CN106532269B - 一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于矩波导馈电的空心波束天线，包括矩形波导连接段，可连接矩形波导馈电结构；矩形‑圆波导过渡段，构成矩形波导和圆波导之间的几何过渡；同轴截止段，实现高次模截止与导行波模式转换；圆锥喇叭，用于将导行波辐射到自由空间；金属芯，用于与圆形腔体构成同轴结构；锥形介质，用于金属芯上端固定以及波束角度调整；本发明利用波导过渡结构和截止结构，将矩形波导的TE₁₀模式导行波转化为同轴波导的TEM模式导行波，以TEM模式导行波对圆锥喇叭天线馈电，形成空心的波瓣方向辐射特性，结构简单易加工，实现了体积小型化、高过载承受力。

Description

一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是一种基于矩波导馈电产生空心波瓣辐射特性的天线。

背景技术

空心波束天线是指波瓣图在径向对称，辐射增益最大方向与轴线成一定夹角的一类天线。这类天线辐射方向具有旋转对称、覆盖角度宽、全向性等优势，这种波瓣结构十分适合于防撞雷达、自动追踪和遥感系统。尤其在引信系统中，运动过程中需要探测与其运动切线方向成一定角度空间范围的目标。特别是对于本身运动过程中仅作微旋甚至不旋的载体。在上述环境中，经常采用空心波束天线。

在空心波束的实现上，现有文献报道了空心波束天线的结构：

文献1（J.-S.Row and M.-C.Chan,Reconfigurable Circularly-PolarizedPatch Antenna With Conical Beam,IEEE Transactions on antenna and propagation,2010,58,(8):2753-2757）使用贴片天线结构实现空心波束，但是由于波束形状及增益受辐射单元布阵影响，因此天线在辐射方向法向的尺寸难以控制，且布阵无法做到环形对称，导致方向图全向性效果不佳。

文献2（S.-S.Qi,W.Wu,and D.-G.fang,Three sections circular waveguideaperture antenna with conical beam,IEEE Progress In Electromagnetics ResearchLetters,2011,22:147-154）使用圆波导高次模辐射，但是以同轴探针馈电限制了前端馈源设计，同时不同口径圆波导间需要设计匹配段，驻波比由匹配段实际尺寸决定，因此此设计对加工精度的要求较高。

文献3（一种基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，专利申请号CN201310328312.0）同样使用圆波导高次模辐射，该专利是以螺钉深度调节匹配，结构较复杂，天线口介质缺乏支撑，在高过载环境下易发生形变，从而影响实际性能。

由上可知，现有的空心波束天线基于圆锥喇叭辐射，缩小了在辐射方向法向平面的占用空间，直接以矩波导馈电，相对于同轴线馈电驻波比更优，以波导平滑过渡代替口径不连续的匹配段设计，降低了对加工精度的要求，减少可分离部件数量并以喇叭内腔面支撑介质材料，从而提高整体结构强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，包括矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段、同轴截止段、圆锥喇叭、金属芯和锥形介质；

所述矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段、同轴截止段和圆锥喇叭依次连接，其中矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段和同轴截止段均为腔体结构，三者的中轴线相重合，圆锥喇叭的形状为圆锥形，其中轴线与同轴截止段的中轴线重合；所述矩形波导连接段为矩波导，矩形-圆波导过渡段内腔的一个端口为矩形口另一个端口为圆形口，两个端口之间以直线平滑过渡，同轴截止段为圆柱形腔体，圆锥喇叭内填充锥形介质，金属芯位于空心波束天线的中轴线上并在矩形波导连接段内向矩波导宽边呈九十度弯折，该弯折端固定在矩形波导连接段的内腔宽边侧壁中心。

优选的，金属芯的端部与圆锥喇叭的天线口面平齐。

优选的，锥形介质嵌于圆锥喇叭内腔，中轴开有通孔，金属芯位于通孔中。

优选的，介质的材料为聚四氟乙烯。

优选的，同轴截止段内腔的半径b与金属芯的半径a满足下式：

(a+b)π<λ

其中λ为导行波波长。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：1）本发明利用圆锥喇叭辐射代替了微带阵列，缩小了在辐射方向法向平面的占用空间。2）馈电口设计为与矩波导同型，矩波导相对于同轴线馈电反射系数更低。3）以波导平滑过渡代替口径不连续的匹配段设计，降低了对加工精度的要求。4）本发明在整体结构上可分离部件数量少，并以喇叭内腔面支撑介质材料，从而提高整体结构强度。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线的机械结构图。

图2为天线内腔各段电场分布示意图，其中图(1)为矩形波导连接段内电场分布，图（2）为同轴截止段内电场分布，图（3）为天线口面电场分布。

图3为天线仿真二维波瓣图。

图4为天线馈电口反射系数曲线。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，包括矩形波导连接段1、矩形-圆波导过渡段2、同轴截止段3、圆锥喇叭4、金属芯5和锥形介质6，

所述矩形波导连接段1、矩形-圆波导过渡段2、同轴截止段3和圆锥喇叭4依次连接，其中矩形波导连接段1、矩形-圆波导过渡段2和同轴截止段3均为腔体结构，三者的中轴线相重合，圆锥喇叭4的形状为圆锥形，其中轴线与同轴截止段3的中轴线重合；所述矩形波导连接段1为矩波导，矩形-圆波导过渡段2内腔的一个端口为矩形口另一个端口为圆形口，两个端口之间以直线平滑过渡，同轴截止段3为圆柱形腔体，圆锥喇叭4内填充锥形介质6，金属芯5位于空心波束天线的中轴线上并在矩形波导连接段1内向矩波导宽边呈九十度弯折，该弯折端固定在矩形波导连接段1的内腔宽边侧壁中心。

金属芯5的端部与圆锥喇叭4的天线口面平齐。

锥形介质6嵌于圆锥喇叭4内腔，中轴开有通孔，金属芯5位于通孔中。

介质6的材料为聚四氟乙烯。

同轴截止段3内腔的半径b与金属芯5的半径a满足下式：

(a+b)π<λ

其中λ为导行波波长。

下面进行更详细的描述：

本发明的一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，包括矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段、同轴截止段、圆锥喇叭、金属芯、锥形介质，矩形波导连接段一侧可以由矩形波导馈电结构馈电，另一侧与矩形-圆波导过渡段相连，此段结构用于导通矩形波导下的TE₁₀模式导行波。矩形-圆波导过渡段一侧端口为矩形端口与矩形波导连接段相连，中间以直线平滑过渡，另一侧为圆形端口与同轴截止段相连，在无内插导体芯时等效于一个矩波导转圆波导的模式转换器，在插入导体芯后构成异形同轴波导结构。

同轴截止段为特定尺寸的同轴波导，一侧与矩形-圆波导过渡段相连，另一侧与圆锥喇叭相连，口径与两相邻连接段相等，用于截止高次模，导通稳定的TEM模导行波。同轴截止段内腔的半径b与金属芯的半径a，在单模传输条件由以下公式确定：

(a+b)π<λ

圆锥喇叭作为辐射口面，一侧与同轴截止段直接相连，将接收到的TEM模式导行波，通过另一侧的开方面辐射到自由空间。金属芯位于空心波束天线的中轴线上并在矩形波导连接段内向矩波导宽边呈九十度弯折，该弯折端固定在矩形波导连接段的内腔宽边侧壁中心，另一端与圆锥喇叭天线口面平齐。

锥形介质的材料选择相对介电常数略大于空气的电磁波可透射材料，以喇叭内腔尺寸做外轮廓，中轴打通与金属芯半径相等的通孔，供金属芯贯穿插入。同时在喇叭口面构成介质-空气边界，可以增加波束增益最高点外倾角度。

整体结构可分为模式转换部分和辐射部分，在模式转换部分金属芯一端于矩形波导连接段处弯折，插入内腔侧壁并固定，与内插金属芯共同构成导行波模式过渡结构，在同轴截止段与圆柱腔体共同构成同轴波导，内外半径由截止波长确定。在辐射部分金属芯另一端延伸至圆锥喇叭，与天线口面平齐；矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段、同轴截止段、圆锥喇叭四段一体制作成形，不需要螺丝等机械固定结构。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

结合图1，一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，包括矩形波导连接段1、矩形-圆波导过渡段2、同轴截止段3、圆锥喇叭4、金属芯5、锥形介质6。

通过矩形波导连接段1馈电，此处以中国国家标准BJ320标准波导（3.56mm*7.12mm）为例，长度1.6mm，馈电模式为矩形波导下的TE10模，其电场分布如图2-(1)所示。

矩形波导下的TE10模经由矩形-圆波导过渡段2，长度10mm，将导行波传输入同轴截止段3；

矩形-圆波导过渡段2输入的导行波经由同轴截止段3，a=0.5mm，b=1.7mm，长度2.5mm模式变换为稳定的TEM模，通过圆锥喇叭4辐射到自由空间，喇叭4长度为19mm，开放口面半径为12mm，电场分布分别如图2-(2)和2-(3)所示；

以聚四氟乙烯（相对介电常数2.1）的锥形介质6口面水平（曲率为0）为例，二维波瓣图如图3所示，可见其观察角0°和90°处波瓣匀称，达到全向性，最大增益点倾角达到

35°，符合空心波束特性。

通过适当增加矩形-圆波导过渡段2高度，保留锥形介质6下方锥角，都可以改变天线匹配程度，降低部分反射，使得反射系数得到优化，以35GHz工作频率为例，其频域曲线如图4所示，反射系数低于-40dB，带宽大于1GHz。

由上可知，此空心波束天线的波瓣图在径向对称，辐射增益最大方向与轴线成一定夹角，具有环形对称、覆盖角度宽、全向性等优势。在辐射方向法向仅占用12mm半径的圆形空间，总长度33.1mm。

Claims (1)

1.一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，其特征在于，包括矩形波导连接段[1]、矩形-圆波导过渡段[2]、同轴截止段[3]、圆锥喇叭[4]、金属芯[5]和锥形介质[6]，

所述矩形波导连接段[1]、矩形-圆波导过渡段[2]、同轴截止段[3]和圆锥喇叭[4]依次连接，其中矩形波导连接段[1]、矩形-圆波导过渡段[2]和同轴截止段[3]均为腔体结构，三者的中轴线相重合，圆锥喇叭[4]的形状为圆锥形，其中轴线与同轴截止段[3]的中轴线重合；所述矩形波导连接段[1]为矩波导，矩形-圆波导过渡段[2]内腔的一个端口为矩形口另一个端口为圆形口，两个端口之间以直线平滑过渡，同轴截止段[3]为圆柱形腔体，圆锥喇叭[4]内填充锥形介质[6]，金属芯[5]位于空心波束天线的中轴线上并在矩形波导连接段[1]内向矩波导宽边呈九十度弯折，该弯折端固定在矩形波导连接段[1]的内腔宽边侧壁中心；

金属芯[5]的端部与圆锥喇叭[4]的天线口面平齐；

锥形介质[6]嵌于圆锥喇叭[4]内腔，中轴开有通孔，金属芯[5]位于通孔中；

介质[6]的材料为聚四氟乙烯；

同轴截止段[3]内腔的半径b与金属芯[5]的半径a满足下式：

(a+b)π<λ

其中λ为导行波波长。