热器计算传递函数<我nline-formula> H ̲ 基于“增大化现实”技术 ( θ , ψ ) 。一个接收阵列的因素<我nline-formula> 一个 F ̲ 代表独立使用元素的辐射特征。写作( 7没有复杂的传输函数的元素)<我nline-formula> H ̲ 1 和<我nline-formula> H ̲ - - - - - - 1 阵列因子<我nline-formula> 一个 F ̲ 获得 (8) 一个 F ̲ ( θ , ψ ) = ( u θ - - - - - - u ψ ] ⋅ 1 2 e j ( 1 / 2 ) β 0 d 因为 ⁡ θ + ( u θ u ψ ] ⋅ 1 2 e - - - - - - j ( 1 / 2 ) β 0 d 因为 ⁡ θ 。 两个不同的天线对称排列的<我nline-formula> y 设在co-polarization数组因素(<我nline-formula> 一个 F ̲ θ )和正交偏振(<我nline-formula> 一个 F ̲ ψ 可以写成)方向 (9) | 一个 F ̲ θ ( θ , ψ ) | = | 2 因为 ⁡ ( 1 2 β 0 d 因为 ⁡ θ ) | , (10) | 一个 F ̲ ψ ( θ , ψ ) | = | 2 罪 ⁡ ( 1 2 β 0 d 因为 ⁡ θ ) | 。

在本节中,先前描述的影响天线布置在偏振辐射特征评估。数组是对称排列<我nline-formula> y 设在,合作和正交偏振辐射属性是描述( 9)和( 10),分别。在这些方程可以看出,数组因素取决于频率,天线之间的距离元素<我nline-formula> d 和角<我nline-formula> θ ,即观察角(cf图 3 (b))。这意味着,在某些角度区域co-polarization增强,交叉极化是抑制,反之亦然。这是天线设计中考虑。明显是缺乏角的依赖<我nline-formula> ψ 。这意味着预计的辐射特性描述数组相同的质量<我nline-formula> ψ 飞机在某些角度<我nline-formula> θ 。

数组的因素<我nline-formula> | 房颤 ̲ θ | 和<我nline-formula> | 房颤 ̲ ψ | 如图 4(一)的电气距离<我nline-formula> d 埃尔 = d / λ 0 = 0.5 。角地区之间大约60°、120°,<我nline-formula> θ 分是放大<我nline-formula> ψ 分是有效抑制。最大增益是3 dB在一个角度<我nline-formula> θ = 90年 ° 。在这个角度,交叉极化几乎完全抑制。数组的角度依赖关系因素的电气距离<我nline-formula> d 埃尔 = 1 和<我nline-formula> d 埃尔 = 1.5 如数据所示 4 (b)和 4 (c),分别。与梁的元素之间的距离,增加变得狭窄和光栅叶发生。在主波束方向(<我nline-formula> θ = 90年 ° ),最大的<我nline-formula> | 房颤 ̲ θ | 的最低<我nline-formula> | 房颤 ̲ ψ | 是独立的电气距离天线元素。在这个地区,<我nline-formula> θ 极化是放大<我nline-formula> ψ 极化是镇压独立的频率。

图 5显示了意味着数组的因素<我nline-formula> θ ——<我nline-formula> ψ 分平均在3.1 GHz和10.6 GHz之间的带宽。一个有效的抑制交叉极化(<我nline-formula> | 房颤 ̲ ψ | )和一个放大co-polarization (<我nline-formula> | 房颤 ̲ θ | )可以观察的角度<我nline-formula> 75年 ° < θ < 105年 ° 。在90°的放大<我nline-formula> θ 分是3 dB,和抑制的影响<我nline-formula> ψ 分是最大的。交叉极化的最大放大大约是1.9 dB 60°、120°。它没有达到的价值3 dB的角运动的最大交叉偏振光束的频率。

在数据图 4和 5验证了作者的模拟和测量monopolarized散热器。在下一节中,给出了双极化阵列的测量验证。

验证的天线是基于著名的椭圆天线,也称为菱形天线( 10, 13]。天线能够辐射在一个非常大的带宽和拥有强大的交叉极化分量<我talic> H飞机。因此,散热器的属性是方便的验证原则。散热器的原型提出了相对笨重和选择只是为了验证目的,由于他们的辐射特性。紧凑与稳定的辐射模式实现了频率和高偏振解耦,读者是指作者的其他作品 14- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - - - 17]。

单一的散热器的原型提出了数字 6(一)和 6 (b)。辐射单元由一个椭圆孔的地平面合并一个椭圆金属化。美联储天线之间的槽内椭圆和地平面。给网络,微带线与使用逐渐减少。

双极化阵列组成的两双(四元素)前面提出的天线数据所示 6 (c)和 6 (d)。元素两两对称,对称点两双都是相同的。喂养网络也使用微带线。因为单一的元素对一定很兴奋同时,必须应用一个功率分配器。分隔器的输出是锥形和连接到各自的散热器的喂食点。为了能够独立驱动两个偏振,喂养两个网络,每一个极化,应用。

测量获得的co-polarization<我talic> H飞机为单天线和双极化散热器(端口1)数据所示 7(一)和 7 (b),分别。在这两种情况下,两束在0°、180°存在,它产生一个方向垂直于衬底。预计类似的光束的宽度,因为孔径的散热器没有扩展<我talic> H飞机。明显较高增益的双极化阵列,结果两个元素的应用,扩展孔径沿<我talic> E飞机。的测量结果的比较,获得的<我talic> E飞机,co-polarization数据所示 7 (c)和 7 (d)为单一元素,分别和数组。单元素一个不对称的辐射模式0°/频率观察。这是由于不对称天线几何沿这个平面。由于散热器的延伸到一个数组,相称的电流分布<我talic> E飞机是实现;因此,辐射模式更加对称。外的主声束方向(0°),侧叶存在,由于相对较高的元素之间的距离。由于前面提到的扩展的光圈<我talic> E面,一个窄光束中观察到<我talic> E飞机比<我talic> H飞机。测量,它已经表明,阵列能够提高co-polarization。充分验证的原理、配置的破坏性影响的正交偏振必须包括在内。

在数据 8(一个)和 8 (b)交叉极化的测量成果,<我talic> H平面上分别显示为单一元素,数组(请注意规模)。对于单一element-four强有力的正交偏振光束。这些是广泛镇压的数组。角地区的一些更强的正交极化组件<我nline-formula> | θ | > 90年 ° 是辐射的结果数组的供给网络,可以显著抑制屏蔽或紧凑的作者实现如图所示的,例如,在[ 14, 15]。在图的完整性 8,单天线和阵列的测量结果<我talic> E飞机,交叉极化。没有显著负面影响考虑极化纯度。

进一步的优势提出了天线配置高双正交偏振的港口之间的解耦。这发生由于电场的湮没在正交偏振的港口。这种效应描述的测量和验证( 14, 15]。在这些出版物,一个重要的问题小型化天线阵的基础上介绍了原理。

它可以得出的结论是,在某些角区域,可以成功地抑制交叉极化独立的频率。有用的地区更大的大小减少频率和元素之间的距离。因此,对于给定的频率范围,反映元素之间的距离应保持小的波长。紧凑的设计散热器的概念基础上所描述的原理描述作者( 14, 15]。由于相同的引用天线的孔径大小<我talic> E- - -<我talic> H飞机,散热器具有几乎相同的波束宽度在各自的飞机从大约3 GHz 11 GHz频率范围。这对双极化天线引入了一个很大的优势,因为相同的空间照明独立极化。从文献的例子 14, 15)显示的实际实现的一个例子紧凑dual-orthogonal文中描述原理,线性极化超宽频天线。

原则是适用于几乎所有类型的散热器。然而,必须牢记,天线阵的设计之前,对称平面的选择一个密集的单一元素的辐射特性的调查。这些知识是不可缺少的元素的适当的安排和成功抑制交叉极化。

在理论研究中,天线的微分喂养被认为是理想的,也就是说,喂单一元素的信号振幅相等,和相移正是180°。然而,可能不满足此条件在现实中由于制造过程中的公差或喂养的非理想的设计网络。因此,不完美的喂养信号对天线性能的影响。的不平衡,振幅和相位的变化给信号。

本文实现的概念完全极化超宽频散热器。操作的原则解释说,和阵列的设计的数学模型。配置对于抑制交叉极化性能的研究。考虑的正确性验证了单元素和双极化的测量数组。这个配置的优点是高极化纯度角和频率范围宽,一个很好的解耦的港口中心两个偏振正交偏振和固定阶段在整个预期的频率范围。提出的原理可以应用到所有天线主波束方向正交于衬底表面。振幅和相位的影响在极化纯度进行平衡,和相应的依赖关系。

解决方案可以利用紧凑的天线设计中,提出了在( 14, 15]。在这些出版物的一个额外的优势,即相似性的光束<我talic> E- - -<我talic> H飞机。描述解决方案允许实现散热器对高端雷达/成像系统或高数据率通信设备基于MIMO和超宽频的融合。