CN108258392B - 一种圆极化频率扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于频扫天线技术领域，具体地讲涉及一种圆极化频率扫描天线，包括波导慢波线、极化转换器和两块翼板；所述波导慢波线与极化转换器固定连接，波导慢波线的腔体与极化转换器的导孔的底部开口连通，两块所述翼板固定在极化转换器的导孔的顶部开口的两侧；所述波导慢波线的腔体为蛇形状内腔，波导慢波线的腔体的两端部均设有开口，波导慢波线的腔体顶部在沿其长度方向上设有多个通孔；所述极化转换器的导孔的底部开口与波导慢波线的腔体顶部的通孔连通，波导慢波线的腔体的两端部开口处分别设有波导转换器和匹配负载。本发明的天线结构简单可靠，能够满足圆极化工作，具备优良的圆极化工作性能。

Description

一种圆极化频率扫描天线
技术领域
本发明属于频扫天线技术领域，具体地讲涉及一种圆极化频率扫描天线。
背景技术
频率扫描天线具有增益高、低副瓣、宽角扫描、成本低、结构简单等优点，近年来被广泛应用于低空搜索雷达、地面警戒雷达，而圆极化天线可以提高雷达系统对降雨、云雾等恶劣天气的抗干扰能力，因此圆极化天线在电子对抗、卫通、雷达等领域被广泛应用。将圆极化与频率扫描天线结合起来在实际应用中有巨大的应用前景，可以大大提高在恶劣天气条件下，比如雷雨大雾等恶劣条件下的雷达抗干扰工作能力。
常见的频率扫描天线一般是线极化工作方式，圆极化体制的频率扫描天线比较少见，这是由于圆极化天线的产生有较大的困难，圆极化天线的产生一般有三种方式：一种是自身天线产生圆极化波；另一种是利用线圆极化转换器或线圆极化转换罩产生圆极化波；最后一种是采用正交激励的方法产生圆极化波。圆极化的频率扫描天线在具备加工工艺简单、结构可靠的情况下，还要满足优良的圆极化性能，设计难度非常大。
因此，提出一种结构简单可靠、能够满足圆极化工作的频率扫描天线是目前亟待解决的问题。
发明内容
根据现有技术中存在的问题，本发明提供了一种圆极化频率扫描天线，该天线的结构简单可靠，能够满足圆极化工作，具备优良的圆极化工作性能。
本发明采用以下技术方案：
一种圆极化频率扫描天线，包括波导慢波线、极化转换器和两块翼板；所述波导慢波线与极化转换器固定连接，波导慢波线的腔体与极化转换器的导孔的底部开口连通，两块所述翼板固定在极化转换器的导孔的顶部开口的两侧。
优选的，所述波导慢波线的腔体为S形内腔，波导慢波线的腔体的两端部均设有开口，波导慢波线的腔体顶部在沿其长度方向上设有多个通孔；所述极化转换器的导孔的底部开口与波导慢波线的腔体顶部的通孔连通，波导慢波线的腔体的两端部开口处分别设有波导转换器和匹配负载。
进一步优选的，所述波导慢波线的腔体底部在与所述通孔相应的位置上均设有多个凸块，所述凸块位于通孔的下方；多个所述通孔和凸块均沿着波导慢波线的长度方向直线布置。
更进一步优选的，所述极化转换器包括有均为筒状的转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ；所述转换段Ⅰ位于底部，转换段Ⅲ位于顶部，转换段Ⅱ位于转换段Ⅰ和转换段Ⅲ之间，转换段Ⅰ与转换段Ⅱ之间、转换段Ⅱ与转换段Ⅲ之间均固定连接；所述极化转换器的导孔由转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ的中间腔孔连通而形成；所述转换段Ⅰ的底部开口与波导慢波线的腔体顶部的通孔连通，转换段Ⅲ的顶部开口的两侧固定有翼板。
更进一步优选的，所述转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ的腔孔的横截面均呈带圆角过渡的矩形状，转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ的腔孔的横截面的中心点连线处于一条直线上；所述转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ的腔孔的横截面所在的矩形的长度均相等，所述转换段Ⅰ与转换段Ⅱ的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈22.5°夹角，所述转换段Ⅱ与转换段Ⅲ的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈22.5°夹角，所述转换段Ⅰ与转换段Ⅲ的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈45°夹角；所述转换段Ⅰ与转换段Ⅱ之间、转换段Ⅱ与转换段Ⅲ之间的在水平面上的投影的非叠加区域的腔孔均为封堵状。
更进一步优选的，所述转换段Ⅲ的中上部设有底板，所述底板贯穿所有转换段Ⅲ且与转换段Ⅲ固定连接；所述转换段Ⅲ的顶部开口凸出在底板上侧，两块所述翼板固定在底板上。
更进一步优选的，两块所述翼板的长度方向均平行于多个转换段Ⅲ的顶部开口的中心所形成的直线，两块所述翼板在由底部到顶部的方向上呈敞口状；两块所述翼板沿多个转换段Ⅲ的顶部开口的中心所形成的直线对称分布，且翼板自靠近底板的一侧向远离底板的一侧倾斜向上延伸。
更进一步优选的，所述翼板在沿其长度方向的两侧端处各设有一块侧板，两块所述侧板均与底板和两块翼板固定连接；两块所述侧板均平行于波导慢波线的宽度方向且垂直于波导慢波线的长度方向。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的天线包括波导慢波线、极化转换器和两块翼板；所述极化转换器包括有均为筒状的转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ；所述转换段Ⅰ位于底部，转换段Ⅲ位于顶部，转换段Ⅱ位于转换段Ⅰ和转换段Ⅲ之间，转换段Ⅰ与转换段Ⅱ之间、转换段Ⅱ与转换段Ⅲ之间均固定连接；所述极化转换器的导孔由转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ的中间腔孔连通而形成；所述转换段Ⅰ的底部开口与波导慢波线的腔体顶部的通孔连通，转换段Ⅲ的顶部开口的两侧固定有翼板；本发明的频率扫描天线利用自身天线产生圆极化波，当射频信号由波导慢波线的波导转换器处输入，通过波导慢波线的能量耦合，耦合信号通过极化转换器的转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ耦合成45°极化射频信号，45°极化射频信号在金属翼板的口面上实现了水平极化波与垂直极化波的90°的相位差，从而达到了圆极化效果，且具备优良的圆极化工作性能。
附图说明
图1为本发明的天线的立体图。
图2为本发明的天线的主视图。
图3为本发明的天线的俯视图。
图4为本发明的天线去除翼板、底板和侧板的俯视图。
图5为本发明的天线的转换段Ⅰ、转换段Ⅱ和转换段Ⅲ的俯视图。
图6为本发明实施例的天线的各个频点方位向扫描角度辐射方向轴比图；
图7为本发明实施例的天线的各个频点方位向辐射方向图；
图8为本发明实施例的天线的各个频点的驻波图；
图9为本发明实施例的天线的的传输系数图。
附图标记：1-波导慢波线，2-极化转换器，3-翼板，4-波导转换器，5-负载，6-底板，7-侧板，11-通孔，12-凸块，21-转换段Ⅰ，22-转换段Ⅱ，23-转换段Ⅲ。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2、图3所示，一种圆极化频率扫描天线，包括波导慢波线1、极化转换器2和两块翼板3；所述波导慢波线1与极化转换器2固定连接，波导慢波线1的腔体与极化转换器2的导孔的底部开口连通，两块所述翼板3固定在极化转换器2的导孔的顶部开口的两侧。
如图4所示，所述波导慢波线1的腔体为S形内腔，波导慢波线1的腔体的两端部均设有开口，波导慢波线1的腔体顶部在沿其长度方向上设有多个通孔11；所述极化转换器2的导孔的底部开口与波导慢波线1的腔体顶部的通孔11连通，波导慢波线1的腔体的两端部开口处分别设有波导转换器4和匹配负载5。
所述波导慢波线1的腔体底部在与所述通孔11相应的位置上均设有多个凸块12，所述凸块12位于通孔11的下方；多个所述通孔11和凸块12均沿着波导慢波线1的长度方向直线布置。
所述极化转换器2包括有均为筒状的转换段Ⅰ21、转换段Ⅱ22和转换段Ⅲ23；所述转换段Ⅰ21位于底部，转换段Ⅲ23位于顶部，转换段Ⅱ22位于转换段Ⅰ21和转换段Ⅲ23之间，转换段Ⅰ21与转换段Ⅱ22之间、转换段Ⅱ22与转换段Ⅲ23之间均固定连接；所述极化转换器2的导孔由转换段Ⅰ21、转换段Ⅱ22和转换段Ⅲ23的中间腔孔连通而形成；所述转换段Ⅰ21的底部开口与波导慢波线1的腔体顶部的通孔11连通，转换段Ⅲ23的顶部开口的两侧固定有翼板3。
如图5所示，所述转换段Ⅰ21、转换段Ⅱ22和转换段Ⅲ23的腔孔的横截面均呈带圆角过渡的矩形状，转换段Ⅰ21、转换段Ⅱ22和转换段Ⅲ23的腔孔的横截面的中心点连线处在一条直线上；所述转换段Ⅰ21、转换段Ⅱ22和转换段Ⅲ23的腔孔的横截面所在的矩形的长度均相等，所述转换段Ⅰ21与转换段Ⅱ22的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈22.5°夹角，所述转换段Ⅱ22与转换段Ⅲ23的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈22.5°夹角，所述转换段Ⅰ21与转换段Ⅲ23的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈45°夹角；所述转换段Ⅰ21与转换段Ⅱ22之间、转换段Ⅱ22与转换段Ⅲ23之间的在水平面上的投影的非叠加区域的腔孔均为封堵状。
所述转换段Ⅲ23的中上部设有底板6，所述底板6贯穿所有转换段Ⅲ23且与转换段Ⅲ23固定连接；所述转换段Ⅲ23的顶部开口凸出在底板6上侧，两块所述翼板3固定在底板6上。
两块所述翼板3的长度方向均平行于多个转换段Ⅲ23的顶部开口的中心所形成的直线，两块所述翼板3在由底部到顶部的方向上呈敞口状；两块所述翼板3沿多个转换段Ⅲ23的顶部开口的中心所形成的直线对称分布，且翼板3自靠近底板6的一侧向远离底板6的一侧倾斜向上延伸。
所述翼板3在沿其长度方向的两侧端处各设有一块侧板7，两块所述侧板7均与底板6和两块翼板3固定连接；两块所述侧板7均平行于波导慢波线1的宽度方向且垂直于波导慢波线1的长度方向。
下面结合实施例对本发明中的天线进行举例说明。
实施例1：
本实施例的频率扫描天线的工作频段为15.7GHz～17.2GHz，波导慢波线采用波导蛇形线形式，波导型号为标准BJ180，口径尺寸为12.95×6.48mm，相邻的通孔之间的间距为10.2mm，总共有42个通孔，按照-29dB进行泰勒加权。在中心频率16.45GHz下，波导慢波线在相邻的通孔之间传输了4.5个导波长。
如图2所示，极化转换器2包括转换段Ⅰ21、转换段Ⅱ22和转换段Ⅲ23，42个极化转换器2尺寸均相同，其中，转换段Ⅰ21的高度为6mm，转换段Ⅱ22的高度为5mm，转换段Ⅲ23的高度为5.5mm。
如图5所示，直线AB为转换段Ⅰ21的腔孔的横截面沿长度方向的中心线，直线CD为转换段Ⅱ22的腔孔的横截面沿长度方向的中心线，直线EF为转换段Ⅲ23的腔孔的横截面沿长度方向的中心线，直线AB与直线CD之间的夹角为22.5°，直线CD与直线EF之间的夹角为22.5°，直线AB与直线EF之间的夹角为45°。
如图2所示，翼板3通过底板6与极化转换器2共地连接，翼板3的夹角α为28°，翼板3的上口径尺寸Tw和下口径尺寸Ta分别为76mm和12mm，翼板3与侧板7为全封闭的金属板。
当射频信号由波导慢波线1的波导转换器4处输入，通过波导慢波线1的能量耦合，耦合信号通过极化转换器2的转换段Ⅰ21、转换段Ⅱ22和转换段Ⅲ23耦合成45°极化射频信号，45°极化射频信号在翼板3的口面上实现了水平极化波与垂直极化波的90°的相位差，从而达到了圆极化效果。
其中，转换段Ⅰ21、转换段Ⅱ22和转换段Ⅲ23的作用是将从42个通孔耦合出的信号变换匹配到45°极化射频信号，翼板3的口径Tw是由俯仰面波束宽度决定的，每种特定的俯仰面波束宽度决定了口径Tw的值，对于某个特定值Tw，通过调整翼板3的张角α，可以实现翼板3的口面上水平极化波与垂直极化波90°的相差，从而实现了圆极化。Tw值越大，对应的张角α也就越大，相反的，Tw值较小时，α值也就越小，且不能超过一定的角度，不然很难实现圆极化特性。
下面通过仿真来说明本圆极化频率扫描天线的性能。
如图6所示，图6为本发明实施例的天线的各个频点方位向扫描角度辐射方向轴比图。由图6可得，本实施例的频率扫描天线在15.7GHz～17.2GHz的工作频带内的轴比均小于3dB，圆极化工作性能优良。
如图7所示，图7为本发明实施例的天线的各个频点方位向辐射方向图。由图7可得，本实施例的频率扫描天线在15.7GHz～17.2GHz的工作频带内各个频点的圆极化增益起伏低于3.5dB、副瓣低于-20dB，说明增益起伏低，副瓣水平低。
如图8所示，图8为本发明实施例的天线的各个频点的驻波图。由图8可得，本实施例的频率扫描天线在除中频16.4GHz处以外的驻波均低于1.25，说明天线反射系数低。
如图9所示，图9为本发明实施例的天线的的传输系数图。由图9可得，本实施例的频率扫描天线在15.7GHz～17.2GHz的工作频带内S21均低于-10dB，说明天线辐射效率优良。
综上所述，本发明提供了一种圆极化频率扫描天线，该天线的结构简单可靠，能够满足圆极化工作，具备优良的圆极化工作性能。

Claims (4)

1.一种圆极化频率扫描天线，其特征在于：包括波导慢波线(1)、极化转换器(2)和两块翼板(3)；所述波导慢波线(1)与极化转换器(2)固定连接，波导慢波线(1)的腔体与极化转换器(2)的导孔的底部开口连通，两块所述翼板(3)固定在极化转换器(2)的导孔的顶部开口的两侧；
所述波导慢波线(1)的腔体为S形内腔，波导慢波线(1)的腔体的两端部均设有开口，波导慢波线(1)的腔体顶部在沿其长度方向上设有多个通孔(11)；所述极化转换器(2)的导孔的底部开口与波导慢波线(1)的腔体顶部的通孔(11)连通，波导慢波线(1)的腔体的两端部开口处分别设有波导转换器(4)和匹配负载(5)；
所述波导慢波线(1)的腔体底部在与所述通孔(11)相应的位置上均设有多个凸块(12)，所述凸块(12)位于通孔(11)的下方；多个所述通孔(11)和凸块(12)均沿着波导慢波线(1)的长度方向直线布置；
所述极化转换器(2)包括有均为筒状的转换段Ⅰ(21)、转换段Ⅱ(22)和转换段Ⅲ(23)；所述转换段Ⅰ(21)位于底部，转换段Ⅲ(23)位于顶部，转换段Ⅱ(22)位于转换段Ⅰ(21)和转换段Ⅲ(23)之间，转换段Ⅰ(21)与转换段Ⅱ(22)之间、转换段Ⅱ(22)与转换段Ⅲ(23)之间均固定连接；所述极化转换器(2)的导孔由转换段Ⅰ(21)、转换段Ⅱ(22)和转换段Ⅲ(23)的中间腔孔连通而形成；所述转换段Ⅰ(21)的底部开口与波导慢波线(1)的腔体顶部的通孔(11)连通，转换段Ⅲ(23)的顶部开口的两侧固定有翼板(3)；
所述转换段Ⅰ(21)、转换段Ⅱ(22)和转换段Ⅲ(23)的腔孔的横截面均呈带圆角过渡的矩形状，转换段Ⅰ(21)、转换段Ⅱ(22)和转换段Ⅲ(23)的腔孔的横截面的中心点连线处于一条直线上；所述转换段Ⅰ(21)、转换段Ⅱ(22)和转换段Ⅲ(23)的腔孔的横截面所在的矩形的长度均相等，所述转换段Ⅰ(21)与转换段Ⅱ(22)的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈22.5°夹角，所述转换段Ⅱ(22)与转换段Ⅲ(23)的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈22.5°夹角，所述转换段Ⅰ(21)与转换段Ⅲ(23)的腔孔的横截面沿长度方向的中心线呈45°夹角；所述转换段Ⅰ(21)与转换段Ⅱ(22)之间、转换段Ⅱ(22)与转换段Ⅲ(23)之间的在水平面上的投影的非叠加区域的腔孔均为封堵状。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化频率扫描天线，其特征在于：所述转换段Ⅲ(23)的中上部设有底板(6)，所述底板(6)贯穿所有转换段Ⅲ(23)且与转换段Ⅲ(23)固定连接；所述转换段Ⅲ(23)的顶部开口凸出在底板(6)上侧，两块所述翼板(3)固定在底板(6)上。
3.根据权利要求2所述的一种圆极化频率扫描天线，其特征在于：两块所述翼板(3)的长度方向均平行于多个转换段Ⅲ(23)的顶部开口的中心所形成的直线，两块所述翼板(3)在由底部到顶部的方向上呈敞口状；两块所述翼板(3)沿多个转换段Ⅲ(23)的顶部开口的中心所形成的直线对称分布，且翼板(3)自靠近底板(6)的一侧向远离底板(6)的一侧倾斜向上延伸。
4.根据权利要求3所述的一种圆极化频率扫描天线，其特征在于：所述翼板(3)在沿其长度方向的两侧端处各设有一块侧板(7)，两块所述侧板(7)均与底板(6)和两块翼板(3)固定连接；两块所述侧板(7)均平行于波导慢波线(1)的宽度方向且垂直于波导慢波线(1)的长度方向。
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