CN108281794B - 基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，在保证天线带内辐射增益和输入端口隔离度的同时，提升天线的带内匹配特性。本发明包括开口波导、屏蔽金属板、微带巴仑、馈电同轴线和脊板；脊板由两个固定在开口波导内呈十字状结构排布的脊板对组成，每个脊板对由带有台阶变化段和阻抗调配段的脊板组成，微带巴仑通过屏蔽金属板隔离，由介质架固定在开口波导封闭端外侧，馈电同轴线的屏蔽层将开口波导的封闭一侧与金属地板相连，内芯将阻抗调配段和输出微带线导通。本发明具有良好的带内匹配、高交叉极化辨识度以及高隔离度特性，用于天线计量标准装置。

Description

基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种开口波导天线，具体涉及一种基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，专门用于天线计量标准装置。

背景技术

在天线标准计量装置方面，天线测量是通过测量系统对待测天线近场或远场辐射场进行接收并处理，取得天线方向图、增益、极化、相位中心等参数的手段。在各项天线参数测量中，标准天线和探头是必不可少的测量装置，高质量的标准天线和探头是精确测量天线参数的技术设备，其本身的性能直接决定了测量结果的质量，其中带内阻抗匹配就是影响标准天线和探头性能的关键因素之一。

矩形开口波导天线是最早用于传输微波信号的天线类型之一，一般由一个同轴-波导转换器和一节终端开口的标准矩形波导组成，其横截面的长边为宽边的2倍。其具有结构简单、辐射方向图易校准、交叉极化辨识度高的特点，支持单极化输出。但是，由于开口波导的口面截断效应，导致其工作频带内的反射一般较大。同时，在双极化测试时，探头的旋转操作也会引入更多的对准误差。

方形开口波导天线的方形波导横截面为正方形，其特性阻抗为同标准矩形开口波导天线的两倍，因而更易与无限空间进行阻抗匹配，具有更低的带内反射特性。同时，其支持双极化输出，因此可以消除由于探头旋转而引入的对准误差。但是，由于方形开口波导内部支持双极化传输，故对于其中一个极化来说，其交叉极化辨识度相较于对应的矩形开口波导一般要差。

A.Giacomini于2017年12月14日在Microwave Vision Group上发表了题为“Dual-Polarized Probe with Full Octave Bandwidth and Minimum Scattering for PlanarNear Field Measurements”的文章，公开了一种用于平面近场测量的具有全倍频程带宽以及小散射特性的双极化探头，探头主体采用由输出端到输入端直径逐渐变小的锥形开口圆波导形式以减小散射效应，开口圆波导内固定有四个两两互相垂直的渐变脊板结构，开口圆波导输入端采用正交模接头，实现了差分馈电，这种双极化探头能够实现宽带匹配，且交叉极化辨识度高，可以工作于X波段(8GHz-12GHz)，带内驻波比小于2，增益大于7dB，输入端口隔离度大于45dB。但是其存在的缺陷是，渐变四脊结构导致工作带内个别频段的匹配会发生恶化，且带内最大驻波比偏高，即带内匹配不佳，容易在测量中引入多次反射效应，增大测量误差。

就现有的技术来说，开口波导天线在带内阻抗匹配方面依然有提升空间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出了一种基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，旨在保证天线带内辐射增益和输入端口隔离度的同时，提升天线的带内匹配特性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案包括开口波导1、屏蔽金属板2、微带巴仑3、馈电同轴线4和脊板5；其中：

所述开口波导1采用一端开口一端封闭的腔体结构；

所述微带巴仑3包括介质板31、印制在介质板31一个侧面的输入微带线32和输出微带线33和另一个侧面的金属地板34，用于实现两个单端口输入变为两对双端口差分输出，其中，所述金属地板34开有哑铃状缝隙，便于两端的匹配和能量的传输；

所述脊板5包括台阶变化段51和阻抗调配段52，台阶变化段51采用长方形板材沿着长边一侧切割出多级台阶的结构，所述阻抗调配段52的一个边上设置有缺口；

所述脊板5数量为四个，组成两个呈十字状结构排布的脊板对，固定在开口波导1内，脊板5中阻抗调配段52是临近开口波导1封闭端的一侧；所述微带巴仑3固定在开口波导1封闭端外侧，并通过屏蔽金属板2隔离；所述馈电同轴线4数量为四根，两根为一组，各组馈电同轴线4一端的屏蔽层分别与一个微带巴仑3的金属地板34相连，内芯与屏蔽层所连接的微带巴仑3上输出微带线33的两端相连，各组馈电同轴线4另一端的屏蔽层与开口波导1的封闭端相连，内芯穿过开口波导1封闭端上的过孔分别与一个脊板对中两个脊板5的阻抗调配段52相连。

上述基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，所述开口波导1，采用方形波导结构，其横截面边长与WR90标准矩形波导的长边长度相等。

上述基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，所述两个脊板对，其中每个脊板对中的两个脊板5共面，对内两个脊板5之间的最小距离为d，0.6mm≤d≤3mm，各脊板5的厚度均为t，1mm≤t≤5mm。

上述基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，所述台阶变化段51，其台阶数量为N级，3≤N≤8。

上述基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，所述馈电同轴线4，其特性阻抗为50欧。

上述基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，所述金属地板34，其上设置哑铃状缝隙的对称轴与金属地板34任意两边的中轴线重合，缝隙两端的长度均为l₂，2mm≤l₂≤3mm，宽度为w₂，0.3mm≤w₂≤0.7mm，缝隙中间的长度为l₃，10mm≤l₃≤15mm，宽度为w₃，0.2mm≤w₃≤0.4mm。

上述基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，所述输入微带线32，采用与金属地板34缝隙的对称轴垂直的直线型结构，其长度为l₁，8mm≤l₁≤12mm，宽度为w₁，0.4mm≤w₁≤1.2mm。

上述的基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，所述输出微带线33，采用由第一直线微带和两条与第一直线微带垂直的第二直线微带组成的U字形结构，所述U字形结构的对称轴与金属地板34上设置的哑铃状缝隙的对称轴平行，其中第二直线微带的长度为l₄，4mm≤l₄≤6mm，宽度为w₄，0.4mm≤w₄≤0.8mm，第一直线微带的长度为l₅，5mm≤l₄≤7mm，宽度为w₅，0.5mm≤w₅≤1.5mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明中的开口波导内固定有两个呈十字状结构排布的脊板对，每个脊板对由两个共面的带有台阶变化段和阻抗调配段的脊板组成，通过调整台阶变化段多级台阶的尺寸和阻抗调配段缺口的尺寸，实现对开口波导天线与馈电同轴线的阻抗匹配，仿真实验证明，本发明在X波段的带内驻波比小于1.5，减小了工作带内驻波比的恶化，在保证天线带内辐射增益和输入端口隔离度的同时，有效地提升了带内匹配特性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2(a)是本发明开口波导封闭端的结构示意图，图2(b)是本发明开口波导的纵向剖面图；

图3是本发明微带巴仑的结构示意图；

图4是本发明脊板对的xoz面视图；

图5是本发明实施例1的驻波比参数曲线仿真结果图；

图6是本发明实施例1的x极化激励时的增益随频率变化曲线仿真结果图；

图7是本发明实施例1的x极化激励时的交叉极化辨识度随频率变化曲线仿真结果图；

图8是本发明实施例1的输入端口隔离度随频率变化曲线仿真结果图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述：

实施例1：

参照图1，一种基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，包括开口波导1、屏蔽金属板2、微带巴仑3、馈电同轴线4和脊板5；

所述开口波导1采用一端开口一端封闭方形波导结构，封闭端的结构如图2(a)所示，其横截面边长与WR90标准矩形波导的长边长度相等，并在其封闭端开有四个圆孔，为同轴线将脊板5和微带巴仑3的连接提供通道，四个贯通圆孔关于开口波导1中心轴线对称且距离中心轴线均为2.5mm，圆孔半径为1.5mm，开口波导1纵向剖面图如图2(b)所示，其腔体长为54.8mm，高为22.86mm，侧壁的厚度3mm。

所述微带巴仑3，包括介质板31、印制在介质板31一个侧面的输入微带线32和输出微带线33和另一个侧面的金属地板34，微带巴仑的结构示意图如图3所示，其中介质板31的长×宽×厚为23mm×16mm×0.635mm，所用介质为Rogers RT/duroid 6010LM，介电常数为10.7，输入微带线32的长度为l₁＝10mm，宽度为w₁＝0.6mm，且其左侧边缘距离介质板左侧边缘5.2mm，输出微带线33平行于Z轴部分的长均为l₄＝4.75mm，宽均为w₄＝0.6mm，垂直于Z轴部分的长为l₅＝5.6mm，宽为w₅＝0.9mm，其右侧边缘与介质板右侧边缘齐平，金属地板34的长宽与介质板31相同，其长边中心轴线上开有哑铃状缝隙，以便于两端的匹配和能量的传输，缝隙两端的长均为l₂＝2.5mm，宽为w₂＝0.4mm，缝隙中间的长为l₃＝13.2mm，宽为w₃＝0.3mm，缝隙最左侧边缘距离介质板左侧边缘3mm。

所述脊板5，包括台阶变化段51和阻抗调配段52，两个共面的脊板5xoz面视图如图4所示，该两个脊板间的最小距离为d＝0.6mm，每个脊板5的厚度均为t＝2mm，其中，台阶变化段51采用长方形板材沿着长边一侧切割出多级台阶的结构，在形成脊板对之后配合开口波导1可以灵活地设计各级双脊台阶结构的阻抗分布，从而优化所需工作频带内的匹配特性，其台阶级数为N＝5，沿着Z轴正方向脊板对的各级台阶间距依次增加，平行于Z轴的脊板台阶长度×各级台阶间距依次为7.5mm×2.44mm、7.2mm×4.4mm、7mm×8.4mm、7.6mm×13mm、9mm×17.8mm，阻抗调配段52设有矩形缝隙，矩形缝隙沿着x轴方向的长度为3.6mm，沿着z轴方向的长度为4.5mm，且短边中轴线到z轴的距离6.6mm，通过调节该缝隙的物理尺寸以起到调控阻抗匹配的作用，在脊板对的内侧采取了对称45度倒角处理，经过对称45度倒角处理后，在阻抗调配段52上所形成的其中一个斜面在xoy面上的投影为一线段，线段在x轴的分量长度为0.62mm，以解决四个脊板在安装时由于距离过近时的空间限制问题。

所述脊板5，数量为四个，组成两个呈十字状结构排布的脊板对，固定在开口波导1内，且该两个脊板对中的四个脊板5分别位于开口波导1四个壁沿z轴方向的中心轴线上，距离开口波导1封闭端一侧的距离为0.4mm，所述微带巴仑3，数量为两个，由介质架固定在开口波导1封闭端外侧，用于实现两个单端口输入变为两对双端口差分输出，并通过屏蔽金属板2隔离，所述屏蔽金属板2是采用导电性良好的材质为铜的长方形板材，长度×宽度×厚度为25mm×25mm×1mm，所述馈电同轴线4，数量为4，两根为一组，各组馈电同轴线4一端的屏蔽层分别与一个微带巴仑3的金属地板34相连，内芯与屏蔽层所连接的微带巴仑3上输出微带线33的两端相连，各组馈电同轴线4另一端的屏蔽层与开口波导1的封闭端相连，内芯穿过开口波导1封闭端上的圆孔分别与一个脊板对中两个脊板5的阻抗调配段52相连。

实施例2：

本实施例的结构与实施例1相同，仅对四个两两相对设置的脊板5的每对脊板之间最小距离d、脊板5的厚度t、台阶变化段51的台阶级数N、输入微带线32的长度l₁和宽度w₁、金属地板34的哑铃状缝隙两端长度l₂、宽度w₂、缝隙中间的长度l₃、宽度w₃和输出微带线33的平行于Z轴部分长度l₄、宽度w₄、垂直于Z轴部分的长度l₅、宽度为w₅作了调整：

每对脊板5之间最小距离d＝0.6mm；脊板1的厚度t＝1mm；台阶变化段51的台阶级数N＝3，沿着Z轴正方向脊板对的各级台阶间距依次增加，平行于Z轴的脊板台阶长度×各级台阶间距依次为7.5mm×2.6mm、7.2mm×7mm、7mm×14.4mm；输入微带线32的长度l₁＝8mm和宽度w₁＝0.4mm；金属地板34的哑铃状缝隙两端长度l₂＝2mm、宽度w₂＝0.3mm、缝隙中间的的长度l₃＝10mm、宽度w₃＝0.2mm；输出微带线33的平行于Z轴部分长度l₄＝4mm、宽度w₄＝0.4mm、垂直于Z轴部分的长度l₅＝5mm、宽度为w₅＝0.5mm。

实施例3：

本实施例的结构与实施例1相同，仅对四个两两相对设置的脊板5的每对脊板之间最小距离d、脊板5的厚度t、台阶变化段51的台阶级数N、输入微带线32的长度l₁和宽度w₁、金属地板34的哑铃状缝隙两端长度l₂、宽度w₂、缝隙中间的长度l₃、宽度w₃和输出微带线33的平行于Z轴部分长度l₄、宽度w₄、垂直于Z轴部分的长度l₅、宽度为w₅作了调整：

每对脊板5之间最小距离d＝3mm；脊板5的厚度t＝5mm；台阶变化段51的台阶级数N＝8，沿着Z轴正方向脊板对的各级台阶间距依次增加，平行于Z轴的脊板台阶长度×各级台阶间距依次为7.5mm×1.8mm、7.2mm×3mm、7.1mm×4.4mm、7.4mm×6.2mm、7.2mm×9.2mm、7.4mm×11.8mm、7.2mm×15.8mm、7.5mm×20.2mm；输入微带线32的长度l₁＝12mm和宽度w₁＝1.2mm；金属地板34的哑铃状缝隙两端长度l₂＝3mm、宽度w₂＝0.7mm、缝隙中间的长度l₃＝15mm、宽度w₃＝0.4mm；输出微带线33的平行于Z轴部分长度l₄＝6mm、宽度w₄＝0.8mm、垂直于Z轴部分的长度l₅＝7mm、宽度为w₅＝1.5mm。

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

仿真利用商业仿真软件HFSS_15.0；

仿真1，对本发明实施例1的双极化驻波比参数曲线进行仿真，其结果如图5所示；

仿真2，对本发明实施例1在x极化激励下的增益随频率变化曲线进行仿真，其结果如图6所示；

仿真3，对本发明实施例1在x极化激励下的交叉极化辨识度随频率变化曲线进行仿真，其结果如图7所示；

仿真4，对本发明实施例1的输入端口隔离度随频率变化曲线进行仿真，其结果如图8所示；

2、仿真结果分析：

参照图5，实施例1中本发明的工作频段为8GHz-12GHz，带内驻波比小于1.5，与现有的用于平面近场测量的具有全倍频程带宽以及小散射特性的双极化探头相比，具有更小的带内驻波比，因此带内匹配特性更好。

参照图6，实施例1中本发明在8GHz-12GHz频段内的增益大于6.7dB，与与现有的用于平面近场测量的具有全倍频程带宽以及小散射特性的双极化探头的7dB最小增益指标接近。

参照图7，实施例1中本发明在8GHz-12GHz频段内的交叉极化辨识度大于40dB，与现有的用于平面近场测量的具有全倍频程带宽以及小散射特性的双极化探头的45dB最小交叉极化辨识度接近。

参照图8，实施例1中本发明在8GHz-12GHz频段内的输入端口隔离度大于44dB，与现有的用于平面近场测量的具有全倍频程带宽以及小散射特性的双极化探头的45dB最小隔离度指标接近。

以上仿真结果说明，本发明在保证最小增益指标、最小交叉极化辨识度和最小隔离度参数指标接近的情况下，在8GHz-12GHz的工作频带内的表现出了良好的带内匹配、高交叉极化辨识度以及高隔离度特性。

以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，其特征在于，包括开口波导(1)、屏蔽金属板(2)、微带巴仑(3)、馈电同轴线(4)和脊板(5)；其中：

所述开口波导(1)采用一端开口一端封闭的腔体结构；

所述微带巴仑(3)包括介质板(31)、印制在介质板(31)一个侧面的输入微带线(32)和输出微带线(33)和另一个侧面的金属地板(34)，用于实现两个单端口输入变为两对双端口差分输出，其中所述金属地板(34)开有哑铃状缝隙，便于两端的匹配和能量的传输；

所述脊板(5)包括台阶变化段(51)和阻抗调配段(52)，所述台阶变化段(51)是采用长方形板材沿着长边一侧切割出多级台阶的结构，所述阻抗调配段(52)的一个边上设置有缺口；

所述脊板(5)数量为四个，组成两个呈十字状结构排布的脊板对，固定在开口波导(1)内，脊板(5)中阻抗调配段(52)是临近开口波导(1)封闭端的一侧；所述微带巴仑(3)固定在开口波导(1)封闭端外侧，并通过屏蔽金属板(2)隔离；所述馈电同轴线(4)，数量为四根，两根为一组，各组馈电同轴线(4)一端的屏蔽层分别与一个微带巴仑(3)的金属地板(34)相连，各组馈电同轴线(4)的内芯与屏蔽层所连接的微带巴仑(3)上输出微带线(33)的两端相连，各组馈电同轴线(4)另一端的屏蔽层与开口波导(1)的封闭端相连，内芯穿过开口波导(1)封闭端上的过孔分别与一个脊板对中两个脊板(5)的阻抗调配段(52)相连。

2.根据权利要求1所述的基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，其特征在于，所述开口波导(1)，采用方形波导结构，其横截面边长与WR90标准矩形波导的长边长度相等。

3.根据权利要求1所述的基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，其特征在于，所述两个脊板对，其中每个脊板对中的两个脊板(5)共面，对内两个脊板(5)之间的最小距离为d，0.6mm≤d≤3mm，各脊板(5)的厚度均为t，1mm≤t≤5mm。

4.根据权利要求1所述的台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，其特征在于，所述台阶变化段(51)，其台阶数量为N级，3≤N≤8。

5.根据权利要求1所述的基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，其特征在于，所述馈电同轴线(4)，其特性阻抗为50欧。

6.根据权利要求1所述的基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，其特征在于，所述金属地板(34)，其上设置哑铃状缝隙，缝隙的对称轴与金属地板(34)任意两边的中轴线重合，缝隙两端哑铃球部分的长度均为l₂，2mm≤l₂≤3mm，宽度为w₂，0.3mm≤w₂≤0.7mm，缝隙中间哑铃杆部分的长度为l₃，10mm≤l₃≤15mm，宽度为w₃，0.2mm≤w₃≤0.4mm。

7.根据权利要求1所述的基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，其特征在于，所述输入微带线(32)，采用与金属地板(34)缝隙长度方向的对称轴垂直的直线型结构，其长度为l₁，8mm≤l₁≤12mm，宽度为w₁，0.4mm≤w₁≤1.2mm。

8.根据权利要求1所述的基于台阶状四脊过渡的双极化开口波导天线，其特征在于，所述输出微带线(33)，采用由第一直线微带和两条与第一直线微带垂直的第二直线微带组成的U字形结构，所述U字形结构的对称轴与金属地板(34)上设置的哑铃状缝隙长度方向的对称轴平行，其中第二直线微带的长度为l₄，4mm≤l₄≤6mm，宽度为w₄，0.4mm≤w₄≤0.8mm，第一直线微带的长度为l₅，5mm≤l₄≤7mm，宽度为w₅，0.5mm≤w₅≤1.5mm。