CN109473774B - 新型双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了新型双极化天线，包括馈电波导和设置在馈电波导上的多模腔体，所述馈电波导上设有与多模腔体连通的缝隙；所述馈电波导分为相互独立的水平极化波导和垂直极化波导，所述水平极化波导设有水平极化馈电端口，所述垂直极化波导上设有垂直极化馈电端口。本发明采用新颖的馈电方式，实现了一馈四方式的双极化馈电，相较与传统的一馈四结构两种极化利用正交模耦合器的方式通过十字形缝隙进行耦合得到两种极化，本发明两个极化通过各自独立的馈电实现正交模式的激励。
Description
技术领域
本发明属于射频天线技术领域，具体涉及新型双极化天线。
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。
现有种双极化天线结构是利用利用正交模耦合器的方式通过十字形缝隙进行耦合得到两种极化，但这种结构体积较大，且带宽较窄。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种通过两个独立的馈电实现正交模式的激励的双极化天线。
本发明所采用的技术方案为：新型双极化天线，包括馈电波导和设置在馈电波导上的多模腔体，所述馈电波导上设有与多模腔体连通的缝隙；
所述馈电波导分为相互独立的水平极化波导和垂直极化波导，所述水平极化波导设有水平极化馈电端口，所述垂直极化波导上设有垂直极化馈电端口。
首先，本发明为一种双极化天线，极化就是指电磁波的偏振方式，分为线极化、椭圆极化、圆极化。线极化中，电场矢量不随时间变化，又分为两个方向的极化，即水平极化和垂直极化。水平极化指电磁波的电场矢量与入射面垂直，垂直极化指电磁波的电场矢量与入射面平行。改变雷达发射天线的方向就可以改变电磁波的极化方式。
如果发射的是水平极化方式的电磁波，与地物表面发生作用后会使电磁波极化方向产生不同程度的旋转，形成水平和垂直两个分量，用不同极化方式的天线接收，形成HH和HV两种极化方式的图像。若雷达发射的是垂直极化方式的电磁波，同理，会产生VV和VH两种极化方式的图像。HH、VV又称同极化，HV、VH称为交叉极化。全极化是各种极化方式的综合。
极化的概念要从电磁波在空间传播的特性来看.电磁波矢量沿一特定方向传播(假设为+Z)方向传播，则电场矢量和磁场矢量在垂直于+Z方向的平面(横截面)上随时间的变化而表现一定的轨迹，一般情况下，这种轨迹有一条线，对应的则为线极化；轨迹为一圆，对应的则为圆极化；通常轨迹为一椭圆，则称为椭圆极化.电磁场理论中应该有严格的定义.雷达的极化就是研究电磁波的极化状态对提高雷达性能的理论，包括极化测量技术和目标极化特征研究等。
本发明中是采用的交叉极化的方式，交叉极化是指天线有HH、VV、HV、VH四种极化方式，主通道的为同极化，次通道的被定义为交叉极化。如果雷达天线发送与接收的电场矢量是不同的极化方式，如HV或VH,则这种极化就是交叉极化。一般交叉极化要求在主方向上辐射的交叉极化增益要小于主极化增益30dB以上，但在不同场合其要求会有变化。为了消除两个极化方向上的干扰，要么提高天线的极化隔离度，要么采用交叉极化干扰消除技术。提高天线的隔离度会大大增加天线制造的成本，而且提高幅度有限，因此研究有效且可工程实现的极化干扰消除技术是提高星地传输速率的重要保障。
而本发明中采用的是波导缝隙天线结构，具有两个馈电结构。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
进一步的，所述水平极化波导包括所述水平极化馈电端口和与所述水平极化馈电端口连接的功分器，所述功分器为扁状的波导结构；
所述功分器连接有第一耦合波导和第二耦合波导；
所述缝隙包括设置在第一耦合波导宽面上的第一耦合缝隙和设置在第二耦合波导宽面上的第二耦合缝隙；
所述第一耦合缝隙和第二耦合缝隙均与所述多模腔体连通。
其中，功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器按输出通常分为一分二(一个输入两个输出)、一分三(一个输入三个输出)等。功分器的主要技术参数有功率损耗(包括插入损耗、分配损耗和反射损耗)、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、幅度平衡度，相位平衡度，功率容量和频带宽度等。
也就是说，从所述的水平极化馈电口到两个耦合波导中，再由单独的设置在耦合波导上的耦合缝隙进入多模腔体中。
进一步的，所述第一耦合波导和第二耦合波导相互平行且厚度相等，均设置在功分器的同侧；
所述功分器远离第一耦合波导和第二耦合波导设置一侧中部向外突出形成水平极化馈电端口。
进一步的，所述垂直极化波导为矩形扁状波导结构，所述垂直极化波导的短边所在一侧端面设有所述垂直极化馈电端口；所述缝隙包括设置在所述垂直极化波导长边所在端面上的垂直极化馈电缝隙。
进一步的，所述水平极化波导为门型结构，所述垂直极化波导设置在水平极化波导底部且所述垂直极化馈电缝隙从水平极化波导的槽结构内穿过并与所述多模腔体连通。
进一步的，所述功分器中设有金属移相片。
进一步的，所述多模腔体为矩形波导结构，且多模腔体四角沿垂直于多模腔体厚度方向弧形切削形成凹面向外的弧面角；
所述多模腔体的四个侧面的中部向内凹陷形成凹槽。
进一步的，所述多模腔体内在四角位置均设有金属匹配快，所述金属匹配快为扇形结构并与多模腔体的弧面角内凹面贴合。
进一步的，所述多模腔体上设有四个均匀分布的辐射波导。
进一步的，所述辐射波导为正四棱柱结构，且沿垂直于所述辐射波导的开口方向将辐射波导的四条棱边进行弧形切削形成对称的弧面。
本发明的有益效果为：
本发明采用新颖的馈电方式，实现了一馈四方式的双极化馈电，相较与传统的一馈四结构两种极化利用正交模耦合器的方式通过十字形缝隙进行耦合得到两种极化，本发明两个极化通过各自独立的馈电实现正交模式的激励。
附图说明
图1是本发明的爆炸结构示意图；
图2是本发明的垂直极化波导与水平极化波导的连接透视结构示意图；
图3是本发明的垂直极化波导与水平极化波导的俯视透视结构示意图，其中垂直极化波导以虚线表示；
图4是本发明的水平极化波导的结构示意图；
图5是本发明的整体俯视透视结构示意图；
图6是本发明在HFSS软件中仿真的水平极化方向图；
图7是本发明在HFSS软件中仿真的垂直极化方向图；
图8是本发明在HFSS软件中仿真的水平极化馈电端口驻波图；
图9是本发明在HFSS软件中仿真的垂直极化馈电端口驻波图；
图10是本发明在HFSS软件中仿真的双端口隔离度图。
图中：1-多模腔体，2-水平极化馈电端口，3-垂直极化馈电端口，4-垂直极化波导，5-功分器，6-第一耦合波导，7-第二耦合波导，8-第一耦合缝隙，9-第二耦合缝隙，10-垂直极化馈电缝隙，11-凹槽，12-金属匹配快，13-辐射波导。
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1：
本实施例提供新型双极化天线，包括馈电波导和设置在馈电波导上的多模腔体1，所述馈电波导上设有与多模腔体1连通的缝隙；
馈电波导分为相互独立的水平极化波导和垂直极化波导4，所述水平极化波导设有水平极化馈电端口2，所述垂直极化波导4上设有垂直极化馈电端口3。如果发射的是水平极化方式的电磁波，与地物表面发生作用后会使电磁波极化方向产生不同程度的旋转，形成水平和垂直两个分量，用不同极化方式的天线接收，形成HH和HV两种极化方式的图像。若雷达发射的是垂直极化方式的电磁波，同理，会产生VV和VH两种极化方式的图像。HH、VV又称同极化，HV、VH称为交叉极化。全极化是各种极化方式的综合。
本实施例是采用的交叉极化的方式，交叉极化是指天线有HH、VV、HV、VH四种极化方式，主通道的为同极化，次通道的被定义为交叉极化。如果雷达天线发送与接收的电场矢量是不同的极化方式，如HV或VH，则这种极化就是交叉极化。一般交叉极化要求在主方向上辐射的交叉极化增益要小于主极化增益30dB以上，但在不同场合其要求会有变化。为了消除两个极化方向上的干扰，要么提高天线的极化隔离度，要么采用交叉极化干扰消除技术。提高天线的隔离度会大大增加天线制造的成本，而且提高幅度有限，因此研究有效且可工程实现的极化干扰消除技术是提高星地传输速率的重要保障。
水平极化波导包括所述水平极化馈电端口2和与所述水平极化馈电端口2连接的功分器5，所述功分器5为扁状的波导结构；所述功分器5连接有第一耦合波导6和第二耦合波导7；所述缝隙包括设置在第一耦合波导6宽面上的第一耦合缝隙8和设置在第二耦合波导7宽面上的第二耦合缝隙9；所述第一耦合缝隙8和第二耦合缝隙9均与所述多模腔体1连通。
其中，功分器5全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器5的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器5按输出通常分为一分二(一个输入两个输出)、一分三(一个输入三个输出)等。功分器5的主要技术参数有功率损耗(包括插入损耗、分配损耗和反射损耗)、各端口的电压驻波比，功率分配端口间的隔离度、幅度平衡度，相位平衡度，功率容量和频带宽度等。也就是说，从所述的水平极化馈电口到两个耦合波导中，再由单独的设置在耦合波导上的耦合缝隙进入多模腔体1中。第一耦合波导6和第二耦合波导7相互平行且厚度相等，均设置在功分器5的同侧；
功分器5远离第一耦合波导6和第二耦合波导7设置一侧中部向外突出形成水平极化馈电端口2。垂直极化波导4为矩形扁状波导结构，所述垂直极化波导4的短边所在一侧端面设有所述垂直极化馈电端口3；所述缝隙包括设置在所述垂直极化波导4长边所在端面上的垂直极化馈电缝隙10。水平极化波导为门型结构，所述垂直极化波导4设置在水平极化波导底部且所述垂直极化馈电缝隙10从水平极化波导的槽结构内穿过并与所述多模腔体1连通。功分器5中设有金属移相片。
实施例2：
本实施例公开了新型双极化天线，如图1-5所示，包括馈电波导和设置在馈电波导上的多模腔体1，所述馈电波导上设有与多模腔体1连通的缝隙；馈电波导分为相互独立的水平极化波导和垂直极化波导4，所述水平极化波导设有水平极化馈电端口2，所述垂直极化波导4上设有垂直极化馈电端口3。
水平极化波导包括所述水平极化馈电端口2和与所述水平极化馈电端口2连接的功分器5，所述功分器5为扁状的波导结构；所述功分器5连接有第一耦合波导6和第二耦合波导7；所述缝隙包括设置在第一耦合波导6宽面上的第一耦合缝隙8和设置在第二耦合波导7宽面上的第二耦合缝隙9；所述第一耦合缝隙8和第二耦合缝隙9均与所述多模腔体1连通。
从所述的水平极化馈电口到两个耦合波导中，再由单独的设置在耦合波导上的耦合缝隙进入多模腔体1中。第一耦合波导6和第二耦合波导7相互平行且厚度相等，均设置在功分器5的同侧；
功分器5远离第一耦合波导6和第二耦合波导7设置一侧中部向外突出形成水平极化馈电端口2。垂直极化波导4为矩形扁状波导结构，所述垂直极化波导4的短边所在一侧端面设有所述垂直极化馈电端口3；所述缝隙包括设置在所述垂直极化波导4长边所在端面上的垂直极化馈电缝隙10。水平极化波导为门型结构，所述垂直极化波导4设置在水平极化波导底部且所述垂直极化馈电缝隙10从水平极化波导的槽结构内穿过并与所述多模腔体1连通。功分器5中设有金属移相片。
多模腔体1为矩形波导结构，且多模腔体1四角沿垂直于多模腔体1厚度方向弧形切削形成凹面向外的弧面角；所述多模腔体1的四个侧面的中部向内凹陷形成凹槽11。多模腔体1内在四角位置均设有金属匹配快12，所述金属匹配快12为扇形结构并与多模腔体1的弧面角内凹面贴合。多模腔体1上设有四个均匀分布的辐射波导13。辐射波导13为正四棱柱结构，且沿垂直于所述辐射波导13的开口方向将辐射波导13的四条棱边进行弧形切削形成对称的弧面。
多模腔体1可传输水平和垂直两种极化的电磁波，通过多模式的混合工作，展宽工作频带。其中垂直极化波导4通过垂直极化馈电缝隙10给多模腔体1馈电，在多模腔体1中激励起水平极化的电磁波，并通过四个辐射波导13向自由空间中辐射。水平极化馈电端口2馈入的电磁波通过功分器5一分为二，并通过各自波导上的缝隙馈入多模腔体1，在多模腔体1中激励起垂直极化的电磁波，并通过四个辐射波导13向自由空间中辐射。金属匹配快12用于调节多模腔体1的匹配阻抗，使天线实现宽带工作。
本实施例中采用的是波导缝隙天线结构，具有两个馈电结构。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。
如图6-10所示，是本实施例中的天线通过HFSS软件进行仿真测试的波形图。
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 (5)
1.新型双极化天线，其特征在于：包括馈电波导和设置在馈电波导上的多模腔体（1），所述馈电波导上设有与多模腔体（1）连通的缝隙；
所述馈电波导分为相互独立的水平极化波导和垂直极化波导（4），所述水平极化波导设有水平极化馈电端口（2），所述垂直极化波导（4）上设有垂直极化馈电端口（3）；
所述水平极化波导包括所述水平极化馈电端口（2）和与所述水平极化馈电端口（2）连接的功分器（5），所述功分器（5）为扁状的波导结构；
所述功分器（5）连接有第一耦合波导（6）和第二耦合波导（7）；
所述缝隙包括设置在第一耦合波导（6）宽面上的第一耦合缝隙（8）和设置在第二耦合波导（7）宽面上的第二耦合缝隙（9）；
所述第一耦合缝隙（8）和第二耦合缝隙（9）均与所述多模腔体（1）连通；
所述第一耦合波导（6）和第二耦合波导（7）相互平行且厚度相等，均设置在功分器（5）的同侧；
所述功分器（5）远离第一耦合波导（6）和第二耦合波导（7）设置一侧中部向外突出形成水平极化馈电端口（2）；
所述垂直极化波导（4）为矩形扁状波导结构，所述垂直极化波导（4）的短边所在一侧端面设有所述垂直极化馈电端口（3）；所述缝隙包括设置在所述垂直极化波导（4）长边所在端面上的垂直极化馈电缝隙（10）；
所述水平极化波导为门型结构，所述垂直极化波导（4）设置在水平极化波导底部且所述垂直极化馈电缝隙（10）从水平极化波导的槽结构内穿过并与所述多模腔体（1）连通；
所述多模腔体（1）上设有四个均匀分布的辐射波导（13）。
2.根据权利要求1所述的新型双极化天线，其特征在于：所述功分器（5）中设有金属移相片。
3.根据权利要求1所述的新型双极化天线，其特征在于：所述多模腔体（1）为矩形波导结构，且多模腔体（1）四角沿垂直于多模腔体（1）厚度方向弧形切削形成凹面向外的弧面角；
所述多模腔体（1）的四个侧面的中部向内凹陷形成凹槽（11）。
4.根据权利要求1所述的新型双极化天线，其特征在于：所述多模腔体（1）内在四角位置均设有金属匹配块（12），所述金属匹配块（12）为扇形结构并与多模腔体（1）的弧面角内凹面贴合。
5.根据权利要求1所述的新型双极化天线，其特征在于：所述辐射波导（13）为正四棱柱结构，且沿垂直于所述辐射波导（13）的开口方向将辐射波导（13）的四条棱边进行弧形切削形成对称的弧面。
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