CN101702467B

CN101702467B - 一种圆极化波导驻波天线

Info

Publication number: CN101702467B
Application number: CN 200910185457
Authority: CN
Inventors: 张洪涛; 汪伟
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: CN101702467A

Abstract

本发明涉及一种圆极化波导驻波天线，解决了现有圆极化波导缝隙行波天线的低效率、波束指向随频率变化等问题。本发明横截面为矩形的馈电波导管纵向的宽边中心线两侧交错均布设有两条以上的耦合缝隙，在其一侧宽边中部设有同轴连接器；馈电波导管两端封闭，在其宽边的耦合缝隙处设有四脊金属脊辐射波导，所述四脊金属脊辐射波导口面的对角线与耦合缝隙在一条直线上。本发明可实现能量进入波导腔内，被全部辐射出去，大大提高了天线的辐射效率；解决了波导行波天线不同工作频率波束指向不一致的问题，易于天线对卫星的跟踪。

Description

一种圆极化波导驻波天线

技术领域

本发明涉及圆极化波导天线的改进结构，具体是一种圆极化波导驻波天线。本发明既可用于接收、也可以用于发射圆极化无线电波。可用作卫星通讯领域内的移动终端天线。

背景技术

近些年来，随着卫星通讯的蓬勃发展，应用于卫星广播电视、通讯和数据传输等系统的天线得到了快速的发展，对各种天线的需求也在快速增加，推动了其发展。

对于移动卫星直播通讯的天线系统来说，通常安装在飞机、汽车或火车顶部，基于使用平台高机动特点，因此对天线的要求也很高，比如：小型化、低轮廓、低损耗、高增益、圆极化等。为了减少天线系统的高度，天线一般设计为平面阵列天线。可以选择微带贴片天线阵、波导缝隙天线阵或波导微带混合结构的平面天线阵。

由于平台安装空间的限制及对其外形气动布局影响因素，导致对天线体积和形状的限制，但仍然需要实现天线增益系统指标，因此，需要高效率的天线。波导缝隙天线阵由于其高效、易于幅相控制、加工简单等因素得以大量应用，特别是雷达系统。波导缝隙阵有行波阵和驻波阵(谐振阵)两种，波导行波阵带宽较宽、有频扫特性，但其效率较低，适合做大型平面阵列；驻波阵效率高、带宽较窄，适合做小型平面阵列。

对于接收卫星直播通讯的天线系统来说，一般安装在飞机上或汽车顶部，因此这些天线系统都具有很好的机动性，从而对于这些天线的要求也就比较高，比如：小型化、低轮廓、低损耗、高增益、圆极化等。为了减少天线系统的高度，天线一般设计为平面阵列天线，因此波导缝隙天线阵得到了很好的应用。

卫星通讯系统中，通常都采用圆极化波天线。目前已有较多研究成果，典型的圆极化波导天线是在矩形波导宽边中心开“X”型辐射缝隙的波导行波天线阵(Masahiro Uematsu等，波导缝隙行波天线阵，美国专利：5579019./Masahiro Uematsu，Takashi Ojima，etc，slotted leaky waveguide array antenna，United States Patent：5579019.)和矩形波导宽边中心线两侧交错开月牙形辐射缝隙的波导行波圆极化天线阵(Lee M.Paulsen，Cedar Rapids等，低损耗、低轮廓、双极化波导月牙缝隙天线阵，美国专利：7436371B1./Lee M.Paulsen，Cedar Rapids，etc，waveguide crescent slot array for low-loss，low-profile dual-polarization antenna，United States Patent：7436371B1.)。这两种圆极化天线都是波导行波天线阵，应用中有两个明显的缺点：1.由于其终端需要接匹配负载，天线输入端馈入的功率，一部分被匹配负载吸收，从而造成天线的辐射效率降低；2.由于行波天线波束指向随频率的变化而变化，这就给天线跟踪卫星带来了困难，同时也使得实际工作带宽下降，导致传输数据率的降低。另外，双极化波导月牙缝隙天线阵由于其缝隙尺寸形状特点造成天线阵中幅度控制较难，不易实现低副瓣天线。

发明内容

为了解决现有圆极化波导缝隙行波天线的低效率、波束指向随频率变化等问题，本发明提供了一种圆极化波导驻波天线。

本发明的具体技术方案如下：

一种圆极化波导驻波天线，包括馈电波导管1，馈电波导管1横截面为矩形，在馈电波导管1纵向的宽边中心线两侧交错均布设有两条以上的耦合缝隙3，在馈电波导管1一侧宽边中部设有同轴连接器；

所述馈电波导管1两端封闭，在馈电波导管1宽边的耦合缝隙3处设有四脊金属脊辐射波导2，所述四脊金属脊辐射波导2口面的对角线与耦合缝隙3在一条直线上。

所述馈电波导管1的矩形横截面长度a≥0.625λ₀，宽度b≤a，其上的耦合缝隙3耦合缝隙3的长度SL≤0.5λ_g、宽度SW≥0.5mm，相邻缝隙之间的间距Ls＝0.5λ_g，终端缝隙距矩形波导1端面的距离Lsh＝0.25λ_g，耦合缝隙3的偏置0≤Sp≤0.5a；

所述λ₀为中心工作频率，所述λ_g为波导波长。

所述四脊金属脊辐射波导2相对应的两侧为宽金属脊，相对应的另两侧为窄金属脊；四脊金属脊辐射波导2的高度RL≤0.6λ_g，宽度Rw≤0.35λ_g；所述宽金属脊的长度WRL≤0.5Rw，宽度WRw≤Rw所述窄金属脊长度NRL≤0.5Rw，宽度NRw≤WRw；

所述λ_g为波导波长。

本发明与现有技术相比，具有如下有益技术效果：

采用传统的波导缝隙驻波阵给对称的方形四脊开口波导2馈电，通过改变开口波导2的宽金属脊4和窄金属脊5的宽度WRw、NRw长度WRL、NRL，以及调整脊波导管2的长度RL，实现圆极化。

本发明与圆极化波导行波天线相比，由于行波天线随着功率的馈入，边辐射边传播，最后一部分能量被终端负载所吸收，使得圆极化行波天线的辐射效率比较低；而本发明是一种圆极化驻波天线，能量进入波导腔内，被全部辐射出去，大大提高了天线的辐射效率。

本发明与波圆极化波导行天线相比，由于驻波天线的波束指向不随频率变化，解决了波导行波天线不同工作频率波束指向不一致的问题，易于天线对卫星的跟踪。

本发明与圆极化波导行波天线相比，没有终端匹配负载的影响，在设计低副瓣天线时，更加容易控制天线中单元的幅度。

易于采用与波导功分器简单的上下叠加结构关系，给馈电波导馈电，实现宽带圆极化波导驻波天线。

附图说明

图1为本发明所述天线外观立体效果图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本发明所述开口脊波导横向切面图；

图4为本发明所述天线俯视图；

图5为图4的局部放大图；

图6本发明所述天线组成平面阵列的立体效果图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

本发明的一个优选实施例是按均匀分布的Ka波段的16单元圆极化波导驻波天线阵，中心工作频率为f₀＝24.5GHz，参见图1-图5，所述的圆极化波导驻波天线包括馈电波导管1，馈电波导管1的横截面为矩形，在馈电波导管1纵向宽边中心线两侧交错均匀布设有16条耦合缝隙3，在馈电波导管1一侧宽边中部设有同轴连接器10(SMA)；在馈电波导管1宽边的耦合缝隙3处设有16个四脊金属脊辐射波导2；所述的四脊金属脊辐射波导2与馈电波导管1构成“T”形结构，四脊金属脊辐射波导口面的对角线与耦合缝隙3在一条直线上。

相邻耦合缝隙3之间间距Ls为0.5λ_g，即相邻四脊金属脊辐射波导2之间间距也为0.5λ_g，矩形波导管1的两端被金属壁封闭，距离最后一个缝隙的距离Lsh为0.25λ_g。天线由馈电波导管1的一侧宽边中部的同轴连接器SMA馈电。

耦合缝隙3激励四脊金属脊辐射波导2，产生两个正交的模式TE₀₁模和TE₁₀模，改变四脊金属脊辐射波导2的金属脊4和5的长度和宽度，以及调整四脊金属脊辐射波导2的长度，使得两个模式TE₀₁模和TE₁₀模的幅度相等，传输到四脊金属脊辐射波导2的开口面形成90°的相位差，从而形成圆极化。

参数的确定：

参见图1所示，馈电波导管1横截面长度a为9mm，宽度b为4.4mm，馈电波导管1的长度L为134.24mm；

参见图2和图3所示，四脊金属脊辐射波导2横截面的长度和宽度同为Rw＝6mm，四脊金属脊辐射波导2的高度为7mm，四脊金属脊辐射波导2金属脊的宽度WRw为1mm，长度WRL为1.5mm，四脊金属脊辐射波导2金属脊的宽度NRw为1mm，长度NRL为0.8mm；

参见图5所示，耦合缝隙3的长度SL为6.4mm，耦合缝隙3的宽度SW为1mm，耦合缝隙3偏离馈电波导管1的宽边中心的距离Sp为1.8mm，相邻耦合缝隙的间距Ls为8.34mm，最边上的耦合缝隙距馈电波导管的终端的距离Lsh为4.17mm。

本发明的工作原理如下：

同轴连接器SMA接头给馈电波导管1馈电，能量从耦合缝隙3处耦合给四脊金属脊辐射波导，从而馈电波导管1与耦合缝隙3构成传统的波导驻波天线；四脊金属脊辐射波导2通过耦合缝隙3耦合的能量，在四脊金属脊辐射波导2内激励出正交的两种模式TE₀₁模和TE₁₀模，通过改变四脊金属脊辐射波导2的长度，使得TE₀₁模和TE₁₀模传输到四脊金属脊辐射波导2的开口辐射面具有90°的相位差，从而形成圆极化波。因此，馈电波导管1、四脊金属脊辐射波导2和耦合缝隙3一起构成圆极化波导驻波天线。

实施例2：

本发明的另一个优选实施例如图6所示，该24×16波导天线子阵由图1所示的16元线阵沿同一方向平移而成，此子阵与T/R组件相连，辅以电源、波控和安装结构件等可以扩展成大型子阵级有源相控阵天线。

实施例3：

本发明的另一个优选实施例是按Taylor分布的16单元波导驻波圆极化天线阵，其结构形状与实施例1相同，主要区别表现在：

每个耦合缝隙3的长度SL和偏离馈电波导管1宽边中心线的距离Sp不同，即四脊金属脊辐射波导2偏离馈电波导管1宽边中心线的距离不同，其值的选择方法为业内专业人士所熟知。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如采用方形波导及在方形波导内插入介质片，构成90°的相位差，从而实现圆极化，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims

1.一种圆极化波导驻波天线，包括馈电波导管（1），馈电波导管（1）横截面为矩形，在馈电波导管（1）纵向的宽边中心线两侧交错均布设有两条以上的耦合缝隙（3），在馈电波导管（1）一侧宽边中部设有同轴连接器，其特征在于：

所述馈电波导管（1）两端封闭，在馈电波导管（1）宽边的耦合缝隙（3）处设有四脊金属脊辐射波导（2），所述四脊金属脊辐射波导（2）口面的对角线与耦合缝隙（3）在一条直线上；

所述馈电波导管（1）的矩形横截面长度a≥0.625λ₀，宽度b≤a，其上的耦合缝隙（3）的长度SL≤0.5λ_g、宽度SW≥0.5mm，相邻缝隙之间的间距Ls=0.5λ_g，终端缝隙距矩形波导（1）端面的距离Lsh=0.25λ_g，耦合缝隙（3）的偏置0≤Sp≤0.5a；

所述λ₀为中心工作频率，所述λ_g为波导波长；

所述四脊金属脊辐射波导（2）相对应的两侧为宽金属脊，相对应的另两侧为窄金属脊；四脊金属脊辐射波导（2）的高度RL≤0.6λ_g，宽度Rw≤0.35λ_g；所述宽金属脊的长度WRL≤0.5Rw，宽度WRw≤Rw；所述窄金属脊长度NRL≤0.5Rw，宽度NRw≤WRw；

所述λ_g为波导波长。