CN107069188B - 低剖面高效率双极化平板天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面高效率双极化平板天线，包括：辐射缝隙、耦合波导、激励波导、水平极化馈电结构和垂直极化馈电结构；其中，所述耦合波导与所述激励波导相连接；所述水平极化馈电结构与所述激励波导的一侧相连接；所述垂直极化馈电结构与所述激励波导的另一侧相连接，其中，所述垂直极化馈电结构的轴线与所述水平极化馈电结构的轴线垂直；所述耦合波导的上表面的每个对角线上开设有两个辐射缝隙，两个辐射缝隙关于该对角线中心对称。本发明具有同时双极化工作、剖面低、效率高、结构紧凑、便于组阵和模具化批量生产的优点。

Description

低剖面高效率双极化平板天线
技术领域
本发明涉及一种低剖面高效率双极化平板天线，可作为双极化反射面的馈源或双极化天线阵列的组阵单元，属于平板天线技术领域。
背景技术
目前对于同时双极化天线的需求越来越多。比较常见的双极化天线包括双极化微带阵列天线、双极化波导阵天线等。微带天线由于其剖面底、体积小、易于和载体共形的特点，已获得了广泛的应用，根据应用的需要，已研制出多种线极化、圆极化、双极化及多极化的结构形式，但是由于介质损耗的缘故，高增益的大型微带阵列的效率总是很低，如Eswarappa Channabasappa的专利“MULTI-POLARIZATION PLANAR ANTENNA,US 7,486,239B1”，不仅带宽窄、结构复杂，用于大型阵列时效率也会很低。
对于双极化波导阵天线，起初人们在波导缝隙阵天线的基础上做工作，常规的波导缝隙阵中作为辐射元的缝隙其位置和取向是固定的，缝单元的辐射极化也因此而固定，所以一副波导缝隙天线通常只能提供一种极化。为了实现双极化工作，通常采用两种单极化波导缝隙天线组阵的形式，天线存在结构复杂、口面利用效率低等缺点。后来出现了一种新的双极化波导阵天线形式，是由多层腔体结构组成，辐射单元的形式为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝形。这类双极化波导阵天线采用全金属结构，效率高，但是其分层结构复杂、剖面高度高，不适用于空间有限的场合。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种低剖面高效率双极化平板天线，具有同时双极化工作、剖面低、效率高、结构紧凑、便于组阵和模具化批量生产的优点。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种低剖面高效率双极化平板天线，包括：辐射缝隙、耦合波导、激励波导、水平极化馈电结构和垂直极化馈电结构；其中，所述耦合波导与所述激励波导相连接；所述水平极化馈电结构与所述激励波导的一侧相连接；所述垂直极化馈电结构与所述激励波导的另一侧相连接，其中，所述垂直极化馈电结构的轴线与所述水平极化馈电结构的轴线垂直；所述耦合波导的上表面的每个对角线上开设有两个辐射缝隙，两个辐射缝隙关于该对角线中心对称。
上述低剖面高效率双极化平板天线中，所述水平极化馈电结构包括水平微带馈电探针和水平矩形波导；其中，所述水平矩形波导与所述激励波导的一侧相连接；所述水平微带馈电探针插入所述水平矩形波导内，所述水平微带馈电探针的轴线与所述水平矩形波导的轴线重合，所述水平微带馈电探针的一端伸入所述激励波导内。
上述低剖面高效率双极化平板天线中，所述垂直极化馈电结构包括垂直微带馈电探针和垂直矩形波导；其中，所述垂直矩形波导与所述激励波导的另一侧相连接；所述垂直微带馈电探针插入所述垂直矩形波导内，所述垂直微带馈电探针的轴线与所述垂直矩形波导的轴线重合，所述垂直微带馈电探针的一端伸入所述激励波导内。
上述低剖面高效率双极化平板天线中，所述激励波导的轴线与所述耦合波导的轴线重合；所述水平极化馈电结构的轴线与所述耦合波导的上表面的其中一个对角线平行，与另一个对角线垂直。
上述低剖面高效率双极化平板天线中，所述激励波导的轴线与所述耦合波导的轴线重合；所述水平极化馈电结构的轴线与所述耦合波导的上表面的两个对角线的夹角的其中一个平分线平行。
上述低剖面高效率双极化平板天线中，每个辐射缝隙的中心与所述耦合波导的上表面的相对应的1/2对角线的中心相重合。
上述低剖面高效率双极化平板天线中，所述耦合波导为长方体，所述激励波导为长方体，所述耦合波导的下表面大于所述激励波导的上表面。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明突破了传统双极化辐射单元的形式：正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝形，颠覆了传统缝隙辐射固定极化的概念，创新了双极化平板天线形式，在耦合波导腔的短路面上沿对角线开了4个辐射缝隙，当天线辐射或接受水平极化波时，在一条对角线上的2个辐射缝隙工作或4个辐射缝隙同时工作，当天线辐射或接受垂直极化波时在一条对角线上的2个辐射缝隙工作或4个辐射缝隙同时工作，从而在保证双极化工作的前提下，结构简单；
(2)本发明在激励结构和辐射结构之间引入耦合波导腔起到阻抗匹配作用，同时耦合波导腔的高度不大于0.2λ，保证了天线整体的低剖面设计；
(3)本发明引入了极化馈电结构，它由矩形波导和嵌在波导内部的微带馈电探针组成，这种馈电网络结构与同频率的波导传输结构相比尺寸小，与微带线传输结构相比损耗低，兼有波导传输结构和微带线传输结构的优点。
附图说明
图1是本发明的低剖面高效率双极化平板天线的结构示意图；
图1-1是本发明的低剖面高效率双极化平板天线的另一结构示意图；
图2(a)是本发明的低剖面高效率双极化平板天线的俯视图；
图2(b)是本发明的低剖面高效率双极化平板天线的另一俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明的低剖面高效率双极化平板天线的结构示意图。图1-1是本发明的低剖面高效率双极化平板天线的另一结构示意图。如图1和图1-1，该低剖面高效率双极化平板天线包括：辐射缝隙1、耦合波导2、激励波导3、水平极化馈电结构410和垂直极化馈电结构420；其中，
耦合波导2与激励波导3相连接。具体的，耦合波导2的壳体为金属材料，激励波导3的壳体为金属材料。
水平极化馈电结构410与激励波导3的一侧相连接；
垂直极化馈电结构420与激励波导3的另一侧相连接，其中，垂直极化馈电结构420的轴线与水平极化馈电结构410的轴线垂直；
耦合波导2的上表面的每个对角线上开设有两个辐射缝隙1，两个辐射缝隙1关于该对角线中心对称。
垂直极化馈电结构420和水平极化馈电结构410会在激励波导3中激励出TE10模电磁波和TE01模电磁波，分别对应着垂直极化信号和水平极化信号。由于激励波导3和耦合波导2之间有截面突变，因此电磁波从激励波导3传输到耦合波导2时，会产生高次模。由高次模的激励原理可知，耦合波导2的腔中将会存在高次模TEmn，m、n的奇、偶特性和激励波导3中的模式一样。此时传输电磁波仍保留着在激励波导3中的极化特性，经过辐射缝隙1辐射到自由空间。单个辐射缝隙1辐射电磁波的极化方向与缝隙宽度方向一致，但是4个辐射缝隙一起工作，某些方向的场会增强而某些方向的场会被抵消，因此最终辐射到自由空间的电磁波极化方向仍与激励之初的电磁波极化方向保持一致。
本实施例突破了传统双极化辐射单元的形式：正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝形，颠覆了传统缝隙辐射固定极化的概念，创新了双极化平板天线形式，在耦合波导腔的短路面上沿对角线开了4个辐射缝隙，当天线辐射或接受水平极化波时，在一条对角线上的2个辐射缝隙工作或4个辐射缝隙同时工作，当天线辐射或接受垂直极化波时在一条对角线上的2个辐射缝隙工作或4个辐射缝隙同时工作，从而在保证双极化工作的前提下，结构简单。
上述实施例中，如图1和图1-1所示，水平极化馈电结构410包括水平微带馈电探针411和水平矩形波导412；其中，
水平矩形波导412与激励波导3的一侧相连接；
水平微带馈电探针411插入水平矩形波导412内，水平微带馈电探针411的轴线与水平矩形波导412的轴线重合，水平微带馈电探针411的一端伸入激励波导3内。
上述实施例中，如图1和图1-1所示，垂直极化馈电结构420包括垂直微带馈电探针421和垂直矩形波导422；其中，
垂直矩形波导422与激励波导3的另一侧相连接；
垂直微带馈电探针421插入垂直矩形波导422内，垂直微带馈电探针421的轴线与垂直矩形波导422的轴线重合，垂直微带馈电探针421的一端伸入激励波导3内。
具体的，水平微带馈电探针411插入水平矩形波导412内，水平微带馈电探针411的轴线与水平矩形波导412的轴线重合，水平微带馈电探针411的一端伸入激励波导3内，水平微带馈电探针411的另一端与水平矩形波导412的最外端面持平。水平微带馈电探针411与水平矩形波导412结合成同轴波导结构传输电磁波信号。垂直微带馈电探针421插入垂直矩形波导422内，垂直微带馈电探针421的轴线与垂直矩形波导422的轴线重合，垂直微带馈电探针421的一端伸入激励波导3内，垂直微带馈电探针421的另一端与垂直矩形波导422的最外端面持平。
在激励波导3内部，水平微带馈电探针411与垂直微带馈电探针421伸入激励波导3内部激励起电磁波，电磁波然后通过激励波导3传输到耦合波导腔2，最终通过辐射缝1隙辐射到自由空间。水平微带馈电探针411与垂直微带馈电探针421伸入激励波导3内部位置相互正交，分别激励出TE10模和TE01模，分别对应水平线极化电磁信号和垂直线极化电磁信号。水平微带馈电探针411与垂直微带馈电探针421错开一定的高度以保证对应的水平矩形波导412和垂直矩形波导422有一定的壁厚，或者公共壁厚1mm即可。
上述实施例中，激励波导3的轴线与耦合波导2的轴线重合；水平极化馈电结构410的轴线与耦合波导2的上表面的其中一个对角线平行，与另一个对角线垂直。上述描述的结构对应的为图1所示的结构，与图1相对应的俯视图为图2(a)所示，在图2(a)中，电磁波信号从P1端口馈入，则天线的极化与P1旁箭头所指方向一致，此时主要是与箭头垂直方向的两个缝隙工作；若电磁波信号从P2端口馈入，则天线的极化与P2旁箭头所指方向一致，此时也是与箭头垂直方向的两个缝隙工作。
上述实施例中，激励波导3的轴线与耦合波导2的轴线重合；水平极化馈电结构410的轴线与耦合波导2的上表面的两个对角线的夹角的其中一个平分线平行。上述描述的结构对应的为图1-1所示的结构，与图1-1相对应的俯视图为图2(b)所示，在图2(b)中，电磁波信号从P1’端口馈入，则天线的极化与P1’旁箭头所指方向一致，此时四个辐射缝隙同时工作；若电磁波信号从P2’端口馈入，则天线的极化与P2’旁箭头所指方向一致，此时四个辐射缝隙也同时工作。
上述实施例中，4个辐射缝隙1的相对位置如图2(a)和图2(b)所示。4个辐射缝隙尺寸相同，位置关于耦合波导腔2中心对称，每个辐射缝隙1的中心与耦合波导2的上表面的相对应的1/2对角线的中心相重合。这样的结构保证4个辐射缝隙激励为等幅同相。两相邻辐射缝隙中心之间的距离小于一个最高频率对应的波长。耦合波导腔的截面尺寸主要由两个相邻缝隙中心间距和缝隙尺寸决定。适当调节耦合波导腔的高度以实现良好匹配。耦合波导腔的高度一般很低，不大于0.2λ，λ为本实施例的天线在自由空间的工作波长，对天线整体高度的增加贡献不大，保证了天线整体的低剖面设计。本实施例通过在激励结构和辐射结构之间引入耦合波导腔起到阻抗匹配作用。
上述实施例中，耦合波导2是一种多模方波导，激励波导3是一种方波导，耦合波导2的下表面大于激励波导3的上表面，从而使得激励波导3和耦合波导2之间有截面突变，从而使得TE10模和TE01模从激励波导3传输到到耦合波导2会产生高次模。
本发明突破了传统双极化辐射单元的形式：正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝形，颠覆了传统缝隙辐射固定极化的概念，创新了双极化平板天线形式，在耦合波导腔的短路面上沿对角线开了4个辐射缝隙，当天线辐射或接受水平极化波时，在一条对角线上的2个辐射缝隙工作或4个辐射缝隙同时工作，当天线辐射或接受垂直极化波时在一条对角线上的2个辐射缝隙工作或4个辐射缝隙同时工作，从而在保证双极化工作的前提下，结构简单；并且本发明在激励结构和辐射结构之间引入耦合波导腔起到阻抗匹配作用，同时耦合波导腔的高度不大于0.2λ，保证了天线整体的低剖面设计；并且本发明引入了极化馈电结构，它由矩形波导和嵌在波导内部的微带馈电探针组成，这种馈电网络结构与同频率的波导传输结构相比尺寸小，与微带线传输结构相比损耗低，兼有波导传输结构和微带线传输结构的优点。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低剖面高效率双极化平板天线，其特征在于包括：辐射缝隙(1)、耦合波导(2)、激励波导(3)、水平极化馈电结构(410)和垂直极化馈电结构(420)；其中，
所述耦合波导(2)与所述激励波导(3)相连接；
所述水平极化馈电结构(410)与所述激励波导(3)的一侧相连接；
所述垂直极化馈电结构(420)与所述激励波导(3)的另一侧相连接，其中，所述垂直极化馈电结构(420)的轴线与所述水平极化馈电结构(410)的轴线垂直；
所述耦合波导(2)的上表面的每个对角线上开设有两个辐射缝隙(1)，两个辐射缝隙(1)关于该对角线中心对称；
所述水平极化馈电结构(410)或垂直极化馈电结构(420)的轴线与所述耦合波导(2)的上表面的其中一个对角线平行，与另一个对角线垂直时，与信号馈入的馈电结构垂直方向的两个缝隙工作；所述水平极化馈电结构(410)或垂直极化馈电结构(420)的轴线与所述耦合波导(2)的上表面的两个对角线的夹角的其中一个平分线平行时，水平极化馈电结构(410)或垂直极化馈电结构(420)馈入信号，均是四个辐射缝隙同时工作。
2.根据权利要求1所述的低剖面高效率双极化平板天线，其特征在于：所述水平极化馈电结构(410)包括水平微带馈电探针(411)和水平矩形波导(412)；其中，
所述水平矩形波导(412)与所述激励波导(3)的一侧相连接；
所述水平微带馈电探针(411)插入所述水平矩形波导(412)内，所述水平微带馈电探针(411)的轴线与所述水平矩形波导(412)的轴线重合，所述水平微带馈电探针(411)的一端伸入所述激励波导(3)内。
3.根据权利要求1所述的低剖面高效率双极化平板天线，其特征在于：所述垂直极化馈电结构(420)包括垂直微带馈电探针(421)和垂直矩形波导(422)；其中，
所述垂直矩形波导(422)与所述激励波导(3)的另一侧相连接；
所述垂直微带馈电探针(421)插入所述垂直矩形波导(422)内，所述垂直微带馈电探针(421)的轴线与所述垂直矩形波导(422)的轴线重合，所述垂直微带馈电探针(421)的一端伸入所述激励波导(3)内。
4.根据权利要求1所述的低剖面高效率双极化平板天线，其特征在于：每个辐射缝隙(1)的中心与所述耦合波导(2)的上表面的相对应的1/2对角线的中心相重合。
5.根据权利要求1所述的低剖面高效率双极化平板天线，其特征在于：所述耦合波导(2)为长方体，所述激励波导(3)为长方体，所述耦合波导(2)的下表面大于所述激励波导(3)的上表面。
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