CN104836024B - Ku频段圆极化锥状波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ku频段圆极化锥状波束天线，包括开口圆波导、大同轴波导、小同轴波导、一个矩形波导、一个SMA接头以及夹在开口圆波导和大同轴波导之间印有钩子结构的介质板。通过印刷钩子结构和大同轴波导同时激励起空间位置相互垂直、相位差90度、幅度相等的两个径向对称圆波导模式（TM₀₁和TE₀₁），从而产生圆极化远场锥状辐射方向图；大同轴波导至SMA接头之间形成两次同轴到矩形波导的转换完成整个天线的馈电。本发明圆极化锥状波束天线在保持天线结构紧凑的情况下，在谐振频率12.5GHz处，实现了良好的圆极化辐射特性和阻抗匹配特性。

Description

Ku频段圆极化锥状波束天线

技术领域

本发明属于卫星通信、侦察雷达、抗干扰等技术领域，具体涉及一种适用于目标跟踪和探测的Ku频段圆极化锥状波束天线。

背景技术

圆极化波在空间中每一点的场都是等幅旋转场，旋向有左旋、右旋之分。左旋圆极化天线只能辐射或接收左旋圆极化波，右旋圆极化天线只能用来辐射或接收右旋圆极化波。不同物体对电磁波的反射特性与波的极化状态有很大关系，而圆极化波又具有一些独特的性能，故在卫星通信、干扰雷达、民用大气遥测雷达、电子对抗等现代设备中，愈来愈多地采用了圆极化天线。我们简要的介绍几个方面的典型应用：

1）干扰敌方天线

线极化波是圆极化波的一种特殊情况，圆极化波是椭圆极化波的一种特殊情况。用发射圆极化波的干扰系统就可以同时对敌方的线极化波系统、圆极化波系统进行干扰。椭圆极化波在原理上也可以同时干扰敌方的线极化波系统、圆极化系统，但是它比圆极化波的极化能量损失要大，所以一般情况下还是选用圆极化波干扰系统。

2）侦察雷达天线

同干扰天线的原理一样，采用圆极化天线的侦察系统时，无论敌方发射的是何种线极化的波，均可收到敌方的信号。如果同时采用双旋向圆极化天线，就更万无一失了。

3）在卫星及地空通信系统中，地球站与飞行体(如飞机、导弹、卫星等)之间或各飞行体之间进行通信、遥控遥测和跟踪时，一方面由于飞行体本身在运动，姿态可能不断改变，相应的接收和发射的电磁波的极化方向也会改变；另一方面由于电离层对电波传播会产生极化畸变和衰落现象(短波通信要靠电离层反射，卫星通信要穿过电离层)，因此采用线极化天线难以保证稳定而可靠的通信，应采用圆极化化天线为宜。目前在新型国际商用卫星通信中多采用圆极化技术，使卫星天线能在同一频率复用而提高通信容量。

在这些通信系统中，往往两个通信载体在空间上是成一定的角度，同时载体自身的姿态也在不断变化，那么常规的圆极化天线已不能满足要求。圆极化锥状波束天线的方向图在空间是旋转对称的且与天线法线方向成一定角度，所以它可以同时解决这两个问题。

目前实现圆极化锥状波束天线的方法主要有以下几种：

1）通过相位相差90度的多个馈电点同时对圆贴片天线的TM_n1模式进行激励，得到圆极化锥状波束天线；

2）用微扰的方法对圆贴片天线进行激励，同时产生两个相位差90度的等幅模式，从而产生圆极化锥状波束；

3）用四个对称的L型探针进行电激励同时结合四个对称的缝隙进行磁激励的方法实现圆极化锥状波束天线，这种方法需要复杂的馈电网络，应用范围主要在S波段；

4）用多单元顺序排列的方法实现圆极化锥状波束天线，这种用阵列方法实现的锥状波束天线圆度比较差、体积比较大、馈电网络比较复杂，只在灵活性上具有一定的优势；

5）利用径向波导十字缝隙来实现圆极化锥状波束天线；

6）用等效的径向电流和周向磁环的方式实现圆极化锥状波束天线；

这些实现方法普遍存在馈电网络复杂、增益低、圆度差、结构复杂、抗震性差、适应频段窄等缺点。为了适应现代通信与探测系统对天线的要求，就需要设计一个效率高，结构紧凑、馈电方式简单、机械性能可靠的圆极化锥状波束天线。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种基于波导结构的单馈圆极化锥状波束天线，该天线将探针激励与钩子结构激励相结合，在Ku频段实现较好的圆极化辐射特性。

技术方案：本发明所述的Ku频段圆极化锥状波束天线，包括开口圆波导、大同轴波导、设于开口圆波导和大同轴波导之间的介质板、与大同轴波导同轴设置的小同轴波导以及设于小同轴波导下侧的矩形波导和SMA接头；所述开口圆波导、介质板和大同轴波导固定连接形成天线的主体辐射结构，所述开口圆波导和大同轴波导均为严格的旋转对称结构，所述介质板的上层中心设有钩子结构、钩子结构外围设有一圈金属化过孔，所述大同轴波导的内导体与所述小同轴波导的内导体半径相同且连接在一起形成不同外径的同轴不连续性过渡，所述小同轴波导的内导体底端伸入至所述矩形波导的波导壁形成同轴至矩形的过渡，所述矩形波导的侧边与所述SMA接头连接形成矩形至同轴的过渡，所述SMA接头的外侧为天线的馈电端口。所述天线利用钩子结构和大同轴波导同时激励起空间位置相互垂直、相位差90度、幅度相等的两个径向对称圆波导模式TM₀₁和TE₀₁，从而产生圆极化远场锥状辐射方向图；圆极化锥状波束天线利用两次同轴到矩形波导的转换完成整个天线的馈电。

进一步完善上述技术方案，所述钩子结构为中心对称结构，由两个结构相同的Z形钩交叉相连组成；所述钩子结构采用印刷工艺生成。

进一步地，所述开口圆波导和大同轴波导外径相同、半径范围为16~22mm，所述SMA接头的内直径为1.2mm、外直径为4mm。所述钩子结构的径向长度为8~12mm、沿圆周方向的长度为7~13mm；所述开口圆波导的高度范围为15~21mm，所述大同轴波导的高度范围为9~13mm。将开口圆波导、大同轴波导、钩子结构设置为如上数值，可以实现良好的圆极化远场辐射方向图。

进一步地，所述开口圆波导和大同轴波导均采用金属材质制成。所述介质板采用Rogers 4003板材制成、介电常数为3.38、损耗角正切值为0.0009，Rogers 4003板材的厚度为1.524mm。

进一步地，所述大同轴波导的内导体、所述小同轴波导的内导体以及所述矩形波导B均采用铜制成。

进一步地，所述大同轴波导无填充介质，所述小同轴波导的填充介质为Teflon（TM）、介电常数为 2.1、损耗角正切值为0.001。

进一步地，所述开口圆波导、介质板和大同轴波导通过螺钉固定连接，所述小同轴波导的外导体通过螺钉与所述矩形波导固定在一起，所述小同轴波导的内导体与所述矩形波导壁焊接在一起。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点：

1. 本发明通过印有钩子结构的介质板、激励起圆波导中的TE₀₁模式，以及大同轴波导与小同轴波导之间的同轴不连续过渡，小同轴波导与矩形波导之间的同轴至矩形过渡，矩形波导与SMA接头之间的矩形至同轴的过渡，所述天线利用钩子结构和大同轴波导，同时激励起空间位置相互垂直、相位差90度、幅度相等的两个径向对称圆波导模式TM₀₁和TE₀₁，从而产生圆极化远场锥状辐射方向图；圆极化锥状波束天线利用两次同轴到矩形波导的转换完成整个天线的馈电；印刷钩子结构外面为一圈金属过孔，用来模拟金属波导壁。

2. 本发明对天线中尺寸精度要求比较高的关键部分（钩子结构）采用先进的印刷生产工艺，对其他部分采用常见的机械加工工艺，各部件之间通过螺钉固定在一起，降低了整个天线的加工成本；

3. 本发明大部分结构均采用波导结构，可以降低天线的欧姆损耗，提高天线的效率；

4. 本发明的结构及设计方法可以方便的移植到其他频段，特别是毫米波频段，具有良好的通用性；

5. 本发明圆极化锥状波束天线中，开口圆波导、同轴波导外导体和矩形波导全部为金属结构，机械性能可靠；

综上所述，本发明天线在保持天线结构紧凑的情况下，在谐振频率（12.5GHz）处实现了较好的阻抗带宽特性和圆极化辐射特性。本发明天线具有结构简单、加工成本低、机械性能可靠、辐射效率高、方向图圆度高等优点，同时天线的设计方法具有良好的通用性。

附图说明

图1（a）是本发明天线的整体结构剖面图。

图1（b）是本发明天线的印刷钩子馈电结构图。

图2 是本发明天线S参数仿真与测试曲线。

图3是本发明天线的轴比仿真与测试曲线。

图4是本发明天线的方向图仿真与测试曲线。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明。

实施例1：如图1（a）所示的天线整体结构剖面图和图1（b）所示的天线印刷钩子馈电结构图，本发明所述的Ku频段圆极化锥状波束天线，包括开口圆波导6和大同轴波导4，夹在他们之间的印有钩子结构8的介质板5，以及小同轴波导3，矩形波导2和SMA接头1；其中开口圆波导结构6、介质板5和大同轴波导4通过螺钉固定在一起构成天线的主要辐射部分；开口圆波导6和大同轴波导4均为严格的旋转对称结构；介质板5上的钩子结构印刷在其上层并与大同轴波导4中的内导体相连；大同轴波导4的与小同轴波导3的内导体的半径相同且两者的内导体连接在一起构成一个不同外径的同轴不连续性过渡，大同轴波导4没有介质填充，同时小同轴波导3的内导体与矩形波导2的波导壁连接在一起构成一个同轴到矩形波导的过渡；矩形波导2与SMA接头 1完成另一个矩形波导到同轴的过渡，SMA接头1的外侧为天线的馈电端口；印刷钩子8结构外面为一圈金属过孔7，用来模拟金属波导壁。

介质板5的钩子结构8激励起圆波导中的TE₀₁模式，大同轴波导4中的探针激励起圆波导中的TM₀₁模式，TE₀₁模式与TM₀₁模式形成空间位置相互垂直、相位差90度、幅度相等的两个径向对称圆波导模式。通过调整钩子结构8的径向长度（8mm-12mm）和圆周方向的长度（7mm-13mm）以及开口圆波导6的高度（15mm-21mm）和大同轴波导4的高度（9mm-13mm）可以实现良好的圆极化远场辐射方向图。天线的波束指向角及副瓣电平主要由开口圆波导6的半径（16mm-22mm）决定。

作为比较优选的方案，本发明中，开口圆波导6、大同轴波导4的外导体以及矩形波导2均为金属材质；印有钩子结构8的介质板5为 Rogers 4003板材，介电常数为3.38，损耗角正切值为0.0009，板材的厚度为1.524mm；SMA接头为内直径1.2mm、外直径4mm的标准尺寸。SMA接头1即为天线馈电端口。

图2为本发明天线的S参数仿真与测试曲线。从图中可以看到，该天线谐振在12.5GHz，此处实现了很好的阻抗匹配。的频率范围为12.35GHz-12.65GHz，即阻抗带宽为。

图3为本发明天线轴比仿真与测试曲线。从图中可以看到，该天线在12.3GHz-12.7GHz的范围内轴比均小于3 dB，完全覆盖阻抗带宽。

图4为本发明天线方向图仿真与测试曲线。从图中可以看到，该天线的波束指向角为29度，交叉极化电平为16 dB，极化方式为左旋圆极化。该天线实测增益为7.8dB。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种Ku频段圆极化锥状波束天线，其特征在于：包括开口圆波导、大同轴波导、设于开口圆波导和大同轴波导之间的介质板、与大同轴波导同轴设置的小同轴波导以及设于小同轴波导下侧的矩形波导和SMA接头；所述开口圆波导、介质板和大同轴波导固定连接形成天线的主体辐射结构，所述开口圆波导和大同轴波导均为严格的旋转对称结构，所述介质板的上层中心设有钩子结构、钩子结构外围设有一圈金属化过孔，所述大同轴波导的内导体与所述小同轴波导的内导体半径相同且连接在一起形成不同外径的同轴不连续性过渡，所述小同轴波导的内导体底端伸入至所述矩形波导的波导壁形成同轴至矩形波导的过渡，所述矩形波导的侧边与所述SMA接头连接形成矩形波导至同轴的过渡，所述SMA接头的外侧为天线的馈电端口；所述开口圆波导和大同轴波导外径相同、半径范围为16~22mm，所述SMA接头的内直径为1.2mm、外直径为4mm；所述钩子结构的径向长度为8~12mm、沿圆周方向的长度为7~13mm；所述开口圆波导的高度范围为15~21mm，所述大同轴波导的高度范围为9~13mm；所述钩子结构为中心对称结构，由两个结构相同的Z形钩交叉相连组成。

2.根据权利要求1所述的Ku频段圆极化锥状波束天线，其特征在于：所述钩子结构采用印刷工艺生成。

3.根据权利要求1所述的Ku频段圆极化锥状波束天线，其特征在于：所述开口圆波导和大同轴波导均采用金属材质制成；所述介质板采用Rogers 4003板材制成、介电常数为3.38、损耗角正切值为0.0009，Rogers 4003板材的厚度为1.524mm。

4.根据权利要求1所述的Ku频段圆极化锥状波束天线，其特征在于：所述大同轴波导的内导体、所述小同轴波导的内导体以及所述矩形波导均采用铜制成。

5.根据权利要求1所述的Ku频段圆极化锥状波束天线，其特征在于：所述大同轴波导无填充介质，所述小同轴波导的填充介质为Teflon（TM）、介电常数为 2.1、损耗角正切值为0.001。

6.根据权利要求1所述的Ku频段圆极化锥状波束天线，其特征在于：所述开口圆波导、介质板和大同轴波导通过螺钉固定连接，所述小同轴波导的外导体通过螺钉与所述矩形波导固定在一起，所述小同轴波导的内导体与所述矩形波导壁焊接在一起。