CN103490168B - 一种圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆极化天线。该天线的金属波导管为一个横截面呈“凹”形中空的单脊金属波导管，一端为输入端，另一端为输出端；两侧向上凸起的窄边金属壁上分别开设有斜缝，两侧斜缝呈镜像对称，且斜缝与金属波导管的纵向轴线之间有夹角θ；在金属波导管的凹槽内的水平管壁上开设有平行于中心线的直缝，直缝沿长度方向和金属波导管的中心线之间设有偏心距；所述镜像对称的两条斜缝的几何中心和直缝的几何中心位于金属波导管的同一横截面内。本发明结构简单、易于加工、重量轻，与CN 200910184962.6相比，在组成天线阵时，重量减轻约一半。输出端口通过金属短路或者连接匹配负载，可以方便地得到驻波天线阵或者行波天线阵。

Description

一种圆极化天线

技术领域

本发明属于卫星通信领域的天线技术，具体涉及一种金属脊波导管圆极化天线。

背景技术

天线是无线电系统中必不可少的设备，天线的实现形式也是多种多样。天线按工作的极化方式来分，主要有线极化和圆极化两种，其中线极化有水平极化、垂直极化和斜极化等，而圆极化主要有左旋圆极化和右旋圆极化两种。圆极化天线在卫星通信、气象雷达、电子侦察和对抗中应用较多。在卫星通信和数据传输的圆极化天线中，采用波导缝隙天线优势明显，尤其是工作在X及其以上波段的情况。美国专利US5579019缝隙波导漏波天线阵(犹玛修.玛萨赫洛和奥吉玛.塔卡仕等，Masahiro Uematsu, Takashi Ojima, etc, slotted leaky waveguide arrayantenna)和US7436371B1低损耗低轮廓双极化波导月牙缝隙天线阵(李.玛.保尔逊，科德.瑞皮斯等，Lee M. Paulsen, Cedar Rapids, etc, waveguide crescentslot array for low-loss, low-profile dual-polarization antenna)中，天线阵中的天线(单元)是双线极化。两个正交线极化天线辐射幅度相等，并通过两个天线沿波导轴向的间距造成90度相位差来实现圆极化。此类天线仅适合于行波天线阵中，无法构成高效、带内波束指向稳定的驻波天线阵；组成行波天线阵时，存在宽带工作波束指向色散且效率降低的问题。这种天线阵不适合于宽瞬时带宽系统中应用。另外，这种天线也难以进行幅度加权，构成低副瓣天线阵。

张洪涛、汪伟提出了一种圆极化波导驻波天线阵(中国专利，CN 200910185457.3)中的天线(单元)是一种四脊开口波导，天线由馈电波导通过缝隙耦合的方式激励。天线本身是圆极化工作，该种天线可以构成行波天线阵也可以构成驻波天线阵。通过耦合缝位置的偏移，易于实现幅度加权，构成低副瓣天线阵。但这种天线结构上较为复杂，包含了馈电波导和开口辐射波导两层结构，天线厚度较厚，重量重。汪伟、张洪涛等人提出的脊波导倾斜缝隙对天线(中国专利，CN200910184962.6)结构简单，可以构成驻波和行波天线阵，但是这是一种线极化天线，不能辐射或接收圆极化电磁波。波导宽边开纵向直缝构成的波导缝隙天线，也是线极化工作。

发明内容

为了解决背景技术中所述天线存在的局限性，本发明提供一种结构简单的圆极化天线，可以很容易地组合成高效率的圆极化波导驻波天线阵或圆极化波导行波天线阵。

具体技术方案如下：

一种圆极化天线包括金属波导管，包括一个以上的天线单元，所述天线单元包括金属波导管，所述金属波导管为一个横截面呈“凹”形中空的单脊金属波导管，其中一端为输入端，另一端为输出端；金属波导管两侧的向上凸起的窄边金属壁上分别开设有斜缝，两侧斜缝呈镜像对称，且斜缝与金属波导管的纵向轴线之间的夹角θ在10～90度之间；在金属波导管的凹槽内的水平管壁上开设有直缝，直缝平行于金属波导管的中心线，直缝沿长度方向和金属波导管的中心线之间设有偏心距Xs；所述镜像对称的两条斜缝的几何中心和直缝的几何中心位于金属波导管的同一横截面内；

电磁波从金属波导管的输入端输入，由输出端输出，部分电磁波由两条斜缝和直缝辐射出去；或者电磁波从金属波导管的输入端输入，而输出端由金属壁短路，电磁波由两条斜缝和直缝辐射出去；

所述每一条斜缝辐射的电磁波包含两个分量：一个分量平行于金属波导管的纵向轴线，定义为水平极化电磁波；另一个分量垂直于金属波导管的纵向轴线，定义为垂直极化电磁波；在天线法线方向，由两条斜缝辐射的水平极化电磁波同相叠加，而由两条斜缝辐射的垂直极化电磁波则反相抵消，最终形成单纯的水平极化电磁波；

所述直缝仅辐射单纯的垂直极化电磁波；

调整两条斜缝的夹角θ和所述直缝的偏心距Xs，使所述水平极化电磁波和垂直极化电磁波的幅度相等；选择“凹”形中空的单脊金属波导管的凹槽的深度Rh为0.25λ₀，使两条斜缝的几何中心和直缝的几何中心之间在天线法线方向的距离为0.25λ₀，使水平极化电磁波和垂直极化电磁波在天线的法线方向形成90度的相位差；最终形成幅度相等、相位相差90度的垂直极化电磁波和水平极化电磁波，所述垂直极化电磁波和水平极化电磁波相结合形成圆极化电磁波。

所述圆极化天线包括两个以上的天线单元，相邻天线单元的输入端之间相连接或相邻天线单元的输出端之间相连接。

所述直缝的长度Ls为圆极化天线的工作中心频率的半个波长（0.5λ₀），宽度Ws为直缝长度的1/8～1/10，与金属波导管的中心线之间的距离Xs为0～0.1λ₀。两个以上的圆极化天线平行排列扩展成圆极化面阵。

在由多个圆极化天线扩展组成天线阵时，调整斜缝的倾角θ和所述直缝的偏心距Xs，可以调整各缝隙的辐射幅度，从而控制天线阵的幅度分布，实现低副瓣的天线阵。

本发明与现有技术相比，具有如下有益技术效果：

1.采用在横截面呈“凹”形、空心单脊的金属波导管1上开斜缝2和偏离凹槽中心线的纵向直缝3实现圆极化天线，结构简单、易于加工、重量轻。与中国专利CN 200910184962.6所述天线相比，在组成天线阵时，其重量减轻约一半。

2.通过多个天线级联后，电磁波由输入端口输入，输出端口通过金属短路或者连接匹配负载，可以方便地得到驻波天线阵或者行波天线阵。

3.在组成天线阵时，通过调整斜缝2的倾角θ和凹槽内直缝3偏离凹槽中心线的距离Xs，易于控制幅度实现天线口径加权，得到所需副瓣要求的圆极化天线阵。

附图说明

图1为本发明所述天线外观立体效果图。

图2为本发明所述天线波导管横截面图。

图3为本发明所述天线顶视图。

图4为本发明所述天线A-A方向的示意图。

图5为本发明所述天线B-B方向的示意图。

图6 为本发明4单元天线阵实施例外观立体效果图。

图7为图6实施例中间相邻两个单元之间关系顶视图。

图8为图6实施例4单元天线阵端口反射损耗频率响应曲线。

图9为图6实施例中心频率两个主切面圆极化轴比曲线。

图10为图6实施例圆极化轴比频率响应曲线。

图11为图6实施例中心频率两个主切面辐射方向图及交叉极化曲线。

图12为根据本发明圆极化天线扩展构成的16单元驻波天线阵实施例立体结构图。

图13为根据本发明圆极化天线扩展构成的驻波平面天线阵实施例立体结构图。

图14为波导馈电驻波平面天线阵。

图15为根据本发明圆极化天线扩展构成的16单元行波线阵实施例立体结构图。

图16为根据本发明圆极化单元扩展构成的行波平面天线阵实施例立体结构图。上图中序号：金属波导管1、斜缝2、直缝3、输入端4、输出端5、同轴线6、负载7、波导管8。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步地详细说明。

实施例1：

参见图1，工作于X波段的圆极化天线，中心频率为10GHz，上下边频为9.5GHz和10.5GHz。该圆极化天线由一个天线单元组成，该圆极化天线的金属波导管1为一个横截面呈“凹”形中空的单脊金属波导管，其中一端为输入端4，另一端为输出端5；金属波导管1两侧的向上凸起的窄边金属壁上分别开设有斜缝2，两侧斜缝2呈镜像对称，且斜缝2与金属波导管1的纵向轴线之间呈夹角θ；在金属波导管1凹槽内的水平管壁上开设有直缝3，直缝3平行于金属波导管的中心线，直缝3沿长度方向和金属波导管1的中心线之间设有偏心距Xs；镜像对称的两条斜缝2的几何中心和直缝3的几何中心位于金属波导管1的同一横截面内。

参见图2～图5，金属波导管1的口径尺寸是底边宽度为a，侧壁高为b，脊宽为Rw，脊高为Rh，金属壁厚为t；直缝3长度为Ls，宽度Ws，偏离中心线Xs；对称的斜缝2倾角为θ，缝宽为Wt，单侧缝位于单边上凸波导管上的倾斜缝长度为L1，位于内侧金属壁的长为L2，位于外侧金属壁的长为L3。

电磁波从金属波导管1的输入端4输入，由输出端5输出，部分电磁波由两条斜缝2和直缝3辐射出去；或者电磁波从金属波导管1的输入端4输入，而输出端5由金属壁短路，电磁波由两条斜缝2和直缝3辐射出去；

在天线的法线方向，所述两条斜缝2辐射单纯的水平极化电磁波；

在天线的法线方向，所述直缝3仅辐射单纯的垂直极化电磁波；

所述水平极化电磁波和垂直极化电磁波的幅度相等；所述水平极化电磁波和垂直极化电磁波在天线的法线方向有90度相位差；所述幅度相等、相位相差90度的垂直极化电磁波和水平极化电磁波相结合形成圆极化电磁波。

具体设计时，给出一定的天线指标，一般圆极化天线指标为：工作频率、轴比、波束宽度、副瓣电平以及结构要求，下面将说明如何根据指标要求由本发明所述的天线来设计圆极化天线。

假设给定的频率范围为f_l—f_h，其中f_l为最低频率，f_h为最高频率，中心频率以f₀表示。

具体的参数确定如下：

根据频率范围、结构限制的空间范围，以及最低频率f_l主模传输要求，确定金属波导管1的截面尺寸，如图2所示。

金属波导管1脊高Rh由公式R_h＝0.25λ₀确定，其中λ₀是工作中心频率自由空间波长，本实施例优选为7mm；金属波导管1脊宽Rw优选为9mm。

金属波导管1宽度a由公式0.5λ_h-R_h＜a＜λ_l-R_h确定，其中λ_l和λ_h是自由空间波长，本实施例优选为12mm。

金属波导管1高度b由公式R_h＜b＜0.5λ确定，其中λ是工作频率自由空间波长，本实施例优选为9mm。

金属波导管管壁厚度t由加工能力所确定，X波段优选为1mm。

上述对称的斜缝2中：L2≤Rh，优选为7mm，L3≤b，优选为6mm，单边倾斜缝隙尺寸总长度L1+L2+L3约为0.5λ₀，优选为15mm；斜缝2的宽度Wt远小于缝长，约为0.03～0.1λ₀，优选为1mm。

上述直缝3长度约为0.4～0.6λ₀，优选为16.7mm；

输出端5由金属封闭短路，终端与直缝3的中心距离为0.25λ_g0，λ_g0是中心频率波导波长，优选为9.74mm。

上述直缝3宽度Ws在0.03～0.1λ₀之间选择，对于X波段天线优选为1mm；

上述对称的斜缝2的倾角θ和直缝3的偏置Xs以两个缝的导纳值相等且两者之和为1作为设计准则，该参数的计算方法为本专业设计人员所熟知,本实施例中分别优选为35度和3mm。

实施例2：

参见图6，本实施例是按均匀分布的X波段4个天线单元组成的圆极化波导驻波天线阵，中心频率为10GHz，上下边频为9.5和10.5GHz。在实际应用中，通常需要将多个相同结构的天线单元按需要排列，构成天线阵使用。

该圆极化波导驻波天线阵由4个天线单元依次首尾相连组成，一端为输入端4，另一端为输出端5，输出端5为金属短路面，短路面距其最近缝中心距离0.25λ_g0。相邻天线单元的输入端4之间相连接或相邻天线单元的输出端5之间相连接；相邻天线单元的两侧斜缝2呈镜像对称分布，相邻天线单元的直缝3分别交错位于金属波导管的中心线的两侧，如图7所示。天线单元的两侧斜缝2组成一对，四对的斜缝2倾角相同，四条直缝3偏置量相同。相邻直缝3中心之间的间距为d，优选为0.5λ_g0。

电磁波从金属波导管1的输入端4输入，而输出端5由金属壁短路，电磁波由天线阵中的四对斜缝2和四条直缝3辐射出去；

在天线的法线方向，4对斜缝2仅辐射单纯的水平极化电磁波；

在天线的法线方向，4条直缝3仅辐射单纯的垂直极化电磁波；

所述水平极化电磁波和垂直极化电磁波的幅度相等；所述水平极化电磁波和垂直极化电磁波在天线的法线方向有90度相位差；所述幅度相等、相位相差90度的垂直极化电磁波和水平极化电磁波相结合形成圆极化电磁波。

参数的确定：

根据实施例1方法确定天线阵各个尺寸。金属波导管1的宽边a优选为12mm，

高度b优选为9mm，脊宽Rw优选为9mm，脊高Rh优选为7mm。

斜缝2的夹角θ优选为30度，凹槽内切入波导壁深度L2优选为7mm，波导壁外侧L3优选为6.19mm，缝宽Wt为1mm；凹槽内直缝3长度Ls优选为16.7mm，偏置Xs优选为3mm，缝宽度Ws均为1mm。相邻缝沿波导纵向间距d为19.47mm。短路面距离最后一个单元中心9.735mm。

图8是图6中4单元驻波天线阵实施例端口反射损耗频率响应曲线，在9.15-10.62GHz范围内，反射损耗小于-10dB，在9.32-10.5GHz范围内，反射损耗小于-15dB。

图9是图6中实施例在中心频率10GHz的轴比曲线，法向波束轴比小于0.4dB，垂直于线阵方向的切面，在±40°范围内轴比小于3dB。

图10是图6中实施例的轴比频率响应曲线，在9.23-10.92GHz范围内，轴比小于3dB。

图11是图6中实施例中心频率10GHz的辐射方向图及其交叉极化，在主瓣内，该天线阵交叉极化电平低于主极化32dB。

实施例3：

参见图12，在该实施例中，天线工作于X波段，中心频率为10GHz，上下边频为9.5和10.5GHz。采用实施例1中的天线作为一个基本单元，共16个单元构成圆极化波导驻波天线阵，16个圆极化天线轴向级联，单元之间间距相同，为0.5λ_g0，相邻斜缝2之间镜像排列，相邻直缝3沿凹槽中心线两侧交错偏置排列，两个波导管的输入端4和输出端5都短路，在天线阵的中间采用同轴线6馈电激励，构成中馈圆极化驻波天线阵。该实施例选择天线尺寸参数的方法与实施例2相同，同轴线6与波导之间的连接方法为业内所熟知。

脊波导优选尺寸与实施例2相同，斜缝2的倾角θ优选为24度，L2优选为7mm，L3优选为6.23mm，缝宽Wt优选为1mm；直缝3长度Ls优选为16.5mm，偏置Xs为2.5mm，缝宽Ws优选为1mm；单元间距d优选为19.47mm。

实施例4：

参见图13，由6根图12中的16单元驻波天线阵平行排列，扩展得到的平面驻波天线阵。通常，这种平面天线阵并不局限于6根平行排列，其数量可以选择大于等于2根的规模，根据实际需要进行排列扩展。该种天线阵可以应用于一维扫描相控阵天线中，每根天线阵之间的距离由扫描角所确定，确定方法为业内所熟知。

实施例5：

参见图14，在该实施例中，6根16单元圆极化驻波天线阵由其下部的一个波导管8馈电激励，构成一个波导馈电的圆极化平面驻波天线阵。通常，这种平面天线阵并不局限于6根平行排列，其数量可以选择大于等于2根的规模，根据实际需要进行排列扩展。馈电波导与其上部的每根圆极化驻波天线阵之间通过缝隙进行电磁耦合，该方法在线极化平面波导缝隙天线阵的设计中大量使用，为业内所熟知。

实施例6：

在实际应用中，某些情况下需要波导行波天线阵。

参见图15，该实施例中，天线工作于X波段，中心频率为10GHz，上下边频为9.5和10.5GHz。采用实施例1中的天线作为一个基本单元，16个圆极化天线基本单元轴向级联，天线单元之间间距相同，通常选择0.1λ_g0＜d＜0.5λ_g0或者0.5λ_g0＜d＜0.9λ_g0，优选为0.7λ_g0。相邻斜缝2之间镜像排列，相邻直缝3沿凹槽中心线两侧交错偏置排列，波导管的输入端4作为电磁波的输入口，而输出端口5连接匹配的负载7，则构成圆极化行波天线阵。波导尺寸确定方法与实施例1相同，实施例中波导尺寸与实施例1完全相同，辐射缝隙尺寸参数的选择取决于天线副瓣要求，其计算方法与单极化波导缝隙行波阵计算方法及其设计步骤相同，为业内所熟知。

实施例7：

参见图16，该实施例是由6根图15所示实施例的行波天线阵平行排列，扩展构成的圆极化行波天线面阵。通常，这种平面天线阵并不局限于6根平行排列，其数量可以选择大于等于2根的规模，根据实际需要进行排列扩展。这种平面天线阵应用于一维扫描相控阵天线中，每根天线阵之间的距离由扫描角所确定，确定方法为业内所熟知。

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，如采用双脊波导或不对称脊波导，以及凹槽内开椭圆形长缝隙或哑铃形缝隙等，结合两个突出边对称斜缝，从而实现圆极化；以及在驻波天线阵和行波天线阵中选择不同数量的单元等，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 (4)

1.一种圆极化天线，包括一个横截面呈“凹”形、空心单脊的金属波导管，其中一端为输入端，另一端为输出端；金属波导管两侧的向上凸起的窄边金属壁上分别开设有斜缝，两侧斜缝呈镜像对称，且斜缝与金属波导管的纵向轴线之间的夹角θ在10～90度之间；其特征在于：在金属波导管的凹槽内的水平管壁上开设有直缝，直缝平行于金属波导管的中心线，直缝沿长度方向和金属波导管的中心线之间设有偏心距Xs；所述镜像对称的两条斜缝的几何中心和直缝的几何中心位于金属波导管的同一横截面内；所述圆极化天线即构成一个天线单元；

电磁波从金属波导管的输入端输入，由输出端输出，部分电磁波由两条斜缝和直缝辐射出去；或者电磁波从金属波导管的输入端输入，而输出端由金属壁短路，电磁波由两条斜缝和直缝辐射出去；

所述每一条斜缝辐射的电磁波包含两个分量：一个分量平行于金属波导管的纵向轴线，定义为水平极化电磁波；另一个分量垂直于金属波导管的纵向轴线，定义为垂直极化电磁波；在天线法线方向，由两条斜缝辐射的水平极化电磁波同相叠加，而由两条斜缝辐射的垂直极化电磁波则反相抵消，最终形成单纯的水平极化电磁波；

所述直缝仅辐射单纯的垂直极化电磁波；

调整两条斜缝与金属波导管的纵向轴线之间的夹角θ和所述直缝的偏心距Xs，使所述水平极化电磁波和垂直极化电磁波的幅度相等；选择“凹”形中空的单脊金属波导管的凹槽的深度Rh为0.25λ₀，使两条斜缝的几何中心和直缝的几何中心之间在天线法线方向的距离为0.25λ₀，使水平极化电磁波和垂直极化电磁波在天线的法线方向形成90度的相位差；最终形成幅度相等、相位相差90度的垂直极化电磁波和水平极化电磁波，所述垂直极化电磁波和水平极化电磁波相结合形成圆极化电磁波。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化天线，其特征在于：两个以上的权利要求1中所述的天线单元组成圆极化天线阵，相邻天线单元的输入端之间相连接或相邻天线单元的输出端之间相连接；相邻天线单元的两侧斜缝呈镜像对称分布，相邻天线单元的直缝分别交错位于金属波导管的中心线的两侧。

3.根据权利要求1或2所述的一种圆极化天线，其特征在于：所述直缝的长度Ls为圆极化天线的工作中心频率的半个波长0.5λ₀，宽度Ws为直缝长度的1/8～1/10，与金属波导管的中心线之间的距离Xs为0～0.1λ₀。

4.根据权利要求2所述的一种圆极化天线，其特征在于：两个以上的圆极化天线阵平行排列扩展成圆极化面阵。