CN106207439B - 一种双圆极化天线单元及阵列天线 - Google Patents

一种双圆极化天线单元及阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双圆极化天线单元及阵列天线，涉及电子信息传感领域。本发明阵列天线包括m×n个双圆极化天线单元和馈电网络；双圆极化天线单元包括辐射腔体、第一至第二圆极化波导辐射器、第一至第二波导腔体、第一至第二馈电端口和金属墙。本发明通过不同的金属隔板进行移相，能够覆盖高低两个频段，可用于雷达、通信、导航等增益较高，收发共用、定向性强的天线中，是一种高效率的收发双圆极化阵列天线，通过扩展还可用于电子波束扫描的圆极化相控阵天线。

Description

一种双圆极化天线单元及阵列天线
技术领域
本发明设计涉及的领域为电子信息传感系统，可用于雷达、通信、导航等增益较高、定向性强的天线中，为一种高效率的收发双圆极化阵列天线，通过扩展，还可用于电子波束扫描的圆极化相控阵天线。
背景技术
在电子信息系统中，传统圆极化阵列或者相控阵天线的形式有多种，但每一种天线形式具有各自的特色和优缺点，具体表现为以下特点：
1、微带圆极化天线。微带圆极化天线为谐振型天线，圆极化实现方式为微扰、电桥与多端口馈电配合等方式。其中微扰方式容易实现，只需要在制作印制板时一体化完成，无需额外的配电部件，但其驻波比和轴比带宽较窄，辐射损耗大，不利于实现双圆极化和高效辐射；电桥和多端口馈电结合的圆极化实现方式可实现较大的辐射带宽，轴比特性好，但由于引入了额外的元器件，其制作相对复杂，也引入了额外的插入损耗。
2、单端口辐射波导圆极化天线，这种天线非常适合进行圆极化信号的产生，且在一定的角度范围内轴比较小，实现方法简单，加工容易，但对于端口辐射方式不利于实现宽带特性和收发隔离，如果要实现，往往采用收发天线分置或者反向馈电实现，其复杂度大。
3、利用极化栅实现圆极化。该种方式的圆极化信号实现技术较为简单，但这种方式引入了极化栅的插入损耗，且由于极化栅为谐振形式，不利于实现宽带轴比。
发明内容
本发明具有完全不同于上述几种圆极化宽波束阵列天线的实现思路，提供一种高效率、低损耗的双圆天线，克服以上天线中存在的各种缺点。
为解决以上问题，本发明所采用的技术方案为：一种双圆极化天线单元，包括辐射腔体5、第一圆极化波导辐射器3、第二圆极化波导辐射器4、第一波导腔体11、第二波导腔体12、第一馈电端口7、第二馈电端口8和金属墙；辐射腔体5的上部且在内壁中心线上设置有第一圆极化波导辐射器3；
金属墙包括主隔离墙9、两个副隔离墙6和金属块10，主隔离墙9位于辐射腔体5的两相对面之间且主隔离墙的长度与辐射腔体5的馈电端口长度相同；两个副隔离墙6位于主隔离墙9的同一侧且均与主隔离墙9相垂直，两个副隔离墙6的一端分别与主隔离墙9的两端一一对应相连接，两个副隔离墙6的另一端均与辐射腔体5的内壁相连接；两个副隔离墙6之间设置有金属块10，金属块10与主隔离墙9构成台阶状，金属块10的长度与两个副隔离墙6之间的距离相同；
金属墙将辐射腔体5的下部分割成两部分，一部分为第一波导腔体11和第一馈电端口7，另一部分为第二波导腔体12和第二馈电端口8；金属块10、两个副隔离墙6和辐射腔体5的下部内壁围合形成第二波导腔体12；主隔离墙9与辐射腔体5的下部内壁围合形成第一波导腔体11；
主隔离墙9的上表面设置有第一圆极化波导辐射器3；金属块10的上表面设置有与其长度相同的第二圆极化波导辐射器4。
其中，第一圆极化波导辐射器3和第二圆极化波导辐射器4均为金属块状的金属隔板，第二圆极化波导辐射器4的最大高度低于第一圆极化波导辐射器3的底端；第二圆极化波导辐射器4的底端长度与金属块10相同。
其中，所述的第一圆极化波导辐射器3位于辐射腔体5的中心线上，第二圆极化波导辐射器4位于其辐射腔体的中心线上；所述的辐射腔体由主隔离墙9、两个副隔离墙6和辐射腔体5的下部内壁围合形成。
其中，每个副隔离墙6靠近辐射腔体5内壁的一侧均设置有凹槽。
其中，第一圆极化辐射器3的顶端到主隔离墙9上表面的高度为0.67倍波长；第二圆极化辐射器4的顶端到第二馈电端口8的高度为1倍波长。
其中，辐射腔体5的空腔中填充有介质。
一种双圆极化阵列天线，包括m×n个双圆极化天线单元2和馈电网络，其中m，n均为大于1的自然数；所述的馈电网络为双层微带或双层波导形式，每一层分别与第一馈电端口7和第二馈电端口8一一对应相连接。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明采用金属波导有利于提高天线的辐射效率。
2、本发明利用不同的金属隔板进行移相，且圆极化端口可自由选择，可根据不同的极化需求进行设计。
3、本发明设计的天线阵列，不仅仅可以用于阵列天线，也可以根据需求，通过在金属波导内部填充介质，进行小型化，实现宽角波束扫描的相控阵天线，具有强的定向性，良好的天线波束、驻波比以及轴比性能。
4、天线阵列的实现方式可多样化，机械加工、焊接、注塑、铸造等均可以实现该发明。
附图说明
图1是本发明的一种双圆极化阵列天线两维示意图。
图2是本发明的一种双圆极化阵列天线的单元示意图。
图3是本发明的一种双圆极化阵列天线的单元俯视图。
图4为本发明的一种双圆极化阵列天线的单元仰视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
参照图1至图4，一种双圆极化阵列天线1，包括m×n个双圆极化天线单元2和馈电网络，其中m，n均为大于1的自然数，双圆极化天线单元2包括辐射腔体5、第一圆极化波导辐射器3、第二圆极化波导辐射器4、第一波导腔体11、第二波导腔体12、第一馈电端口7和第二馈电端口8和金属墙。
辐射腔体5内部设置有金属墙，金属墙包括主隔离墙9、两个副隔离墙6和金属块10，主隔离墙9、两个副隔离墙6和金属块10的底面均与辐射腔体5的辐射端口相持平；主隔离墙9位于辐射腔体5的两相对面之间且主隔离墙的长度与辐射腔体5的馈电端口长度相同；两个副隔离墙6位于主隔离墙9与对应的辐射腔体5的内壁之间，两个副隔离墙6的一端分别与主隔离墙9的两端一一对应相连接，两个副隔离墙6的另一端均与辐射腔体5的内壁相连接；两个副隔离墙6之间设置有金属块10，金属块10与主隔离墙9构成台阶状，金属块10的长度与两个副隔离墙6之间的距离相同。
金属墙将辐射腔体5的下部分割成两部分，一部分为第一波导腔体11和第一馈电端口7，另一部分为第二波导腔体12和第二馈电端口8；金属块10、两个副隔离墙6和辐射腔体5的下部内壁围合形成第二波导腔体12；主隔离墙9与辐射腔体5的下部内壁围合形成第一波导腔体11。
每个副隔离墙6靠近辐射腔体5内壁的一侧均设置有凹槽。
第二圆极化波导辐射器4为一个台阶状的金属隔板，其最大高度低于第一圆极化波导辐射器3的底端。第二圆极化波导辐射器4位于金属块10的上表面且在其辐射腔体的中心线上，其长度相同与金属块10的长度相同。第二圆极化波导辐射器4台阶状外壁的下方设有第二辐射口8。
第一圆极化波导辐射器3为多个金属台阶组成的金属膜片。第一圆极化波导辐射器3位于主隔离墙9的上表面且在辐射腔体5的中心线上。
馈电网络为双层微带或波导形式，每一层分别与第一馈电端口7和第二馈电端口8相连接。
将上述研制的双圆极化天线单元2进行组阵后，通过后端的馈电网路将其进行信号合成，并按照一定的规律实施矩形或者三角形排布，就可以实现阵列的设计和研制。
以某频段圆极化阵列天线设计为例，说明该技术发明的创新性。设计的天线方案覆盖高低两个频段，倍频程为1.5，其中，辐射腔体5的口面尺寸为0.73倍波长相对于低频段，第一圆极化辐射器3为低频段的右旋圆极化信号形成部件，第二圆极化辐射器4为高频段的左旋圆极化信号形成部件，第一圆极化辐射器3的金属隔板的顶端到副隔离墙6的高度为0.67倍的波长相对于低频段，第二圆极化辐射器4金属隔板的顶端到第二馈电端口8的高度为1倍波长相对于高频段。采用该技术后可以将整个频段的信号通过一个辐射口输出，同时生成双圆极化，圆极化的轴比特性在法向波束时小于1.5dB，交叉极化低于25dB，既节省了天线设计的空间，又提高了天线辐射效率，同时也有利于后端馈电方式的实现。
工作原理
以一种双圆极化阵列天线为例，阐述该发明的工作原理。该天线既可以工作在发射状态，又可以工作在接收状态。
当发射信号时，发射机产生的信号进入双层馈电网络，分别进入第一馈电端口7和第二馈电端口8。其中，经过第一馈电端口7的信号，在波导腔内传输，到达第一圆极化辐射器3时，将线极化信号转化为圆极化信号，由辐射腔体5辐射到空间中。经过第二馈电端口8的信号，在波导腔内传输，到达第二圆极化辐射器4时，将线极化信号转化为圆极化信号，由辐射腔体5辐射到空间中。
当接收信号时，空间来的圆极化极化信号经过如图2所示的辐射腔体5，经过第一圆极化辐射器3的信号，极化形式由圆极化转化为线极化，通过波导腔体，由第一馈电端口7进入其连接的馈电网络，实现信号的接收功能。经过第二圆极化辐射器4的信号，极化形式由圆极化转化为线极化，通过其波导腔体，由第二馈电端口8进入其连接的馈电网络，进而实现信号的接收功能。

Claims (7)

1.一种双圆极化天线单元，包括辐射腔体（5）和第一圆极化波导辐射器（3）；辐射腔体（5）的上部且在内壁中心线上设置有第一圆极化波导辐射器（3），其特征在于：还包括第二圆极化波导辐射器（4）、第一波导腔体（11）、第二波导腔体（12）、第一馈电端口（7）、第二馈电端口（8）和金属墙；
所述的金属墙包括主隔离墙（9）、两个副隔离墙（6）和金属块（10），主隔离墙（9）位于辐射腔体（5）的两相对面之间且主隔离墙的长度与辐射腔体（5）的馈电端口长度相同；两个副隔离墙（6）位于主隔离墙（9）的同一侧且均与主隔离墙（9）相垂直，两个副隔离墙（6）的一端分别与主隔离墙（9）的两端一一对应相连接，两个副隔离墙（6）的另一端均与辐射腔体（5）的内壁相连接；两个副隔离墙（6）之间设置有金属块（10），金属块（10）与主隔离墙（9）构成台阶状，金属块（10）的长度与两个副隔离墙（6）之间的距离相同；
金属墙将辐射腔体（5）的下部分割成两部分，一部分为第一波导腔体（11）和第一馈电端口（7），另一部分为第二波导腔体（12）和第二馈电端口（8）；金属块（10）、两个副隔离墙（6）和辐射腔体（5）的下部内壁围合形成第二波导腔体（12）；主隔离墙（9）与辐射腔体（5）的下部内壁围合形成第一波导腔体（11）；
主隔离墙（9）的上表面设置有第一圆极化波导辐射器（3）；金属块（10）的上表面设置有与其长度相同的第二圆极化波导辐射器（4）。
2.根据权利要求1所述的一种双圆极化天线单元，其特征在于：第一圆极化波导辐射器（3）和第二圆极化波导辐射器（4）均为金属块状的金属隔板，第二圆极化波导辐射器（4）的最大高度低于第一圆极化波导辐射器（3）的底端；第二圆极化波导辐射器（4）的底端长度与金属块（10）相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种双圆极化天线单元，其特征在于：所述的第一圆极化波导辐射器（3）位于辐射腔体（5）的中心线上，第二圆极化波导辐射器（4）位于其辐射腔体的中心线上；所述的辐射腔体由主隔离墙（9）、两个副隔离墙（6）和辐射腔体（5）的下部内壁围合形成。
4.根据权利要求1或2所述的一种双圆极化天线单元，其特征在于：每个副隔离墙（6）靠近辐射腔体（5）内壁的一侧均设置有凹槽。
5.根据权利要求3所述的一种双圆极化天线单元，其特征在于：第一圆极化辐射器（3）的顶端到主隔离墙（9）上表面的高度为0.67倍波长；第二圆极化辐射器（4）的顶端到第二馈电端口（8）的高度为1倍波长。
6.根据权利要求1或2所述的一种双圆极化天线单元，其特征在于：辐射腔体（5）的空腔中填充有介质。
7.一种双圆极化阵列天线，包括如权利要求1中的m×n个双圆极化天线单元（2）和馈电网络，其中m，n均为大于1的自然数； 其特征在于：馈电网络为双层微带或双层波导形式，每一层分别与第一馈电端口（7）和第二馈电端口（8）一一对应相连接。
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一种相控阵天线小面阵波束评估方法;王海 等;《无线通信技术》;20160630;全文 *
新型强耦合宽带双圆极化阵列天线;张福恒 等;《电波科学学报》;20160630;全文 *

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