CN104953293A - 一种基于c波段的圆极化喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于C波段的圆极化喇叭天线，由波导同轴转换器、圆极化器、天线口径和手性超材料覆层组成。天线口径为一上下贯通的角锥形喇叭体。波导同轴转换器包括同轴线接头和矩形波导。圆极化器包括金属隔板和方形波导。手性超材料覆层位于天线口径的正上方，并与天线口径之间存在一定间隙。该手性超材料覆层包括介质基板和印制在介质基板上的至少一组互扭Z字形的频率选择表面单元组。本发明能够在有限的纵向长度和口径面积前提下，使天线获得更高的增益和更好的圆极化特性。

Description

一种基于C波段的圆极化喇叭天线

技术领域

本发明涉及一种喇叭天线，具体涉及一种基于C波段的圆极化喇叭天线。

背景技术

喇叭天线早已为人们所知，其结构形式、尺寸大小以及用途各异。例如在微波遥测或遥控系统中，可以用圆极化喇叭天线对运动姿态不断改变的目标进行跟踪探测。圆极化喇叭天线一般由馈电装置、圆极化器和喇叭形的天线口径组成。馈电装置的同轴线内导体延伸到其波导腔体内以便形成一个振子，用以激发电磁波，该电磁波沿波导经圆极化器形成圆极化电磁波，最终经天线口径辐射到自由空间中。

因为圆极化喇叭天线的辐射性能与喇叭天线口径大小及形状有着直接的关系，所以要使天线获得高增益必然会造成喇叭天线的体积增大。然而，体积较大的圆极化喇叭天线又不符合通信系统紧凑化及轻量化的发展需求，因此在设计时要考虑圆极化喇叭天线如何在有限的纵向长度和口径面积前提下，使天线获得更高的增益、更好的圆极化特性是目前所需解决的关键技术之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其能够在有限的纵向长度和口径面积前提下，使天线获得更高的增益和更好的圆极化特性。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于C波段的圆极化喇叭天线，由波导同轴转换器、圆极化器、天线口径和手性超材料覆层组成。其中所述天线口径为一上下贯通的角锥形喇叭体。所述波导同轴转换器包括同轴线接头和矩形波导。矩形波导为一密闭的矩形腔体。矩形波导的上表面完全开口。矩形波导的下表面形成转化波导短路端。同轴线接头安装在矩形波导的左侧壁上。所述圆极化器包括金属隔板和方形波导。方形波导为一密闭的方形腔体。方形波导的上表面完全开口，该开口与天线口径的下开口相连通。方形波导的下表面的右半部分开口，该开口与波导同轴转换器的矩形波导的开口相连通。方形波导的下表面的左半部分形成极化波导短路端。金属隔板呈正向阶梯形。金属隔板垂直设置在方形波导的正中间，并将方形波导的内腔分隔为左右2个矩形的腔体。所述手性超材料覆层位于天线口径的正上方，并与天线口径之间存在一定间隙。该手性超材料覆层包括介质基板和印制在介质基板上的至少一组互扭Z字形的频率选择表面单元组。每组互扭Z字形的频率选择表面单元组由对称印制在介质基板上表面的上层频率选择单元和印制在介质基板下表面的下层互扭Z字形的频率选择表面单元组成。上层频率选择单元和下层频率选择单元各由3个完全相同的Z字形的金属条组合而成，这3个Z字形的金属条的中部连接在一起形成一个共同的中心，且3个Z字形的金属条关于这个共同的中心形成中心对称分布。上层频率选择单元和下层频率选择单元同的结构和尺寸完全一致。上层频率选择单元和下层频率选择单元的中心正对，但金属条的旋向相反。

上述方案中，所述同轴线接头为SMA接头。

上述方案中，所述波导同轴转换器还包括有可调配螺钉。该可调配螺钉安装在矩形波导的右侧壁上，并置于矩形波导腔体内正中间轴线上。可调配螺钉旋入矩形波导腔体内。

上述方案中，所述金属隔板与方形波导的左侧壁和右侧壁的距离相等，此时方形波导的内腔分隔为左右2个大小相同的矩形的腔体。

上述方案中，所述金属隔板位于波导同轴转换器的左侧壁的正上方，且两者处于同一垂直平面上，此时矩形波导的腔体的横截面积与方形波导的右部腔体的横截面积相同。

上述方案中，所述金属隔板的阶梯为5级。

上述方案中，所述矩形波导和方形波导通过一体加工形成整体的梯形体结构。

上述方案中，所述手性超材料覆层上印制的互扭Z字形的频率选择表面单元组为多个，且这些互扭Z字形的频率选择表面单元组在介质基板上呈矩阵排列。

上述方案中，所述上层频率选择单元和下层频率选择单元在圆周方向上错开一定角度。

上述方案中，矩形波导、方形波导、金属隔板和天线口径均为铝制。

与现有技术相比，本发明具有以下特征：

1、通过波导终端短路的方式进行单馈电。这种馈电方式相较于传统复杂的双馈电方式而言，其性能更稳定，且可以避免不能保证激励源为等幅的缺陷以致影响极化性能的情况。这种馈电方式相较于加反射背腔的单馈方式而言，其结构更简单，体积进一步缩小，节省了装备空间，并更易于安装。

2、采用可调配螺钉调节同轴馈电与波导之间的阻抗匹配，调节驻波时主要调节螺钉旋入腔体内的深浅和位置，进而实现良好的阻抗特性，并拓展带宽，且更易于操控。

3、实现了馈电部分的小型化，满足了通信装置小型化、轻量化的发展需求，应用前景广阔。

4、极化器采用的是阶梯状金属隔板，其机械加工简单、调试难度小。

5、缩短了天线口径的纵向长度，且在有限的尺寸情况下能够实现较高的增益，同时具有良好的阻抗匹配以及圆极化特性。

6、在喇叭天线上方加载手性超材料覆层，手性超材料覆层可对圆极化波产生近零折射特性，使得天线在工作频段内获得高增益、低轴比特性。

7、手性超材料覆层采用的是互扭Z字形频率选择表面，成本低、机械加工简单。

附图说明

图1为一种基于C波段的圆极化喇叭天线的立体结构示意图。

图2为图1的前视图。

图3为图1的侧视图。

图4为手性超材料覆层的一个单元结构立体放大示意图。

图5为本发明新型圆极化喇叭天线的回波损耗曲线图。

图6为本发明新型圆极化喇叭天线的轴比曲线图。

图7为本发明新型圆极化喇叭天线的辐射方向图。

图中标号：1、波导同轴转换器；1-1、同轴线接头；1-2、矩形波导；1-3、可调配螺钉；2、圆极化器；2-1、金属隔板；2-2、方形波导；3、天线口径；4、手性超材料覆层；4-1、介质基板；4-2、频率选择表面单元组。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

一种基于C波段的圆极化喇叭天线，如图1-3所示，其主要由波导同轴转换器1、圆极化器2、天线口径3和手性超材料覆层4组成。波导同轴转换器1过渡到圆极化器2，圆极化器2过渡到天线口径3，天线口径3面加载手性超材料覆层4。

所述天线口径3为一上下贯通的角锥形喇叭体。

所述波导同轴转换器1包括同轴线接头1-1、矩形波导1-2和可调配螺钉1-3。矩形波导1-2为一密闭的矩形腔体。矩形波导1-2的上表面完全开口。矩形波导1-2的下表面形成转化波导短路端。同轴线接头1-1安装在矩形波导1-2的左侧壁上，且距离左侧壁的转化波导短路端约1/4波长的位置。在本实施例中，所述同轴线接头1-1为SMA接头。可调配螺钉1-3安装在矩形波导1-2的右侧壁上，并置于矩形波导1-2腔体内正中间轴线上，即在前后方向上，可调配螺钉1-3距离矩形波导1-2的前侧壁和后侧壁的距离相等。可调配螺钉1-3垂直于矩形波导1-2的右侧壁，并旋入矩形波导1-2腔体内。可调配螺钉1-3与转化波导短路端和上宽壁有一定的距离。

所述圆极化器2包括金属隔板2-1和方形波导2-2。方形波导2-2为一密闭的方形腔体。方形波导2-2的上表面完全开口，该开口与天线口径3的下开口的截面积相等且相互连通。方形波导2-2的下表面的右半部分开口，该开口与波导同轴转换器1的矩形波导1-2开口的截面积相等且相互连通。方形波导2-2的下开口与矩形波导1-2的上开口之间可以通过法兰盘实现连通，也可以通过一体加工形成整体的梯形体结构。方形波导2-2的下表面的左半部分形成极化波导短路端。金属隔板2-1呈正向阶梯形，即金属隔板2-1的由上至下前后宽度逐渐变宽。在本实施例中，所述金属隔板2-1的阶梯为5级。金属隔板2-1垂直设置在方形波导2-2的正中间，并与方形波导2-2的左侧壁和右侧壁平行，且距离相等。金属隔板2-1的下部、前部、和后部分别与方形波导2-2的下侧壁内侧、前侧壁内侧和后侧壁内侧相贴，金属隔板2-1将方形波导2-2的内腔分隔为左右2个大小完全相同的矩形的腔体。所述金属隔板2-1位于波导同轴转换器1的左侧壁的正上方，且两者处于同一垂直平面上，此时矩形波导1-2的腔体横截面积与方形波导2-2的右部腔体的横截面积相同。

在本实施例中，矩形波导1-2、方形波导2-2、金属隔板2-1和天线口径3均为铝制。

所述手性超材料覆层4位于天线口径3的正上方，并与天线口径3之间存在一定间隙。在本实施例中，手性超材料覆层4的尺寸略大于喇叭口径面，并位于距离喇叭口径面约半波长处。该手性超材料覆层4如图4所示，包括介质基板4-1和印制在介质基板4-1上的至少一组互扭Z字形的频率选择表面单元组4-2。在本实施例中，所述手性超材料覆层4上印制的互扭Z字形的频率选择表面单元组4-2为多个，且这些互扭Z字形的频率选择表面单元组4-2在介质基板4-1上呈矩阵排列。每组互扭Z字形的频率选择表面单元组4-2由对称印制在介质基板4-1上表面的上层频率选择单元和印制在介质基板4-1下表面的下层互扭Z字形的频率选择表面单元组4-2成。上层频率选择单元和下层频率选择单元各由3个完全相同的Z字形的金属条组合而成，这3个Z字形的金属条的中部连接在一起形成一个共同的中心，且3个Z字形的金属条关于这个共同的中心形成中心对称分布。在本实施例中每2个Z字形的金属条之间的夹角θ₁为60°。上层频率选择单元和下层频率选择单元同的结构和尺寸完全一致。上层频率选择单元和下层频率选择单元的中心正对，但金属条的旋向相反，并且在圆周方向上错开一定角度。在本实施例中，上层频率选择单元和下层频率选择单元之间的错开角度(即互扭角度)θ₂为30°。

在本实施例中，波导同轴转换器1内腔长25mm，矩形波导1-239.7mm×18.85mm，SMA接头中心距波导短路端距离为11.5mm，可调配螺钉1-3距波导短路端距离为24mm，螺钉直径为2.5mm，螺钉旋入腔体内的高度为2.5mm，极化器的方形波导2-2为39.7mm×39.7mm，极化器的长度为90mm，金属隔板2-1的厚度为2mm，第一阶的阶梯高度与长度为39.7mm×3mm，从第二阶阶梯到第五阶阶梯的高度与长度分别为：28.3mm×6.5mm，17.9mm×16.1mm，11.6mm×16.2mm，5.2mm×15.5mm，为了便于一体化加工在波导直角处采用倒圆角的方法，倒圆角的半径为4mm，腔体壁的厚度均为2mm。

基于上述结构，首先利用有限元法对所述互扭Z字形频率选择表面进行数值分析。介质基板4-1采用介电常数为4.5，损耗角正切为0.009，厚度为1.2mm的Rogers TMM4，互扭Z字形频率选择表面金属厚度为35μm。在仿真过程中，为了降低计算量，利用周期边界条件仿真单个单元可代替整体单元结构的性能。其中，只考虑垂直入射情况，电磁波沿+Z轴入射，电场是沿X或Y轴的线极化波,利用两个Floquet端口监测电磁波的透射和反射系数。通过对单元结构的数值分析发现：无论电场沿着X或Y轴线极化入射，透射和反射系数的模值都相等并且相位相差90°，说明所述手性超材料频率选择表面具有旋转对称特性且出射波具有相同的圆极化特性，因此该频率选择表面对任意极化的入射波都能辐射出右旋圆极化波。根据所述手性超材料覆层4的近零折射特性可使天线获得高增益。

以上所涉及的公式如下：

T_xx＝T_yy,T_xy＝-T_yx

$T_{cp}=\left(\begin{array}{cc}{T}_{++}& T_{+-}\\ T_{-+}& T_{--}\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cc}\left(T_{xx}+T_{yy}\right)+i\left(T_{xy}-T_{yx}\right)& \left(T_{xx}-T_{yy}\right)-i\left(T_{xy}+T_{yx}\right)\\ \left(T_{xx}-T_{yy}\right)+i\left(T_{xy}+T_{yx}\right)& \left(T_{xx}+T_{yy}\right)-i\left(T_{xy}-T_{yx}\right)\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{E}_x^t\\ E_y^t\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{xx}& T_{xy}\\ T_{yx}& T_{yy}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_x^i\\ E_y^i\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{E}_{+}^t\\ E_{-}^t\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{++}& T_{+-}\\ T_{-+}& T_{--}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_{+}^i\\ E_{-}^i\end{array}\right)$

${\▿}^2\stackrel{\→}{E}+2\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}\mathrm{\κ}\▿\×\stackrel{\→}{E}+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}\stackrel{\→}{E}=0$

$k_R=\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}\mathrm{\κ}+\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\μ}}^2{\mathrm{\κ}}^2}$

$k_L=-\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}\mathrm{\κ}+\mathrm{\ω}\sqrt{\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\μ}}^2{\mathrm{\κ}}^2}$

n_±＝n±κ

其中，T_xx、T_xy、T_yx、T_yy表示线极化传输系数，T₊₊、T_+-、T_-+、T_--表示圆极化传输系数，其第一个下标代表传输场极化，第二个下标代表入射场极化；k_R、k_L表示右旋和左旋圆极化波数；n_±表示右旋和左旋的折射率；κ表示所述手性超材料覆层4的手性参数。

如图1所示，将由11×10个周期单元组成的手性超材料覆层4加载到距圆极化矩形喇叭口径半波长处。圆极化喇叭口径尺寸为119mm×142mm，其辐射出的右旋圆极化波透过覆层后天线的极化特性保持不变，并且根据该覆层的近零折射特性使得天线增益在工作频带内得到改善。

图5显示的是，基于手性超材料覆层4的圆极化喇叭天线的回波损耗仿真曲线。从图中可看出，在4.6GHz和4.8GHz出现两个谐振点，且在4.4GHz到5GHz工作频带内得到良好的匹配。

图6显示的是，基于手性超材料覆层4的圆极化喇叭天线的轴比仿真曲线。从图中可看出，在整个工作频段内天线的轴比都在2.5dB以内，4.55GHz到5GHz频段范围内AR<1.5dB，在4.7GHz处天线轴比获得最低值为0.76dB，因此天线具有良好的圆极化特性。

图7显示的是，基于手性超材料覆层4的圆极化喇叭天线在4.6GHz时的方向图。从图中可看出，天线的增益能达到12.9dBi，说明了手性超材料覆层4的近零折射特性可使天线获得高增益。

Claims (10)

1.一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：由波导同轴转换器(1)、圆极化器(2)、天线口径(3)和手性超材料覆层(4)组成；其中

所述天线口径(3)为一上下贯通的角锥形喇叭体；

所述波导同轴转换器(1)包括同轴线接头(1-1)和矩形波导(1-2)；矩形波导(1-2)为一密闭的矩形腔体；矩形波导(1-2)的上表面完全开口；矩形波导(1-2)的下表面形成转化波导短路端；同轴线接头(1-1)安装在矩形波导(1-2)的左侧壁上；

所述圆极化器(2)包括金属隔板(2-1)和方形波导(2-2)；方形波导(2-2)为一密闭的方形腔体；方形波导(2-2)的上表面完全开口，该开口与天线口径(3)的下开口相连通；方形波导(2-2)的下表面的右半部分开口，该开口与波导同轴转换器(1)的矩形波导(1-2)的开口相连通；方形波导(2-2)的下表面的左半部分形成极化波导短路端；金属隔板(2-1)呈正向阶梯形；金属隔板(2-1)垂直设置在方形波导(2-2)的正中间，并将方形波导(2-2)的内腔分隔为左右2个矩形的腔体；

所述手性超材料覆层(4)位于天线口径(3)的正上方，并与天线口径(3)之间存在一定间隙；该手性超材料覆层(4)包括介质基板(4-1)和印制在介质基板(4-1)上的至少一组互扭Z字形的频率选择表面单元组(4-2)；每组互扭Z字形的频率选择表面单元组(4-2)由对称印制在介质基板(4-1)上表面的上层频率选择单元和印制在介质基板(4-1)下表面的下层互扭Z字形的频率选择表面单元组(4-2)成；上层频率选择单元和下层频率选择单元各由3个完全相同的Z字形的金属条组合而成，这3个Z字形的金属条的中部连接在一起形成一个共同的中心，且3个Z字形的金属条关于这个共同的中心形成中心对称分布；上层频率选择单元和下层频率选择单元同的结构和尺寸完全一致；上层频率选择单元和下层频率选择单元的中心正对，但金属条的旋向相反。

2.根据权利要求1所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述同轴线接头(1-1)为SMA接头。

3.根据权利要求1所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述波导同轴转换器(1)还包括有可调配螺钉(1-3)；该可调配螺钉(1-3)安装在矩形波导(1-2)的右侧壁上，并置于矩形波导(1-2)腔体内正中间轴线上；可调配螺钉(1-3)旋入矩形波导(1-2)腔体内。

4.根据权利要求1所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述金属隔板(2-1)与方形波导(2-2)的左侧壁和右侧壁的距离相等，此时方形波导(2-2)的内腔分隔为左右2个大小相同的矩形的腔体。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述金属隔板(2-1)位于波导同轴转换器(1)的左侧壁的正上方，且两者处于同一垂直平面上，此时矩形波导(1-2)的腔体的横截面积与方形波导(2-2)的右部腔体的横截面积相同。

6.根据权利要求1所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述金属隔板(2-1)的阶梯为5级。

7.根据权利要求1或3所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述矩形波导(1-2)和方形波导(2-2)通过一体加工形成整体的梯形体结构。

8.根据权利要求1或3所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述手性超材料覆层(4)上印制的互扭Z字形的频率选择表面单元组(4-2)为多个，且这些互扭Z字形的频率选择表面单元组(4-2)在介质基板(4-1)上呈矩阵排列。

9.根据权利要求1或3所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述上层频率选择单元和下层频率选择单元在圆周方向上错开一定角度。

10.根据权利要求1或3所述的一种基于C波段的圆极化喇叭天线，其特征在于：矩形波导(1-2)、方形波导(2-2)、金属隔板(2-1)和天线口径(3)均为铝制。