圆极化波的特性

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1、圆极化波的特性自1960年现来.随着航空航夭技朮和无线电子技术的发島宙达粗通信授 朮也快速的发展起来在国酢和民用领城得到了非常广爻的应用，并且左748。 年代E星遗佶技术的应用达到了畑盛时期，咸为了不罔国家和不同地区进行谗宿 的重要方式之1-随着无线卫星連信技术的广眨应用利快速发展，作为无践通倍 系统不可缺少的发尊利接收尋件一天鏡卸柞用越来越重要在各种各样的事事及 民用嚼达、卫星等无裁通信系统中”信息的笈射与接收都离不开天察.在日常生活中，折有的无幾电通信、密达，rs,导航.制导等系统协是刑 用电讎亂来工作的电我波的传輸和櫻收就需雯通过天藝来实现.自从四世圮， 赫兹通过实验产生电框辐射以来+随

2、着社会婭济的发展和军事应用上的需要，天 践技术的研究和应用也得到了飞速发展.众所周知，电議啟能够在自由空间中进 行传播、我们把电场矢量的指向作为电謚波的极化方向*根据不同的极化方向 电雀嘏可以井为践扱出波、描圆扱化液和囲极化波.与践极化波和椭匿概牝波相 比丫囲极北波具有一些独特的惟能+因此，在宇空逋借、雷达.遥控遢测，电予 对抗、天丈及电视广播等方面，圆概化浅得到了广貶的jS用”世报据不同的扱化方向，我册把电戏液井为践扱化液、椭匾极北液.圆极化玻作为一髀特殊的椭圆极化破，圆械化谨具有以下重要性质叫1. I扱化波是一个幅.度相等的曜时敲耘场.我们按照其画扱化波电境强度 矢量端点的離尙分为左旋圆擾

3、北波、记为LCP(Left-hand Cinculai Poarization)1 右疵IE械化氷 记为 RCPfRight-tiand Circular Polarization)*Z 个圆极化波可以分解为两个牲空问上和时间上均正交的幅度相等的塩 规北液.根据这伞瑾论.我仁可以得到实现圆极化就的基本原理：产虫两令空间 上相互正交的纹般化电场分量，并便二看的幅慶屈等，相位相差90外3-任意的极化披都可氏分解为两个捷向捆戻的圆扱化液.一个皱概化攪可 介解为两个族向柑反、隅度相等的圆扱化液-因此，任意槻化时来披都可由圓规 化天毀收剽；反之、画极化天議輛射的圈槻化嚴也可由性意扱化的天壊收到；电子战中

4、的侦査和干扰，圆极化波对任何线极化波及椭圆板化波都能起到千扰作 用这正是在电子侦察和千扰、卫星通信等应用中普遍采用圆极化波工作的原因.由于圆极化波具有以上特点，因此被广泛使用在远程测量.远程通信、雷达、 电子侦察与电子干扰等各个方面：在天文观察.航天通信以及追感设备中，采用 圆极化波，可以减小信号的损失，还能有效的消除由电离层法拉第族转效应引起 的极化形响；在电子对抗中，使用圆极化天线可以侦察和千扰敌方除反向纯圆极 化信号外的各种极化方式的无线电波；在高速运动或滚动的物体上，如航天器、 飞机等，装置圆极化天线，可以在任何运动状态下柳能够接收到无线电信号.由 此可见，S3扱化天线在遥测遙感、天文

5、、雷达、电子对抗、通信及电视广播等方 面的应用都有着非Of的意义冋】13圆极化波的产生方法鉴于圆极化波有以上诸多应用，实现圆极化破就成为一个重要的研究课题. 自从圆极化波的用途被越来越多的重视超来，实现匾极化波的方法也逐擀的发展 起来，目前常用的产生圆极化液的方案有：L直接产生法：这种方法走靠天线本身的结构来产生圆扱化波，譬如说圆 极化全向天线，其中的一种使用了徴带贴片的结构.2、线.圆极化转换器法：这种方法依靠傲波元參件来形成0；极化导波，然后 将其馈入天线辐射出圆扱化液3、双线极化正交激励法：采用将一个线极化信号通过90。电桥，将其分配 成協度相等、相位相差90。的两路信号，激励一个双线极

6、化天线的两个正交极化 的输入端，从而形成圜板化的辐肘.4、线.圆极化转换罩法：这种方法是在线扱化天线的籀射部分，透过极化转 换天线罩，将线极化的电磁液转换为匮极化的辐射液.本文即是采用此种方法. 1.4圆极化器的理论介绍圆极化器是一种用来把线极化波转换成圆极化液的徴波器件，它的工作原理 就是利用两个空间上正交、振幅相等、相位相差90。的线极化电场分量，合成输 出圆极化液.极化器的实现方式有两种：一种是在馈爰与天线之间插入一些不 连续性结构以实現极化转换，这类圆极化器一般具有两个或多个输入墙口，可以 直接同时输入两个正交的、扳幅相等的、相位相差90。的线扱化电场分量，然后 合成输出圆极化波.这类

7、圆极化器相对来说比较简单，一般多为隔片式的，圏极 化器的输入墙用隔片等分成两个输入口.另一种是外用极化器，吏接作用于天线 的方向图，与馈电网络无关，本文讨论的折线型圆极化器即属于此种板化器.t 见的外用圆极化器有平行板圆极化器，片状匾极化器，折线型圓极化弄，如图 1.1所示其基本原理是入射波的水平分量（平行于曲折线等的轴线）和垂直分量 （垂吏于曲折线等的轴线）经过极化器后的传输（或反射）系数的幅度相位不一敦， 相当于对平行分量和垂直分量分别进行了加权，从理论上讲，加权后可以实現任 意扱化到任意极化的转换.（b）片状圆极化器如何确定满足具有一定帶覧的圆极化天线章的各尺寸參数長本课题要实现 的目标

8、.以此为方向，本节主要讨论为实现该目标所提出的技术与实施方実，直接在馈电网络端实现天线辐射和接收5)极化旻比较困难的，但克接采用外 接圆极化器来实现则比较容易实現.本课题研究的折线型圆极化器具有结构简 单，理论分析技术成熟的优点.与传统的册条形相比，本课题研究的折线型圆极 化器已经有相对比较成熟的理论研究,但其存在的最大不足是理论所获得的计算 公式相当复杂，不利于工程上的应用”.为了简化理论分析过程，我们采用了 一种与传统理论分析不同的方法进行了研究.如图1.2所示是折线型圆极化蛊的前視图，其中图1.2 (a)是圆极化器的基 本结构，采用Rogers 5880的介质基板，其介电常数,=2.2,

9、为了达到幅度相 等，相位差相差90。，一般采用27层的介质基板，在本文中，通过使用CST仿 真分析并在参数研究的基础上，我们只使用了 2层的介质基板就能很好的实现线 极化波转变成圆梭化波的目的ffi 12(b)旻介质基板上刻蚀的折线型金属线的 基本结构，从图中我们可以看岀我们需要研究P、S、W、廿、T2这5个参数， 我们的目的就是通过一系列的方法来确定这5个参铁的最优结构尺寸并且优化 设计出满足具有一定带寛的能够将线极化转变成圆极化液的圆极化器.Rogers 5880r =2.2, loss free27层介质板17中金，屡化Lp1irumIP-J nTOP viewP：水平方向周期S:垂直方

10、向周期W：金属上下线高度T,:垂直方向宽度T2:水平方向宽度(b)折线金属片图1.2折线型圆扱化器前视图我们知适折线型结构具有这样的克磁特性叫若入射波为平行于x轴方向的 线极化时，折线结构可以等效为电惑；若入射波为平行于y轴方向的线板化时, 折拔结构可以等效为电容.杀于上述电磁待性，我们可以把入射平面液沿着z柚 方向垂直入射到折线型结构上时，将其沿着折线轴分解为两个分量：沿着折线轴 的水平分量和垂直于折线轴的垂直分量.以45。入射的平面波通过板化器后，其 水平分量瓦和垂克分量E丄的幅度相等，即|,|=|EX|.由于分别受折线型结构 等效电感和等效电容的影响，产生相位超前和延迟，通过调节折线金属

11、片单元数、 毎个羊元的结构尺寸，只要满足Z,=Zx908p能产生圆扱化波.为了满足 这一相位的需求，通常情况下，我们需要采用多层折戋型结构.传统的分析方法运用传输线理论取E型模和H型模分析折线型圆极化器(. E型模的H分量沿折线轴，且A0,这一模式的液使得折线型结构的樋面等效 为容性电路;H型模的E场分苣也是沿折线轴的，且e0,这一楼式的追使得 折线型结构的橙面等效为感性电路.将入射场分解为E型模和H型模，可以方 便地建立起每种模对应的等效传输线网络（.基于上述分析结论，我们运用周期性结构的符点，将问题的研究转化为对多 层介质散射矩阵的级联的研究.通过分析，我们看到，金属期片的结构是周期性 的

12、，于是我们取其中的一个最小的周期草元单独进行硏究，通过调节折线捉单元 敎、毎个单元的结构尺寸来达到我们的设计目的，最后再推广到整个结构上.此 种分析方法，通过CST软件的仿真可以快速确定结构是否满足我们的设计要求, 从而避免了传统方法如何确定等效的感性导纳和容性导绝的研究难点，可以为我 们实际的工程应用所接受.综上所述，为了实现具有一定带宽的折线型圆极化天戋罩，我们需要在提出 的技术方案的基础上进行进一步的研究与分析，具体实施方案流程如图1.3所示.折践单元理论分析：电磁特性、损耗、 散射矩阵计算，研究各结构参数的影响折线单元优化:根据技术指标利用电磁仿 真软件CST对单元进行参数研究和优化圆

13、板化昙整依设计:利用单元的参数尺寸 推广到整个结构并优化圆极化落加工测试:利用仿真得出的最优 性能的圆极化器进行加工并测试E1.3技术实施方案流程图经过利用三维电磁仿真软件CST得到的仿真结果，我们可以进一步斫制圆 极化器实物，并进行实物测试，最终实现工作于30GHz的具有一定带宽的圆极 化天线罩.本课題所研究的工作于30GHz的具有一定帶宽的圆极化天线置主要应用于 满足需要圆扱化波的军事和民用领域主姜创新点在于提出了 一奔新的利用实验 仿真的方法快速确定折线金属片结构尺寸的方法.该方法避免了传统方法繁杂的 公式理论计算，直接运用电磁仿真软件CST可快速实时的调整结构尺寸参数来 得到我们需要的

14、设计指标要求.此外，由于我们设计的是一个圆极化天线罩，避 免了直接在馈电系统端设计的困难，可以方便移植到i午多不同的适合一定需求的 天线馈源端口，具有相当明显的实际应用意义.以下是该圆极化器的工作性能指标：工作中心频率：-30GHz带寬：-2GHz板化方式：线极化圆极化轴比：3dB为了直接作用于天线的方向图，我们采用了外接圆板化夭线罩.相比于传统 的直接在馁电端设计更极化天线而盲，外接圏极化天线罩与馈电网络无关，技术 可行性上比较容易设计.为了避免繁杂的公式计算带来的结构尺寸难以确定的困 难，我们对折线结构的最小单元进行了分析研究.通过对单层周期结构单元与两 层.周期结构单元的S”參数进行对比分析，发现差别扱小（1%）,可以认为相等. 从而证明了我们的通过对周期结构的最小单元进行单独分析的方法是可行并且 正确的.在最小单元的指标满足我们的设计要求后，我们将其推广到整个结构， 运用单个周期得到的结构尺寸参数再用CST进行参数优化从而得到我们満意的 设计要求