CN104538742B - 一种圆极化波导缝隙天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化波导缝隙天线及其设计方法。所述天线包括横截面呈“凸”形且为空管的金属波导管：定义凸起部分为凸台，位于凸台两侧的缩进部分均为肩臂。金属波导管一端为天线的输入口，另一端设置为封闭短路或接匹配负载。凸台上且沿金属波导管的延伸方向上开设有多个直缝隙，每个直缝隙平行于金属波导管的延伸方向而呈直线形。每个肩臂上且沿金属波导管的延伸方向上开设有多对倾斜缝隙组，每对倾斜缝隙组包括呈八字形的倾斜缝隙，每对倾斜缝隙组自凸台的侧壁向外发散而倾斜于凸台。本发明具有良好的宽频带特征，结构简单，便于单独组成大型平面阵。本发明还公开所述圆极化波导缝隙天线的设计方法。

Description

一种圆极化波导缝隙天线及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及的是一种圆极化波导缝隙天线及其设计方法。

背景技术

近些年来，随着卫星通讯的广泛应用，接收卫星广播通讯的天线系统得到了快速的发展。诸如用于直播卫星(DBS)通讯系统，需要低轮廓、高效率的天线系统，以提高系统的G/T值(G为天线系统的增益；T为天线系统的噪声温度)，来增加天线与卫星通讯的数据率。并且，天线的有效孔径受天线扫描体积的限制，对于给定的扫描体积，低轮廓天线可以得到最大的系统增益，从而提高整个系统的G/T值。

波导缝隙天线阵由于其高效、易于幅相控制、加工简单等因素得以大量应用，特别是雷达系统。波导缝隙天线阵有行波阵和驻波阵(谐振阵)两种，波导行波阵带宽较宽、有频扫特性。但其效率较低，适合做大型平面阵列；驻波阵效率高、带宽较窄，适合做小型平面阵列。

对于接收卫星直播通讯的天线系统来说，一般安装在飞机上或汽车顶部，因此这些天线系统都具有很好的机动性，从而对于这些天线的要求也就比较高。比如：小型化、低轮廓、低损耗、高增益等。为了减少天线系统的高度，天线一般设计为平面阵列天线，因此波导缝隙天线阵得到了很好的应用。

商业卫星通讯系统中，卫星接收和发射的信号都是圆极化波，这样无论雷达和卫星成什么夹角，都不会引起交叉极化分量。也就是说卫星接收和发射圆极化波，不会引起极化的失配从而引起数据传输的效率的降低。

美国现有矩形波导宽边中心开“X”缝隙的漏波天线和低损耗低轮廓双极化波导月牙缝隙天线阵，但这两种圆极化天线都是波导行波天线，存在工作宽带内波束指向色散、效率低等问题。

现有的脊波导宽边横向直缝隙天线、脊波导倾斜缝隙对天线、宽带双L形波导窄边缝隙天线阵和一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线中，各天线均为脊波导单线极化天线。

在现有的技术中，张洪涛，汪伟提出的一种圆极化波导驻波天线(专利号CN200910185457.3，主分类号H01Q13/10，申请日20091113)，其包含了馈电波导和开口波导两层结构，结构上较为复杂，天线厚度较厚，并且圆极化带宽较窄。汪伟，齐美清，张洪涛等提出的一种圆极化天线(专利号CN201310454644.3，主分类号H01Q13/22，申请日20130929)，在“凹”形波导管上开设辐射缝隙，实现圆极化的工作方式，该圆极化天线在X波段以下具有较好的圆极化特性，且也易于工程化，但在X波段以上，这种圆极化天线受加工因素的影响，很难实现工程化。

现有技术中的天线，要么为线极化工作；要么存在波束指向色散；要么结构复杂，工作带宽较窄；要么受工程化影响，不适宜工作在高频段，无法满足日益发展的雷达和通信系统需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好的宽频带特征，结构简单，便于单独组成大型平面阵的圆极化波导缝隙天线及其设计方法，用以解决现有技术中的天线，要么为线极化工作；要么存在波束指向色散；要么结构复杂，工作带宽较窄；要么受工程化影响，不适宜工作在高频段，无法满足日益发展的雷达和通信系统需求的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种圆极化波导缝隙天线，其包括金属波导管，金属波导管的横截面呈“凸”形：定义金属波导管上凸起部分为凸台，定义金属波导管上位于凸台两侧的缩进部分均为肩臂；金属波导管为空管，且其一端为所述天线的输入口，其相对的另一端设置为封闭短路或接匹配负载；凸台上且沿金属波导管的延伸方向上开设有多个直缝隙，每个直缝隙平行于金属波导管的延伸方向而呈直线形；每个肩臂上且沿金属波导管的延伸方向上开设有多对倾斜缝隙组，每对倾斜缝隙组包括呈八字形的倾斜缝隙，每对倾斜缝隙组自凸台的侧壁向外发散而倾斜于凸台。

作为上述方案的进一步改进，多个直缝隙排列成相互平行的两组直缝隙组，两组直缝隙组位于凸台中心线的两侧。再进一步地，每组直缝隙组上的多个直缝隙等间距设置，肩臂上相邻两个倾斜缝隙中心之间的距离与凸台上相邻两个直缝隙中心之间的距离相同。

再进一步地，两组直缝隙组成中心对称，两个肩臂上的多对倾斜缝隙组以凸台的中心线成轴对称。

作为上述方案的进一步改进，所有直缝隙的中心与所有倾斜缝隙的中心位于金属波导管的同一横截面内。

作为上述方案的进一步改进，每个倾斜缝隙自凸台的侧壁向外发散至肩臂的侧壁上，使相应侧壁出现豁口。

本发明还提供一种上述任意圆极化波导缝隙天线的设计方法，所述设计方法包括：根据频率范围、结构限制的空间范围和最低频率下的主模传输要求确定金属波导管的截面尺寸；根据截面尺寸确定金属波导管上直缝隙和倾斜缝隙的设置参数；根据所述截面尺寸和所述设置参数制造所述圆极化波导缝隙天线。

作为上述方案的进一步改进，金属波导管截面尺寸的确定包括：金属波导管的底面宽度a小于0.7λ₀，其中，λ₀是工作中心频率自由空间波长，所述底面指金属波导管上与凸台相背的侧面；金属波导管的上面宽度b小于0.35λ₀，所述上面宽度指凸台的宽度；金属波导管的两侧肩膀波导壁的高度ah小于0.5λ₀，所述两侧肩膀波导壁指两个肩臂；金属波导管的头部高度bh为0.25λ₀，所述头部高度指凸台的高度。

再进一步地，直缝隙的设置参数包括：直缝隙的长度L_s由下式确定：L_s＝0.45λ₀；直缝隙的宽度W_s由下式确定：0.1λ₀≤W_s≤0.125λ₀。

优选地，倾斜缝隙的设置参数包括：倾斜缝隙与金属波导管的延伸方向之间的倾斜锐角为θ，倾斜缝隙在相应肩臂上的长度为L1，倾斜缝隙在肩臂上的深度为L2，θ、L1、L2满足以下式子：0°<θ<90°，L2≤ah，L1＝(a-b)/(2*cosθ)，L1+L2为0.45λ₀。

本发明通过在凸形中空的金属波导管上设置直缝隙和倾斜缝隙，构造了具备优点的圆极化波导缝隙天线，该天线结构简单且工作效率较高，解决了现有技术中天线，要么为线极化工作；要么存在波束指向色散；要么结构复杂，工作带宽较窄；要么受工程化影响，不适宜工作在高频段，无法满足日益发展的通信和雷达系统需求的问题。

附图说明

图1为本发明圆极化波导缝隙天线的立体示意图；

图2为图1中圆极化波导缝隙天线的横截面示意图；

图3为本发明圆极化波导缝隙天线的俯视图；

图4为图3中沿剖线A-A的剖视图；

图5为图3中沿剖线B-B的剖视图；

图6为本发明优四个单元天线的结构示意图；

图7为本发明四个单元天线的中心频率轴比曲线；

图8为本发明四个单元天线的轴比-频率曲线；

图9为本发明四个单元天线的中心频率方向图曲线；

图10为本发明8×8单元的圆极化波导缝隙驻波天线阵结构示意图；

图11为本发明8×8单元的圆极化波导缝隙行波天线阵结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于现有技术中天线，要么为线极化工作；要么存在波束指向色散；要么结构复杂，工作带宽较窄；要么受工程化影响，不适宜工作在高频段，无法满足日益发展的通信和雷达系统的要求的问题，本发明实施例提供了一种圆极化波导缝隙天线和该天线的设计方法，其中，该圆极化波导缝隙天线的结构示意如图1所示。

请结合图2，该圆极化波导缝隙天线包括金属波导管1。金属波导管1的横截面呈“凸”形：定义金属波导管1上凸起部分为凸台11，定义金属波导管1上位于凸台11两侧的缩进部分均为肩臂12。金属波导管1为空管，且其一端为所述天线的输入口，其相对的另一端设置为封闭短路或接匹配负载。金属波导管1的材料可为金属材料，也可为表面镀金属的复合材料。

凸台11上且沿金属波导管1的延伸方向上开设有多个直缝隙2，每个直缝隙2平行于金属波导管1的延伸方向而呈直线形。每个肩臂12上且沿金属波导管1的延伸方向上开设有多对倾斜缝隙组，每对倾斜缝隙组包括呈八字形的倾斜缝隙3，每对倾斜缝隙组自凸台11的侧壁向外发散而倾斜于凸台11。

本发明实施例通过在凸形中空的金属波导管1上设置直缝隙2和倾斜缝隙3，构造了具备优点的圆极化波导缝隙天线，该天线结构简单且工作效率较高，解决了现有技术中天线，要么为线极化工作；要么存在波束指向色散；要么结构复杂，工作带宽较窄；要么受工程化影响，不适宜工作在高频段，无法满足日益发展的通信和雷达系统需求的问题。

多个直缝隙2可排列成相互平行的两组直缝隙组，两组直缝隙组位于凸台11中心线的两侧。每组直缝隙组上的多个直缝隙2可等间距设置，每个肩臂12上相邻两个倾斜缝隙3之间的最短距离的长度可与每个直缝隙2的长度相同。两组直缝隙组成中心对称，两个肩臂12上的多对倾斜缝隙组以凸台11的中心线成轴对称。所有直缝隙2的中心可与所有倾斜缝隙3的中心位于金属波导管1的同一横截面内。每个倾斜缝隙3可自凸台11的侧壁向外发散至肩臂12的侧壁上，使相应侧壁出现豁口。

在本实施方式中，如图1和3所示，设置时，直缝隙2和倾斜缝隙3开在金属波导管1的管壁上；直缝隙2开在金属波导管1凸出的金属壁上，沿金属波导管1纵向排列，且偏离凸台11的中心线；倾斜缝隙3开在金属波导管1两侧肩膀波导壁上(即肩臂12上)，且切割入相应肩臂12的侧壁；直缝隙2的中心和倾斜缝隙3的中心处于“凸”形金属波导管1的同一横截面内。

金属波导管1上的多个直缝隙2优选等间距设置，多个倾斜缝隙3也可等间距设置，肩臂12上相邻两个倾斜缝隙3中心之间的距离与凸台11上相邻两个直缝隙2中心之间的距离相同。

实施过程中，根据频率范围、结构限制的空间范围和最低频率下的主模传输要求确定金属波导管1的截面尺寸可以包括如下过程。

1.根据频率范围、结构限制的空间范围和最低频率下的主模传输要求确定金属波导管1的截面尺寸：金属波导管1的底面宽度a小于0.7λ₀，其中，λ₀是工作中心频率自由空间波长，所述底面指金属波导管1上与凸台11相背的侧面；金属波导管1的上面宽度b小于0.35λ₀，所述上面宽度指凸台11的宽度；金属波导管1的两侧肩膀波导壁的高度ah小于0.5λ₀，所述两侧肩膀波导壁指两个肩臂11；金属波导管1的头部高度bh为0.25λ₀，所述头部高度指凸台11的高度。也就是说，所述“凸”形金属波导管1底面宽度a小于0.7λ₀；所述“凸”形金属波导管1上面宽度b小于0.35λ₀；所述“凸”形金属波导管1两侧肩膀波导壁的高度ah小于0.5λ₀；所述“凸”形金属波导管1头部的高度bh为0.25λ₀。

2.根据截面尺寸确定所述金属波导管1上直缝隙2的设置参数包括：直缝隙2长度L_s由下式确定：L_s＝0.45λ₀；直缝隙2宽度W_s由下式确定：0.1λ₀≤W_s≤0.125λ₀。

3.根据截面尺寸确定所述金属波导管1上倾斜缝隙3的设置参数包括：在对称倾斜缝隙3中：缝隙的倾角θ：0°<θ<90°，缝隙的倾角θ指倾斜缝隙3与金属波导管1的延伸方向之间的倾斜锐角，L2≤ah，L1＝(a-b)/(2*cosθ)，单边倾斜缝隙尺寸总长度L1+L2为0.45λ₀，其中，单侧缝位于上凸波导两侧肩膀波导壁上的倾斜缝隙长度为L1(即倾斜缝隙3在相应肩臂12上的长度为L1)，位于肩膀波导壁外侧金属壁的长为L2(即倾斜缝隙3在肩臂12上的深度为L2)。

优选实施例

本发明实施例提供了一种结构简单的宽带圆极化波导缝隙天线，该圆极化波导缝隙天线既可以为驻波天线，又可以为行波天线。该方案是在“凸”形金属波导管1的金属壁上开三种辐射缝，以实现圆极化辐射单元，其具有结构简单、易于加工的优点。技术方案如下：

一种宽带圆极化波导缝隙天线，包括金属波导管1，金属波导管1上设有等间距两个以上细长的直缝隙2和倾斜缝隙3，所述的金属波导管1的横截面呈“凸”形中空的金属波导管；所述的金属波导管1一端为天线输入口、另一端封闭短路或接匹配负载，构成圆极化波导缝隙驻波天线或圆极化波导缝隙行波天线。

其中，波导管1的材料可以为金属材料，也可以为镀金属的复合材料，纵向直缝隙2和倾斜缝隙3开在金属波导管1的管壁上；纵向直缝隙2开在金属波导管1凸出的金属壁上，沿金属波导管1纵向排列，且偏离凸台中心线；倾斜缝隙3开在所述金属波导管两侧肩膀的波导壁上的倾斜缝隙对，且切割入各自的侧壁；纵向直缝隙2的中心和倾斜缝隙3的中心处于“凸”形波导管的同一横截面内。

下面结合附图对本发明实施例的上述方案作进一步说明。

如图2所示，“凸”形金属波导管1的口径尺寸底边宽度为a，上面宽度为b，两侧肩膀波导壁的高度为ah，头部波导壁的高度为bh，金属壁厚为t；如图3所示，直缝隙2长度为Ls，宽度Ws，偏离中心线Xs；倾斜缝隙3宽度也为Ws，单侧缝位于上凸波导上的倾斜缝长度为L1，如图4所示，位于外侧金属壁的长为L2。

具体设计时，给出一定的天线阵指标，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阵。

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，f₀是中心频率。

具体的参数确定如下：

如图5所示，根据频率范围、结构限制的空间范围以及最低频率f_l下主模传输要求，确定波导管的截面尺寸。

金属波导管1底面宽度a小于0.7波长；金属波导管1上面宽度b小于0.35波长；金属波导管1两侧肩膀波导壁的高度ah小于0.5波长；金属波导管1头部的高度bh为0.25波长；

金属波导管1壁厚度t以加工能力确定，优选为1.0mm。

上述直缝隙2长度由下式确定：L_s＝0.45λ₀；宽度由下式确定：0.1λ₀≤W_s≤0.125λ₀。

上述对称倾斜缝隙3中：缝隙的倾角0°<θ<90°，L2≤ah，L1＝(a-b)/(2*cosθ)，单边倾斜缝隙3尺寸总长度L1+L2为0.45λ₀。上述对称倾斜缝隙3的倾角θ和直缝隙2的偏置Xs以两个缝隙对导纳值相等且四个缝隙之和为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，此处不再赘述。

下面提供一具体实例对上述设置进行说明。

如图6所示，按均匀分布的X波段的4单元圆极化波导驻波天线阵，中心频率为10GHz，均匀分布。本天线阵在单根“凸”形波导管上有4个单元，即4个凸台11上直缝隙2和4对对称倾斜缝隙3。凸台11上相邻直缝隙2沿凸台11中心线两侧交错偏置。4个凸台11上直缝隙2偏置量相同，缝长相同，4对对称倾斜缝隙3的长度相同，倾角大小相同。凸台上直缝隙2和对称倾斜缝隙3的中心位于“凸”形金属波导管1同一横截面。4个凸台上直缝隙2及4对对称倾斜缝隙3沿“凸”形金属波导管1纵向等间距排列，间距为d。也就是说凸台11上的两组直缝隙组成中心对称，两个肩臂12上的多对倾斜缝隙组以凸台11的中心线成轴对称。

“凸”形金属波导管的一个端5为馈电激励端；另一端6为金属短路面，短路面距其最近缝中心距离0.25中心频率波导波长。

具体参数的确定如下：

“凸”形金属波导管的底面宽边a为20mm，两侧肩膀波导壁的高度ah为6mm，上面宽度b为6mm，头部高度bh为5mm。对称倾斜缝隙3的波导壁外侧L2为6.19mm，两侧肩膀波导壁上倾斜缝3长度L1为16.7mm，倾角为30°，偏置Xs为1.5mm，缝宽度Ws均为2mm。相邻缝沿波导纵向间距d为25mm。短路面距离最后一个单元中心12.5mm。

图7是图6中4单元天线实施例中心频率轴比曲线，法向波束轴比小于0.4dB，垂直于线阵方向切面，在±40°范围内轴比小于3dB。图8是图6中4单元天线实施例中轴比随频变化率响应曲线，在频率8.6GHz～10.6GHz带宽内轴比小于3dB。图9是图6中4单元天线实施例中心频率辐射方向图及其交叉极化，该天线阵交叉极化电平低于主极化32dB以上。

本发明实施例的天线通过扩展可以实现图10和图11示出的不同天线阵。例如，波导管的两个终端短路，在线阵的中间采用同轴线9馈电激励，构成图10所示的中馈圆极化驻波平面阵。波导管的一端作为输入口，而另一端连接匹配负载8，则构成图11所示的圆极化行波平面阵。

本发明实施例提供的一种宽带圆极化波导缝隙天线，解决了圆极化波导天线的缺点，采用在波导管(凸形截面金属管)上同时开倾斜缝隙和纵向直缝隙的方式实现圆极化，结构简单，通过多个单元串联，很容易实现圆极化行波阵或圆极化驻波阵。其有益技术效果体现在以下几个方面：

1.采用“凸”形波导管的上表面开对称倾斜缝隙和凸台上开偏离凸台中心线的纵向直缝隙实现圆极化，结构简单、易于加工、重量轻；

2.通过选择纵向直缝隙偏离中心线的左侧或右侧，可以方便地得到左旋圆极化或者右旋圆极化天线单元；

3.通过金属波导管终端短路或者连接匹配负载，可以实现圆极化驻波天线或圆极化行波天线；

4.通过倾斜缝隙的倾角和凸台上纵向直缝隙偏离凸台中心线的距离Xs，易于控制幅度实现天线口径加权。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种圆极化波导缝隙天线，其包括金属波导管(1)，其特征在于：

金属波导管(1)的横截面呈“凸”形：定义金属波导管(1)上凸起部分为凸台(11)，定义金属波导管(1)上位于凸台(11)两侧的缩进部分均为肩臂(12)；金属波导管(1)为空管，且其一端为所述天线的输入口，其相对的另一端设置为封闭短路或接匹配负载；

凸台(11)上且沿金属波导管(1)的延伸方向上开设有多个直缝隙(2)，每个直缝隙(2)平行于金属波导管(1)的延伸方向而呈直线形；

每个肩臂(12)上且沿金属波导管(1)的延伸方向上开设有多对倾斜缝隙组，每对倾斜缝隙组包括呈八字形的倾斜缝隙(3)，每对倾斜缝隙组自凸台(11)的侧壁向外发散而倾斜于凸台(11)；多个直缝隙(2)排列成相互平行的两组直缝隙组，两组直缝隙组位于凸台(11)中心线的两侧。

2.如权利要求1所述的圆极化波导缝隙天线，其特征在于：每组直缝隙组上的多个直缝隙(2)等间距设置，肩臂(12)上相邻两个倾斜缝隙(3)中心之间的距离与凸台(11)上相邻两个直缝隙(2)中心之间的距离相同。

3.如权利要求1所述的圆极化波导缝隙天线，其特征在于：两组直缝隙组成中心对称，两个肩臂(12)上的多对倾斜缝隙组以凸台(11)的中心线成轴对称。

4.如权利要求1所述的圆极化波导缝隙天线，其特征在于：所有直缝隙(2)的中心与所有倾斜缝隙(3)的中心位于金属波导管(1)的同一横截面内。

5.如权利要求1所述的圆极化波导缝隙天线，其特征在于：每个倾斜缝隙(3)自凸台(11)的侧壁向外发散至肩臂(12)的侧壁上，使相应侧壁出现豁口。

6.一种如权利要求1至5中任意一项所述的圆极化波导缝隙天线的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

根据频率范围、结构限制的空间范围和最低频率下的主模传输要求确定金属波导管(1)的截面尺寸；

根据截面尺寸确定金属波导管(1)上直缝隙(2)和倾斜缝隙(3)的设置参数；

根据所述截面尺寸和所述设置参数制造所述圆极化波导缝隙天线。

7.如权利要求6所述的圆极化波导缝隙天线的设计方法，其特征在于，金属波导管(1)截面尺寸的确定包括：

金属波导管(1)的底面宽度a小于0.7λ₀，其中，λ₀是工作中心频率自由空间波长，所述底面指金属波导管(1)上与凸台(11)相背的侧面；

金属波导管(1)的上面宽度b小于0.35λ₀，所述上面宽度指凸台(11)的宽度；

金属波导管(1)的两侧肩膀波导壁的高度ah小于0.5λ₀，所述两侧肩膀波导壁指两个肩臂(11)；

金属波导管(1)的头部高度bh为0.25λ₀，所述头部高度指凸台(11)的高度。

8.如权利要求7所述的圆极化波导缝隙天线的设计方法，其特征在于，直缝隙(2)的设置参数包括：

直缝隙(2)的长度L_s由下式确定：L_s＝0.45λ₀；

直缝隙(2)的宽度W_s由下式确定：0.1λ₀≤W_s≤0.125λ₀。

9.如权利要求8所述的圆极化波导缝隙天线的设计方法，其特征在于，倾斜缝隙(3)的设置参数包括：倾斜缝隙(3)与金属波导管(1)的延伸方向之间的倾斜锐角为θ，倾斜缝隙(3)在相应肩臂(12)上的长度为L1，倾斜缝隙(3)在肩臂(12)上的深度为L2，θ、L1、L2满足以下式子：

0°<θ<90°，L2≤ah，L1＝(a-b)/(2*cosθ)，L1+L2为0.45λ₀。