CN107039781B - 一种基于平面结构的新型模式转换天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于平面结构的新型模式转换天线，属于微波天线领域。包括馈源与天线阵面，馈源为用于模拟高功率微波源工作模式的一种特定模式激励器；天线阵面由无源微带谐振单元规则排列组成；馈源辐射出待转换的电磁波信号，通过空间馈电方式照射于天线阵面，各无源微带谐振单元对电磁波信号进行相位补偿，使入射电磁波信号经过天线阵面反射之后形成指向设定方向的合成波束，实现微波定向辐射；同时，根据设定的输出模式电场分布改变入射电磁波的极化方向，将馈源辐射出的模式转换为设定的输出模式，即实现微波模式转换功能。该天线具有体积小、重量轻、成本低、辐射效率高、易加工等优势，无论在军事还是民用领域都具有很高的应用价值。

Description

一种基于平面结构的新型模式转换天线
技术领域
本发明属于微波天线领域，特别涉及一种微波模式转换天线。
背景技术
对于大多数高功率微波源，其输出的微波模式多为旋转轴对称模(TE0n、TM0n)或高阶边廊模式(TEmn，m>>1，n～1，2)。由于此种模式是属于对称的非线性极化模式，没有确定的极化方向，并且其轴向辐射呈不理想的空心圆锥状，不利于长距离的传输或者直接利用，最终会导致微波源输出能量不能有效地集中于目标上。因此，目前通常采用以下两种方式来解决上述问题。
第一种方式是使用模式转换器将上述高功率微波源输出模式转换成适于直接传输与应用的HE11模或者高斯模式，然后再驱动常规天线辐射出去。目前常用的波导模式转换器主要有波导模式转换器与准光模式转换器。其中，波导模式转换器虽然可实现较高的转换效率，但是存在变换链路过长、损耗大、功率容量有限、难以抑制寄生模式等不足。而准光模式转换器由于采用聚焦镜面等准光器件来控制电磁波的传输，引入先进算法技术可有效提高模式转换效率，并且不存在波导边壁从而可以突破功率容量限制，但是过多的准光器件使该模式转换器存在体积庞大、各准光器件难以精确对齐、加工成本高等不足。
第二种方式是采用模式变换器和天线一体化的模式转换天线，最具代表性的就是美国空军Philips实验室提出的COBRA(Coaxial Beam-Rotating Antenna)天线[C.C.Courtey,C.E.Baum.The coaxial beam-rotating antenna(COBRA):theory ofoperation and measured performance.IEEE Trans on Antenna and Propagation,2000,48(2):299-309]，实物参见图1。它无需模式转换便可在轴向获得最大辐射，同时具有频带宽、功率容量高等优点。但是由于其反射面被分成多瓣，天线焦点不唯一，从而导致辐射效率低；而且COBRA天线只能输出圆极化模式，限制了其应用范围；此外，该类模式转换天线由于采用曲面结构，不仅造成天线体积庞大，而且增加了加工难度(特别是在毫米波段)。
面对以上诸多不足，近年来国内外对模式转换天线开展了大量的探索与研究，但是受限于微波技术、材料、工艺及成本等方面的发展现状，大多数模式转换天线依然难以完全满足高功率系统高性能、低成本以及紧凑化的设计要求。总之，目前国内外还没有在性能、紧凑化、设计加工成本等方面兼顾的模式转换天线。
发明内容
本发明鉴于以上技术背景提出了一种新型模式转换天线，该天线具有体积小、重量轻、成本低、辐射效率高、易加工等优势，使其无论在军事领域还是民用领域都具有很高的应用价值。
本发明采取的技术方案是：
一种新型模式转换天线，包括馈源与天线阵面，其特征在于：所述馈源为一种特定模式激励器，用于模拟高功率微波源工作模式的波导器件；所述天线阵面是由无源微带谐振单元规则排列组成；所述馈源辐射出待转换模式的电磁波信号，并通过空间馈电方式照射于天线阵面，天线阵面上的各无源微带谐振单元对到达天线阵面的电磁波信号进行相位补偿，使入射电磁波信号经过天线阵面反射之后形成指向设定方向的合成波束，实现微波定向辐射；同时，根据设定的输出模式电场分布改变入射电磁波的极化方向，将馈源辐射出的模式转换为设定的输出模式，即实现微波模式转换功能。
进一步地，所述无源微带谐振单元满足独立工作在两个互相垂直的极化方向，并且两极化之间相互影响小；所述无源微带谐振单元包括介质基片、设置于介质基片上表面的金属贴片、以及覆盖介质基片下表面的金属层；其金属贴片形状可以为矩形、平行振子、椭圆形、矩形环等任意形状，如图2所示，具体金属贴片形状视具体物理空间限制和天线功能要求而定。
进一步地，所述馈源可采用正馈方式或者偏馈方式进行馈电。
进一步地，所述的介质基片通常采用低损耗的高频板材，基片数量无限制。
进一步地，所述天线阵面改变无源微带谐振单元某一极化方向尺寸可补偿馈源相位中心到阵面各单元的空间相位差，实现微波定向辐射。
进一步地，所述天线阵面通过调整无源微带谐振单元另一极化方向上的尺寸以及旋转各单元角度，可将馈源辐射的模式转换为设定的输出模式，实现模式转换的功能。
进一步地，所述天线阵面可以采用圆形、方形等呈镜像对称的布阵方式。
相比于现有技术，本发明的有益效果：
1.本发明的模式变换天线具有低剖面、体积小、重量轻、辐射效率高、结构简单紧凑等优点，同时，由于微带谐振单元涉及参数多，给设计带来了更大的自由度。
2.本发明可采用成熟的PCB、LTCC等制造工艺，不仅使其加工成本大幅度降低，同时也提高了制造精度，这就保证了本发明所涉及的模式变换天线加工成品容易满足设计要求，不需要对加工过程中出现的误差进行修正，为大规模批量生产提供了可能性。
3.本发明所涉及的模式变换天线可以将任意旋转轴对称模式转化为单一线极化模式，而不再局限于COBRA天线输出的圆极化模式，拓展了模式变换天线的应用领域。
附图说明
图1.美国空军Philips实验室提出的COBRA天线实物图；
图2.无源微带谐振单元结构示意图；
图3.本发明实施例中TE01-HE11模式转换天线侧视图；
图4.本发明实施例中无源微带谐振单元结构模式示意图；
图5.本发明实施例中无源微带谐振单元反射相位与长度lx关系曲线图；
图6.本发明实施例中长度ly改变时无源微带单元反射相位与长度lx关系曲线图；
图7.本发明实施例中无源微带谐振单元极化扭转工作原理图；
图8.本发明实施例中TE01模和HE11模场分布示意图；
图9.本发明实施例中天线阵面俯视图；
图10.本发明实施例中所提出天线与同口径COBRA天线辐射方向图对比结果；
图11.本发明实施例中所提出天线与同口径COBRA天线输出模式场分布图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明内容作进一步说明。本实施例为一种TE01-HE11新型模式转换天线，工作频点选取94GHz。
参见图3，一种TE01-HE11新型模式转换天线包括：馈源1和天线阵面2。所述馈源采用的是TE01圆波导辐射器，输出口径为16mm；所述天线阵面是由81个单层无源微带谐振单元以圆形结构布阵而成，阵面口径D＝22mm；所述馈源以正馈方式进行馈电且天线焦距为F＝27.06mm。
本实施例中采用的无源微带谐振单元结构如图4所示。无源微带单元金属贴片形状采用的是两组相互垂直放置的平行振子贴片3(每一组平行振子贴片包括一个长振子贴片和四个短振子贴片)，且平行振子贴片设置于介质基片4上。为了减小介质损耗，此处采用了单层Rogers 5880的介质基片4(介电常数为2.2，正切损耗值为0.0009，厚度为0.508mm)，介质基片背部5为整层金属接地层。为保证实施例所提供的模式转换天线在工作频点处不出现栅瓣，微带谐振单元周期为2mm(约为0.63个工作频点波长)。
所述无源微带谐振单元可独立工作在两个互相垂直的极化方向：x极化与y极化。在x极化方向，单元长振子贴片与短振子贴片长度分别是lx、lx1，lx1＝k*lx，k为常数；在y极化方向，单元长振子贴片与短振子贴片长度分别是ly、ly1，ly1＝k*ly；所述无源微带单元工作在上述极化方向中的任意一个，单元的长振子与短振子贴片宽度均为w。上述无源微带单元总共有六个尺寸参数，其中两个参数取最优值后保持固定，即w＝0.1mm，k＝0.3mm。另外四个参数是可调的，其中lx1与ly1是驱动参数，实际只有lx与ly是可调参数，其调节范围均是0.3mm到1.75mm，步长为0.05mm。
图5为上述无源微带谐振单元工作在x极化方向时的反射相位曲线，从图中可看出，单元的反射相位在lx的调节范围内可达到360°全域相位变化且反射相位曲线的线性度较好。当y极化方向长度ly发生变化时，上述反射相移曲线变化非常小，参见图6。同时，单元工作在y极化方向同样可以得到上述结论。这表明所设计单元具有很高的极化隔离度，有利于本发明天线实现高性能。
下面描述的是利用上述单元来设计天线阵面，使本实施例天线实现微波定向辐射以及模式转换性能。
1、微波定向辐射性能
对于本发明天线，馈源以空间辐射方式将电磁波照射到天线阵面上，但无论馈源采用何种形式天线或者何种模式激励，从馈源激励的均是球面波，即馈源相位中心到天线阵面各单元会存在空间相位差，为了保证本实施例天线能够实现微波定向辐射性能，本实施例通过调节上述单元x极化方向尺寸lx来补偿该空间相位差，使入射的球面波经过天线阵面之后可以转换为平面波。
具体地，天线阵面各个单元需补偿的空间相位差可以通过下述公式计算：
Figure BDA0001263315470000051
其中，k0是真空中的传播常数，不同频率对应的播常数不同；di代表馈源相位中心到第i个单元的距离；(xi,yi)是第i个单元的中心坐标；
Figure BDA0001263315470000052
为天线的辐射方向；φR(xi,yi)就是第i个单元所需补偿的相位值。
确定各个单元所需补偿相位之后，结合图5通过线性插值算法就可以求出天线阵面每个单元lx尺寸。
2、模式转换性能
参考图7，当入射波
Figure BDA0001263315470000053
照射到上述单元时，可分解为两个相互垂直的分量
Figure BDA0001263315470000054
和
Figure BDA0001263315470000055
这两个分量会在单元中呈现不同传播特性，通过调整单元在两分量上的长度，可使两分量的反射相位相差180°，此时，反射波
Figure BDA0001263315470000056
极化方向就会发生改变，即为微带谐振单元极化扭转原理。由于图中
Figure BDA0001263315470000057
是可变的，因此，如果选取合适参数，微带谐振单元可实现任意角度的极化扭转。
本实施例天线需完成TE01模式转换为HE11模式。其中，圆波导TE01模是一种旋转轴对称模式，电力线在圆波导横截面内呈现同心圆分布，并且电力线沿着圆周不断变化，参见图8(a)。而HE11模为单一方向线极化场，电力线方向一致，参见图8(b)。对比这两种模式极化方向分布可知，天线阵面上各个单元实现极化扭转的角度不同，例如在天线阵面
Figure BDA0001263315470000058
和
Figure BDA0001263315470000059
位置极化扭转角度最大，在
Figure BDA00012633154700000510
和
Figure BDA00012633154700000511
位置电场不用扭转，但需调整180°的相差。由于单元lx尺寸已经确定，按照上述极化扭转原理，此时，根据天线阵面上各单元所需极化扭转角度便可确定各单元ly尺寸以及旋转角度。
综上所述，本发明只需调整微带阵列单元各方向尺寸以及旋转角度就可实现微波定向辐射以及模式转换性能。最终，本实施例天线阵面俯视图如图9所示。
为了体现本发明的优势，本实施例均使用馈源的等效远场点源进行仿真计算，以下结合仿真计算结果对本发明的技术效果作进一步描述：
图10是本发明天线的辐射方向图与同口径的COBRA天线辐射方向图对比结果。从图中可以看出，本发明天线增益为23.86dB，辐射效率达到52.34％，而同口径的COBRA天线增益为22.91dB，辐射效率只有41.58％。图11(a)是本实施例天线输出的场分布，该场分布呈现中间强两端弱且对称性良好、匀称，表明输出波束的模式为HE11，同时根据场分布计算出该方向上极化纯度可达到99.69％以上。图11(b)是同口径COBRA天线输出的场分布，由于输出的为圆极化模式，该方向极化含量只有48.61％。
因此，本发明提出的新型模式转换天线与现有技术相比，具有定向辐射性能好、单一线极化纯度高，同时还具有体积小、加工简单且成本低、辐射效率高等优点，在微波天线技术领域有广阔的应用前景。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，只用于对本发明进行具体的描述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明内容所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于平面结构的新型模式转换天线，包括馈源与天线阵面，其特征在于：所述馈源为TE01圆波导辐射器，用于激励高功率微波；所述天线阵面由无源微带谐振单元规则排列组成；所述馈源辐射出圆波导TE01模，并通过空间馈电方式照射于天线阵面，通过改变天线阵面上各无源微带谐振单元某一极化方向的尺寸，对到达天线阵面的电磁波信号进行相位补偿，使入射电磁波信号经过天线阵面反射之后形成指向设定方向的合成波束，实现微波定向辐射；同时，通过调整各无源微带谐振单元另一极化方向上的尺寸以及旋转各单元角度，将馈源辐射的TE01模转换为HE11模，实现微波模式转换功能。
2.如权利要求1所述的一种基于平面结构的新型模式转换天线，其特征在于：所述无源微带谐振单元满足独立工作在两个互相垂直的极化方向，并且两极化之间相互影响小。
3.如权利要求1所述的一种基于平面结构的新型模式转换天线，其特征在于：所述无源微带谐振单元包括介质基片、设置于介质基片上表面的金属贴片、以及覆盖介质基片下表面的金属层。
4.如权利要求3所述的一种基于平面结构的新型模式转换天线，其特征在于：所述金属贴片形状为矩形、平行振子、椭圆形或矩形环。
5.如权利要求3所述的一种基于平面结构的新型模式转换天线，其特征在于：所述的介质基片采用低损耗的高频板材。
6.如权利要求1所述的一种基于平面结构的新型模式转换天线，其特征在于：所述馈源采用正馈方式或者偏馈方式进行馈电。
7.如权利要求1所述的一种基于平面结构的新型模式转换天线，其特征在于：所述天线阵面采用圆形、方形或者呈镜像对称的布阵方式。
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