CN103326135B - 一种宽波束圆波导双模圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽波束圆波导双模圆极化天线，包括圆波导天线组合腔体，以及由功率分配器结构与波导传输结构构成的馈电结构。电磁波通过功率分配器等分为两路后，分别经过设计馈电结构后，一路以倾斜的方式进入到圆波导天线组合腔体上部圆波导中，激励起纯度较高的电磁场模式TE01模式；另一路进入圆波导天线组合腔体下部的圆波导中，激励出TE11模式和2阶TM01模式，且其中的TE11模式通过底部反射片反射后消除，最终得到纯度较高的TM01模式；本发明的优点为：可有效的通过激励出纯度较高的所需TE01和TM01模式来实现圆极化，同时抑制了其他干扰模式，结构简单易于加工；结构简单易于实现。
Description
技术领域
本发明属于毫米波发射天线领域，具体来说，是一种宽波束圆波导双模圆极化天线。
背景技术
目前能够实现电场圆极化的毫米波波导天线多采用阵列形式，即采用在波导壁处开缝并将多个单元布置成特定形式的阵列来实现天线的电场圆极化。
但这种能够实现圆极化的波导缝隙阵列天线的天线单元开缝复杂，阵列面积较大，为阵列天线单元均匀馈电难度较大，而本发明设计的圆极化天线,只需要一个主体辐射单元，结构简单紧凑，易于加工调试。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种宽波束圆波导双模圆极化天线，采用圆波导腔体结构，通过设计不同的波导馈电结构，在圆波导腔体内分别激励出两种电场正交的TE01和TM01电磁场模式，调整馈电结构尺寸使得两种模式在辐射端口处的相位差满足90°，从而使该天线实现圆极化，具体为：
本发明宽波束圆波导双模圆极化天线，包括圆波导天线组合腔体，以及由功率分配器与波导传输结构构成的馈电结构；
其中，圆波导天线组合腔体包括圆波导腔体A、圆波导腔体B、圆台波导腔体、上部入口波导与下部入口波导；所述圆波导腔体A底部与圆台波导腔体下底面匹配连通；圆台波导腔体上底面与圆波导腔体B顶面匹配连通；圆波导腔体A顶面作为天线辐射口，圆波导腔体B底面密闭；上部输入波导的输出端向下倾斜，与圆波导腔体A侧壁相连并与圆波导腔体A内部连通；下部输入波导的输入端与圆波导腔体B的侧壁相连并与圆波导腔体B内部连通；
所述功率分配器用来将输入电磁波进行等分分配后进行传输；功率分配器的两个输出波导口分别通过波导传输结构A与波导传输结构B与圆波导天线组合腔体中的上部输入波导和下部输入波导连通；
通过上述结构，电磁波由功分器等分为两路后，一路通过波导传输结构A进入到圆波导腔体A内，激励出TE11，TM01，TE21，TM11和TE01六种电磁场模式；另一路通过波导传输结构B进入到圆波导腔体B内，激励出TE11模式和2阶TM01模式，并通过圆波导腔体B底部反射消除TE11模式；而2阶TM01模式的电磁场沿着圆波导腔体B向上传播，与圆波导腔体A内激励出的TE01模式相互正交，使得TM01式与TE01模式在天线辐射口处的相位差满足90°，从而得到具有圆极化形式、波束宽度很宽的辐射天线方向图。
本发明的优点在于：
1、本发明宽波束圆波导双模圆极化天线中圆波导天线组合腔体具有倾斜式馈电结构，可有效的激励出纯度较高的所需TE01模式，同时抑制了其他5种干扰模式，结构简单易于实现；
2、本发明宽波束圆波导双模圆极化天线中圆波导天线组合腔体还具有直接馈电结构，可以有效的激励出纯度很高的所需TM01模式，同时采用底部反射波相消的办法有效抑制了TE11模式的干扰，结构简单易于加工；
3、本发明宽波束圆波导双模圆极化天线将两种不同模式的激励结构利用圆台型波导连接起来，从而实现圆极化波的目的，结构简单紧凑，实用性强。
附图说明
图1为本发明宽波束圆波导双模圆极化天线的整体结构示意图；
图2为本发明宽波束圆波导双模圆极化天线中功率分配器结构正视示意图；
图3为本发明宽波束圆波导双模圆极化天线中功率分配器结构俯视示意图；
图4为本发明宽波束圆波导双模圆极化天线中上部波导传输结构示意图；
图5为本发明宽波束圆波导双模圆极化天线中下部波导传输结构示意图；
图6为本发明宽波束圆波导双模圆极化天线中主体圆波导天线组合腔体结构示意图；
图7为应用本发明宽波束圆波导双模圆极化天线的仿真远场方向图；
图8为应用本发明宽波束圆波导双模圆极化天线的轴比特性仿真结果图。
图中：
1-圆波导天线组合腔体 2-功率分配器 3-波导传输结构
101-圆波导腔体A 102-圆波导腔体B 103-圆台波导腔体
104-上部输入波导 105-下部输入波导 201-椎体
202-圆柱体 203-输入波导口 204-上输出波导口
205-下输出波导口 206-电感膜片 301-上部波导传输结构
301a-弯波导A301a 301b-直波导A301b 301c-过渡渐变波导301c
302-上部波导传输结构 302a-弯波导B302a 302b-弯波导C302b
302c-弯波导D302c 302d-直波导B302d
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明宽波束圆波导双模圆极化天线包括圆波导天线组合腔体1，以及由功率分配器2与波导传输结构3构成的馈电结构。
其中，馈电结构中，功率分配器2用来将输入电磁波进行等分分配后进行传输；入射电磁波由功率分配器2的输入波导203的端口进入功率分配器2，通过功率分配器2将电磁波的功率平均分配到功率分配器2的矩形上输出波导204与矩形下输出波导205，达到功率分配的效果。本发明中功率分配器2的输入波导203的端口作为天线的馈电端口，可通过连接一个波导同轴转换即可实现微波馈电输入；且其内部具有底面半径3mm、顶面半径0.4mm、高度2mm的椎体201，且锥尖与一高度为2mm的圆柱体202的底端连接，使圆柱体202朝向功率分配器2的输入波导203的端口。上传输波导与下传输波导均为标准矩形波导BJ320，上传输波导与下传输波导的端口间距为2.449λmm。且在输入波导203内部相对两侧固定安装有长宽均为1mm的电感膜片206，由此可有效降低馈电端口的电压驻波比（参考文献《一种新颖的Ku频段宽带波导功分器》，党章,邹涌泉,张玉兴,邓力，电讯技术，第47卷第6期2007年12月）。
所述波导传输结构3用来实现天线激励信号的传输，具有两部分，分别为上部波导传输结构301与下部波导传输结构302；上部波导传输结构301由弯波导A301a、直波导A301b与过渡渐变波导301c构成；弯波导A301a、直波导A301b均为标准矩形波导BJ320；其中，弯波导为90°标准矩形弯波导，旋转内半径为0.406λmm；λ为天线中心频点对应的自由空间波长；直波导为标准矩形直波导，长0.583λmm；过渡渐变波导301c长度为0.933λmm,过渡渐变波导301c的输入端尺寸大于输出端尺寸，形成截面渐变结构，其输出端尺寸为0.636λmm*0.318λmm。上述弯波导A301a的输入端与功率分配器2的上输出端口匹配连通；弯波导A301a的输出端与直波导A301b的输入端匹配连通；直波导A301b的输出端与过渡渐变波导301c的输入端匹配连通；波导渐变结构的输出端用来连接圆波导天线组合腔体1。下部波导传输结构302由弯波导B302a、弯波导C302b、弯波导D302c与直波导B302d构成，弯波导B302a、弯波导C302b与弯波导D302c均为90°标准矩形弯波导BJ320。其中，弯波导A301a的旋转内半径为0.843λmm，弯波导B302a与弯波导C302b的旋转内半径均为0.583λmm；直波导B302d为长度为3.380λ的标准矩形直波导。上述弯波导B302a的输入端与功率分配器2的下输出端口匹配连通，弯波导B302a的输出端与弯波导C302b的输入端匹配连通；弯波导C302b的输出端与直波导B302d的输入端匹配连通，直波导B302d的输出端与弯波导D302c的输入端匹配连通；弯波导D302c的输出端用来连接圆波导天线组合腔体1。由此经功率分配器2进行功率均分后的两路电磁波分别由上部波导传输结构301与下部波导传输结构302进行传输，进入圆波导天线组合腔体1。
上述圆波导天线组合腔体1作为天线的主体部分，包括圆波导腔体A101、圆波导腔体B102、圆台波导腔体103、上部输入波导104与下部输入波导105；其中，圆波导腔体A101与圆波导腔体B102均竖直设置，圆波导腔体A101长度为4.084λmm，内半径为0.628λmm；圆波导腔体B102长度为2.8λmm，内半径为0.443λmm；圆台波导腔体103上底面内径为0.443λmm，下底面内径为0.628λmm，高为0.817λmm。所述圆波导腔体A101底部与圆台波导腔体103下底面匹配连通；圆台波导腔体103上底面与圆波导腔体B102顶面匹配连通；圆波导腔体A101顶面作为天线辐射口，圆波导腔体B102底面密闭，作为反射面。所述上部输入波导104与下部输入波导105均为矩形波导；上部输入波导104的出口端向下倾斜，与圆波导腔体A101侧壁相连并与圆波导腔体A101内部连通；上部输入波导104的输入端与上部波导传输结构301中波导渐变结构的出口端匹配连通。下部输入波导105的输入端与圆波导腔体B102的侧壁相连并与圆波导腔体B102内部连通；下部输入波导105的输入端与下部波导传输结构302中弯波导D302c的出口端匹配连通，且下部输入波导105的输入端中心点距离圆波导腔体B102底面高度为1.021λmm。由此形成本发明宽波束圆波导双模圆极化天线整体结构，且整体材料可以采用硬铝加工，所有圆波导和矩形波导的壁厚均为1mm。由于上部输入波导104的输入端的倾斜设计，使上部波导传输结构301中的电磁波由上部输入波导104馈入到圆波导腔体A101中，会激励出包括TE01在内的六种电磁场模式（圆波导腔体A中的模式由低到高依次成为传播模式的顺序为TE11，TM01，TE21，TM11和TE01,由于简并模式的存在，TE01模是第六个传播模式）；且通过圆台波导腔体103与圆波导腔体A101间的匹配连接，可有效减少除TE01外其他五种需要抑制掉的电磁场模式，从而获得较高纯度的TE01模式，TE01模式的电场沿着波导内径横向旋转，无纵向电场分量；同时，下部波导传输结构302中的电磁波由下部输入波导105馈入到圆波导腔体B102中，由于截止波长的存在，在圆波导腔体B102内只激励出TE11模式和2阶TM01模式，由此利用圆波导腔体B102底部作为反射面，在设计下部输入波导105的输入端中心点距离圆波导腔体B102底面高度为1.021λmm时，可以使圆波导腔体B102内激励出的TE11模式经反射后相消，从而得到纯度很高的TM01模式，2阶TM01模式的电磁场沿着圆波导腔体B102向上传播，与圆波导腔体A101内激励出的TE01模式相互正交，通过调整馈电结构尺寸使得TM01模式与TE01模式在天线辐射口处的相位差满足90°，从而得到具有圆极化形式、波束宽度很宽的辐射天线方向图。
如图6、图7所示，分别为本发明宽波束圆波导双模圆极化天线的远场方向图与轴比特性随角度θ变化的极坐标示意图，其中Φ=0°和Φ=90°分别表示天线的E面和H面，轴比是表示天线圆极化程度的特征量。θ=0°是天线口面正对方向，由远场方向示意图可以看出，本发明结构的天线在+25°～+60°和-25°～-60°的角度范围内具有较高的增益，其方向图会分裂成明显的两个瓣状，由此可见该天线有较大的波束宽度。同时从轴比示意图可以看到，在+25°～+90°和-25°～-90°乃至更高的角度内，轴比基本都在-5dB以上，体现出该天线的圆极化程度较好，能够实现宽波束范围内的圆极化。
Claims (4)
1.一种宽波束圆波导双模圆极化天线，其特征在于：包括圆波导天线组合腔体，以及由功率分配器与波导传输结构构成的馈电结构；
其中，圆波导天线组合腔体包括圆波导腔体A、圆波导腔体B、圆台波导腔体、上部输入波导与下部输入波导；所述圆波导腔体A底部与圆台波导腔体下底面匹配连通；圆台波导腔体上底面与圆波导腔体B顶面匹配连通；圆波导腔体A顶面作为天线辐射口，圆波导腔体B底面密闭；上部输入波导的出口端向下倾斜，与圆波导腔体A侧壁相连并与圆波导腔体A内部连通；下部输入波导的输入端与圆波导腔体B的侧壁相连并与圆波导腔体B内部连通；
所述功率分配器用来将输入电磁波进行等分分配后进行传输；功率分配器的两个输出波导口分别通过波导传输结构A与波导传输结构B与圆波导天线组合腔体中的上部输入波导和下部输入波导连通；
通过上述结构，电磁波由功分器等分为两路后，一路通过波导传输结构A进入到圆波导腔体A内，激励出TE11,TM01,TE21,TM11和TE01六种电磁场模式；另一路通过波导传输结构B进入到圆波导腔体B内，激励出TE11模式和2阶TM01模式，并通过圆波导腔体B底部反射消除TE11模式；而2阶TM01模式的电磁场沿着圆波导腔体B向上传播，与圆波导腔体A内激励出的TE01模式的电磁场相互正交，使得TM01模式与TE01模式在天线辐射口处的相位差满足90°，从而得到具有圆极化形式、波束宽度很宽的辐射天线方向图。
2.如权利要求1所述一种宽波束圆波导双模圆极化天线，其特征在于：所述圆波导腔体A长度为4.084λmm，内半径为0.628λmm；圆波导腔体B长度为2.8λmm，内半径为0.443λmm；圆台波导腔体上底面内径为0.443λmm，下底面内径为0.628λmm，高为0.817λmm；下部输入波导的输入端中心点距离圆波导腔体B底面高度为1.021λmm。
3.如权利要求1所述一种宽波束圆波导双模圆极化天线，其特征在于：所述上部输入波导与下部输入波导均为矩形波导。
4.如权利要求1所述一种宽波束圆波导双模圆极化天线，其特征在于：所述圆波导天线组合腔体、功率分配器与波导传输结构均采用硬铝加工，壁厚均为1mm。
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