CN104064875A - 一种波导型的w波段圆极化喇叭天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波导型的W波段圆极化喇叭天线，主要应用于毫米波通信、毫米波探测和遥感遥测等领域。该波导型的W波段圆极化喇叭天线，包括依次连接的圆波导辐射器、输出阻抗匹配波导、圆波导极化器、输入阻抗匹配波导、矩圆过渡波导和矩形波导六部分组成。本发明通过设计波导圆极化器实现电磁波的圆极化特性，通过设计输入输出阻抗匹配波导实现阻抗的良好匹配，降低天线的驻波比，通过设计喇叭辐射结构，提高天线增益。
Description
技术领域
本发明涉及一种喇叭天线，特别是一种波导型的W波段圆极化喇叭天线。
背景技术
20世纪50年代以后，随着卫星通信、遥感遥测技术的发展、雷达应用范围的扩大，以及高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要，单一极化方式已经很难满足电气设备的要求。这些新的应用对天线提出了一系列新的课题，要求天线具有高增益、高分辨率、宽频带和圆极化。随着对圆极化天线研究的深入，圆极化天线所具有的可以抗云、雨的干扰、可以干扰和侦察敌方的各种线极化和椭圆极化波、可以消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变的影响等等优点，让其在卫星通信、遥控、遥测技术以及雷达的应用中显得尤为重要。
众所周知，进入21世纪以来，随着国内电子技术和工艺水平的提高，国内微波和毫米波技术得到长足的进展，毫米波在国防上的应用是一件积极和重要的课题，在诸多应用中就需要解决毫米波圆极化天线的问题。在微波波段，常见的圆极化波的产生有以下几种方法：(1)直接产生法：依靠天线本身的结构产生圆极化波，譬如螺旋天线；(2)线-圆极化转换器法：依靠微波元器件形成圆极化波，然后馈入辐射器辐射出圆极化波，如各种具有圆极化器结构的圆极化天线；(3)双线极化正交激励法：依靠两个幅度相等、相位相差90°的线极化去激励天线，得到圆极化波，典型的有各种多馈微带圆极化天线。
这些方法当应用到毫米波波段时，如到W波段，却有着各种不足。比如，对螺旋天线而言，频率越高，波长越短，螺旋天线的尺寸也相应的变小，与此同时，线圈之间的耦合效应加剧，严重影响天线的性能；而各类微带天线由于自身的一些缺点，如频带窄，增益不大，高性能天线馈电网络复杂、理想的极化很难实现，一般都会发生一定程度的畸变等，这些问题在频率较高情况下，影响更大；而其他一些已有的波导型圆极化天线，在W波段由于尺寸的减小，加工难度加大，所以很难应用。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种波导型的W波段圆极化喇叭天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种波导型的W波段圆极化喇叭天线，包括依次连接的圆波导辐射器、输出阻抗匹配波导、圆波导极化器、输入阻抗匹配波导、矩圆过渡波导和矩形波导，上述各组成部分同轴设置且内腔平滑过渡；其中圆波导极化器的圆波导内腔包括两个相互平行的平面，该平面与圆波导极化器的中心轴平行，该内腔平面还与矩形波导的内腔平面呈45°角；输出阻抗匹配波导和输入阻抗匹配波导的结构相同并对称设置在圆波导极化器的两端，输出阻抗匹配波导包括两部分，其中一部分为圆波导，另一部分波导的内腔包括两个斜面，该两个斜面的延长面交线与输出阻抗匹配波导的中心轴垂直相交，输出阻抗匹配波导的圆波导与圆波导辐射器相连接，输入阻抗匹配波导的圆波导与矩圆过渡波导相接。
所述圆波导辐射器的辐射端为喇叭形状。
所述圆波导极化器的材料为铝、铜或者金，该圆波导极化器的长度为6.4±0.5mm，口径为2.3±0.01mm，对称面的间距为1.96mm。
所述输出阻抗匹配波导的高度为1.6±0.1mm，内腔斜面高度为1.3±0.1mm。
本发明的工作原理是：在矩形波导传输主模TE10，采用矩圆转换波导，变成圆波导中的主模TE11，由输入阻抗匹配波导输入到圆极化器，在圆极化器中分解为两个相互垂直的电场分量E1和E2，这两个相互垂直的分量通过圆极化器产生不同大小的相移，设计极化器的参数，保证这两个分量通过极化器后的相位差为90°，然后合成为圆极化波，通过输出阻抗匹配波导传输到圆波导辐射器，由圆波导辐射器辐射出去。电磁波的极化转换在圆波导极化器完成，在极化器两端有输入输出匹配波导进行过渡，完成阻抗的匹配。通过调节圆波导辐射器的口径控制天线辐射波束宽度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过引入圆波导圆极化器和阻抗匹配过过渡，实现将馈入的线极化波转换为圆极化波，然后通过喇叭辐射出去；或将喇叭接收到的圆极化波转化为线极化波；2)本发明中的圆波导极化器结构精简，易于加工，线极化波在圆极化器中分解为两个相互垂直的电场分量E1和E2，这两个相互垂直的分量通过圆极化器产生不同大小的相移，设计极化器的参数，保证这两个分量通过极化器后的相位差为90°，然后合成为圆极化波。3)在圆极化器两端加入阻抗匹配波导，实现输入输出阻抗的匹配，降低天线的驻波，改善天线的带宽。4)圆波导辐射器改进为喇叭形状，增加喇叭的辐射口面，提高天线增益。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是波导型的W波段圆极化喇叭天线的结构示意图。
图2是圆波导圆极化器结构示意图。
图3是输出阻抗匹配波导示意图。
图4是天线方向图。
图5是天线驻波比曲线图。
图6是天线极化曲线图。
图7是天线轴比(AR)曲线图。
具体实施方式
结合附图，本发明的一种波导型的W波段圆极化喇叭天线，包括依次连接的圆波导辐射器1、输出阻抗匹配波导2、圆波导极化器3、输入阻抗匹配波导4、矩圆过渡波导5和矩形波导6，上述各组成部分同轴设置且内腔平滑过渡；其中圆波导极化器3的圆波导内腔包括两个相互平行的平面，该平面与圆波导极化器的中心轴平行，该内腔平面还与矩形波导6的内腔平面呈45°角；输出阻抗匹配波导2和输入阻抗匹配波导4的结构相同并对称设置在圆波导极化器3的两端，输出阻抗匹配波导2包括两部分，其中一部分为圆波导，另一部分波导的内腔包括两个斜面，该两个斜面的延长面交线与输出阻抗匹配波导2的中心轴垂直相交，输出阻抗匹配波导2的圆波导与圆波导辐射器1相连接，输入阻抗匹配波导4的圆波导与矩圆过渡波导5相接。
所述圆波导辐射器1的辐射端为喇叭形状。
所述圆波导极化器3的材料为铝、铜或者金，该圆波导极化器的长度为6.4±0.5mm，口径为对称面的间距为1.96mm。
所述输出阻抗匹配波导2的高度为1.6±0.1mm，内腔斜面高度为1.3±0.1mm。
其中，矩形波导6作为馈电输入结构，与毫米波前端连接。矩圆过渡波导5作为矩形波导6到圆波导的过渡，连接矩形波导6和输入阻抗匹配波导4，将矩形波导传输主模TE10转换为圆波导传输主模TE11。圆波导圆极化器3将输入的线极化波转换为输出的圆极化波，或将接收到的圆极化波转换为线极化波。圆波导辐射器1为圆形喇叭天线，采用喇叭天线，可以提高天线增益；同时通过喇叭天线的设计调整天线波束径向辐射方向和增益。输出输出阻抗匹配波导2和输入阻抗匹配波导4是一段渐变过渡腔体，匹配圆极化器的两端阻抗；一端过渡到圆波导辐射器1，另外一端过渡到矩圆过渡波导5。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
参见图1、图2、图3和图4，以工作频率为94.5GHz的毫米波圆极化喇叭天线为例，该天线主要由圆波导辐射器1、输出阻抗匹配波导2、圆波导极化器3、输入阻抗匹配波导4、矩圆过渡波导5和矩形波导6组成。这六个部分同轴设置且内腔平滑过渡。其中矩型波导6为标准波导，如在94.5GHz频率可以采用WR10波导，内腔尺寸为1.27mm×2.54mm。矩圆转换波导5是矩形波导到圆波导的转换波导。圆波导极化器3是在圆波导的基础上对称加脊，使主模TE11模分裂成相互垂直的分量E1和分量E2；圆波导极化器的长度为6.4±0.5mm，在口径为的圆波导中加对称脊，对称脊与波导连为一体，对称脊的间距为1.96mm。输出阻抗匹配波导2是一段阻抗渐变波导，用于匹配圆波导极化器和圆波导之间的阻抗，降低由于极化器结构的突变产生的驻波。圆波导辐射器1为一圆锥喇叭，下口径为φ2.3mm，上口径为φ4.8mm，高为1.5mm，实测最大增益为13dB，半功率波束角为50°。
参见图5，在88GHz～100GHz频率范围内，驻波比小于1.4。
参见图6，相比与最大增益点，交叉极化小于-20dB。
参见图7，在天线的主波束内，轴比小于3dB。
由上可知，矩圆过渡波导作为矩形波导到圆波导的过渡，连接矩形波导和阻抗匹配波导，将矩形波导传输主模TE10转换为圆波导传输主模TE11。圆波导极化器将输入的线极化波转换分解为两个相互垂直的电场分量E1和E2，这两个相互垂直的分量通过圆极化器产生不同大小的相移，设计极化器的参数，保证这两个分量通过极化器后的相位差为90°，然后合成为圆极化波。圆波导辐射器可以设计为圆形喇叭天线，提高天线增益；同时通过喇叭天线的设计调整天线波束径向辐射方向和增益。输入输出阻抗匹配波导是一段渐变过渡腔体，匹配圆极化器的两端阻抗；一端过渡到圆波导辐射器，另外一端过渡到矩圆过渡波导，完成阻抗的匹配。
本发明通过设计波导圆极化器实现电磁波的圆极化特性，通过设计输入输出阻抗匹配波导实现阻抗的良好匹配，降低天线的驻波比。驻波比在88GHz～100GHz范围内都小于1.4，交叉极化小于-20dB。
Claims (4)
1.一种波导型的W波段圆极化喇叭天线，其特征在于，包括依次连接的圆波导辐射器[1]、输出阻抗匹配波导[2]、圆波导极化器[3]、输入阻抗匹配波导[4]、矩圆过渡波导[5]和矩形波导[6]，上述各组成部分同轴设置且内腔平滑过渡；其中圆波导极化器[3]的圆波导内腔包括两个相互平行的平面，该平面与圆波导极化器的中心轴平行，该内腔平面还与矩形波导[6]的内腔平面呈45°角；输出阻抗匹配波导[2]和输入阻抗匹配波导[4]的结构相同并对称设置在圆波导极化器[3]的两端，输出阻抗匹配波导[2]包括两部分，其中一部分为圆波导，另一部分波导的内腔包括两个斜面，该两个斜面的延长面交线与输出阻抗匹配波导[2]的中心轴垂直相交，输出阻抗匹配波导[2]的圆波导与圆波导辐射器[1]相连接，输入阻抗匹配波导[4]的圆波导与矩圆过渡波导[5]相接。
2.根据权利要求1所述的波导型的W波段圆极化喇叭天线，其特征在于，圆波导辐射器[1]的辐射端为喇叭形状。
3.根据权利要求1或2所述的波导型的W波段圆极化喇叭天线，其特征在于，圆波导极化器[3]的材料为铝、铜或者金，该圆波导极化器的长度为6.4±0.5mm，口径为对称面的间距为1.96mm。
4.根据权利要求1或2所述的波导型的W波段圆极化喇叭天线，其特征在于，输出阻抗匹配波导[2]的高度为1.6±0.1mm，内腔斜面高度为1.3±0.1mm。
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