CN110994154B - 一种圆极化高效率径向阵列天线 - Google Patents

一种圆极化高效率径向阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆极化高效率径向阵列天线，天线主体为介质加载的径向波导；该天线包括：若干辐射单元和馈电结构；所述的辐射单元包括：开在径向波导一侧的正交缝隙阵列加载两阶圆形波导口结构；所述的正交缝隙的两缝距离四分之一波长，使其辐射相位相差90°，构成圆极化波；所述的两阶圆形波导口结构为与所述的正交缝隙叠加设置的顶层波导辐射口和过渡波导辐射口。本发明采用开在径向波导一侧的正交缝隙阵列加载两阶圆形波导口结构，这种结构相比传统缝隙，提高单元增益，压窄波束，多层结构增加天线结构强度，降低单元之间耦合，单元台阶过渡增加阻抗匹配；辐射单元径向间距为一个工作波长λg，减少单元之间耦合，使大口径下效率得到提高。

Description

一种圆极化高效率径向阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种圆极化高效率径向阵列天线。
背景技术
近些年来，随着雷达、卫星通信领域发展迅猛，对高效率高增益的天线需求逐渐增多，同时圆极化特性的天线对收发天线的位置不敏感，具有高抗干扰的能力，传统微带天线具有低剖面，易实现圆极化的特点，但其结构强度差，辐射效率不高。传统波导结构的圆极化天线存在笨重、体积大等缺点。因此研究一款高效率、高增益、高强度并且轻质量的圆极化天线具有十分重要的意义。
波导阵列天线具有较高的功率容量，较低的馈电损耗的特点，被广泛应用与通信领域。在天线的设计中，其辐射性能直接影响系统的通信能力，天线的形式决定着天线的性能，传统实现高增益的天线往往采用抛物面形式，其体积笨重，抗风力差等缺点很难满足日益增长的低成本、易制造、轻质量的特点。为了满足日益增长的需求，径向线天线被作为高增益卫星接收天线而被提出，它本质上是一种非谐振多模式阵列天线，其能够同时兼具波导缝隙天线的高效率与微带天线的低剖面的特点。
本发明做出之前，市面上圆极化径向天线多采用缝隙阵列单层结构，通过缝隙阵列耦合叠加形成的口面场均匀分布，使其具有高效率。其馈电结构多为探针结构，带宽较窄，单元径向间距为λg/2，当天线电尺寸增大时靠近外圈的辐射单元效率下降，很难实现大口径高增益。研究结构高可靠、高稳定性、高增益天线阵列已经成为当下广泛研究的热门课题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的缺陷，提供一种圆极化高效率径向缝隙阵列天线，实现天线高效率、优圆极化、高强度的机械结构的性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种圆极化高效率径向阵列天线，天线主体为介质加载的径向波导；该天线包括：若干辐射单元和馈电结构；所述的辐射单元包括：开在径向波导一侧的正交缝隙加载两阶圆形波导口结构；所述的正交缝隙的两缝距离四分之一波长，使其辐射相位相差90°，构成圆极化波；所述的两阶圆形波导口结构为与所述的正交缝隙叠加设置的顶层波导辐射口和过渡波导辐射口。
较佳地，所述的顶层波导辐射口的口径为0.52λg，所述的过渡波导辐射口的口径为0.49λg。
较佳地，所述的顶层波导辐射口和所述的过渡波导辐射口的厚度设置为0.1λ0至0.2λ0之间。
较佳地，所述的辐射单元的径向间距为一个工作波长λg。
较佳地，所述的正交缝隙的缝隙长度取0.36λg至0.48λg，缝隙长度随着距离径向波导中心的长度增加而递增。
较佳地，所述的馈电结构包括：波导转同轴结构和同轴转径向波导结构；所述的波导转同轴结构包括：矩形波导和设于矩形波导内的匹配块；所述的匹配块为三阶金属台阶；所述的波导转同轴结构包括中心探针导体，所述的中心探针与所述的匹配块连接；所述的中心探针导体穿过所述的矩形波导与所述的径向波导连接。
较佳地，所述的径向波导采用上下覆铜微带或采用上下金属盖板粘合介质。
较佳地，所述的介质为低损耗介质，所述低损耗介质的相对介电常数选取1.4至3，厚度选取λg/10至λg/4之间。
较佳地，所述的径向波导边缘开放或封闭形成驻波，或加载吸波材料形成行波模式。
较佳地，该天线的口径为11.6λ0，高度为0.9λ0。
有益效果：
(1)本发明的辐射单元，采用开在径向波导一侧的正交缝隙阵列加载两阶圆波导口结构，这种结构相比传统缝隙，提高单元增益，压窄波束，多层结构增加天线结构强度，降低单元之间耦合，单元台阶过渡增加阻抗匹配。
(2)辐射单元径向间距为一个工作波长λg，减少单元之间耦合，使大口径下效率得到提高。
(3)辐射单元沿电流同相等幅分布辐射，实现其高增益、窄波束的特性，随着单元数目的增多其效率会随之增加。正交辐射缝隙使其带内轴比小于2dB，实现了优圆极化的特性。
(4)馈电结构包括两部分，波导转同轴结构，同轴转径向波导结构。易于加工，便于集成。
附图说明
图1为本发明提供的天线的实施例的结构俯视图。
图2为本发明提供的天线的实施例的结构侧视图。
图3为本发明提供的辐射单元的示意图。
图4为本发明提供的馈电结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的圆极化高效率径向阵列天线作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明中，λg为介质波导中波导波长，λ0为自由空间波长。
本实施例的天线主体为介质加载的径向波导结构，采用标准矩形波导口或窄边波导馈电。馈电结构的波导口宽边尺寸以传输主模TE10不被截止为准则。馈入的电磁波分别经过波导转同轴结构、同轴转径向波导结构、最终至辐射单元。辐射单元沿电流同相等幅分布辐射，实现其高增益、窄波束的特性，随着单元数目的增多其效率会随之增加。正交辐射缝隙使其带内轴比小于2dB，实现了优圆极化的特性。
本实施例的圆极化高效率径向阵列天线，包括辐射单元和馈电结构，馈电结构包括波导转同轴结构和同轴转径向波导结构。
所述辐射单元，采用开在径向波导一侧的正交缝隙阵列加载两阶圆形波导口结构，这种结构相比传统缝隙，提高单元增益，压窄波束，多层结构增加天线结构强度，降低单元之间耦合，单元台阶过渡增加阻抗匹配。
进一步地，增大单元径向间距变为沿电磁波传播方向的一个工作波长λg，减少单元之间耦合，使大口径下效率得到提高。
进一步地，馈电结构包括两部分，波导转同轴结构，同轴转径向波导结构，易于加工，便于集成。
进一步地，所述波导转同轴结构，采用三阶金属台阶过渡，由TE10模式过渡为准TEM模式；所述同轴转径向波导采用内芯与径向波导上壁焊接，由准TEM模式过渡为TEM模式。一些实施例中，内芯为中心探针导体，中心探针导体选择金属探针。
进一步地，其中径向波导可采用侧面开放、封闭或者加载吸波材料。辐射单元沿电流同相分布，实现其高增益、窄波束的特性，随着单元数目的增多其辐射效率会随之增加。正交辐射缝隙使其带内轴比小于2dB，实现了优圆极化的特性。
实施例：
如图1和图3所示，一种圆极化高效率径向阵列天线，包括馈电结构5，介质加载的径向波导4，辐射单元。辐射单元为正交缝隙加载两阶圆形波导口结构，包括正交缝隙层辐射单元1、波导口层辐射单元2。正交缝隙层辐射单元1包括缝隙9和缝隙10，两缝隙为正交关系。波导口层辐射单元2为两阶圆形波导口结构，包含两级波导口：顶层波导辐射口12和过渡波导辐射口13。其中径向波导4边缘可采用三种方式，开路、短路、加载吸波材料。其场分布为别对应驻波、行波形式的Hankel函数，然后根据此时该函数场分布选取径向波导中一个波导波长λg为周期排布单元，第一个单元距离中心馈电点距离约为λg至1.5λg。依次循环，可计算出每个单元具体位置及单元倾斜角度，依次排布阵列。图2所示为天线侧视图，径向波导4内加载低损耗均匀介质，相对介电常数选取1.4至3，厚度选取λg/10至λg/4之间。
本实施例中，图3所示为天线辐射单元结构图，辐射单元为五层结构，最上层为顶层波导辐射口12，口径约为0.52λg，过渡波导辐射口13口径约为0.49λg。本发明不限于圆形波导辐射腔体，还包括矩形波导辐射腔、脊波导辐射腔等，辐射腔体尺寸随距离中心位置的增加呈递增。其作用降低单元之间耦合，增大单元等效辐射口面，提高天线增益。优化顶层波导辐射口12和过渡波导辐射口13的厚度，通常设置为0.1λ0至0.2λ0之间，天线增益可增加2dB，并增加天线带宽。其中λg为介质波导中波导波长，λ0为自由空间波长。波导口下面采用正交缝隙波导缝隙9、10，形成幅度相同的两个正交极化分量，两正交缝径向距离为λg/4，形成90°相位差，以实现圆极化波的辐射特性，缝隙长度取0.36λg至0.48λg，随着距离中心位置距离的长度依次增加呈递增。正交缝隙底下为低损耗介质3和金属地板8。
馈电结构为矩形波导与径向波导转接过渡段，起连接与匹配的作用。波导转同轴结构采用矩形波导三阶金属台阶过渡为脊波导，再由脊波导过渡为同轴形式，实现矩形波导TE10模式到准TEM模式的过渡。同轴转径向波导采用同轴内芯与径向波导上壁焊接，由准TEM模式过渡为TEM模式。
图4所示馈电结构示意图，其包括矩形波导5、匹配块7，中心探针导体6和径向波导4。矩形波导5与径向波导4相互平行放置，匹配块7是三个总长度小于四分之一λg的台阶形式单脊。中心探针导体6为金属探针。台阶连接金属探针，金属探针穿过径向波导4下壁的开孔11与径向波导4上壁直接相连接。矩形波导5内电磁波为TE10模式，通过三阶阻抗变换成径向波导4的TEM模式，径向波导4下壁的开孔11大小调节探针与径向波导4之间的匹配关系。该馈电结构具有结构紧凑，占空间小，阻抗匹配带宽宽的优势。
在本实施例中，馈电波导口其特性阻抗可以根据设计需要为50Ω或100Ω，也可根据需求转换成其他形式接头。
本实施例的天线口径约为11.6λ0，天线阵面加馈电波导的总高度约为0.9λ0，实现天线高效率、优圆极化、高强度的机械结构的性能，天线驻波带宽大于10％，辐射效率大于70％。
综上所述，本发明采用开在径向波导一侧的正交缝隙阵列加载两阶圆形波导口结构，这种结构相比传统缝隙，提高单元增益，压窄波束，多层结构增加天线结构强度，降低单元之间耦合，单元台阶过渡增加阻抗匹配；辐射单元径向间距为一个工作波长λg，减少单元之间耦合，使大口径下效率得到提高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，天线主体为介质加载的径向波导；该天线包括：若干辐射单元和馈电结构；
所述的辐射单元包括：开在径向波导一侧的正交缝隙加载两阶圆形波导口结构；所述的正交缝隙的两缝距离四分之一波长，使其辐射相位相差90°，构成圆极化波；所述的两阶圆形波导口结构为与所述的正交缝隙叠加设置的顶层波导辐射口和过渡波导辐射口，所述的顶层波导辐射口的口径为0.52λg，所述的过渡波导辐射口的口径为0.49λg，λg为介质波导中波导波长。
2.根据权利要求1所述的圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，所述的顶层波导辐射口和所述的过渡波导辐射口的厚度设置为0.1λ0至0.2λ0之间，λ0为自由空间波长。
3.根据权利要求1所述的圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，所述的辐射单元的径向间距为一个工作波长λg。
4.根据权利要求1所述的圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，所述的正交缝隙的缝隙长度取0.36λg至0.48λg，缝隙长度随着距离径向波导中心的长度增加而递增。
5.根据权利要求1所述的圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，所述的馈电结构包括：波导转同轴结构和同轴转径向波导结构；
所述的波导转同轴结构包括：矩形波导和设于矩形波导内的匹配块；所述的匹配块为三阶金属台阶；
所述的波导转同轴结构包括中心探针导体，所述的中心探针与所述的匹配块连接；所述的中心探针导体穿过所述的矩形波导与所述的径向波导连接。
6.根据权利要求1所述的圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，所述的径向波导采用上下覆铜微带或采用上下金属盖板粘合介质。
7.根据权利要求6所述的圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，所述的介质为低损耗介质，所述低损耗介质的相对介电常数选取1.4至3，厚度选取λg/10至λg/4之间。
8.根据权利要求1所述的圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，所述的径向波导边缘开放或封闭形成驻波，或加载吸波材料形成行波模式。
9.根据权利要求1所述的圆极化高效率径向阵列天线，其特征在于，该天线的口径为11.6λ0，高度为0.9λ0。
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