CN103187630A - 一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线 - Google Patents

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胡大成
王建
陈冰洁
史艳梅
蒋楠
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Abstract

本发明涉及一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线，包括角锥喇叭(1)和馈电波导(2)，采用馈电波导开缝(3)给喇叭馈电，其中馈电波导内还有一根调节阻抗匹配的调节柱(4)。上述设计实现了喇叭天线和圆极化馈源一体化，并且整个喇叭天线结构紧凑，易于加工。现在大多数的询问天线都是工作在L波段的微带天线，除了容易受到同一频段的电磁波干扰外，微带形式的天线本身也有着增益偏低的缺点。然而本发明工作在Ka波段内，在保留喇叭天线高增益的特点时，还能够实现圆极化，组成阵列后是理想的询问机系统天线。

Description

一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体来说是一种毫米波询问天线。
背景技术
随着火箭、人造卫星和宇航技术的发展，对跟踪雷达的跟踪速度、跟踪精度、跟踪距离抗干扰能力都提出了更高的要求。由于圆锥扫描天线体制采用的是顺序比较波瓣法，这种体制必须在馈源绕天线轴旋转一周后才能判明目标的方向，限制了跟踪速度；在波束扫描过程中，目标运动状态的变化引起回波信号幅度的起伏，给误差信号附加上一个调幅干扰，也降低了角跟踪精度。而单脉冲体制采用同时比较波瓣法，获取误差信号迅速，跟踪速度快；误差信号只与接收到得几个波束的回波脉冲幅度的相对值有关，不存在目标起伏干扰。目前单脉冲体制已经逐步取代了圆锥扫描体制而获得广泛的应用，现在的询问天线大多都采用单脉冲工作体制。
与此同时，随着卫星通信、遥控遥测技术的发展、雷达应用范围的扩大以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要，单一极化方式已远难满足要求，圆极化的应用就显得十分重要，在电子对抗中，使用圆极化天线可以干扰和侦察敌方的各种线极化及椭圆极化方式的无线电波；在剧烈摆动或滚动的飞行器上装置圆极化天线，可以在任何状态下都能收到信息；在天文、航天通信及遥测遥感设备中采用圆极化天线，除可减小信号漏失外，还可能消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响；在电视广播中采用圆极化天线，可望克服重影等等。可见，圆极化天线在通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、天文及电视广播等方面的应用是相当广阔的。采用多模喇叭来实现圆极化天线是一种很好的选择，不同模式的电磁波在喇叭中的相速度是不同的，传输一段距离后两种模式的电磁波在喇叭口径面上形成90度相位差，并在自由空间叠加形成圆极化电磁波。
发明内容
现在大多数的询问天线都是工作在L波段的微带天线，但是在移动通信爆发式发展的今天，层出不穷的各种通信方式占据电磁频谱当中一定的频段，因此会干扰到工作在该频段天线，影响天线的询问精度；其次，微带天线近年来发展态势迅猛，形式多种多样，在实现圆极化的方法上有其独特的优势。但是其缺点也比较明显，功率容量小，增益偏低，波瓣较宽等。对于要求高增益窄波瓣的天线指标，微带天线形式并不适合。为了让天线具有很高的抗干扰及较高的询问精度，我们希望有一种天线能够尽可能的工作在较高频段并且能够拥有较高的增益。
然而本发明所设计的新型角锥喇叭天线则工作在Ka波段内，询问精度高，尤其是在空间中有多个目标时，询问精度极高，具有很高的抗干扰能力。同时，这种天线采用波导开缝的方式，实现了喇叭和圆极化馈源一体化的，结构紧凑，易于加工，使得本发明具有很高的市场潜力。
附图说明：
图1为本发明-Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线的前视三维图
图2为本发明-Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线的三视图
图3为本发明-Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线驻波系数VSWR
图4为本发明在直角坐标系下的方位面(H面)和俯仰面(E面)方向图
图5为本发明的轴比方向图
图6为本发明组成的28元喇叭天线直线阵的前视三维图
图7为图6的频带范围内观察和方向图时各个端口的有源驻波系数Active-VSWR
图8为图6的频带范围内观察差方向图时各个端口的有源驻波系数Active-VSWR
图9为图6在直角坐标系下的方位面(H面)方向图
图10为图6在直角坐标系下的俯仰面(E面)方向图
图11为图6的轴比方向图
具体实施方案
图2描述了本发明的具体实施方案。依图2所示，本天线阵的单元天线包括一个角锥喇叭(1)和一段馈电波导(2)，两者之间由一条向右倾斜的馈电缝隙耦合馈电(3)，另外还有一颗调节阻抗匹配的调节柱(4)。角锥喇叭，馈电波导和调节柱均使用铝制成。当然，以上组件也可以由其它金属材料制成，使用其他材料制作本天线当然应属于本发明的涉及范围。
角锥喇叭天线的矩形波导尺寸为6.7×4.7×1mm3，喇叭口径尺寸为15.5×5.5×4.4mm3。壁厚均为1mm，如；馈电波导是本发明的核心内容，将馈电波导一端封上作为短路壁，另一端作为输入端口，馈电波导的尺寸为15.88×5.69×1.5mm3，壁厚为1mm，内部不填充介质；在馈电波导顶部开一个右倾45°的耦合缝，缝中心距短路壁距离为距短路壁λg/2处，λg代表中心频率的波导波长为12.4mm。缝宽小于1/10的中心频率波长，取0.79mm，而缝长约1/2中心频率波长，取4.3mm；在馈电波导顶部中央有一根直径0.8mm的调节柱，调节柱中心在距短路壁12.6mm，露出长度0.6mm，可以根据具体情况调整长度；保证角锥喇叭天线，矩形波导还有馈电缝的中心线应重合。在具体产品中，采用的波导尺寸或者是喇叭口径不一定与上文所述完全一致，包括调节柱与否或是耦合缝在馈电波导顶部的位置等等。只要使用了图2中的波导耦合缝的馈电结构并使用于该种天线中，就应当属于本发明所涉及的范围。
图6表示的是由本发明组成的直线阵，取单元数N＝28，单元间距d＝7.4mm，激励分布用泰勒综合法得到，如下表1所示，表中只给出一半阵元的激励，另一半对称。
表1归一化电流分布
  单元编号   1   2   3   4   5   6   7
  电流幅度   0.2527   0.2750   0.3183   0.3796   0.4546   0.5378   0.6233
  单元编号   8   9   10   11   12   13   14
  电流幅度   0.7059   0.7821   0.8495   0.9065   0.9518   0.9836   1.0000
本发明Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线的工作原理如下：
因为阵列的圆极化是由单元天线决定的，所以单元天线实现圆极化则阵列天线也可实现圆极化。等幅的两种模式的电磁波(TE10与TE01)经过特定的传输距离后在喇叭口径面上形成90度相位差则可形成圆极化。通过调整角锥喇叭的上下两个口径面尺寸以及喇叭长度，可以调整天线的圆极化轴比以及俯仰面和方位面的波瓣宽度，而馈电缝可以调整圆极化轴比旋向，向右倾45°则为右旋圆极化波，向左倾45°则为左旋圆极化波。组成阵列的单元间距应满足栅瓣抑制条件，当单元数为偶数时，要获得阵列的和方向图时，要求各单元激励相位相同；而要获得差方向图，要求激阵列左右两半激励相位相差180°。
我们采用了Ansoft公司的HFSS三维电磁仿真软件对本发明进行了仿真。
图3是关于该天线的驻波系数(VSWR)曲线图。由图上可以看到，在需要的频带范围内，天线的驻波系数都小于1.19，最低值接近1.02。
图4是绘制于直角坐标系下的天线的方位面(H面)及俯仰面(E面)方向图，其中H面是f＝0°，3dB波瓣宽度为37°，E面是f＝90°，3dB波瓣宽度为68°。我们选取了两个边频和中心频率这三个频点进行考察。可以发现本发明的增益达到了11dB。
图5则反映了本发明的极化方向图，可以看出在方向图的主瓣宽度范围内，上下边频和中心频率内ARdB≤(3～4)dB，满足圆极化的条件。
图7和图8表示的则是观察天线阵列和方向图时及观察差方向图时的有源驻波系数比。在天线阵列中，由于有互耦的影响，必须考虑互耦的作用，所以用有源驻波来表征互耦作用下的驻波。可以由上图看到天线所有端口的和口有源驻波系数和差口有源驻波系数在频带范围内均小于1.4。
图9表示圆极化喇叭天线阵列的方位面(H面)方向图。在下边频时，阵列增益为25.6dB，方位面半功率波瓣宽度约为2.4°，副瓣小于-30dB，差波束的两个主瓣电平几乎相等(仅差约0.02dB)，零深(相对于和波束最大增益)为-52.7dB，在主瓣外和、差波束无穿刺问题，而且，在工作带宽内方向图无畸变；在中心频率时，阵列增益为25.7dB，方位面半功率波瓣宽度约为2.4°，副瓣小于-30dB，差波束的两个主瓣电平几乎相等(仅差约0.02dB)，零深(相对于和波束最大增益)为-52.9dB，在主瓣外和、差波束无穿刺问题，而且，在工作带宽内方向图无畸变；在上边频时，阵列增益为25.8dB，方位面半功率波瓣宽度约为2.4°，副瓣小于-30dB，差波束的两个主瓣电平几乎相等(仅差约0.02dB)，零深(相对于和波束最大增益)为-53.1dB，在主瓣外和、差波束无穿刺问题，而且，在工作带宽内方向图无畸变。
图10表示圆极化喇叭天线阵列的俯仰面(E面)方向图，俯仰面半功率波瓣宽度约为34°，无副瓣。在工作带宽内，俯仰面方向图基本不变。
图11表示的是方位面轴比方向图和俯仰面轴比方向图，可以从图中看出，方位面和俯仰面方向图的主瓣宽度范围内的轴比都小于1.2dB。
相较于常见的询问天线，本发明不仅在Ka波段有着良好的工作特性，弥补了微带天线形式增益不高的缺点，同时维持着圆极化的特点，结构紧凑，易于加工且具有高度可设计性，因此有着很强的实用性和竞争力。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。而且，本发明并不局限于Ka频段，本发明的结构自然可以移植到其它不同的频段的喇叭天线。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线，其特征在于：包括角锥喇叭(1)和馈电波导(2)，采用馈电波导开缝(3)给喇叭馈电，其中馈电波导内还有一根调节阻抗匹配的调节柱(4)，整个喇叭天线结构紧凑，易于加工。
2.根据权利要求1所述的一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线，圆极化波的产生可以通过调整角锥喇叭(1)的上下两个口径面尺寸和喇叭长度来控制。
3.根据权利要求1所述的一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线，馈电波导(2)一端封闭作为短路壁，另一端作为能量输入端口。
4.根据权利要求1所述的一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线，在馈电波导(2)顶端距短路壁λg/2处所开的缝为右斜45°缝(3)，角锥喇叭(1)天线和馈电缝(3)的中心线应重合。
5.根据权利要求1所述的一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线，在馈电波导(2)内顶端中轴线上有一根可以调节阻抗匹配的调节柱(4)。
6.根据权利要求1所述的一种Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线，多个该发明组成的直线阵可以作为单脉冲体制的毫米波询问天线，具有较高的增益，同时实现圆极化。
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