CN108258417A - 平板波导天线的馈电结构 - Google Patents
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Abstract
公开了一种平板波导天线的馈电结构，其包括：矩形波导；多级波导功分结构，所述多级波导功分结构与所述矩形波导连接，用于将所述矩形波导内传导的电磁波分流；平行板波导；以及多个模式转换结构，所述多个模式转换结构将所述多级波导功分结构与所述平行板波导相连，用于将所述电磁波的模式转换并输入至所述平行板波导中，其中，所述模式转换结构包括设在其侧面上的多级阶梯状结构，从而降低了电磁波的反射。电磁波从矩形波导以及多级波导功分结构传导至平行板波导时，通过模式转换结构完成电磁波模式的转换，电磁波从TE模式转换为准横电磁波TEM模式，在平行板波导中形成准平面波传输，从而可以应用于平面波导CTS天线的线源。
Description
技术领域
本发明涉及平板波导天线领域，更具体地，涉及一种平板波导天线的馈电结构。
背景技术
CTS(Continuous Transverse Stub，连续横向枝节)天线是平板波导天线的一种，此类天线通过在平板波导上连续开贯通的横向缝并在横向缝上加枝节实现辐射，同时采用TEM模式的电磁波馈电，使其具有很高的馈电效率和口径效率，并且此类天线加工简便，成本较低，因而具有广泛的应用前景。
CTS天线在实际应用中，为其提供等幅同相的理想馈电线源往往很难实现，现有的方法例如是利用柱面抛物线的方法来设计，在大口径馈电时，为了保证抛物面焦距，整体线源的占用空间较大，难以在尺寸方面有所进展。另外，馈电线源内部结构也需要合理设计以解决电磁波反射、高次模式电磁波等问题。
期望对平板波导天线的馈电结构作进一步优化。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种平板波导天线的馈电结构，该平板波导天线的馈电结构可应用与平面波导CTS天线的线源，并且通过设在模式转换结构侧面上的多级阶梯状结构降低了电磁波的反射。
根据本发明提供一种平板波导天线的馈电结构，包括：矩形波导；多级波导功分结构，所述多级波导功分结构与所述矩形波导连接，用于将所述矩形波导内传导的电磁波分流；平行板波导；以及多个模式转换结构，所述多个模式转换结构将所述多级波导功分结构与所述平行板波导相连，用于将所述电磁波的模式转换并输入至所述平行板波导中，其中，所述多个模式转换结构中的每个所述模式转换结构包括相对的第一底面和第二底面、以及位于第一底面与第二底面之间的侧面，所述模式转换结构还包括设在所述侧面上的多级阶梯状结构。
优选地，每个所述模式转换结构包括一对所述多级阶梯状结构，一对所述多级阶梯状结构关于所述模式转换结构的中轴线对称设置。
优选地，每个所述模式转换结构还包括耦合窗口，所述模式转换结构通过所述耦合窗口将所述电磁波输入至所述平行板波导中。
优选地，每个所述模式转换结构还包括分流结构，所述分流结构位于所述模式转换结构的中轴线上。
优选地，所述分流结构为设在所述模式转换结构内的十字形立壁。
优选地，每个所述模式转换结构还包括短路柱，所述短路柱的位置对应于所述电磁波传导方向上所述耦合窗口的下游。
优选地，每个所述模式转换结构包括两个所述短路柱，两个所述短路柱关于所述模式转换结构的中心轴对称设置。
优选地，多级波导功分结构中的每级所述波导功分结构包括一个输入端和两个输出端，所述多级波导功分结构中位于首级的所述波导功分结构的所述输入端与所述矩形波导连接，所述多级波导功分结构中除位于首级的所述波导功分结构的所述输入端连接至位于其前一级的所述波导功分结构的所述输出端，所述多级波导功分结构中位于末级的所述波导功分结构的所述输出端与所述多个模式转换结构对应连接。
优选地，每级所述波导功分结构还包括一个第一直管部分、两个第二直管部分以及两个弯角部分，所述两个第二直管部分中的每个包括第一端和第二端，所述两个弯角部分将所述两个第二直管部分的所述第一端分别对应连接在所述第一直管部分两端，所述输入端位于所述第一直管部分上，所述两个输出端分别对应位于所述两个第二直管部分的所述第二端。
优选地，所述输入端位于所述第一直管部分的中点处，所述两个弯角部分所弯角度为90°。
优选地，每级所述波导功分结构还包括膜片，所述膜片位于所述第一直管部分内部与所述输入端相对的壁面上，所述膜片与所述壁面垂直。
优选地，所述多级波导功分结构的形状对称。
优选地，所述多级波导功分结构为四级波导功分结构。
根据本发明的平板波导天线的馈电结构，电磁波从矩形波导以及多级波导功分结构传导至平行板波导时，通过模式转换结构完成电磁波模式的转换，电磁波从横电波(TE)模式转换为准横电磁波(TEM)模式，在平行板波导中形成准平面波传输，从而可以应用于平面波导CTS天线的线源。模式转换结构包括相对的第一底面和第二底面、以及位于第一底面与第二底面之间的侧面，模式转换结构还包括设在所述侧面上的多级阶梯状结构，该多级阶梯状结构在宽频段范围内降低了电磁波的反射。
在优选的实施例中，每个模式转换结构包括一对多级阶梯状结构，一对多级阶梯状结构关于模式转换结构的中轴线对称设置，使得模式转换结构近似于多级T形结的组合。
在优选的实施例中，所述模式转换结构还包括短路柱，该短路柱的位置对应于所述电磁波传导方向上所述耦合窗口的下游，短路柱为导电材质，可以消除高次模式的电磁波。
在优选的实施例中，所述多级波导功分结构的形状对称，使得所述电磁波多级分流后可以为平面波导CTS天线提供等幅同相的线源馈电。
本发明的平板波导天线的馈电结构结构简单，设计灵活方便，易于共形，且空间占用率低，而高度与标准波导一致，能够保持整体馈电结构的低剖面特性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明具体实施例的平板波导天线的馈电结构的立体图。
图2示出根据本发明具体实施例的平板波导天线的馈电结构的俯视图。
图3示出根据本发明具体实施例的馈电结构的模式转换结构的立体图。
图4示出根据本发明具体实施例的馈电结构的模式转换结构的俯视图。
图5示出根据本发明实施例的馈电结构的多级波导功分结构的其中一级波导功分结构的立体图。
图6示出根据本发明实施例的馈电结构的多级波导功分结构的其中一级波导功分结构的俯视图。
图7示出根据本发明具体实施例的平板波导天线的馈电结构的反射系数结果图。
图8示出根据本发明具体实施例的平板波导天线的馈电结构的场分布图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
图1和图2分别示出根据本发明具体实施例的平板波导天线的馈电结构的立体图和俯视图，本发明中为清楚示出馈电结构的内部结构，在立体图以及俯视图中都将馈电结构包括的部件的上底面全部透明化示出，实际中各部件的材质也可以是非透明的。该馈电结构可用于平板波导天线的线源，包括矩形波导110、多级波导功分结构120、平行板波导140以及多个模式转换结构130。多级波导功分结构120与矩形波导110连接，用于将矩形波导120内传导的电磁波分流，多个模式转换结构130将多级波导功分结构120与平行板波导140相连，用于将电磁波的模式转换并输入至平行板波导140中。
在本实施例中，多级波导功分结构120的形状对称。每级波导功分结构120具有将电磁波一分为二的分流作用，本实施例中多级波导功分结构120为四级波导功分结构，将电磁波依次一分为二、二分为四、四分为八、八分为十六，从而将原始的一束电磁波通过四级分流分为24束电磁波。
根据本发明的平板波导天线的馈电结构，电磁波从矩形波导110以及多级波导功分结构120传导至平行板波导140时，通过模式转换结构130完成电磁波模式的转换，电磁波从横电波(TE)模式转换为准横电磁波(TEM)模式，在平行板波导140中形成准平面波传输，从而可以应用于平面波导CTS天线的线源。另外，多级波导功分结构120的形状对称使得所述电磁波多级分流后可以为平面波导CTS天线提供等幅同相的线源馈电。
图3、图4示出根据本发明实施例的馈电结构包括的其中一个模式转换结构130的立体图和俯视图，在立体图以及俯视图中都将各部件的上底面透明化示出，实际中各部件的材质也可以是非透明的。模式转换结构130包括相对的第一底面和第二底面、以及位于第一底面与第二底面之间的侧面，本实施例中所述第一底面对应模式转换结构130的下底面，所述第二底面对应模式转换结构130的上底面(图中透明化示出)。
该模式转换结构130还包括设在所述侧面上的多级阶梯状结构131。每个模式转换结构130包括一对所述多级阶梯状结构131，一对多级阶梯状结构131关于模式转换结构130的中轴线对称设置，使得模式转换结构130近似于多级T形结的组合。该多级阶梯状结构131可以在宽频段范围内降低电磁波的反射。
模式转换结构130还包括耦合窗口132，图3和图4中以虚线示出耦合窗口132的大概位置。模式转换结构130一端与多级波导功分结构120连接，另一端与平行板波导140连接，模式转换结构130从多级波导功分结构120中接收电磁波并转换，通过耦合窗口132将电磁波输入至平行板波导140中。一般地，多级波导功分结构120的宽度小于平行板波导140的宽度。
进一步地，模式转换结构130还可以包括分流结构133，该分流结构位于所述模式转换结构130的中轴线上。优选地在本实施例中，所述分流结构133为设在模式转换结构130内的十字形立壁。该十字形立壁状分流结构133与多级阶梯状结构131都可以在宽频段范围内降低电磁波的反射。
再进一步，模式转换结构130还包括短路柱134，短路柱134的位置对应于电磁波传导方向上所述耦合窗口132的下游。优选地在本实施例中，每个模式转换结构130包括两个所述短路柱134，两个短路柱134关于模式转换结构130的中心轴对称设置。短路柱134为导电材质制成，应用于本发明的馈电结构中，电磁波通过所述耦合窗口132输入至平行板波导140中，电磁波相互同相叠加，短路柱134的存在可以消除高次模式的电磁波。
多级波导功分结构120中的每级波导功分结构包括一个输入端和两个输出端，多级波导功分结构120中位于首级的波导功分结构的输入端与矩形波导110连接，多级波导功分结构120中除位于首级的波导功分结构的输入端连接至位于其前一级的波导功分结构的输出端，多级波导功分结构中位于末级的波导功分结构的输出端与多个模式转换结构对应连接。
图5、图6示出根据本发明实施例的馈电结构的多级波导功分结构120的其中一级波导功分结构120a的立体图和俯视图，在立体图以及俯视图中都将各部件的上底面透明化示出，实际中各部件的材质也可以是非透明的。该波导功分结构120a包括一个输入端121a和两个输出端122a，其输入端121a与位于其前一级的波导功分结构120b的输出端相连。
该波导功分结构120a还包括一个第一直管部分123a、两个第二直管部分125a以及两个弯角部分124a，两个第二直管部分125a中的每个包括第一端和第二端，两个弯角部分124a将所述两个第二直管部分125a的所述第一端分别对应连接在第一直管部分123a两端，输入端121a位于第一直管部分123a上，两个输出端122a分别对应位于两个第二直管部分125a的所述第二端。
优选地，输入端121a可以位于第一直管部分123a的中点处，而两个弯角部分124a所弯角度为90°，使得第一直管部分123a与第二直管部分125a垂直。
该波导功分结构120a还可以包括膜片126a，膜片126a位于第一直管部分123a内部与所述输入端121a相对的壁面上，膜片126a与所述壁面垂直。
以上以多级波导功分结构120的其中一级波导功分结构120a为例进行了说明，多级波导功分结构120包括的其他级波导功分结构与上述波导功分结构120a可能具体尺寸不同，但结构大致相同，在此不再详述。
图7示出上述实施例的平板波导天线的馈电结构的反射系数结果图，图8示出上述实施例的平板波导天线的馈电结构的场分布图，根据图7、图8，该馈电结构的阻抗带宽为13.86GHz至14.56GHz(S1.1＜-10dB)，满足设计要求的带宽，从各个耦合窗口出来的场的分布幅度基本相同，相位一致。根据本发明的平板波导天线的馈电结构，其结构简单，设计灵活方便，易于共形，且空间占用率低，而高度与标准波导一致，能够保持整体馈电结构的低剖面特性。
可以理解的是，在上述实施例中，多级波导功分结构120的将原始的一束电磁波通过四级分流分为24束电磁波进行说明，然而实际中，将电磁波进行分流的级数需要根据天线辐射口径大小的要求决定，因此本发明不限于将原始的一束电磁波通过四级分流分为24束电磁波，也可以是进行三级分流、五级分流等其他级数的分流，对应地，多级功分结构120的连接形式及形状也应当对应分流方式进行适应调整。
根据本发明的平板波导天线的馈电结构，电磁波从矩形波导以及多级波导功分结构传导至平行板波导时，通过模式转换结构完成电磁波模式的转换，电磁波从TE模式转换为准横电磁波TEM模式，在平行板波导中形成准平面波传输，从而可以应用于平面波导CTS天线的线源。模式转换结构包括设在所述侧面上的多级阶梯状结构，该多级阶梯状结构在宽频段范围内降低了电磁波的反射。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (13)
1.一种平板波导天线的馈电结构，其特征在于，包括：
矩形波导；
多级波导功分结构，所述多级波导功分结构与所述矩形波导连接，用于将所述矩形波导内传导的电磁波分流；
平行板波导；以及
多个模式转换结构，所述多个模式转换结构将所述多级波导功分结构与所述平行板波导相连，用于将所述电磁波的模式转换并输入至所述平行板波导中，
其中，每个所述模式转换结构包括相对的第一底面和第二底面、以及位于第一底面与第二底面之间的侧面，所述模式转换结构还包括设在所述侧面上的多级阶梯状结构。
2.根据权利要求1所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，每个所述模式转换结构包括一对所述多级阶梯状结构，一对所述多级阶梯状结构关于所述模式转换结构的中轴线对称设置。
3.根据权利要求1所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，每个所述模式转换结构还包括耦合窗口，所述模式转换结构通过所述耦合窗口将所述电磁波输入至所述平行板波导中。
4.根据权利要求1所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，每个所述模式转换结构还包括分流结构，所述分流结构位于所述模式转换结构的中轴线上。
5.根据权利要求4所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，所述分流结构为设在所述模式转换结构内的十字形立壁。
6.根据权利要求3所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，每个所述模式转换结构还包括短路柱，所述短路柱的位置对应于所述电磁波传导方向上所述耦合窗口的下游。
7.根据权利要求6所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，每个所述模式转换结构包括两个所述短路柱，两个所述短路柱关于所述模式转换结构的中心轴对称设置。
8.根据权利要求1所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，每级所述波导功分结构包括一个输入端和两个输出端，所述多级波导功分结构中位于首级的所述波导功分结构的所述输入端与所述矩形波导连接，所述多级波导功分结构中除位于首级的所述波导功分结构的所述输入端连接至位于其前一级的所述波导功分结构的所述输出端，所述多级波导功分结构中位于末级的所述波导功分结构的所述输出端与所述多个模式转换结构对应连接。
9.根据权利要求8所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，每级所述波导功分结构还包括一个第一直管部分、两个第二直管部分以及两个弯角部分，所述两个第二直管部分中的每个包括第一端和第二端，所述两个弯角部分将所述两个第二直管部分的所述第一端分别对应连接在所述第一直管部分两端，所述输入端位于所述第一直管部分上，所述两个输出端分别对应位于所述两个第二直管部分的所述第二端。
10.根据权利要求9所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，所述输入端位于所述第一直管部分的中点处，所述两个弯角部分所弯角度为90°。
11.根据权利要求9所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，每级所述波导功分结构还包括膜片，所述膜片位于所述第一直管部分内部与所述输入端相对的壁面上，所述膜片与所述壁面垂直。
12.根据权利要求1所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，所述多级波导功分结构的形状对称。
13.根据权利要求1所述的平板波导天线的馈电结构，其特征在于，所述多级波导功分结构为四级波导功分结构。
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