CN109473772B - 双极化超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双极化超宽带天线，包括连通的第一波导和第二波导，所述第一波导设有水平极化馈电口，所述第二波导上设有垂直极化馈电口；所述第一波导上设有让从水平极化馈电口出来的A导行波进行波导扭转从而达到水平极化并从设置在第一波导顶部的开口处向外辐射的水平极化结构；所述第一波导上还设有让从垂直极化馈电口出来的B导行波进行波导扭转从而达到垂直极化并从第一波导顶部的开口处向外辐射的垂直极化结构。本发明通过对开口辐射圆波导的特殊配置的双极化馈电，实现了天线的双极化高隔离工作。

Description

双极化超宽带天线

技术领域

本发明属于射频天线技术领域，具体涉及双极化超宽带天线。

背景技术

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

而电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波(简称极化波)。如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的(横)平面内取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极化电磁波称为平面极化波。电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按极化曲线的形状对极化波命名。对于单一频率的平面极化波，极化曲线是一椭圆(称极化椭圆)，故称椭圆极化波。顺传播方向看去，若电场矢量的旋向为顺时针，符合右螺旋法则，称右旋极化波；若旋向为逆时针，符合左螺旋法则，称左旋极化波。按极化椭圆的几何参数。可直观地对椭圆极化波作定量描述，即轴比ρ(长轴与短轴之比)。发射和接收电磁波的天线都具有确定的极化性质，可根据其用作发射天线时在最强辐射方向上的电磁波极化而命名。例如，水平或垂直极化天线辐射水平或垂直极化波；右旋或左旋(椭)圆极化天线辐射右旋或左旋(椭)圆极化波。通常为了在收发天线之间实现最大的功率传输，应采用极化性质相同的发射天线和接收天线，这种配置条件称为极化匹配。

双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

现有的双极化天线多采用互相垂直排列的十字形振子达到同时收发垂直和水平极化的波，但一般这种天线结构较大，无法设置在小型设备上。如果要设计一种紧凑型双极化天线，势必会造成其内部两种波的干涉，从而影响收发稳定性。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种结构紧凑且具有超宽带的双极化天线。

本发明所采用的技术方案为：双极化超宽带天线，包括连通的第一波导和第二波导，所述第一波导设有水平极化馈电口，所述第二波导上设有垂直极化馈电口；

所述第一波导上设有让从水平极化馈电口出来的A导行波进行波导扭转从而达到水平极化并从设置在第一波导顶部的开口处向外辐射的水平极化结构；

所述第一波导上还设有让从垂直极化馈电口出来的B导行波进行波导扭转从而达到垂直极化并从第一波导顶部的开口处向外辐射的垂直极化结构。

首先，波导是用来定向引导电磁波的结构。在电磁学和通信工程中，波导这个词可以指在它的端点间传递电磁波的任何线性结构。但最初和最常见的意思是指用来传输无线电波的空心金属管。这种波导主要用作微波频率的传输线，在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电磁波的角度看，它们都可分为内部区域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传播(要求在波导横截面内满足横向谐振原理)。

而本发明中的结构则是用两种波导结构组合形成一种紧凑型的双极化天线，并且设有两个馈电端口。而其中将第一波导作为主天线，承担收发信号的功能。通过设置在第一波导顶部的开口进行信号辐射。同时，通过均设置在第一波导上的两个极化结构将从两个不同馈电端产生的导行波扭转为极化波，然后均通过第一波导顶部的开口向外辐射。通过对开口辐射波导的特殊配置的双极化馈电，实现了天线的双极化高隔离工作。这种特殊配置在于两种极化采用波导和同轴馈电，同时对主辐射波导采用对称极化扭转的方式，实现了两个极化端口的良好匹配和隔离。

进一步的，所述第一波导底部设有短路面，所述A导行波进行水平极化后进入短路面并由短路面反射向上从所述第一波导顶部的开口处向外辐射；

所述B导行波进行垂直极化后进入短路面并由短路面反射向上从所述第一波导顶部的开口处向外辐射。

短路面即为设置在第一波导底部的一种短路器，短路器又称为短路负载、全反射终端器，在微波系统中其作用是将电磁能量全部反射回去，其主要性能指标是工作频率范围、驻波比、连接器类型等。对短路器的核心要求是是它的短路效果要好，或者说其反射系数应达到。

也就是说，所述的水平极化结构和垂直极化结构均设置在第一波导的下部，而两个馈电端口出来的导行波向下通过各自对应的极化结构进行扭转极化后便通过短路面反射向上通过开口辐射。这种结构设计能够尽可能提高空间利用率，从而减小整个天线的体积，同时还能够进行稳定的双极化效果。

进一步的，所述水平极化结构为对称设置在第一波导内的A波导阶梯渐变结构，所述A波导阶梯渐变结构包括多个向内凹陷并形成阶梯状结构的°沉台。

扭波导又称波导扭转接头。两端的宽边和窄边的方向互换90°的波导。其特点是电磁波通过它，极化方向改变°，而传播方向不变。在连接波导时，如前后两节波导发生宽边和窄边相对的情况，就需要插入这种扭波导作为过渡。扭波导的长度应为λg/的整数倍，且最短不得小于λg(λg为波导波长)。而本发明应用跳变理论及二项式匹配原理，从而利用°阶梯扭波导结构，相对于扭管波导结构，90°阶梯扭波导结构具有结构紧凑、体积小巧等优点。特别对于要求空间利用率的天线结构设计来说进行小空间内的转换极化方向的结构更加有利。利用HFSS电磁场的仿真软件进行仿真计算，通过调整阶梯扭转角及阶梯长度，从而具有较好的电性能参数。

波导阶梯扭转波导和扭管波导一样，都是矩形波导中用来改变极化面的一种波导元件，区别仅在于前者用几段波导日规则短形波导段定转动角度排列而成，后者直接用波导管扭成，即一个极化面转动是跳跃的，另一个极化面作为过导波长，在某些特定环境使用时，减小体积是一个十分重要的问题。而阶梯扭转波导在此情况下显得特别优越，它通过波导角度转换方式，采用波导传输跳变原理，使得波导内只有主模传输，降低了反射、损耗，减小了体导波长积。

进一步的，所述垂直极化结构为对称设置在第一波导内的B波导阶梯渐变结构，所述B波导阶梯渐变结构包括多个向内凹陷并形成阶梯状结构的90°沉台。

所述的A波导阶梯渐变结构和B波导阶梯渐变结构是两组对称设置且结构类似的阶梯状结构，其中两组阶梯渐变结构对称设置，具有相同的阶梯结构，每组阶梯渐变结构设有多个宽度不均的沉台。

进一步的，所述第一波导为圆柱状的圆形波导结构。

所述的圆形波导结构是波导的截面为圆形的柱形波导，圆波导所具有的一般性质与矩形波导相似。圆波导具有损耗较小和双极化的特性，常用于天线馈线中，也可作较远距离的传输线，并广泛用作微波谐振腔。

进一步的，所述第二波导为矩形波导结构。

通常由金属材料(铜、铝等)制成的，矩形截面的、内部填充空气介质的规则金属波导称之为矩形波导。矩形导波是采用金属管传输电磁波的重要导波装置，其管壁通常为铜、铝或者其他金属材料，其特点是结构简单、机械强度大。波导内没有内导体，损耗低、功率容量大，电磁能量在波导管内部空间被引导传播，可以防止对外的电磁波泄露。矩形导波有简并模、主模和单模传输。

矩形导波中可以出现各种TM模和TE模，以及他们的线性组合。当工作波长小于各种模式的截止波长，或者工作频率大于各种模式的截止频率时，这些模式都是传输模，因而波导可以形成多模传输。而本发明中采用的是TE模。

其中第二波导一侧开口设置在第一波导的曲面侧壁上并与第一波导连通，而所述的A波导阶梯渐变结构和B波导阶梯渐变结构是以第一波导的轴线等圆心角分布在第一波导下部，而在靠近第二波导与第一波导的连通处也设置有阶梯渐变结构，则是用于将从第二波导传导过来的B导行波进行垂直极化的B波导阶梯渐变结构。

进一步的，所述第一波导顶部直接开口并设有天线罩。

进一步的，所述第一波导顶部设有张口喇叭并在所述张口喇叭上设有天线罩。

进一步的，所述水平极化馈电口和垂直极化馈电口均采用同轴探针。

进一步的，所述垂直极化馈电口设置在所述第二波导的宽面。

本发明的有益效果为：

本发明通过对开口辐射圆波导的特殊配置的双极化馈电，实现了天线的双极化高隔离工作。这种特殊配置在于两种极化采用波导和同轴馈电，同时对主辐射圆波导采用对称波导阶梯渐变的方式，实现了两个极化端口的良好匹配和隔离。

附图说明

图1是本发明的轴侧透明结构示意图；

图2是本发明的侧面结构示意图；

图3是本发明的底部结构示意图；

图4是本发明的两个端口的驻波比，横坐标最左侧上端的波形为水平极化端口，而下端的波形即为垂直极化端口；

图5是本发明的两个端口的隔离度的波形图；

图6是本发明的水平极化馈电方向图；

图7是本发明的垂直极化看馈电方向图。

图中：1-第一波导，2-第二波导，3-水平极化馈电口，4-垂直极化馈电口，5-短路面，6-A波导阶梯渐变结构，7-B波导阶梯渐变结构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例：

本实施例提供双极化超宽带天线，包括连通的第一波导1和第二波导2，所述第一波导1设有水平极化馈电口3，所述第二波导2上设有垂直极化馈电口4；所述第一波导1上设有让从水平极化馈电口3出来的A导行波进行波导扭转从而达到水平极化并从设置在第一波导1顶部的开口处向外辐射的水平极化结构；所述第一波导1上还设有让从垂直极化馈电口4出来的B导行波进行波导扭转从而达到垂直极化并从第一波导1顶部的开口处向外辐射的垂直极化结构。

波导这个词可以指在它的端点间传递电磁波的任何线性结构。但最初和最常见的意思是指用来传输无线电波的空心金属管。这种波导主要用作微波频率的传输线，在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。

常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电磁波的角度看，它们都可分为内部区域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传播。而本实施例中的结构则是用两种波导结构组合形成一种紧凑型的双极化天线，并且设有两个馈电端口。而其中将第一波导1作为主天线，承担收发信号的功能。通过设置在第一波导1顶部的开口进行信号辐射。

同时，通过均设置在第一波导1上的两个极化结构将从两个不同馈电端产生的导行波扭转为极化波，然后均通过第一波导1顶部的开口向外辐射。通过对开口辐射波导的特殊配置的双极化馈电，实现了天线的双极化高隔离工作。这种特殊配置在于两种极化采用波导和同轴馈电，同时对主辐射波导采用对称极化扭转的方式，实现了两个极化端口的良好匹配和隔离。第一波导1底部设有短路面5，所述A导行波进行水平极化后进入短路面5并由短路面5反射向上从所述第一波导1顶部的开口处向外辐射；所述B导行波进行垂直极化后进入短路面5并由短路面5反射向上从所述第一波导1顶部的开口处向外辐射。短路面5即为设置在第一波导1底部的一种短路器，短路器又称为短路负载、全反射终端器，在微波系统中其作用是将电磁能量全部反射回去，其主要性能指标是工作频率范围、驻波比、连接器类型等。对短路器的核心要求是是它的短路效果要好，或者说其反射系数应达到。

水平极化结构和垂直极化结构均设置在第一波导1的下部，而两个馈电端口出来的导行波向下通过各自对应的极化结构进行扭转极化后便通过短路面5反射向上通过开口辐射。这种结构设计能够尽可能提高空间利用率，从而减小整个天线的体积，同时还能够进行稳定的双极化效果。所述水平极化结构为对称设置在第一波导1内的A波导阶梯渐变结构6，所述A波导阶梯渐变结构6包括多个向内凹陷并形成阶梯状结构的°沉台。

两端的宽边和窄边的方向互换90°的波导。其特点是电磁波通过它，极化方向改变°，而传播方向不变。在连接波导时，如前后两节波导发生宽边和窄边相对的情况，就需要插入这种扭波导作为过渡。扭波导的长度应为λg/的整数倍，且最短不得小于λg(λg为波导波长)。而本发明应用跳变理论及二项式匹配原理，从而利用°阶梯扭波导结构，相对于扭管波导结构，90°阶梯扭波导结构具有结构紧凑、体积小巧等优点。

特别对于要求空间利用率的天线结构设计来说进行小空间内的转换极化方向的结构更加有利。利用HFSS电磁场的仿真软件进行仿真计算，通过调整阶梯扭转角及阶梯长度，从而具有较好的电性能参数。波导阶梯扭转波导和扭管波导一样，都是矩形波导中用来改变极化面的一种波导元件，区别仅在于前者用几段波导日规则短形波导段定转动角度排列而成，后者直接用波导管扭成，即一个极化面转动是跳跃的，另一个极化面作为过导波长，在某些特定环境使用时，减小体积是一个十分重要的问题。而阶梯扭转波导在此情况下显得特别优越，它通过波导角度转换方式，采用波导传输跳变原理，使得波导内只有主模传输，降低了反射、损耗，减小了体导波长积。

垂直极化结构为对称设置在第一波导1内的B波导阶梯渐变结构7，所述B波导阶梯渐变结构7包括多个向内凹陷并形成阶梯状结构的90°沉台。所述的A波导阶梯渐变结构6和B波导阶梯渐变结构7是两组对称设置且结构类似的阶梯状结构，其中两组阶梯渐变结构对称设置，具有相同的阶梯结构，每组阶梯渐变结构设有多个宽度不均的沉台。

第一波导1为圆柱状的圆形波导结构。所述的圆形波导结构是波导的截面为圆形的柱形波导，圆波导所具有的一般性质与矩形波导相似。圆波导具有损耗较小和双极化的特性，常用于天线馈线中，也可作较远距离的传输线，并广泛用作微波谐振腔。

第二波导2为矩形波导结构。通常矩形波导结构由金属材料制成的，矩形截面的、内部填充空气介质的规则金属波导称之为矩形波导。矩形导波是采用金属管传输电磁波的重要导波装置，其管壁通常为铜、铝或者其他金属材料，其特点是结构简单、机械强度大。波导内没有内导体，损耗低、功率容量大，电磁能量在波导管内部空间被引导传播，可以防止对外的电磁波泄露。矩形导波有简并模、主模和单模传输。

矩形导波中可以出现各种TM模和TE模，以及他们的线性组合。当工作波长小于各种模式的截止波长，或者工作频率大于各种模式的截止频率时，这些模式都是传输模，因而波导可以形成多模传输。而本发明中采用的是TE模。其中第二波导2一侧开口设置在第一波导1的曲面侧壁上并与第一波导1连通，而所述的A波导阶梯渐变结构6和B波导阶梯渐变结构7是以第一波导1的轴线等圆心角分布在第一波导1下部，而在靠近第二波导2与第一波导1的连通处也设置有阶梯渐变结构，则是用于将从第二波导2传导过来的B导行波进行垂直极化的B波导阶梯渐变结构7。第一波导1顶部直接开口并设有天线罩。所述第一波导1顶部设有张口喇叭并在所述张口喇叭上设有天线罩。所述水平极化馈电口3和垂直极化馈电口4均采用同轴探针。所述垂直极化馈电口4设置在所述第二波导2的宽面。

如图1-3所示，其中的圆形开口波导或张口喇叭可实现两个相互正交的TE11模式同时辐射。本实施例的水平极化馈电口3采用同轴探针直接插入圆波导中的方式，而垂直极化馈电口4采用侧面加载E面波导的方式，并在第二波导2宽边加同轴探针激励，产生垂直极化。垂直极化采用垂直极化结构由矩形波导下端面处往波导短路面5渐变过渡，从而实现良好匹配，水平极化采用水平极化结构由探针处往波导短路面5渐变过渡，从而实现良好匹配。

如图4-7所示，是采用HFSS软件对本实施例的天线结构进行仿真模拟，并测试其两个端口的驻波比、隔离度和馈电方向，值得说明的是，HFSS是本领域技术人员所常用的仿真测试软件，顾不对其测试过程进行说明。

其中图6和图7中横坐标最左侧由出发点处直接向上走势的波形为Phi＝0deg的方向，而向下走势的波形为Phi＝0deg的波形。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (7)

1.双极化超宽带天线，其特征在于：包括连通的第一波导（1）和第二波导（2），所述第一波导（1）设有水平极化馈电口（3），所述第二波导（2）上设有垂直极化馈电口（4）；

所述第一波导（1）上设有让从水平极化馈电口（3）出来的A导行波进行波导扭转从而达到水平极化并从设置在第一波导（1）顶部的开口处向外辐射的水平极化结构；

所述第一波导（1）上还设有让从垂直极化馈电口（4）出来的B导行波进行波导扭转从而达到垂直极化并从第一波导（1）顶部的开口处向外辐射的垂直极化结构；

所述第一波导（1）底部设有短路面（5），所述A导行波进行水平极化后进入短路面（5）并由短路面（5）反射向上从所述第一波导（1）顶部的开口处向外辐射；

所述B导行波进行垂直极化后进入短路面（5）并由短路面（5）反射向上从所述第一波导（1）顶部的开口处向外辐射；

所述水平极化结构为对称设置在第一波导（1）内的A波导阶梯渐变结构（6），所述A波导阶梯渐变结构（6）包括多个向内凹陷并形成阶梯状结构的90°沉台；

所述垂直极化结构为对称设置在第一波导（1）内的B波导阶梯渐变结构（7），所述B波导阶梯渐变结构（7）包括多个向内凹陷并形成阶梯状结构的90°沉台。

2.根据权利要求1所述的双极化超宽带天线，其特征在于：所述第一波导（1）为圆柱状的圆形波导结构。

3.根据权利要求1所述的双极化超宽带天线，其特征在于：所述第二波导（2）为矩形波导结构。

4.根据权利要求1所述的双极化超宽带天线，其特征在于：所述第一波导（1）顶部直接开口并设有天线罩。

5.根据权利要求1所述的双极化超宽带天线，其特征在于：所述第一波导（1）顶部设有张口喇叭并在所述张口喇叭上设有天线罩。

6.根据权利要求1所述的双极化超宽带天线，其特征在于：所述水平极化馈电口（3）和垂直极化馈电口（4）均采用同轴探针。

7.根据权利要求6所述的双极化超宽带天线，其特征在于：所述垂直极化馈电口（4）设置在所述第二波导（2）的宽面。