專利名稱：基于交叉偶極子反射面天線的一維光子晶體極化補(bǔ)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(bǔ)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 Polarized Antenna,簡稱CPA )得到廣泛的應(yīng)用，在波束方向的圓極化(Circular Polarization,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(shí)現(xiàn)多角度 定位功能，減少了由于目標(biāo)偏移所需要的額外的系統(tǒng)成本。在諸多的 天線設(shè)計(jì)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(zhǔn)的額外成本。
光子晶體的概念是E. Yablonovitch和S.John首先提出的。光子 晶體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(xué)、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(jìn)行信號的接收，需要嚴(yán)格的對準(zhǔn)，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(shí)施例要解決的技術(shù)問題是提供一種基于一維光子晶體結(jié) 構(gòu)的極化補(bǔ)償裝置，通過一維光子晶體結(jié)構(gòu)補(bǔ)償由于反射面散射所造 成的極化偏差，增大發(fā)射天線的波束寬度，從而減少接收設(shè)備的復(fù)雜 度，節(jié)省成本。
本發(fā)明實(shí)施例提供的基于一維光子晶體結(jié)構(gòu)的極化補(bǔ)償裝置，包
括
基于Kronig-Penney (簡稱KP )模型設(shè)計(jì)的一維光子晶體，構(gòu)建 透射型天線極化補(bǔ)償器，通過轉(zhuǎn)移矩陣的方法計(jì)算入射場、透射場系 數(shù)。利用支撐桿、旋轉(zhuǎn)桿等機(jī)械裝置放置光子晶體結(jié)構(gòu)板，調(diào)整輸入 激勵比，得到可用的最大波束寬度。
所述一維光子晶體板結(jié)構(gòu)，具有一層基板，基板材料為玻璃，折 射率ns4.52。其余兩種介質(zhì)采用ABAB周期型結(jié)構(gòu)，折射率分別為 1.2和1.08的材料。
所述基板厚度為5mm，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(shè)計(jì)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(diǎn)處。
所述拋物反射面的直徑為72mm,高度為18mm,其焦點(diǎn)位于拋
物反射面的水平面上。
在架設(shè)實(shí)際補(bǔ)償裝置于發(fā)射天線時，可采用的機(jī)械裝置，包括 可調(diào)節(jié)式支撐桿，用于人工調(diào)整所述光子晶體板的方向角； 旋轉(zhuǎn)式支撐桿，用于類似旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的裝置實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描。 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)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(shí)施本發(fā)明而了解，本發(fā)明的
目的和其它優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)和獲得。


結(jié)合描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例的附圖，根據(jù)以下對本發(fā)明的各 發(fā)明的詳細(xì)描述，將更易于理解本發(fā)明的這些和其它特征，其中 圖l描述了用于極化補(bǔ)償一維光子晶體的結(jié)構(gòu)； 圖2示出補(bǔ)償?shù)慕徊媾紭O子作為饋源的反射面天線結(jié)構(gòu)； 圖3示出平行放置一維光子晶體的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)； 圖4示意性示出適用于圖2所示結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。 圖5示出本發(fā)明實(shí)施方式對于圖2,圖3,圖4幾種結(jié)構(gòu)的極化 補(bǔ)償結(jié)果；
圖6示出圖2所示結(jié)構(gòu)的三維遠(yuǎn)場增益； 圖7示出圖3所示結(jié)構(gòu)的三維遠(yuǎn)場增益；圖8示出圖4所示結(jié)構(gòu)的三維遠(yuǎn)場增益；
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。 圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的用于極化補(bǔ)償一維光子晶體的結(jié)構(gòu)。 101層是空氣層，折射率設(shè)為n0，電磁波從101層入射進(jìn)來，在101 和102間發(fā)生透射和反射。102為一維光子晶體ABAB型結(jié)構(gòu)的第一 種介質(zhì)，折射率為nl,厚度為dl。 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(fù)結(jié)構(gòu)。 106為基底，折射率為ns,厚度為ds。
對于一維光子晶體而言，其中的場的方程可以使用修正的麥克斯
韋方程組來描述 & c 。
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(jì)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(jì)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(diǎn)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^f茲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(xué)的基本定律?？梢缘玫剑噜弻娱g 的轉(zhuǎn)移關(guān)系如下
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，A ;t h， B"氣并且對于通過一維光子晶體的
入射場和透射場的關(guān)系可以表示如下
人A-
其中M為復(fù)合矩陣， mw.
M =
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
附 附12
.附21附22.
將r， t和M的表達(dá)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
廠=^o附n + ^^附12 —附21 _ 7,附22
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(jì)算。 轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算方法只是解決多層結(jié)構(gòu)場計(jì)算的基本方法，也可
以采用其它各種方法，不同的計(jì)算方法不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
圖2示出補(bǔ)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(dǎo)率為5.8xl07Siemens/m，相對電介質(zhì)常 數(shù)為1,相對;茲導(dǎo)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(diǎn)處，根據(jù)幾何光學(xué)理論可知，在焦點(diǎn)發(fā)出的波經(jīng)過 反射面的反射可以產(chǎn)生平^f亍的波束。此處i殳計(jì)的Crossed-Dipole的工作頻率為12.45GHz,也可以設(shè)計(jì)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示出平行放置一維光子晶體的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。301為圖1中所示 的放置在最底層的基底，302、 304為介質(zhì)B， 303、 305為介質(zhì)A， 306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)。307、 308、 309分別為該補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的支撐桿?；?01材料選用玻璃，其折射率 ns二1.52,介質(zhì)A302/304和介質(zhì)B303/305分別選用折射率為1.2和1.08 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。 對于Crossed-Dipole 201的單臂長度設(shè)計(jì)為3.6mm,為了增加其輻射 阻抗將Dipole的內(nèi)寬設(shè)計(jì)為0.3mm,外寬設(shè)計(jì)為0.8mm。拋物反射 面306的直徑為72mm，高度為18mm，使得其焦點(diǎn)剛好位于拋物反 射面的水平面上。
圖4示意性示出適用于圖2所示結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為 圖3中的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)。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， 406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)。407、 408、分別為該補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的支撐 桿。409為旋轉(zhuǎn)桿，可以用于調(diào)整補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的方位角。
在具體機(jī)械實(shí)現(xiàn)時，可以采用可調(diào)節(jié)式支撐桿，也可以使用類似 于旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)桿的方向角。后者可以動態(tài)的調(diào)整不同的方 向，類似與雷達(dá)掃描器實(shí)現(xiàn)不同角度的快速調(diào)整。在具體實(shí)現(xiàn)時不同 的機(jī)械構(gòu)建方式不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
圖5示出本發(fā)明實(shí)施方式對于圖2,圖3,圖4幾種結(jié)構(gòu)的極化補(bǔ)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(bǔ)償時的結(jié)果，PCP表示平行光子晶體補(bǔ)償，RCP表示旋轉(zhuǎn) 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的角度為30度。在可用波束寬度B范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)滿足
其中，^'。'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(fù)收到的信號。當(dāng)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
5 = 6> _6
max min
其中，為滿足可用波束條件的最小方向角，& 為滿足可用波束 條件的最大方向角。
可以看出在一維光子晶體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)30度后，將可用波束寬度從 25度提高到38度，對于平行式補(bǔ)償結(jié)構(gòu)不能夠?qū)⑤S比值調(diào)整到1:1 的區(qū)域擴(kuò)大，對于NCP和PCP結(jié)構(gòu)，其最大角寬在輸入激勵比值為 1:1時取到，而RCP由于旋轉(zhuǎn)了 30度傾角，不再滿足軸對稱關(guān)系， 其在輸入激勵比值調(diào)整到1:0.75時，可以達(dá)到最大的角寬。
圖6、圖7、圖8分別示出圖2、圖3、圖4所示結(jié)構(gòu)的三維遠(yuǎn)場 增益。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(jì)算天線的增益
G(dB) = 101og(4;rf/ /而/( J"五x i/* ,
其中U是在指定方向上單位球面角輻射的強(qiáng)度，real表示取實(shí)部 的操作，A是模型的端口邊界，E是輻射的電場，H+是^f茲場H的復(fù)共軛。ds是法向量方向本地端口單位邊界。
可以看出在加入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)后，透射場的強(qiáng)度有所增加，由于補(bǔ)償 元件是基于透射型結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)，對于輻射的增益不但沒有降低，反而
提升了約2-3%。旋轉(zhuǎn)式補(bǔ)償結(jié)構(gòu)改變了發(fā)射天線的方向性結(jié)構(gòu)，其 3D輻射圖不再滿足嚴(yán)格軸對稱，對于極化的補(bǔ)償并未降低輻射場的 強(qiáng)度。
雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)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(bǔ)償?shù)难b置，其特征在于包括以下部分通過一維光子晶體結(jié)構(gòu)補(bǔ)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(jì)算入射場、透射場系數(shù)；利用支撐桿、旋轉(zhuǎn)桿等機(jī)械裝置放置光子晶體結(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(bǔ)償一維光子晶體結(jié)構(gòu)，其特 征在于所述一 維光子晶體具有以下特征采用ABAB周期型結(jié)構(gòu)； 透射型補(bǔ)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<formula>formula see original document page 2</formula>其中，A A 44 \ B"w，并且根據(jù)單層轉(zhuǎn)移關(guān)系，確定所述通過一維光子晶體的入射場和透射場的關(guān)系可以表示如下<formula>formula see original document page 2</formula>
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的信號極化補(bǔ)償一維光子晶體結(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(fù)合矩陣，M = M'M2"…似w.所述M矩陣可以更為一般地表示為 ^2」 確定所述反射系數(shù)和透射系數(shù)r和t為<formula>formula see original document page 3</formula>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<formula>formula see original document page 3</formula>Zo附l' + 7。y,W'2 +附21 +八附22 通過所述轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算方法解決多層結(jié)構(gòu)的場計(jì)算。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線信號極化補(bǔ)償?shù)难b置，以及權(quán)利要 求2、 3所述的信號極化補(bǔ)償一維光子晶體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述用 于補(bǔ)償?shù)囊痪S光子晶體結(jié)構(gòu)具有如下特征所述光子晶體板基底材料為玻璃，折射率ns^.52; 其余兩種介質(zhì)的折射率分別為1.2和1.08的材料； 所述基底厚度為5mm,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(bǔ)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 4立于所述4旭物面的焦點(diǎn)處；所述Dipole的單臂長度設(shè)計(jì)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(diǎn)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(bǔ)償?shù)难b置，其特征在于所述放置光子晶體結(jié)構(gòu)板的機(jī)械裝置包括可調(diào)節(jié)式支撐桿，用于人工調(diào)整所述光子晶體板的方向角； 旋轉(zhuǎn)式支撐桿，用于類似旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的裝置實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，本發(fā)明實(shí)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(bǔ)償?shù)难b置。本發(fā)明實(shí)施例方法包括通過一維光子晶體結(jié)構(gòu)補(bǔ)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(jì)算入射場、透射場系數(shù)；利用支撐桿、旋轉(zhuǎn)桿等機(jī)械裝置放置光子晶體結(jié)構(gòu)板；調(diào)整輸入激勵比，得到可用的最大波束寬度。根據(jù)本發(fā)明的方法，可以通過簡單增加補(bǔ)償光子晶體板補(bǔ)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(zhǔn)需求，從而降低接收設(shè)備的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。本發(fā)明的方法對于天線的遠(yuǎn)場增益尚有略微提高。
文檔編號H01Q19/10GK101295814SQ20081010273
公開日2008年10月29日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者周錫增, 張永軍, 彬 李, 李桂仁, 顧畹儀, 黃善國 申請人:北京郵電大學(xué)