專利名稱：基于交叉偶極子反射面天線的球面多層膜極化補償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及移動通信中一種天線發(fā)射信號的偏振補償?shù)难b置。

背景技術(shù)：
隨著無線移動通信的快速發(fā)展，圓極化天線(Circular PolarizedAntenna，簡稱CPA)得到廣泛的應用，在波束方向的圓極化(CircularPolarization，簡稱CP)性能決定了可用波束的寬度。對于超長距離傳輸諸如GPS衛(wèi)星的定位可以保持在較寬的范圍之內(nèi)，實現(xiàn)多角度定位功能，減少了由于目標偏移所需要的額外的系統(tǒng)成本。在諸多的天線設計中，交叉偶極子(Crossed-Dipole)作為饋源的反射面天線可以在波束方向得到較好的CP性能。由于反射面和空間遮擋造成的散射引發(fā)了不同的偏振模值比降低了系統(tǒng)的可用波束寬度，增加了系統(tǒng)用于精確對準的額外成本。
基于旋轉(zhuǎn)平面多層板的極化補償方法可以在某個角度實現(xiàn)較大范圍的較寬，但是由于其自身的非旋轉(zhuǎn)對稱性導致不可能在全方位實現(xiàn)天線角寬的擴大，需要旋轉(zhuǎn)馬達的機械式掃描方式來實現(xiàn)。
多層膜是一種周期性的交替結(jié)構(gòu)，通過這種周期性的結(jié)構(gòu)可以用于多個領(lǐng)域，如激光、光纖傳輸、傳感、集成光學、構(gòu)造高反/高透型器件等等。
綜上所述，目前基于交叉偶極子作為饋源的反射面體現(xiàn)的波束寬度由于偏振的扭曲變窄，使得接收端不能夠在一個較寬的范圍內(nèi)進行信號的接收，需要嚴格的對準，增加了系統(tǒng)的成本?？紤]到前述情況，存在克服相關(guān)技術(shù)中不足的需要。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例要解決的技術(shù)問題是提供一種基于球面多層膜結(jié)構(gòu)的極化補償裝置，通過該球面多層膜結(jié)構(gòu)補償由于反射面散射所造成的極化偏差，從而增大發(fā)射天線的波束寬度，從而減少接收設備的復雜度，節(jié)省成本。
本發(fā)明實施例提供的基于球面多層膜結(jié)構(gòu)的極化補償裝置，包括 基于球面多層膜構(gòu)建透射型天線極化補償器，通過轉(zhuǎn)移矩陣的方法計算入射場、透射場系數(shù)。利用支撐桿、旋轉(zhuǎn)桿等機械裝置放置球面多層膜結(jié)構(gòu)板，調(diào)整輸入激勵比，得到可用的最大波束寬度。
所述球面多層膜結(jié)構(gòu)具有五層結(jié)構(gòu)，其中一層為基板層，基板所用材料為玻璃，折射率ns＝1.52。其余兩種介質(zhì)采用ABAB周期型結(jié)構(gòu)，其電介質(zhì)常數(shù)分別為1.44和1.172的材料。
所述基板厚度為1mm，其余各層厚度為介質(zhì)內(nèi)等效波長的1/4。
所述Crossed-Dipole作為饋源的拋物型反射面天線，所述Dipole的單臂長度設計為3.6mm，Dipole的內(nèi)寬為0.3mm，外寬為0.8mm，以增加所述Dipole的輻射阻抗，所述Dipole位于所述拋物面的焦點處。
所述拋物反射面的直徑為72mm，高度為18mm，其焦點位于拋物反射面的水平面上。
在架設實際補償裝置于發(fā)射天線時，可采用的機械裝置，包括 伸縮式支撐桿，用于人工調(diào)整所述球面多層膜的放置高度； 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解，本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。



結(jié)合描述了本發(fā)明的各種實施例的附圖，根據(jù)以下對本發(fā)明的各發(fā)明的詳細描述，將更易于理解本發(fā)明的這些和其它特征，其中 圖1描述了用于極化補償球面多層膜結(jié)構(gòu)； 圖2示出被補償?shù)慕徊媾紭O子作為饋源的反射面天線結(jié)構(gòu)； 圖3示出放置在基于交叉偶極子反射面天線上層的球面多層膜補償結(jié)構(gòu)； 圖4示意性示出圖3中球面多層膜的平面截面圖； 圖5示出本發(fā)明實施方式對于圖2，圖3的極化補償結(jié)果； 圖6示出球面多層膜補償結(jié)構(gòu)在各個角度/方向下的補償結(jié)果； 圖7示出圖3所示結(jié)構(gòu)輸入輻射比為1∶0.5的二維輻射場分布； 圖8示出圖3所示結(jié)構(gòu)輸入輻射比為1∶1.35的二維輻射場分布； 圖9示出圖3所示結(jié)構(gòu)輸入輻射比為1∶1的二維輻射場分布； 圖10示出圖3所示結(jié)構(gòu)輸入輻射比為1∶1.1的三維遠場增益分布圖；
具體實施例方式 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。
圖1描述了用于極化補償球面多層膜結(jié)構(gòu)。
101層是空氣層，折射率設為n0，電磁波從101層入射進來，在101和102間發(fā)生透射和反射。102為球面多層膜的ABAB型結(jié)構(gòu)的第一種介質(zhì)，折射率為n1，厚度為d1。103為第二種介質(zhì)，折射率為n2，厚度為d2。104、105分別和102、103相同，構(gòu)成周期性重復結(jié)構(gòu)。106為基底，折射率為ns，厚度為ds。
對于球面多層膜而言，其中的場的方程可以使用修正的麥克斯韋方程組來描述
入射的信號會在每一層發(fā)生反射和透射，波的方向的轉(zhuǎn)移符合Snell定律，每一層的計算過程可以通過矩陣的方法來描述，通過轉(zhuǎn)移矩陣的方法可以快速計算出透射場分布和反射場的分布。采用轉(zhuǎn)移矩陣方法的另外一個優(yōu)點就是可以非常適合頻率選擇性表面上場的分布。
入射波的電場和磁場必須滿足邊界條件的限制，也就是說對于每一層間的各個分量都要遵守電磁學的基本定律?？梢缘玫?，相鄰層間的轉(zhuǎn)移關(guān)系如下 其中，1≤k≤N，并且對于通過球面多層膜的入射場和透射場的關(guān)系可以表示如下 其中M為復合矩陣，M＝M1M2.....MN. 將M矩陣更為一般地表示為 定義反射系數(shù)和透射系數(shù)r和t為 r＝Er1/E0，t＝EtN/E0 將r，t和M的表達式代入到邊界條件限制中可以得到透射系數(shù)和反射系數(shù)分別為 通過上式可以利用轉(zhuǎn)移矩陣的方法將多層結(jié)構(gòu)化為單層來計算。
轉(zhuǎn)移矩陣的計算方法只是解決多層結(jié)構(gòu)場計算的基本方法，也可以采用其它各種方法，不同的計算方法不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
圖2示出補償?shù)慕徊媾紭O子作為饋源的反射面天線結(jié)構(gòu)。201為交叉偶極子，材料為銅，電導率為5.8×107Siemens/m，相對電介質(zhì)常數(shù)為1，相對磁導率為0.999991，202為拋物型金屬反射面，203為基板，相對電介質(zhì)系數(shù)為4.4。作為饋源的交叉偶極子放置在拋物型反射面202的焦點處，根據(jù)幾何光學理論可知，在焦點發(fā)出的波經(jīng)過反射面的反射可以產(chǎn)生平行的波束。此處設計的Crossed-Dipole的工作頻率為12.45GHz，也可以設計為其它頻率的無線通信，不同的頻率的Crossed-Dipole激勵的反射面天線不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
圖3示出放置在基于交叉偶極子反射面天線上層的球面多層膜補償結(jié)構(gòu)。301為圖1中所示的放置在最底層的基底，302為圖2所示的以交叉偶極子為饋源的反射面天線結(jié)構(gòu)。基底301材料選用玻璃，其折射率ns＝1.52，對于Crossed-Dipole 201的單臂長度設計為3.6mm，為了增加其輻射阻抗將Dipole的內(nèi)寬設計為0.3mm，外寬設計為0.8mm。拋物反射面302的直徑為72mm，高度為18mm，使得其焦點剛好位于拋物反射面的水平面上。
球面多層膜補償結(jié)構(gòu)在實際假設上可以采用伸縮式支撐桿，用于人工調(diào)整所述球面多層膜的放置高度，動態(tài)的改變天線的增益。也可以通過自動的機械扳動開關(guān)進行調(diào)整，不同的機械實現(xiàn)方式不構(gòu)成對于本發(fā)明的限制。
圖4示意性示出圖3中球面多層膜的平面截面圖。401為圖1中所示的放置在最底層的基底，402、404為介質(zhì)B，403、405為介質(zhì)A，介質(zhì)A402/404和介質(zhì)B403/405分別選用介電常數(shù)為1.44和1.172的材料?；缀穸葹?mm，其余各層厚度選擇介質(zhì)內(nèi)等效波長的1/4。
材料的選取和厚度等參數(shù)的選擇，是通過實驗得到較好的補償效果。也可以采用優(yōu)化算法計算出來，不同的參數(shù)值大小不應構(gòu)成對于本發(fā)明的限制。
圖5示出本發(fā)明實施方式對于圖2，圖3的極化補償結(jié)果。針對不同的激勵比值來測量可用波束的寬度，其中NCP表示沒有補償時的結(jié)果，SPCP表示球面多層膜補償，在可用波束寬度B范圍內(nèi)應當滿足 20log|RAxial|＜3dB 其中，RAxial表示軸比值，通過測量的軸比值來衡量可用波束寬度的大小，軸比值在3dB以內(nèi)時，接收端可以恢復收到的信號。當軸比值的絕對大小超過3dB時，無法滿足通信的需求，不在可用的波束寬度范圍之內(nèi)。于是 B＝θmax-θmin 其中，為滿足可用波束條件的最小方向角，θmax為滿足可用波束條件的最大方向角。
可以看出在輸入激勵比為1時，SPCP的效果并不如NCP，不但沒有提高波束寬度，反而使得角寬下降，隨著軸比值偏差不斷加大，可用波束寬度逐漸減小，從25度減小到接近0，此時SPCP對于天線發(fā)射角寬的提高效果顯著，在輸入軸比值為1.1時發(fā)射天線的角寬度可以達到將近30度，在其余各個場景也基本可以將補償前天線的角寬度提高4～6度。
圖6示出球面多層膜補償結(jié)構(gòu)在各個角度/方向下的補償結(jié)果。其中SPC表示是球面多層膜的補償方法。圖中T表示從子午線0度方向測量的角寬，G表示從子午線90度方向測量的角寬，L表示正向，R表示負向。可以看出在子午線0度方向的補償結(jié)果由于子午線90度的方向，這是由于TE模和TM模分別具有不同的透射系數(shù)，故產(chǎn)生不對稱的結(jié)構(gòu)，SPCLT/SPCRT與SPCLG/SPCRG不能同時增大，或者同時減小，需要在兩個方向上進行折中，可以看出最大角寬在輸入激勵比約為1.1時產(chǎn)生。
圖7，圖8，圖9分別示出圖3所示結(jié)構(gòu)在輸入輻射比為1∶0.5，1∶1.35和1∶1的二維輻射場分布。輸入輻射比偏差越大，在兩個方向發(fā)射天線所輻射的圖樣差別越大。在1∶1時，輻射方向的輻射圖樣基本一致。
圖10示出圖3所示結(jié)構(gòu)輸入輻射比為1∶1.1的三維遠場增益分布圖。對于天線的增益通常和天線輻射的方向性、效率相關(guān)，可以通過下式計算天線的增益 其中U是在指定方向上單位球面角輻射的強度，real表示取實部的操作，A是模型的端口邊界，E是輻射的電場，H*是磁場H的復共軛。ds是法向量方向本地端口單位邊界。
由于采用的是透射型多層膜結(jié)構(gòu)，所以在加入補償結(jié)構(gòu)后，對于極化的球面多層膜補償結(jié)構(gòu)并未降低輻射場的強度，反而使透射場的強度有所增加，和加入補償結(jié)構(gòu)之前相比輻射信號強度提升了約2-3％。且由于球面本身的旋轉(zhuǎn)對稱特性，遠場增益方向圖基本保持為圓對稱樣式。
雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領(lǐng)域內(nèi)熟練的技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改。
權(quán)利要求
1、一種可用于移動通信發(fā)射天線信號極化補償?shù)难b置，其特征在于包括以下部分
通過球面多層膜結(jié)構(gòu)補償由于反射面散射所造成的極化偏差；
基于Crossed-Dipole的拋物型反射面天線；
通過轉(zhuǎn)移矩陣的方法計算入射場、透射場系數(shù)；
利用伸縮式支撐桿等機械裝置放置球面多層膜結(jié)構(gòu)板；
調(diào)整輸入激勵比，得到可用的最大波束寬度。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號極化補償球面多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于所述球面多層膜具有以下特征
采用ABAB周期型結(jié)構(gòu)；
透射型補償元件；
具有一層基板、兩種不同的介質(zhì)的多層結(jié)構(gòu)；
確定所述相鄰層的轉(zhuǎn)移矩陣，具體是
其中，1≤k≤N，并且根據(jù)單層轉(zhuǎn)移關(guān)系，確定所述通過球面多層膜的入射場和透射場的關(guān)系可以表示如下
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的信號極化補償球面多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于所述轉(zhuǎn)移矩陣具有如下特征
轉(zhuǎn)移矩陣M為復合矩陣，M＝M1M2.....MN.
所述M矩陣可以更為一般地表示為
確定所述反射系數(shù)和透射系數(shù)r和t為
r＝Er1/E0，t＝EtN/E0
根據(jù)r，t和M和所述邊界條件限制中確定透射系數(shù)和反射系數(shù)分別為
通過所述轉(zhuǎn)移矩陣的計算方法解決多層結(jié)構(gòu)的場計算。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線信號極化補償?shù)难b置，以及權(quán)利要求2、3所述的信號極化補償球面多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于所述用于補償?shù)那蛎娑鄬幽そY(jié)構(gòu)具有如下特征
所述球面多層膜基底材料為玻璃，折射率ns＝1.52；
其余兩種介質(zhì)的介電系數(shù)分別為1.44和1.172的材料；
所述基底厚度為1mm，其余各層厚度為介質(zhì)內(nèi)等效波長的1/4。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線信號極化補償?shù)难b置，其特征在于所述基于Crossed-Dipole的拋物型反射面天線具有如下特征
Crossed-Dipole位于所述拋物面的焦點處；
所述Dipole的單臂長度設計為3.6mm，Dipole的內(nèi)寬為0.3mm，外寬為0.8mm，以增加所述Dipole的輻射阻抗；
所述拋物反射面的直徑為72mm，高度為18mm，其焦點位于拋物反射面的水平面上。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的天線信號極化補償?shù)难b置，其特征在于所述放置球面多層膜結(jié)構(gòu)板的機械裝置包括
伸縮式支撐桿，用于人工調(diào)整所述球面多層膜的放置高度，改變反射面天線的信號增益。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，本發(fā)明實施例公開了一種用于移動通信中一種天線發(fā)射信號的偏振補償?shù)难b置。本發(fā)明實施例方法包括通過球面多層模結(jié)構(gòu)補償由于反射面散射所造成的極化偏差；通過轉(zhuǎn)移矩陣的方法計算入射場、透射場系數(shù)；利用伸縮式支撐桿調(diào)整球面多層膜的縱向位置。根據(jù)本發(fā)明的方法，可以通過簡單增加球面多層膜補償由于反射面散射所造成的極化偏差，并增大發(fā)射天線的波束寬度，降低接收端對準需求，從而降低接收設備的實現(xiàn)復雜度。本發(fā)明的方法對于天線的遠場增益尚有略微提高。
文檔編號H01Q15/16GK101295813SQ200810106069
公開日2008年10月29日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日
發(fā)明者彬 李, 李桂仁, 周錫增, 張永軍, 黃善國, 顧畹儀 申請人:北京郵電大學