提出了超宽带交叉极化抑制阵列配置的概念。对该方法进行了详细的说明,并给出了原理的数学描述。结果表明,该结构有利于研制高偏振纯度的宽频带双正交线偏振天线。所研究的结构显示了正交端口的高度解耦,并且能够用于主波束方向垂直于衬底表面的天线,即用于平面设计。天线结构的相位中心保持固定在一个单点上的完整所需的频率范围,允许辐射信号的最小色散。研究了馈电网络中的不确定性对极化纯度的影响。该方法为典型的超宽带技术扩展到全极化系统提供了优越的可能性,可以显著提高UWB- mimo或UWB-雷达的性能。
1.介绍
因为它是由FCC [定义的超宽带(UWB)掩模1 允许免费使用3.1 GHz到10.6 GHz之间的频谱,最大功率谱密度为- 41.3 dBm/MHz。这种带宽开辟了许多可能性,不仅在具有潜在高数据速率的通信系统中,而且在定位和雷达系统中,其精度或分辨率与带宽成正比。另一方面,大带宽对天线的设计具有挑战性。双极化天线尤其如此。超宽带技术的最新研究表明,对超宽带双极化天线元件的需求越来越大[2 ]。在许多应用中,极化分集是非常重要的。在单极化情况下,如果发射和接收天线交叉极化,特别是在视线环境下,可能会有性能退化。偏振分集还可以提高雷达和成像系统的性能[3. - - - - - -5 并且在MIMO技术中几乎是不可缺少的。
在文献中,只有很少的双正交极化超宽带天线的概念可以找到。它们中的大多数利用行波原理将电磁波辐射到很宽的波段,就像众所周知的四脊喇叭天线[6 ,介质杆天线[7 ]或锥形槽(又名维瓦尔第)天线[8 ]。然而,这样的天线通常是庞大且难以集成到任何设备。Furthermore, only few antennas offer a polarization purity of better than 20 dB over the bandwidth of several GHz. All antennas based on traveling wave principle need generally a 3D structure in order to perform correctly. Such design makes an integration of the radiators into any compact device difficult. For this reason, a planar solution with a high cross-polarization suppression has been investigated to assure a wideband radiation of two orthogonal linear polarizations. An important demand on the antenna is a stable phase center of radiation, which location is constant over the very widebandwidth. This guarantees small distortion of the radiated pulse in pulse-based UWB systems. The phase centers should possess the same position for both polarizations, what assures the same radiation conditions independent of the polarization mode. For the integration of the radiators into a device, the radiation pattern which is perpendicular to the antenna surface is advantageous. The main beam direction should be constant over the frequency range. Similar beamwidths in the<我>E我>- 平面,并在<我>H我>- 平面允许独立于偏振的相同的空间的照明。本文提出了一种实现超宽带双正交,满足上述要求线性偏振的天线的阵列结构的一个原理。在一定的角度范围为交叉极化的抑制的阵列配置进行说明。同时原理引入了对在频率相位中心的移动的稳定化的方法。在下文中,的辐射特性的数学描述中给出,并且阵列配置的性能进行了评价。在文章的最后一部分非理想特性(幅度和相位平衡)的建议配置的整体性能的影响进行了研究。
2.阵列配置
第一,单一的,任意的,平面天线元件,标注在图1(一) 作为一个蓝色表面,是考虑。目标极化是线性的,符合<我>z我>设在。辐射电场矢量<我>E我>(实线箭头)被任意地取向。首先,在方向<年代vg height="10.0125" id="M1" style="vertical-align:-2.29482pt;width:15.675px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.675 10.0125" width="15.675" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
飞机被认为是。的辐射<年代vg height="10.325" id="M2" style="vertical-align:-0.0pt;width:12.225px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.225 10.325" width="12.225" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-field向量被分配到copolarized(虚线箭头)和交叉极化(虚线箭头)。所期望的线性偏振平行于<年代vg height="7.375" id="M3" style="vertical-align:-0.17555pt;width:7.9250002px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9250002 7.375" width="7.9250002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-轴,可以很容易地实现一个旋转的天线。然而,这在实践中并不适用,因为极化可能随着频率的变化而变化。此外,在非预期椭圆极化的情况下,天线的旋转不是一个解决方案。为了克服这些问题,第二个镜像天线被使用,如图所示1 (c) 。构型是对称的<年代vg height="9.8625002" id="M4" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.875 9.8625002" width="7.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
设在。如果两个天线接收到振幅和相位相同的信号,则两个元件的辐射极化(实心箭头)也与天线对称<年代vg height="9.8625002" id="M5" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.875 9.8625002" width="7.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
设在。这意味着,交叉极化分量(虚线箭头)在幅度和相位和所述共偏振分量相同在振幅相同的,但是在相反方向上定向。这导致所期望的共同极化的取消。为了克服这个缺点,天线的供给差动采用,其在图示意性示出1 (d) 。可以注意的是,通过差速器供给交叉极化矢量的实施以相反方向定向,并且因此干扰相消,而共同极化的有在相同的方向和相长干涉。这种配置导致的期望的线偏振辐射<年代vg height="10.325" id="M6" style="vertical-align:-0.0pt;width:12.225px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.225 10.325" width="12.225" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-field平行于<年代vg height="7.375" id="M7" style="vertical-align:-0.17555pt;width:7.9250002px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.9250002 7.375" width="7.9250002" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
设在。很明显,极化并不取决于单个天线的电磁特性,而仅仅取决于阵列配置中单个天线元件的机械布置。值得注意的是对于主光束方向(<年代vg height="7.1624999" id="M8" style="vertical-align:-0.11285pt;width:8.7250004px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.7250004 7.1624999" width="8.7250004" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
轴)交叉极化与助极化的同时增强的消除的原理是与波长无关。因此,它适用于UWB技术。
(一)单一元素年代trong>
(B)标准的天线阵列年代trong>
(c)带镜像元件的天线阵列年代trong>
(d)天线阵列与镜像,差异馈电元件年代trong>
(E)的双正交,线性极化天线阵列与镜像,差分馈送元件年代trong>
(f)的传说年代trong>
为了得到两个线性正交极化,需要增加两个旋转90度的元件,如图所示1 (e) 。如果两个子阵列是独立运行的,两个线性正交极化可以独立地辐射。
根据天线的类型,相位中心的位置可以是频率的函数,这导致了辐射脉冲的不必要的色散[9 ]。相位中心的变化如图所示2(一个) ,其中相位以某一频率为中心<年代vg height="14.5875" id="M9" style="vertical-align:-3.2316pt;width:12.825px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.825 14.5875" width="12.825" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
由黑点表示。内有两个元素相位中心总是位于两个元件的相位中心之间的中间的天线阵列(关于主波束方向)。因此,与所述第二辐射器的对称布置的天线阵列,相位中心的变化被限制为对称轴(这里<年代vg height="9.8625002" id="M10" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.875 9.8625002" width="7.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-轴),如图所示2 (b) (10 ]。这导致天线的色散特性的部分补偿。只要天线具有相同的electromagnetical性质并不夫妇相互这一原则是有效的。如果元件具有相位中心,其仅沿一个轴可变,与所提出的布置中,相位中心可以在很宽的频率范围内被固定在一个单点。如果使用,其围绕该点旋转的第二天线对,获得了具有相同的,与频率无关的相位中心为两种偏振双极化辐射器。
类似的配置已经在文献中已经示出[11 ,12 ]。然而,作者集中研究了窄带天线。频率原理的独立性以及在稳定相中心方面的优势还没有得到充分的揭示。
3.辐射的数学描述
在下面,一个数学模型的反射,微分馈电天线阵列的辐射特性推导。天线及对应的坐标系如图所示3(一个) 。放置在上半球的天线(<年代vg height="11.0625" id="M12" style="vertical-align:-0.30096pt;width:35.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 35.125 11.0625" width="35.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
>
0
)被标为天线“1”,而位于下半球的天线(<年代vg height="11.0625" id="M13" style="vertical-align:-0.30096pt;width:35.125px;" version="1.1" viewbox="0 0 35.125 11.0625" width="35.125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
<
0
)作为天线"−1 "。两个散热器的馈电电压是差动的,并归一化到输入电压。因此,馈电电压可以表示为<年代pan class="equation" id="EEq1">
1
=
1
√
2
,
-
1
=
1
√
2
。
(
1
)
传递函数<年代vg height="16.4" id="M17" style="vertical-align:-4.57701pt;width:61.299999px;" version="1.1" viewbox="0 0 61.299999 16.4" width="61.299999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
一个
r
(
,
)
的阵列配置可以确定如下<年代pan class="equation" id="EEq2">
一个
r
(
,
)
=
(
,
)
⋅
(
,
)
,
(
2
)
哪里<年代vg height="16.512501" id="M19" style="vertical-align:-4.67357pt;width:53.162498px;" version="1.1" viewbox="0 0 53.162498 16.512501" width="53.162498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
(
,
)
为单元素的复传递函数。<年代vg height="16.512501" id="M20" style="vertical-align:-4.67357pt;width:52.924999px;" version="1.1" viewbox="0 0 52.924999 16.512501" width="52.924999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Φ
(
,
)
是从一个典型的阵列因子的定义导出,并在下式中定义的加权因子:<年代pan class="equation" id="EEq3">
(
,
)
=
-
0
(
0
-
)
,
(
3.
)
0
-
=
2
c
o
年代
,
(
4
)
0
=
2
0
,
(
5
)
哪里<年代vg height="11.05" id="M24" style="vertical-align:-3.2316pt;width:10.525px;" version="1.1" viewbox="0 0 10.525 11.05" width="10.525" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
表示观测点之间的距离<年代vg height="10.325" id="M25" style="vertical-align:-0.0pt;width:11.75px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.75 10.325" width="11.75" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
和坐标系的基准点,<年代vg height="10.75" id="M26" style="vertical-align:-0.15048pt;width:9.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 9.375 10.75" width="9.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是两个天线之间的距离(参见图3 (b) ),<年代vg height="14.3625" id="M27" style="vertical-align:-3.2316pt;width:15.1625px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.1625 14.3625" width="15.1625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是供给电压的幅度。合并(2 )- (5 ),数组的传递函数<年代vg height="16.4" id="M28" style="vertical-align:-4.57701pt;width:61.299999px;" version="1.1" viewbox="0 0 61.299999 16.4" width="61.299999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
一个
r
(
,
)
产量<年代pan class="equation" id="EEq6">
一个
r
(
,
)
=
-
1
(
,
)
⋅
-
1
-
0
(
-
1
)
(
/
2
)
c
o
年代
+
1
(
,
)
⋅
1
-
0
(
1
)
(
/
2
)
c
o
年代
,
(
6
)
哪里<年代vg height="16.4" id="M30" style="vertical-align:-4.57701pt;width:18.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 18.375 16.4" width="18.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
1
和<年代vg height="16.4" id="M31" style="vertical-align:-4.57701pt;width:25.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 25.875 16.4" width="25.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-
1
为对应天线的复传递函数。简化后,利用几何对称重新排列<年代vg height="16.4" id="M32" style="vertical-align:-4.57701pt;width:18.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 18.375 16.4" width="18.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
1
和<年代vg height="16.4" id="M33" style="vertical-align:-4.57701pt;width:25.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 25.875 16.4" width="25.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-
1
,(6 )可以写成偏振分量的函数<年代pan class="equation" id="EEq7">
一个
r
(
,
)
=
1
,
(
-
,
)
-
1
,
(
-
,
)
⋅
1
√
2
(
1
/
2
)
0
c
o
年代
+
1
,
(
,
)
1
,
(
,
)
⋅
1
√
2
-
(
1
/
2
)
0
c
o
年代
,
(
7
)
哪里<年代vg height="11.3625" id="M35" style="vertical-align:-3.2316pt;width:15.175px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.175 11.3625" width="15.175" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
表示在这种情况下,同极化单位矢量,和<年代vg height="13.2375" id="M36" style="vertical-align:-4.74141pt;width:17.65px;" version="1.1" viewbox="0 0 17.65 13.2375" width="17.65" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
表示交叉极化单位向量。可以观察到的是,copolarized部件<年代vg height="11.3625" id="M37" style="vertical-align:-3.2316pt;width:15.175px;" version="1.1" viewbox="0 0 15.175 11.3625" width="15.175" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
具有相同的前导符号,以及交叉极化分量<年代vg height="13.2375" id="M38" style="vertical-align:-4.74141pt;width:17.65px;" version="1.1" viewbox="0 0 17.65 13.2375" width="17.65" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
具有在传递函数的各被加数的相对领先标志<年代vg height="15.85" id="M39" style="vertical-align:-4.1381pt;width:12.2875px;" version="1.1" viewbox="0 0 12.2875 15.85" width="12.2875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。这分别导致合作和交叉极化的建设性和破坏性的干扰。
研究天线布置对相应元件的影响<年代vg height="16.137501" id="M40" style="vertical-align:-4.37273pt;width:69.762497px;" version="1.1" viewbox="0 0 69.762497 16.137501" width="69.762497" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
一个
r
,
(
,
)
(共-POL)和<年代vg height="16.6" id="M41" style="vertical-align:-4.74141pt;width:91.262497px;" version="1.1" viewbox="0 0 91.262497 16.6" width="91.262497" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
一个
r
,
(
,
)
(
-pol<年代vg height="13.45" id="M42" style="vertical-align:-2.21957pt;width:5.3249998px;" version="1.1" viewbox="0 0 5.3249998 13.45" width="5.3249998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
)
在下文中,各向同性的辐射被认为是传递函数的计算<年代vg height="16.4" id="M43" style="vertical-align:-4.57701pt;width:61.299999px;" version="1.1" viewbox="0 0 61.299999 16.4" width="61.299999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
一个
r
(
,
)
。一个接收数组因子<年代vg height="16.0625" id="M44" style="vertical-align:-4.1381pt;width:20.9625px;" version="1.1" viewbox="0 0 20.9625 16.0625" width="20.9625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,表示与所用元素无关的辐射特性。写作(7 )未经元件的复杂的传递函数<年代vg height="16.4" id="M45" style="vertical-align:-4.57701pt;width:18.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 18.375 16.4" width="18.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
1
和<年代vg height="16.4" id="M46" style="vertical-align:-4.57701pt;width:25.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 25.875 16.4" width="25.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-
1
中,阵列因子<年代vg height="16.0625" id="M47" style="vertical-align:-4.1381pt;width:20.9625px;" version="1.1" viewbox="0 0 20.9625 16.0625" width="20.9625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
获得<年代pan class="equation" id="EEq8">
(
,
)
=
-
⋅
1
√
2
(
1
/
2
)
0
c
o
年代
+
⋅
1
√
2
-
(
1
/
2
)
0
c
o
年代
。
(
8
)
若有两个不同馈电的天线对称地布置于<年代vg height="9.8625002" id="M49" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.875 9.8625002" width="7.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-轴,共极化的阵列因子(<年代vg height="16.737499" id="M50" style="vertical-align:-4.67357pt;width:27.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 27.3125 16.737499" width="27.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
)和交叉极化(<年代vg height="18.612499" id="M51" style="vertical-align:-6.18338pt;width:29.799999px;" version="1.1" viewbox="0 0 29.799999 18.612499" width="29.799999" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
方向)可被写为<年代pan class="equation" id="EEq9">
|
|
|
|
=
|
|
|
√
(
,
)
1
2
c
o
年代
2
0
|
|
|
,
|
|
|
c
o
年代
(
9
)
|
|
|
=
|
|
|
√
(
,
)
1
2
年代
我
n
2
0
|
|
|
。
c
o
年代
(
1
0
)
4.阵列辐射特性的评估
在本节中,评估了之前描述的天线布置对极化辐射特性的影响。数组对称地排列<年代vg height="9.8625002" id="M54" style="vertical-align:-2.29482pt;width:7.875px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.875 9.8625002" width="7.875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
轴,和所述共和交叉偏振的辐射性质由所述(9 )和(10 ), 分别。它可以在这些方程中可以看出的是,阵列的因素依赖于频率,天线元件之间的距离<年代vg height="10.75" id="M55" style="vertical-align:-0.15048pt;width:9.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 9.375 10.75" width="9.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
和角<年代vg height="10.7375" id="M56" style="vertical-align:-0.13794pt;width:8.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.3125 10.7375" width="8.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,即观测角度(cf. Figure .3 (b) )。这意味着在某些角区,共极化增强,交叉极化抑制,反之亦然。在天线设计中必须考虑到这一点。值得注意的是缺乏对角度的依赖<年代vg height="9.875" id="M57" style="vertical-align:-2.29482pt;width:11.8625px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.8625 9.875" width="11.8625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。这意味着所述阵列的辐射特性总体上以相同的质量投影<年代vg height="9.875" id="M58" style="vertical-align:-2.29482pt;width:11.8625px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.8625 9.875" width="11.8625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
- 平面的某些角度<年代vg height="10.7375" id="M59" style="vertical-align:-0.13794pt;width:8.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.3125 10.7375" width="8.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。
数组的因素<年代vg height="16.512501" id="M60" style="vertical-align:-4.67357pt;width:32.700001px;" version="1.1" viewbox="0 0 32.700001 16.512501" width="32.700001" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
和<年代vg height="18.4" id="M61" style="vertical-align:-6.18338pt;width:35.1875px;" version="1.1" viewbox="0 0 35.1875 18.4" width="35.1875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
显示在图4(一) 对于一个电距离<年代vg height="14.9375" id="M62" style="vertical-align:-3.25793pt;width:102.475px;" version="1.1" viewbox="0 0 102.475 14.9375" width="102.475" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
e
l
=
/
0
=
0
。
5
。在大约60°和120之间的角度区域°,则<年代vg height="10.7375" id="M63" style="vertical-align:-0.13794pt;width:8.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.3125 10.7375" width="8.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-component被放大和<年代vg height="9.875" id="M64" style="vertical-align:-2.29482pt;width:11.8625px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.8625 9.875" width="11.8625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-component被有效地抑制。The maximum gain is 3 dB at an angle of<年代vg height="11.1625" id="M65" style="vertical-align:-0.27588pt;width:47.787498px;" version="1.1" viewbox="0 0 47.787498 11.1625" width="47.787498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
9
0
∘
。在此角度,交叉极化几乎完全抑制。阵列因素的角度依赖关系的电距离<年代vg height="14.7125" id="M66" style="vertical-align:-3.22281pt;width:44.162498px;" version="1.1" viewbox="0 0 44.162498 14.7125" width="44.162498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
e
l
=
1
和<年代vg height="14.9" id="M67" style="vertical-align:-3.22281pt;width:55.887501px;" version="1.1" viewbox="0 0 55.887501 14.9" width="55.887501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
e
l
=
1
。
5
均以图表显示4 (b) 和4 (c) ,分别。与所述元件之间的距离的增大,光束变窄,发生栅瓣。在主波束方向(<年代vg height="11.1625" id="M68" style="vertical-align:-0.27588pt;width:47.787498px;" version="1.1" viewbox="0 0 47.787498 11.1625" width="47.787498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
9
0
∘
),最大的<年代vg height="16.512501" id="M69" style="vertical-align:-4.67357pt;width:32.700001px;" version="1.1" viewbox="0 0 32.700001 16.512501" width="32.700001" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
和最小的<年代vg height="18.4" id="M70" style="vertical-align:-6.18338pt;width:35.1875px;" version="1.1" viewbox="0 0 35.1875 18.4" width="35.1875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
与天线元件之间的电距离无关。在这个地区,<年代vg height="10.7375" id="M71" style="vertical-align:-0.13794pt;width:8.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.3125 10.7375" width="8.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
极化被放大<年代vg height="9.875" id="M72" style="vertical-align:-2.29482pt;width:11.8625px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.8625 9.875" width="11.8625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
极化波被抑制与频率无关。
(a) e l = 0 . 5年代trong>
(b)中E的L- = 1年代trong>
(c)电子L = 1。5年代trong>
数字5 示出的平均阵列因子<年代vg height="10.7375" id="M79" style="vertical-align:-0.13794pt;width:8.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.3125 10.7375" width="8.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
——<年代vg height="9.875" id="M80" style="vertical-align:-2.29482pt;width:11.8625px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.8625 9.875" width="11.8625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-component averaged over a bandwidth between 3.1 GHz and 10.6 GHz. An effective suppression of the cross-polarization (<年代vg height="18.4" id="M81" style="vertical-align:-6.18338pt;width:35.1875px;" version="1.1" viewbox="0 0 35.1875 18.4" width="35.1875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
)和同极化放大(<年代vg height="16.512501" id="M82" style="vertical-align:-4.67357pt;width:32.700001px;" version="1.1" viewbox="0 0 32.700001 16.512501" width="32.700001" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
)可以为角度可以观察到<年代vg height="11.3875" id="M83" style="vertical-align:-0.30096pt;width:95.0625px;" version="1.1" viewbox="0 0 95.0625 11.3875" width="95.0625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
7
5
∘
<
<
1
0
5
∘
。在90℃,的扩增<年代vg height="10.7375" id="M84" style="vertical-align:-0.13794pt;width:8.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.3125 10.7375" width="8.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-component is 3 dB, and the suppression of the<年代vg height="9.875" id="M85" style="vertical-align:-2.29482pt;width:11.8625px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.8625 9.875" width="11.8625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
-component是最大的。The maximal amplification of the cross-polarization is approximately 1.9 dB at 60° and 120°. It does not reach the value of 3 dB due to the angular movement of the maximum of the cross polarized beams over the frequency.
在图中示4 和5 通过对单极辐射器的模拟和测量,得到了作者的验证。在下一节中,对双偏振阵列进行了测量验证。
5.计量检定
验证用的天线是基于一种著名的椭圆天线,也称为菱形天线[10 ,13 ]。天线能够辐射在一个非常大的带宽,并且具有在强交叉极化分量<我>H我>飞机。因此,散热器的性能便于原理的验证。本文中所介绍的散热器的原型体积较大,由于其辐射特性,选择它们只是为了验证目的。对于具有稳定的频率辐射模式和高偏振解耦的紧密实现,读者可参考作者的其他著作[14 - - - - - -17 ]。
图中给出了单辐射器的原型图6(a) 和图6(b) 。所述辐射单元在接地面上由一个椭圆形开口组成,在该椭圆形开口内包含有金属化。天线馈电在内椭圆和地平面之间的狭缝处。采用锥形微带线作为馈电网络。
(a)单天线,型号[10]年代trong>
(b)单天线,原型年代trong>
(c)中阵列,模型年代trong>
(d)阵列,原型年代trong>
由前面给出的天线两对(四个元素)的双极化阵列在图中示出图6(c) 和图6(d) 。元素是成对对称的,并且两对的对称点是相同的。馈电网络也采用微带线。由于单对的两个元件必须同时被激发,因此必须采用功率分压器。分压器的输出是锥形的,并连接到各自散热器的馈电点。为了能够独立驱动两个极化,应用了两个馈电网络,每个馈电网络对应一个极化。
所测量的增益为在共偏振<我>H我>-平面为单天线和双极化散热器(端口1)显示在图中图7(a) 和图7(b) ,分别。在这两种情况下,两个光束在0°和180°都存在时,其产生垂直于衬底的方向。光束的类似宽度预期,由于散热器的开口未在延长<我>H我>飞机。双偏振天线阵的增益较高,这是由于双偏振天线阵采用了双偏振天线阵,使光圈沿光圈方向扩展<我>E我>飞机。为比较,测量结果为增益<我>E我>平面、共极化如图所示图7(c) 和图7(d) ,分别用于单个元素和数组。对于单个元件,观察到一个不对称的辐射模式相对于0度的频率。这是沿该平面的天线几何形状不对称的结果。由于辐射器扩展到阵列,电流沿阵列分布的对称性<我>E我>飞机是实现;因此,辐射图更对称。在主光束方向(0度)之外,出现了侧叶,这是由于元素之间相对较高的距离造成的。由于前面提到的孔径的扩大<我>E我>- 平面,更窄的波束中所观察到的<我>E我>飞机比在<我>H我>飞机。测量结果表明,该阵列能够增强共极化。为了充分验证该原理,必须包括结构对交叉极化的破坏性影响。
(a)单天线,h型飞机年代trong>
(b)数组,h面年代trong>
(c)中的单天线,E平面年代trong>
(d)阵列,E平面年代trong>
在数据图8(a) 和图8(b) 在交叉极化测量的增益,<我>H我>-平面分别为单个元素和数组(请注意比例)。对于单元素,有四束强交叉极化光束。这些在阵列中被广泛抑制。角区域中一些较强的交叉偏振分量<年代vg height="13.5875" id="M88" style="vertical-align:-2.21957pt;width:54.037498px;" version="1.1" viewbox="0 0 54.037498 13.5875" width="54.037498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
|
>
9
0
∘
来自该阵列的馈电网络辐射的结果,并且可以通过遮光或紧凑地实现抑制显著如由作者所示,例如,在[14 ,15 ]。对于图的完整性8 对单天线和阵列的测量结果进行了分析<我>E我>-平面,交叉极化显示。考虑到极化纯度,没有明显的负面影响。
(a)单天线,h型飞机年代trong>
(b)数组,h面年代trong>
(c)中的单天线,E平面年代trong>
(d)阵列,E平面年代trong>
该天线结构的另一个优点是正交极化端口对之间的高解耦。这是由于正交极化端口上的电场湮灭造成的。[的测量描述并验证了这种效应。14 ,15 ]。在这些出版物中,在引入原则的天线阵列筑底的小型化的一个重要问题,也提出了。
可以得出结论,在一定的角区域,可以成功地抑制交叉极化,而不受频率的影响。随着频率和间距的减小,有效区域的大小也增大。因此,对于给定的频率范围,镜像元素之间的距离应该在波长方面保持较小。基于上述原理的散热器紧凑设计概念由作者在[14 ,15 ]。由于在所引用的天线的相同的孔径尺寸<我>E我>- 和<我>H我>-planes, the radiators possess nearly the same beamwidths in the respective planes over the frequency range from approximately 3 GHz to 11 GHz. This introduces a significant advantage for the dual-polarized antennas, since the same space is illuminated independent on the polarization. The examples from the literature [14 ,15 在紧凑的双正交、线性极化的超宽带天线中显示了这里所描述的原理的实际实现的一个例子。
该原则适用于几乎所有类型的散热器。但是,它必须牢记,将被执行之前的天线阵列的设计和对称平面的单元件的辐射特性的深入研究具有的选择。这方面的知识是用于元件和交叉极化的成功抑制的适当的安排是必不可少的。
6.馈电网络上的要求
在理论研究中,天线的差动馈电被认为是理想的,即馈电单元件的信号振幅完全相等,相移正好为180度。然而,由于制造过程中的公差或送料网络的不理想设计,这种条件在现实中可能无法满足。因此,研究了不完全馈电信号对天线性能的影响。同时考虑了振幅的不平衡和馈电信号相位的变化。
6.1。幅度不平衡
在天线系统中的差分功率分配器或共振的阻抗的变化可在两个天线元件导致不同的功率电平。在本节中这种影响进行了研究。假设相位差正好180°。振幅平衡<年代vg height="10.8125" id="M89" style="vertical-align:-0.1254pt;width:19.25px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.25 10.8125" width="19.25" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
馈电信号之间定义为<年代pan class="equation" id="EEq11">
Δ
=
1
|
|
d
B
-
-
1
|
|
d
B
。
(
1
1
)
调查…的影响<年代vg height="10.8125" id="M91" style="vertical-align:-0.1254pt;width:19.25px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.25 10.8125" width="19.25" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
在阵列因子上,假设元素的全向辐射模式。在这种情况下,8 )可以被写为<年代pan class="equation" id="EEq12">
(
,
)
=
-
1
⋅
Δ
⋅
√
2
(
1
/
2
)
0
c
o
年代
+
⋅
1
√
2
-
(
1
/
2
)
0
c
o
年代
。
(
1
2
)
元件之间固定的电气距离<年代vg height="14.9" id="M93" style="vertical-align:-3.22281pt;width:55.887501px;" version="1.1" viewbox="0 0 55.887501 14.9" width="55.887501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
e
l
=
0
。
5
被选择用于调查(cf. Figure4(一) )。计算出的阵列因子<年代vg height="18.4" id="M94" style="vertical-align:-6.18338pt;width:43.662498px;" version="1.1" viewbox="0 0 43.662498 18.4" width="43.662498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
,
|
针对不同<年代vg height="10.8125" id="M95" style="vertical-align:-0.1254pt;width:19.25px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.25 10.8125" width="19.25" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
显示在图9 。的变幅平衡的结果特性<年代vg height="10.9125" id="M96" style="vertical-align:-0.17555pt;width:57.162498px;" version="1.1" viewbox="0 0 57.162498 10.9125" width="57.162498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
=
-
3.
dB,<年代vg height="11.0375" id="M97" style="vertical-align:-0.27588pt;width:76.699997px;" version="1.1" viewbox="0 0 76.699997 11.0375" width="76.699997" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
=
-
1
。
9
3.
dB,<年代vg height="11.0375" id="M98" style="vertical-align:-0.27588pt;width:76.699997px;" version="1.1" viewbox="0 0 76.699997 11.0375" width="76.699997" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
=
-
0
。
9
1
用数字表示图9(a) ,图9(b) ,图9(c) ,分别。曲线的形式基本上保持的阵列因子的变化是相同的,但是幅度。这是在主波束方向,即特别是可见的,<年代vg height="11.1625" id="M99" style="vertical-align:-0.27588pt;width:47.787498px;" version="1.1" viewbox="0 0 47.787498 11.1625" width="47.787498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
9
0
∘
为<年代vg height="16.6" id="M100" style="vertical-align:-4.74141pt;width:35.1875px;" version="1.1" viewbox="0 0 35.1875 16.6" width="35.1875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
。这是由于一个元件的交叉极化被另一个元件的非理想补偿造成的。这是两个天线的振幅差异的直接影响。
(a) Δ = − 3 dB (linear: 0.7)年代trong>
(b)中Δ= - 1。93. dB (linear: 0.8)年代trong>
(c)Δ=-0。91 dB(线性:0.9)年代trong>
(d)|A F(= 9 0∘)|在Abhngigkeit冯Δ年代trong>
为了研究的原理的交叉极化的限制,阵列因子<年代vg height="16.6" id="M108" style="vertical-align:-4.74141pt;width:35.1875px;" version="1.1" viewbox="0 0 35.1875 16.6" width="35.1875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
在<年代vg height="11.1625" id="M109" style="vertical-align:-0.27588pt;width:47.787498px;" version="1.1" viewbox="0 0 47.787498 11.1625" width="47.787498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
9
0
∘
被认为。数字9 (d) 显示了阵列因子对振幅平衡的依赖性<年代vg height="10.8125" id="M110" style="vertical-align:-0.1254pt;width:19.25px;" version="1.1" viewbox="0 0 19.25 10.8125" width="19.25" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
在<年代vg height="11.1625" id="M111" style="vertical-align:-0.27588pt;width:47.787498px;" version="1.1" viewbox="0 0 47.787498 11.1625" width="47.787498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
9
0
∘
。如果一个适当的功能的值是- 20 dB假设,最大振幅平衡必须低于<年代vg height="10.9125" id="M112" style="vertical-align:-0.17555pt;width:68.887497px;" version="1.1" viewbox="0 0 68.887497 10.9125" width="68.887497" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
=
-
1
。
3.
dB,which equals a linear value of 0.86. In this case, the co-polarization is amplified by 2.4 dB which is 0.6 dB less compared to the ideal case of identical amplitudes of the feeding voltage.
6.2。相位不平衡
的信号的相位是非常敏感的,例如,耦合效应或共振,因此可以很容易地影响。此外,在制造过程中,可以发生在天线馈电线的长度的微小变化。这些作用的影响在本节中研究的假设下,这两个信号的幅度是相同的(<年代vg height="10.9125" id="M113" style="vertical-align:-0.17555pt;width:46.462502px;" version="1.1" viewbox="0 0 46.462502 10.9125" width="46.462502" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
=
0
)。相位平衡<年代vg height="13.5125" id="M114" style="vertical-align:-2.29482pt;width:21.487499px;" version="1.1" viewbox="0 0 21.487499 13.5125" width="21.487499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
,即偏离理想相位差180度,定义为<年代pan class="equation" id="EEq13">
Δ
=
∠
Δ
1
-
∠
Δ
-
1
-
。
(
1
3.
)
方程(8 )可以考虑写<年代vg height="13.5125" id="M116" style="vertical-align:-2.29482pt;width:21.487499px;" version="1.1" viewbox="0 0 21.487499 13.5125" width="21.487499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
作为<年代pan class="equation" id="EEq14">
(
,
)
=
-
⋅
1
√
2
(
1
/
2
)
0
c
o
年代
⋅
Δ
+
⋅
1
√
2
-
(
1
/
2
)
0
c
o
年代
。
(
1
4
)
数字10 显示阵列因子<年代vg height="18.4" id="M118" style="vertical-align:-6.18338pt;width:43.662498px;" version="1.1" viewbox="0 0 43.662498 18.4" width="43.662498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
,
|
作为相位平衡的函数<年代vg height="13.5125" id="M119" style="vertical-align:-2.29482pt;width:21.487499px;" version="1.1" viewbox="0 0 21.487499 13.5125" width="21.487499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
。为了正确比较,元件之间的电距离被重新设置为<年代vg height="14.9" id="M120" style="vertical-align:-3.22281pt;width:55.887501px;" version="1.1" viewbox="0 0 55.887501 14.9" width="55.887501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
e
l
=
0
。
5
。相位偏差被认为是30°,20°,和10°。计算结果示于图10 () ,10 (b) ,10 (c) ,分别。馈电信号之间的相位偏差导致阵列因子的极小值和极大值的角位移。叶的最大绝对值和局部最小值的最小值不受影响。同时,图案会变形。随着相位偏移的增加,光栅波瓣出现在<年代vg height="16.512501" id="M121" style="vertical-align:-4.67357pt;width:32.700001px;" version="1.1" viewbox="0 0 32.700001 16.512501" width="32.700001" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
在大约180°或0°的区域,根据相位偏差的前导符号。然而,为了抑制交叉极化的能力仍然几乎不受影响,并在相同的强度,但在一个不同的角度的作用<年代vg height="10.7375" id="M122" style="vertical-align:-0.13794pt;width:8.3125px;" version="1.1" viewbox="0 0 8.3125 10.7375" width="8.3125" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。
(a) Δ = 3 0 ∘年代trong>
(b)中Δ= 2 0∘年代trong>
(c)中Δ= 1 0∘年代trong>
(d)|A F |根据Δ年代trong>
如果性能是在主波束方向进行评估(<年代vg height="11.1625" id="M130" style="vertical-align:-0.27588pt;width:47.787498px;" version="1.1" viewbox="0 0 47.787498 11.1625" width="47.787498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
=
9
0
∘
),数组因子的依赖关系<年代vg height="18.4" id="M131" style="vertical-align:-6.18338pt;width:43.662498px;" version="1.1" viewbox="0 0 43.662498 18.4" width="43.662498" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
,
|
关于相位平衡<年代vg height="13.5125" id="M132" style="vertical-align:-2.29482pt;width:21.487499px;" version="1.1" viewbox="0 0 21.487499 13.5125" width="21.487499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
可以观察到。依赖关系如图所示10 (d) 。如果允许交叉极化的抑制的最大降解<年代vg height="18.4" id="M133" style="vertical-align:-6.18338pt;width:35.1875px;" version="1.1" viewbox="0 0 35.1875 18.4" width="35.1875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
|
一个
F
|
对于- 20 dB的水平,相位不平衡必须小于8度。为了完整性起见,应该注意,馈电信号之间相位偏差的一个常见原因是馈电线的长度不同。在这种情况下,相位偏差在频率上不是恒定的,而是线性地取决于频率和长度差<年代vg height="10.8125" id="M134" style="vertical-align:-0.1254pt;width:16.6875px;" version="1.1" viewbox="0 0 16.6875 10.8125" width="16.6875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
Δ
馈送线的<年代pan class="equation" id="EEq15">
Δ
(
)
=
Δ
2
=
Δ
⋅
2
,
(
1
5
)
哪里<年代vg height="14.475" id="M136" style="vertical-align:-3.13504pt;width:13.6625px;" version="1.1" viewbox="0 0 13.6625 14.475" width="13.6625" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
波长是否在馈线和<年代vg height="10.925" id="M137" style="vertical-align:-3.13504pt;width:11.7px;" version="1.1" viewbox="0 0 11.7 10.925" width="11.7" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
传播速度。
影响该概念性能的另一个问题是阵列元素之间的耦合。由于所提供的用于验证的原型通常具有较低的耦合性,这一点不在本文的讨论范围之内。只要天线结构和电流分布符合要求的对称,耦合会降低整个阵列的增益,但对极化抑制的影响很小。对于大多数相邻放置且辐射波束垂直于天线表面的平面天线来说,耦合水平很低,但这一概念的功能性可能被忽略。这样的天线是所述应用的先决条件,然而设计者必须记住耦合的影响。
7.结论
本文介绍了一种实现全偏振超宽带辐射器的概念。阐述了其工作原理,给出了阵列设计的数学模型。研究了该结构在抑制交叉极化方面的性能。通过对单元双偏振阵列的测量,验证了上述考虑的正确性。这种结构的优点是在很宽的角度和频率范围内具有高的偏振纯度,正交偏振端口之间具有很好的去耦性,在整个所需的频率范围内具有固定的相位中心。该原理适用于所有主波束方向与衬底表面正交的天线。研究了振幅和相位平衡对偏振纯度的影响,并给出了相应的相关性。
该解决方案可以在紧凑天线的设计被利用,如在[呈现14 ,15 ]。在这些出版物中达到一个额外的好处,即的相似梁在<我>E我>- 和<我>H我>飞机。所述解决方案允许实现基于MIMO和UWB融合的高端雷达/成像系统或高数据速率通信设备的散热器。
承认
作者要感谢德国研究基金会(DFG)的财政支持。