CN105633542A - 宽带开口波导天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带开口波导天线，该天线包括：金属壳体和同轴波导转换器，其中，金属壳体呈两端开口的柱状，金属壳体的内腔沿轴线方向依次为波导腔体和过度腔体，金属壳体靠近过度腔体的末端为安装结构；同轴波导转换器包括L形探针和射频连接器，L形探针与射频连接器的一端固定连接，射频连接器沿上述轴线延伸至过度腔体外，以使射频连接器的另一端可与射频通道可拆卸连接。通过本发明，实现了便于安装和拆卸的宽带开口波导天线。

Description

宽带开口波导天线

技术领域

本发明涉及微波工程领域，具体而言，涉及一种宽带开口波导天线。

背景技术

目前K或Ka频段天线主要实现形式有波导缝隙、微带八木、微带贴片等几种方案。其中，波导缝隙和微带八木实现圆极化方案较为复杂，且不易实现组阵，所以多采用微带贴片的实现形式。

微带贴片天线由于体积小、质量轻、剖面薄、易于与载体共形、制作工艺简单等诸多优点得到了广泛应用。矩形贴片切角是一种结构简单，易于实现的圆极化微带天线形式，常常作为圆极化天线阵列的单元，其采用单馈形式实现圆极化既节省空间又便于组阵。

对于K或Ka频段的微带贴片天线，在工程应用过程中，尤其是作为阵列天线单元使用时，也存在一定的不足。K或Ka频段微带天线阵列天线阵面加工多采用整阵或整条加工方式，若个别单元加工出现问题，则整阵或整条天线作废。在安装和使用过程中，若个别单元出现问题，则整阵或整条天线亦需要更换。

在圆极化天线中，轴比是一个衡量圆极化纯度的重要指标。对于阵列天线，低剖面波束扫描状态下，阵列轴比恶化较为严重。为了优化阵列天线轴比，需要提高阵列单元轴比性能。此外，还需要考虑二次圆极化等阵列布局优化方法。对于K或Ka频段常用的矩形切角圆极化微带天线，其馈点位置不在天线的几何中心，在进行二次圆极化阵元旋转时，会带来一定的困难。

发明内容

针对相关技术中小型化天线不便于安装、拆卸的问题，本发明提供了一种宽带开口波导天线，以至少解决上述问题。

本发明提供了一种宽带开口波导天线，包括：金属壳体和同轴波导转换器，其中，

所述金属壳体呈两端开口的柱状，所述金属壳体的内腔沿轴线方向依次为波导腔体和过度腔体，所述金属壳体靠近所述过度腔体的末端为安装结构，其中，所述波导腔体为横截面呈两头半圆矩形的柱状，所述金属壳体上位于所述两头半圆矩形的直线边中点处的外壁上设置有开孔；

所述同轴波导转换器包括L形探针和射频连接器，所述L形探针用于将同轴信号转换为线极化信号在所述波导腔中传播，其中，所述L形探针的第一部分通过所述开孔与所述金属壳体固定连接，所述第一部分与所述轴线以及所述两头半圆矩形的直线边垂直；所述L形探针的第二部分沿所述轴线贯穿所述波导腔体延伸至所述过度腔体中，所述第二部分与所述射频连接器的一端固定连接；所述射频连接器沿所述轴线延伸至所述过度腔体外，以使所述射频连接器的另一端可与射频通道可拆卸连接；

所述过度腔中填充有填充物，所述填充物用于阻抗匹配过渡；所述波导腔体中填充有高介电常数介质。

可选地，所述宽带开口波导天线还包括：圆极化器，设置在所述金属壳体靠近所述波导腔体的末端，所述圆极化器与所述L形探针的第一部分呈45度角，用于实现天线圆极化。

可选地，所述圆极化器为微带贴片，所述微带贴片由微波板腐蚀而成，所述微波板一面的覆铜全部腐蚀，所述微波板的另一面保留矩形覆铜，所述矩形覆铜与所述L形探针的第一部分呈45度角。

可选地，所述L形探针的第二部分与所述外射频连接器的所述一端焊接。

可选地，所述填充物包括：空气介质和绝缘介质。

可选地，所述绝缘介质为聚四氟乙烯介质。

可选地，所述安装结构包括法兰和铣角，其中，所述法兰用于天线轴向方向安装固定，所述铣角用于天线周向方向安装固定。

可选地，所述高介电常数介质为聚醚酰亚胺。

可选地，所述金属壳体呈圆柱状。

通过本发明，实现了便于安装和拆卸的宽带开口波导天线。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的宽带开口波导圆极化天线结构的示意图；

图2是根据本发明实施例的开口波导圆极化天线组阵二次圆极化的示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1给出了小型化宽带开口波导圆极化天线的结构示意图，如图1所示，小型化宽带开口波导圆极化天线由同轴波导转换器、矩形波导腔、圆极化器和安装结构等部分组成。同轴波导转换器采用L型探针S1将同轴信号转换为线极化信号在矩形波导腔中传播，可选地该矩形为两头半圆矩形。不同于一般同轴波导转化器的侧馈方式，L型探针实现了天线底部馈电，方便天线安装。

L型探针采取与天线对外射频连接器一体化设计。可选地，L型探针S1与天线射频连接器内导体S2一体化焊接，通过过度腔体中的混合介质段阻抗匹配过渡，实现了同轴波导转换器小型化设计。可选地，混合介质段可以由空气介质S7和聚四氟乙烯介质S8组成，可以有效抵消天线与射频通道接插件对插后产生的感性阻抗。

图1中矩形波导腔S3采取高介电常数介质填充，以缩小腔体尺寸、实现天线小型化，满足阵列天线阵元间距要求。介质根据需要可以采用聚醚酰亚胺，也可以根据需要采用其他高介电常数且电性能稳定的材质。矩形波导腔的尺寸及长宽比可以根据工作频率进行设计。

图1中在矩形波导腔S3末端安装与线极化方向成45°夹角的微带贴片S4以实现天线圆极化。微带贴片S4由微波板腐蚀而成，微波板一面的覆铜全部腐蚀，另一面保留矩形覆铜。矩形覆铜与波导线极化方向成45°夹角，将波导线极化信号转化为空间上相互垂直且相位相差90°的两个信号，形成圆极化。通过改变覆铜的长宽比，可以优化圆极化的轴比。通过改变微带贴片S4的安装旋向，与波导线极化方向成+45°夹角或-45°夹角，可以形成左旋或者右旋圆极化。与传统的波导腔销钉或介质片等圆极化方式相比，微带贴片方式简单可靠。也可以不安装微带贴片，实现线极化开口波导天线。

天线馈点在中心位置，且天线外形为中心对称构，天线方向图圆对称性较好，轴比带宽较宽。从仿真结果来看，天线方向图对称性较好，3dB以内轴比带宽约1.5GHz，带宽较宽。

开口波导天线底部中心馈电及圆对称结构，使其可以方便的进行二次圆极化，以提高阵列扫描轴比特性。图2是开口波导圆极化天线组阵二次圆极化示意图，以四个天线单元为一组，单元以几何中心旋转，几何中心与馈点重合，形成0°、90°、180°和270°初始相位，从而形成二次圆极化。与之相比，K或Ka频段常用的切角微带天线，馈点位置不在几何中心。以几何中心进行旋转，则一列阵元的馈点位置不在一条直线上，给射频通道设计带来困难。以馈电位置进行旋转，微带贴片间距变化，引起耦合变化问题。

图1中，天线金属外壳设计有法兰S5，用于天线轴向方向安装固定，天线金属外壳底部设计有铣角S6，用于天线周向方向安装固定。天线底部对外射频连接器采用与天线集成的SMP-K接插件，以对插的方式与射频通道进行连接，便于安装拆卸。

在本发明实施例的一个实施方式中，波导圆极化天线以8×8规模进行三角栅格组阵，并进行二次圆极化。天线单元独立安装在金属底板上，与射频通道进行对插，金属外壳底部的铣角保证天线周向不会发生转动。通过压板从上往下对天线进行固定，天线金属外壳的法兰保证天线轴向不会发生上下移动。通过实验发现，天线阵列具有较好的扫描特性。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：适应于K或Ka频段的小型化宽带开口波导圆极化天线可以用作单天线使用，也可以用作阵列天线的天线阵元，安装拆卸方便，且体积较小、轴比带宽较宽，易于组阵、易于二次圆极化，可以满足机载、弹载、舰载以及地面设备卫星通信系统的需求。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽带开口波导天线，其特征在于，包括：金属壳体和同轴波导转换器，其中，

所述金属壳体呈两端开口的柱状，所述金属壳体的内腔沿轴线方向依次为波导腔体和过度腔体，所述金属壳体靠近所述过度腔体的末端为安装结构，其中，所述波导腔体为横截面呈两头半圆矩形的柱状，所述金属壳体上位于所述两头半圆矩形的直线边中点处的外壁上设置有开孔；

所述同轴波导转换器包括L形探针和射频连接器，所述L形探针用于将同轴信号转换为线极化信号在所述波导腔中传播，其中，所述L形探针的第一部分通过所述开孔与所述金属壳体固定连接，所述第一部分与所述轴线以及所述两头半圆矩形的直线边垂直；所述L形探针的第二部分沿所述轴线贯穿所述波导腔体延伸至所述过度腔体中，所述第二部分与所述射频连接器的一端固定连接；所述射频连接器沿所述轴线延伸至所述过度腔体外，以使所述射频连接器的另一端可与射频通道可拆卸连接；

所述过度腔中填充有填充物，所述填充物用于阻抗匹配过渡；所述波导腔体中填充有高介电常数介质。

2.根据权利要求1所述的宽带开口波导天线，其特征在于，还包括：圆极化器，设置在所述金属壳体靠近所述波导腔体的末端，所述圆极化器与所述L形探针的第一部分呈45度角，用于实现天线圆极化。

3.根据权利要求2所述的宽带开口波导天线，其特征在于，所述圆极化器为微带贴片，所述微带贴片由微波板腐蚀而成，所述微波板一面的覆铜全部腐蚀，所述微波板的另一面保留矩形覆铜，所述矩形覆铜与所述L形探针的第一部分呈45度角。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的宽带开口波导天线，其特征在于，所述L形探针的第二部分与所述外射频连接器的所述一端焊接。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的宽带开口波导天线，其特征在于，所述填充物包括：空气介质和绝缘介质。

6.根据权利要求5所述的宽带开口波导天线，其特征在于，所述绝缘介质为聚四氟乙烯介质。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的宽带开口波导天线，其特征在于，所述安装结构包括法兰和铣角，其中，所述法兰用于天线轴向方向安装固定，所述铣角用于天线周向方向安装固定。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的宽带开口波导天线，其特征在于，所述高介电常数介质为聚醚酰亚胺。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的宽带开口波导天线，其特征在于，所述金属壳体呈圆柱状。