CN103414026B - 一种基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，包括从下向上依次同轴固定的矩形波导、铝块、第二金属圆波导、喇叭状的第一金属圆波导、具有通孔的聚四氟乙烯介质顶板；所述铝块将矩形波导和第二金属圆波导隔开，铝块的轴心设有圆柱孔，且圆柱孔中填满聚四氟乙烯，探针从聚四氟乙烯的轴心穿过，圆柱孔、探针和聚四氟乙烯形成同轴线；具有通孔的聚四氟乙烯介质顶板固定于喇叭状的第一金属圆波导的开路终端。矩形波导的宽边上设置有一个调节螺钉，用来调节矩形波导到同轴线的阻抗匹配；矩形波导与铝块通过法兰用螺钉固定为一体。本发明利用级联两阶圆波导的方式实现的锥状波束天线具有尺寸小、增益高、辐射方向图对称等优点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是一种基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线。
背景技术
锥状波束天线(Conical Beam Antenna)是一类波瓣图和极化方向径向对称的天线，它在孔径的法线方向上没有辐射，最大辐射方向在与法线成一定倾角的锥面上。一方面锥状波束在电子系统中有许多应用，例如在高性能无线局域网(HIPERLAN)中，要求采用倾角为60°的锥状波束；在地面车辆和卫星的通信中要求采用30°～70°的锥状波束；在移动通信中要求采用不同频率对应不同倾角的锥状波束。
另一方面，锥状波束在军用导航系统和导弹探测系统中也有许多应用，例如无线电引信系统和导航系统中，弹丸在飞行过程中要探测来自与飞行方向成一定角度的空间范围内的目标。
综上所述，锥状波束天线无论是在无线通信系统中还是军用探测和导航系统中都是必不可少的器件。因此，研究高性能的锥状波束天线具有很强的实用价值。
现有文献报道了锥状波束天线的结构：
文献1（S.-S.Qi,W.Wu,and D.-G.Fang,Three sections circular waveguide aperture antenna with conical beam,IEEE Progress In Electromagnetics Research Letters,2011,22：147-154）中利用圆波导的高次模TM03模实现最大辐射方向角为50°毫米波锥状波束天线，但是该天线是采用同轴探针馈电损耗大，且天线的增益为8.1dB；
文献2（J.-S.Row and M.-C.Chan,Reconfigurable Circularly-Polarized Patch Antenna With Conical Beam,IEEE Transactions on antenna and propagation,2010,58,(8):2753-2757）中利用四个L型贴片天线组成方环型结构来实现锥状波束天线，天线的尺寸比较大且结构比较复杂，并且实现的锥状波束天线方向图不具有全向性；
文献3（Jae Hee Kim and Wee Sang Park，Sectoral Conical Beam Former for a2*2Array Antenna,IEEE antennas and wireless propagation letters,2009,8:712-715）中利用2*2四个圆形贴片来实现锥状波束天线，虽然能实现锥状波束天线但是此天线馈电网络比较复杂，而且尺寸也比较大。
综上所述，（1）文献1中设计的锥状波束天线的馈电方式采用的同轴探针馈电，在毫米波波段该馈电方式不便于测试，且损耗比较大；（2）文献2中设计的锥状波束天线的方向图不具有圆周对称性，且天线的增益比较低；（3）文献3中设计的锥状波束天线馈电网络比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种尺寸小、增益高、辐射方向图圆周对称的基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，包括依次同轴固定的矩形波导、铝块、第二金属圆波导、第一金属圆波导和聚四氟乙烯介质顶板；其中第二金属圆波导、第一金属圆波导的材料相同，第一金属圆波导呈喇叭状且沿着从第二金属圆波导至聚四氟乙烯介质顶板方向半径递增；所述铝块将矩形波导和第二金属圆波导隔开，铝块的轴心设有圆柱孔，且圆柱孔中填满聚四氟乙烯，探针从聚四氟乙烯的轴心穿过，圆柱孔、探针和聚四氟乙烯形成同轴线；聚四氟乙烯介质顶板上设置有通孔，且聚四氟乙烯介质顶板固定于第一金属圆波导的开路终端；矩形波导的宽边上设置有一个调节螺钉，用来调节矩形波导到同轴线的阻抗匹配。
本发明技术方案的原理是：圆波导TM0n模是一个旋转对称性模而且相位为反相，利用该模式做辐射器，既可以保证方向图的旋转对称，也可以保证在口径面的法线方向上辐射比较小，因此利用圆波导TM0n模的旋转对称特性，可以实现锥状波束天线；通过级联两阶不同半径的圆波导，增加了不连续性，从而在实现锥状波束天线的同时可以抑制其它TM0m模式产生的副瓣电平。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
（1）天线的结构简单，加工容易，生产成本低；用矩形波导馈电，容易加工测试，可以方便应用于射频前端系统中；
（2）天线环境适应性强、调试方便、工作频带较宽，且具有高增益、辐射方向图圆周对称等优点，因此可以广泛应用于无线通信系统中。
附图说明
图1是本发明基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线的剖面结构示意图。
图2是本发明基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线中金属圆波导的俯视图。
图3是本发明基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线中矩形波导的俯视图。
图4是本发明基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线中调节螺钉的结构示意图。
图5是本发明实施例1中基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线的结构尺寸示意图。
图6是本发明实施例1中基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线中的聚四氟乙烯介质顶板的结构示意图。
图7本发明实施例1中基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线的S参数仿真图。
图8本发明实施例1中基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线的辐射方向仿真图。
图9本发明实施例1中基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线在增加聚四氟乙烯介质顶板前后的增益对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
结合图1～2，本发明基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，包括依次同轴固定的矩形波导5、铝块3、第二金属圆波导2、第一金属圆波导1和聚四氟乙烯介质顶板10；其中第二金属圆波导2、第一金属圆波导1的材料相同，第一金属圆波导1呈喇叭状且沿着从第二金属圆波导2至聚四氟乙烯介质顶板10方向半径递增；所述铝块3将矩形波导5和第二金属圆波导2隔开，铝块3的轴心设有圆柱孔7，且圆柱孔7中填满聚四氟乙烯9，探针8从聚四氟乙烯9的轴心穿过，圆柱孔7、探针8和聚四氟乙烯9形成同轴线；聚四氟乙烯介质顶板10上设置有通孔11，且聚四氟乙烯介质顶板10固定于第一金属圆波导1的开路终端；矩形波导5的宽边上设置有一个调节螺钉6，用来调节矩形波导5到同轴线的阻抗匹配。
所述圆柱孔7、探针8和聚四氟乙烯9形成同轴线，且探针8的半径和圆柱孔7的半径要满足构成的同轴线的特性阻抗是50欧姆。所述矩形波导5与铝块3通过法兰4用螺钉固定为一体。
所述聚四氟乙烯介质顶板10设置在喇叭状的第一金属圆波导1开路终端，且聚四氟乙烯介质顶板10部分嵌入到喇叭状的第一金属圆波导1中。所述通孔11的数量为多个，且各通孔11的轴线均与聚四氟乙烯介质顶板10的中心轴线平行，通孔11的轴心 分布在以聚四氟乙烯介质顶板10的轴心为圆心的半径不同的圆周即同心圆上，且每个圆周上的通孔11均匀分布。
所述矩形波导5的型号可以根据天线的辐射频率来决定，结合图3～4，调节螺钉6位于矩形波导5宽边的中间，通过调节螺钉6伸进矩形波导5内的长度，使矩形波导5到同轴线的阻抗匹配。所述调节螺钉6中心距矩形波导5上面波导口距离、调节螺钉6深入矩形波导5内的半径以及长度、探针8深入矩形波导5的长度，是根据所需要的矩形波导5的型号来调整确定的。
本发明基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线结构主要包括三部分，一部分是由不同半径的圆波导即第二金属圆波导2、喇叭状的第一金属圆波导1级联构成的锥状波束天线；一部分是为了提高天线的增益，在喇叭状的第一金属圆波导1的终端开路端固定的具有通孔11的聚四氟乙烯介质顶板10；最后一部分是天线的馈电部分，即矩形波导5到同轴线的过渡结构，把矩形波导5的TE10模转换成同轴线的TEM模。
上述技术方案中，所述的提高天线增益部分，一方面是将上层的金属圆波导使用的是喇叭形状的圆波导；另一方面是在喇叭状的第一金属圆波导开路终端放置了具有通孔的聚四氟乙烯介质顶板。通过分析可以得出天线的增益和聚四氟乙烯介质顶板的厚度、通孔的个数及通孔的半径相关。当聚四氟乙烯介质顶板的厚度很短时，天线的增益反而是下降的，而随着聚四氟乙烯介质顶板厚度的增加增益逐渐达到最大值后，又再一次下降，但当具有通孔的聚四氟乙烯介质顶板厚度增加时，天线的副瓣电平会增加；且具有通孔的聚四氟乙烯介质顶板对天线的最大辐射方向角有调整作用。
上述技术方案中，所述天线的馈电部分，在采用矩形波导5馈电的情况下，要使用矩形波导5到同轴线的模式转换器，即必须先由矩形波导5耦合到同轴线，再由同轴线中的探针8去激励圆波导；将矩形波导5的TE10模转换为同轴线的TEM模，然后经过一段同轴线再转换成金属圆波导的TM0n模；将同轴线的内导体探针8放置在金属圆波导的中央，探针8高出铝块3的长度要满足能激励起第二金属圆波导2的TM0n模，这种激励方式TE11模和TE01模都不能激励起来，其它可能激励起来的TM0n高次模，可以通过调节金属圆波导的半径来抑制掉。
通过控制各阶金属圆波导半径和高度来选择所需要的TM0n模式，从而来实现方向图中的最大辐射方向角以及天线辐射频率的要求。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例中将毫米波锥状波束天线设计成图1所示的天线结构，根据天线特征参数的如下要求：
频率范围：37.8-38.2GHz
天线的最大辐射方向角：30°～40°
天线最大辐射方向上的增益：≥10dB
结合图5～6，喇叭状的第一金属圆波导1、第二金属圆波导2、均为铝合金，且喇叭状的第一金属圆波导1、第二金属圆波导2的内直径φ1、φ2、φ3依次为26.6mm、21mm、8mm，喇叭状的第一金属圆波导1、第二金属圆波导2的高度h1、h2依次为12mm、6.3mm，喇叭状的第一金属圆波导1的壁厚为1mm；铝块3的高度h3为1.5mm、直径为23mm，铝块3中间开的圆柱孔7的直径为2mm，即聚四氟乙烯9的直径是2mm，聚四氟乙烯9高度即为铝块3的高度1.5mm，探针8材质为铜，且其直径是0.6mm，伸出聚四氟乙烯9上面的高度L1为2.5mm，伸出铝块下面的长度L2是1.2mm。固定于喇叭状的第一金属圆波导第一金属圆波导1的开路终端的聚四氟乙烯介质顶板10厚度h12为4.5mm，深入1内的长度h11为3.5mm，且聚四氟乙烯介质顶板10上的通孔11的直径为2mm，以聚四氟乙烯介质顶板10的轴心为圆心、以各个通孔11的轴心到聚四氟乙烯介质顶板10的轴心距离为半径构成半径不同的3个圆周，半径较小的两个圆周上每个圆周上均匀分布8个通孔11，最大半径的圆周上均匀分布12个通孔11，三个圆周上通孔11轴心距聚四氟乙烯介质顶板10轴心的距离分别为4.5mm，7mm，10.5mm。
馈电结构中的矩形波导5采用的型号是BJ-320，调节螺钉6深入矩形波导5内的直径是1.2mm，调节螺钉6的中心位置离矩形波导5上面的波导口的距离是1.9mm，螺钉深入矩形波导内的长度L3是可以调节的，最优的结果为1.6mm。
选择圆波导的TM02模作为该天线的主模来实现最大辐射方向角在30°的锥状波束天线。通过调整第二金属圆波导2的半径和高度抑制圆波导的TM01模从而得到较好的副瓣特性。
本实施例锥状波束天线在电磁仿真软件HFSS.12中建模仿真，图7为本实施例锥状波束天线的S参数仿真图，从图中可以看出，天线的S参数在37.8-38.2GHz范围内 是小于-10dB的。
图8本实施例锥状波束天线的辐射方向图，从图中可以看出，该实施例天线的最大辐射方向角在30°，且在最大辐射方向角上的增益是大于10dB。
图9本实施例锥状波束天线在增加聚四氟乙烯介质顶板10前后的增益方向图，从图中可以看出，在增加具有通孔的聚四氟乙烯介质顶板前的增益为9.7dB，增加具有通孔的聚四氟乙烯介质顶板之后的增益为11.2dB，因此增加的聚四氟乙烯介质顶板不仅具有提高天线增益的效果而且对天线的最大辐射方向角具有调整作用，即最大辐射方向角由原来的32°调整至30°，但是这导致副瓣电平有所提高。
综上所述，本发明基于圆波导TM0n高次模的毫米波锥状波束天线，利用圆波导TM0n模的旋转对称特性，将不同半径的圆波导进行级联从而实现具有锥状波束特性的天线，该锥状波束天线具有尺寸小、增益高、辐射方向图对称等优点。
Claims (5)
1.一种基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，其特征在于，包括依次同轴固定的矩形波导(5)、铝块(3)、第二金属圆波导(2)、第一金属圆波导(1)和聚四氟乙烯介质顶板(10)；其中第二金属圆波导(2)、第一金属圆波导(1)的材料相同，第一金属圆波导(1)呈喇叭状且沿着从第二金属圆波导(2)至聚四氟乙烯介质顶板(10)方向半径递增，第一金属圆波导(1)和第二金属圆波导(2)相接处的第一金属圆波导(1)内直径大于第二金属圆波导(2)内直径；所述铝块(3)将矩形波导(5)和第二金属圆波导(2)隔开，铝块(3)的轴心设有圆柱孔(7)，且圆柱孔(7)中填满聚四氟乙烯(9)，探针(8)从聚四氟乙烯(9)的轴心穿过，圆柱孔(7)、探针(8)和聚四氟乙烯(9)形成同轴线；聚四氟乙烯介质顶板(10)上设置有通孔(11)，且聚四氟乙烯介质顶板(10)固定于第一金属圆波导(1)的开路终端；矩形波导(5)的宽边上设置有一个调节螺钉(6)，用来调节矩形波导(5)到同轴线的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，其特征在于，所述圆柱孔(7)、探针(8)和聚四氟乙烯(9)形成同轴线，且构成的同轴线的特性阻抗是50欧姆。
3.根据权利要求1所述的基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，其特征在于，所述调节螺钉(6)位于矩形波导(5)宽边的中间。
4.根据权利要求1所述的基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，其特征在于，所述矩形波导(5)与铝块(3)通过法兰(4)用螺钉固定为一体。
5.根据权利要求1所述的基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，其特征在于，所述通孔(11)的数量为多个，且各通孔(11)的轴线均与聚四氟乙烯介质顶板(10)的中心轴线平行，通孔(11)的轴心分布在以聚四氟乙烯介质顶板(10)的轴心为圆心的半径不同的圆周上，且每个圆周上的通孔(11)均匀分布。
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Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WANG JIANPENG DOU YAN LI YUEHUA TO: WANG JIANPENG CAI CHUANTAO DOU YAN LI YUEHUA |
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