一种基于数字移相器的天线极化瞬变装置的制作方法

本实用新型涉及天线技术领域，更具体的说是一种基于数字移相器的天线极化瞬变装置。

背景技术：

随着频谱资源日益消耗、通信密集化程度不断提升，单极化天线已经不能够完全满足现代通信在频谱利用率、抗干扰等方面的需求，变极化天线具有工作在多种极化态的特点，能够实现电磁波极化形式的瞬时可变，在提高频谱利用率、抗干扰及通信加密等方面具有广阔的应用前景。当前变极化天线主要采用机械旋转或电控的方式，通常是指垂直/水平极化、±45°极化及左旋/右旋圆极化等极化状态的切换，利用电控方法实现极化状态连续变化的变极化系统尚未有具体的实现。

基于衰减器的变极化方法是通过控制两个正交线极化信号的幅度来实现极化控制，需要大量使用衰减器，会造成了严重的功率损失，合成波的输出功率也存在起伏，而且衰减器的精度也会对极化角带来误差，会造成极化状态准确度下降，系统误差较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于数字移相器实现的极化状态能够连续步进变化的天线极化瞬变装置。所述装置能够实现下述功能，即将输入的两路相同的射频信号变换成具有设定的相位关系并且幅度相同的两路射频信号通过双圆极化天线发射出去。

本实用新型的技术方案是：

一种基于数字移相器的天线极化瞬变装置，其特征在于，该装置包括一分二功分器、第一馈电支路、第二馈电支路、可编程控制板卡以及双圆极化天线，其中第一馈电支路包括第一开关和数字移相器，第二馈电支路包括第二开关和数字衰减器；两路射频信号由一分二功分器的输入端口馈入，功率等分后分别进入第一馈电支路和第二馈电支路，两条馈电支路的通断均由开关控制，两路信号分别经过相位延迟和幅度平衡后进入双圆极化天线的左旋圆极化端口和右旋圆极化端口，合成出左旋、右旋圆极化及不同偏转角的线极化辐射。另外通过开关切换还能够产生单一的左旋或右旋圆极化电磁波辐射。所述数字移相器可在其相移范围内步进变化，使得两路圆极化电磁波产生相位差，所述数字衰减器则用于对两条馈电支路的功率幅度进行补偿平衡，所述可编程控制板卡用于对数字移相器和数字衰减器进行远程实时控制，其采用FPGA程控电路实现，当FPGA程控电路接收到需要输出的信号极化类型的指令后，程控电路通过预先输入的天线极化发射表，对数字衰减器和数字移相器进行控制，方便快捷的调控水平、垂直极化方向的电磁波幅相，实现极化态的快速切换。

本实用新型的工作原理如下：设输入的两路射频信号对应左旋和右旋方向上的圆极化电磁波EL、ER，两路电磁波在空间合成线极化电磁波E：

其中ω表示角频率，k表示传播常数，z表示电磁波在z方向传播距离，左旋圆极化电磁波相比右旋圆极化电磁波相位滞后φ。其中左旋、右旋圆极化电磁波的单位矢量与水平线极化、垂直线极化单位矢量之间的关系为

两路振幅相同、旋向相反的圆极化电磁波叠加可形成线极化电磁波，因此左旋圆极化电磁波电场幅度EL需等于右旋圆极化电磁波电场幅度ER。将合成的线极化电磁波的极化角α定义为总电场与水平方向的夹角，α对应的线极化电磁波的水平、垂直方向上的线极化分量Eh、Ev为：

其中，Em表示总电场幅度，分别表示在x和y方向上的单位矢量。

此时极化角α与相位差φ的关系为：

Z表示整数。上式说明左旋圆极化电磁波相比右旋圆极化电磁波相位延迟φ，则合成的线极化电磁波极化角为通过调整数字移相器的相移量，使得两路射频信号满足具有设定的相位关系并且幅度相同，则能够在空间中辐射出具有特定极化角的线极化电磁波。

本实用新型的有益效果为：

通过可编程控制板卡电控数字移相器的相移量，可以方便快捷地调控左旋、右旋圆极化方向的电磁波相位，进而实现输出功率恒定、极化角连续步进可调的线极化状态瞬变，另外通过开关切换还能够产生单一的左旋或右旋圆极化电磁波辐射。该方法精度高、反应快、输出功率稳定且无需大量使用衰减器，能避免额外的功率损失。

附图说明

图1为本实用新型的装置结构框图；

图2是本实用新型的正交双圆极化分解示意图。

具体实施方式

下面以实现33种线极化状态为具体实例，结合附图对本实用新型进行详细说明。

图1为本实用新型的装置结构框图。该装置包括一分二功分器1、第一馈电支路2、第二馈电支路3、可编程控制板卡4以及双圆极化天线5，一分二功分器1的输入端口11作为本装置的输入端口；其中一分二功分器1包括输入端口 11、第一输出端口12和第二输出端口13；第一馈电支路2包括第一开关21和数字移相器22，第二馈电支路3包括第二开关31和数字衰减器32。

射频信号由一分二功分器1的输入端口11馈入，功率等分后分别进入第一馈电支路2和、第二馈电支路3，进入第一馈电支路2的射频信号经过第一开关 21和数字移相器22后进入双圆极化天线5的左旋圆极化端口51，产生左旋圆极化电磁波；进入第二馈电支路3的射频信号经过第二开关31和数字衰减器32 后进入双圆极化天线5的右旋圆极化端口52，产生右旋圆极化电磁波。其中，数字移相器22在极化态控制中起主要作用，通过选择合适的相移量，能够使到达左旋圆极化端口51和右旋圆极化端口52的射频信号产生相位差，而数字衰减器32则起到幅度平衡的作用，使到达左旋圆极化端口51和右旋圆极化端口 52的射频信号功率相同，因为双圆极化天线5要求到达其左旋圆极化端口51和右旋圆极化端口52两路射频信号的圆极化态一致性高，包括增益相同、相移相同。本实施例中，数字移相器22相移步进量为5.625°，移相均方根误差为±1.0°，位数N＝5bit，移相范围为180°，插入损耗为5.0dB，幅度起伏≤0.5dB，反应时间小于30ns，可编程控制板卡4通过TTL接口控制第一开关21、第二开关31、数字移相器22以及数字衰减器32。特别地，由于数字移相器22不同状态输出功率幅度起伏较小，因此本实施例中数字衰减器32采用固定衰减器平衡数字移相器22的插入损耗即可，衰减量为5.0dB。

极化角定义为线极化电磁波与水平方向的夹角，极化角与数字移相器相移量的具体关系如下：

当第一开关21导通、第二开关31断开时，天线辐射左旋圆极化电磁波；当第一开关21断开、第二开关31导通时，天线辐射右旋圆极化电磁波。

当第一开关21、第二开关31都导通时，如图2所示，双圆极化天线5能够产生旋向相反的左旋圆极化电磁波和右旋圆极化电磁波，合成波可分解为上述圆极化电磁波的合成，以z方向传播圆极化电磁波为例，可表示为

其中EL是左旋圆极化电磁波电场幅度，ER是右旋圆极化电磁波电场幅度，是左旋圆极化电磁波的单位矢量，是右旋圆极化电磁波的单位矢量，左旋圆极化电磁波端口所在第一馈电支路2的射频信号经过数字移相器22产生相位滞后，相位差为φ。左旋、右旋圆极化电磁波的单位矢量与水平线极化、垂直线极化单位矢量之间的关系为

两路振幅相同、旋向相反的圆极化电磁波叠加可形成线极化电磁波，因此左旋圆极化电磁波电场幅度EL需等于右旋圆极化电磁波电场幅度ER。将合成的线极化电磁波的极化角α定义为与水平方向的夹角，α对应的线极化电磁波的水平、垂直方向上的线极化分量Eh、Ev为：

其中，Em表示总电场幅度，k表示传播常数，z表示电磁波在z方向传播距离，φ为两旋向相反的圆极化电磁波相位差，分别表示在x和y方向上的单位矢量。

此时极化角α与相位差φ的关系为：

其中，Eh、Ev分别表示水平和垂直方向上的线极化电场。上式说明左旋圆极化电磁波相比右旋圆极化电磁波相位延迟φ，则合成的线极化电磁波极化角为因此数字移相器的性能直接决定了变极化系统的性能。本实用新型中数字移相器22的相移量是按照最小相移量步进变化的，因此极化角能够按照数字移相器22的最小相移量的一半步进变化，极化角的角度范围为数字移相器22移相范围的一半，数字移相器22的相移量的精度也会对极化角带来误差。若数字移相器22的移相精度为±δ，则任一极化角的误差为：

|Δ|＝δ/2

原则上当数字移相器位数为N，移相范围不超过360°时，天线能够产生 2^N+1种不同的线极化态，但当数字移相器相移步进量过小、精度较差时，相邻极化角间隔将太小、极化角误差过大导致相邻极化状态交叠无法区分，因此需要根据实际需求选取合理的数字移相器。本实施例中数字移相器步进量为 5.625°，移相均方根误差为±1.0°，位数5bit，实际产生的极化态偏转角、误差、归一化辐射功率及对应衰减器状态如表1所示。由表可见，该系统能够在输出两种圆极化外还能够实现32种极化角不同的稳定线极化状态，所有线极化状态对应的归一化辐射功率稳定，极化角分布区间无交叠。

表1