CN104051857A

CN104051857A - 一种新型的小口径圆极化高效单元

Info

Publication number: CN104051857A
Application number: CN201310077121.1A
Authority: CN
Inventors: 任永丽; 王建; 史维光; 王朗; 胡大成
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明涉及一种新型的小口径圆极化高效单元，包括引向器(1)、圆锥喇叭(2)、圆极化器(3)以及两个同轴输入端口(4)。高效单元是一种高效率高增益的辐射单元。本发明工作在X波段，口径为38mm，频带宽度2GHz，单元仿真结果的增益约16dB，具有小口径，高增益，高效率、较低副瓣，宽频带，圆极化的特点。在高频段一般的小口径天线单元很难达到这么高的增益，而本发明用介质板固定金属圆片引导波的传输，使得其方向图波瓣变窄，增益升高，而且当端口1馈电，端口2作为匹配，形成右旋圆极化波；端口2馈电，端口1作为匹配，形成左旋圆极化波。该高效单元可构成大间距有限扫描相控阵，也可构成其他的阵列天线，应用于雷达、遥控遥测等军事领域。

Description

一种新型的小口径圆极化高效单元

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，具体来说是用这种小口径圆极化的高效单元组成雷达阵列天线。

背景技术

雷达在国防建设中起着重要的作用，特别是军事领域对雷达的要求，对雷达的发展起了积极的促进作用。目前相控阵天线已经成为适用雷达天线的发展主流，应用于各种战略和战术雷达。雷达阵列天线作为雷达发射和接收电磁波的重要设备，其性能好坏直接决定着雷达自身的性能及抗干扰能力和战场生存能力。因此，为防止被干扰和提高雷达的工作能力和战场生存能力，雷达天线应该具有高增益、窄波束、低副瓣，以降低雷达辐射电磁波时被敌方雷达截获的概率。一般情况下，可独立控制相位的天线单元越多则天线成本越高，而天线单元的数量主要决定天线增益和天线的作用距离，因此为了降低成本，保证天线增益和作用距离满足技术指标要求的情况下，天线单元数最少是相控阵天线优化设计的目标之一.为满足这种优化设计的要求就可采用大间距的雷达阵列天线，这种大间距的雷达阵列天线是当今天线发展的方向。大间距阵列天线的单元间距大于一个波长，这必然会产生栅瓣。栅瓣是我们要避免的，若采用一般的天线单元由于其波瓣宽无法抑制栅瓣，这就需要设计一种高效单元。这样的高效单元除了组成大间距雷达阵列天线外还可以组成其它的雷达阵列天线。

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，单一极化方式已难满足要求，圆极化的应用就显得十分重要，例如在电子对抗中，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；在剧烈摆动或转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。可见，圆极化天线在通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、天文等方面的应用是相当广泛的。设计台阶状的金属隔板，插入圆波导里来实现圆极化是一种很好的选择。电磁波在圆波导中传播时，经过台阶状的金属隔板后，把线极化波分解成振幅相等，相位相差90°的圆极化波。这就是这种结构形成圆极化的原理。在雷达天线快速发展，特别是相控阵天线技术的发展，使得本发明的一种新型小口径圆极化高效单元具有很高的市场潜力。

发明内容

本发明所设计的新型的小口径圆极化高效单元包括引向器、圆锥喇叭、圆极化器以及两个同轴输入端口。此高效单元工作在X波段内，频带宽度2GHz，喇叭口径为38mm，单元仿真结果的增益约16dB。一般天线单元要达到本发明的增益和方向图指标，其口径是本发明的高效单元口径的2倍。本发明设计圆波导内插入台阶状的金属隔板作为圆极化器，并通过在金属隔板两侧的同轴端口输入端口馈电，可以使收和发的圆极化波旋向相反。同时，使用介质板中嵌入金属圆片作为引向器，引导波的传输，使其方向图变窄，增益升高。这种高效单元可组成大间距有限扫描相控阵，也可以组成其他的阵列天线，用于雷达、遥控遥测等领域。

附图说明：

图1为本发明一种新型的小口径圆极化高效单元的前视三维图

图2为本发明一种新型的小口径圆极化高效单元的三视图

图3为本发明一种新型的小口径圆极化高效单元的圆极化器的金属隔板尺寸字母表示以及端口表示

图4为本发明一种新型的小口径圆极化高效单元在端口1和端口2分别馈电时的VSWR

图5为本发明在端口1馈电时直角坐标系下的方位面和俯仰面的增益方向图

图6为本发明在端口1馈电时直角坐标系下的方位面和俯仰面的轴比方向图

图7为本发明在端口2馈电时直角坐标系下的方位面和俯仰面的增益方向图

图8为本发明在端口2馈电时直角坐标系下的方位面和俯仰面的轴比方向图

具体实施方案

图2描述了本发明的具体实施方案。依图1和图2所示，本发明的高效单元由引向器(1)、一个圆锥喇叭(2)，一个圆极化器(3)和两个同轴输入端口(4)四部分组成。引向器的圆片，喇叭和圆极化器均使用铜制成。引向器部分的金属圆片用介质板固定。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。

引向器和圆极化器是本发明的核心内容。把8个圆柱形金属片分别嵌入在8个介质板中叠加构成引向器，介质板的介电常数为1.15，直径为39mm，圆锥喇叭口上面第1个介质板高为11mm，其余介质板的高都为9mm；金属片的厚度都为0.5mm，半径不同，从圆锥喇叭口径开始前5个金属片半径为4mm，其余3个金属片的半径为4.5mm；圆锥喇叭的口径为38mm；圆波导直径为23.8mm，高为20mm，圆波导与圆锥喇叭相连，壁厚都为0.5mm，圆极化器是由圆波导内插入台阶状的金属隔板构成，隔板的底边长度正好等于圆波导直径，把圆波导分成相等的两半，圆波导的底面短路，金属隔板见图3，尺寸见表1；两个同轴输入端口垂直于金属隔板，并关于金属隔板对称，连接同轴输入端口的探针伸入圆波导内，它的伸入长度影响圆极化性能和驻波。可以根据具体情况调整引向器圆片的半径以及硬泡沫板的高度，在具体产品中，采用的引向器尺寸和金属片的数量或者是圆锥喇叭的口径不一定与上文所述完全一致。只要使用了图2中的结构并使用于阵列天线中，就应当属于本发明所涉及的范围。

表1金属隔板的尺寸(单位：mm)

a	b	c	D	e	f	g	h	i	j	k	l
												2.7	4.5	8.3	13.0	18.6	23.8	6.7	14.3	10.3	9.3	2.9	25.6

本发明一种新型的小口径圆极化高效单元的工作原理如下：

根据一个线极化波可以分解成两个旋像相反、振幅相等的圆极化波的原理，将线极化波通过台阶状的隔板，分配成幅度相等，相位相差90°的圆极化波。当同轴输入端口1馈电，同轴输入端口2充当匹配负载时，形成右旋圆极化波，当同轴输入端口2馈电，同轴输入端口1充当匹配负载时，形成左旋圆极化波。然后通过引向器引导电磁波的传播，形成高增益的圆极化波。同轴输入端口的探针伸入的深度、喇叭的高度以及第一个金属圆片与口径的高度可以大幅影响驻波，其他贴片的半径、个数和之间的距离则大幅影响高效单元的增益，通过调整这些参数可以得到所需的要求。

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4是关于该高效单元端口1和端口2分别馈电时的驻波系数(VSWR)曲线图。由图上可以看到，天线的驻波系数都小于1.32。

图5是在频带范围内，当端口1馈电端口2接匹配负载时，绘制于直角坐标系下的天线的方位面和俯仰面增益方向图，其中方位面是俯仰面是由图可以看到方位面和俯仰面的最大增益均为15.97dB，两个边频和中心频率这三个频点在主瓣范围内几乎重合。(a)图为方位面，下边频3dB波瓣宽度为33.7°，副瓣14.77dB，中频3dB波瓣宽度为32.2°，副瓣14.17dB，上边频3dB波瓣宽度为30.6°，副瓣13.07dB。(b)图为俯仰面，下边频3dB波瓣宽度为33.3°，副瓣14.97dB，中频3dB波瓣宽度为32°，副瓣13.97dB，上边频3dB波瓣宽度为30.8°，副瓣14.37dB。

图6则反映了本发明的极化方向图，可以看出在图5增益方向图的主瓣宽度范围内，上下边频和中心频率内AR_dB≤(2～3)dB，展现出良好的圆极化性能。

图7是在频带范围内，当端口2馈电端口1接匹配负载时，绘制于直角坐标系下的天线的方位面及俯仰面方向图，其中方位面是俯仰面是由图可以看到方位面和俯仰面的最大增益均为15.96dB，两个边频和中心频率这三个频点在主瓣范围内几乎重合。(a)图为方位面，下边频3dB波瓣宽度为33.7°，副瓣14.77dB，中频3dB波瓣宽度为32.2°，副瓣14.17dB，上边频3dB波瓣宽度为30.6°，副瓣13.07dB。(b)图为俯仰面，下边频3dB波瓣宽度为33.3°，副瓣14.97dB，中频3dB波瓣宽度为32°，副瓣13.97dB，上边频3dB波瓣宽度为30.8°，副瓣14.37dB。

图8则反映了本发明的极化方向图，可以看出在图7增益方向图的主瓣宽度范围内，上下边频和中心频率内AR_dB≤(2～3)dB，展现出良好的圆极化性能。

本发明的小口径圆极化高效单元具有高增益、较低副瓣的特点，在X波段有着良好的工作特性，可以组成大间距阵列，也可以进行有限扫描，组成大间距阵列时还可以很好的抑制栅瓣，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。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

1.一种新型的小口径圆极化高效单元，由引向器(1)、圆锥喇叭(2)和圆极化器(3)连接组成，采用同轴输入端口(4)馈电。

2.根据权利要求1所述的一种新型的小口径圆极化高效单元，引向器是由多个金属圆片嵌在介质板中构成，金属圆片的半径、个数和硬泡沫板的厚度都可以调节。

3.根据权利要求1所述的一种新型的小口径圆极化高效单元，喇叭口径是38mm，如果根据需要改变圆锥喇叭口径的尺寸也属于本发明的权利范围。

4.根据权利要求1所述的一种新型的小口径圆极化高效单元，圆极化器是由台阶状的金属隔板插入圆波导中构成，金属隔板的各台阶的高度和长度可以调节，并圆锥喇叭底部连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型的小口径圆极化高效单元，圆极化器的圆波导底端短路，两个同轴输入端口关于圆极化器的金属隔板对称并垂直于金属隔板，端口另一端的探针通过圆波导壁插入圆波导内，当同轴端口1馈电，同轴端口2就作为匹配负载，产生的圆极化为右旋圆极化；当同轴端口2馈电，同轴端口1就作为匹配负载，产生的圆极化波旋向相反为左旋圆极化。

6.根据权利要求1所述的一种新型的小口径圆极化高效单元，多个该发明组成的阵列，具有很高的增益和低副瓣，应用于雷达、遥控遥测等军事领域。