CN111370851A - 一种赋形宽波束圆极化天线 - Google Patents

Abstract

一种赋形宽波束圆极化天线包括：馈电波导、辐射波导、圆极化开口波导和介质罩；馈电波导与辐射波导连接或共壁，馈电波导与辐射波导之间设有耦合件；辐射波导远离馈电波导的端面开设有用于产生线极化波的若干开缝，若干开缝沿辐射波导宽边方向的中线均匀交错排列；圆极化开口波导与辐射波导连接，圆极化开口波导开设有与开缝一一对应的开口波导体；介质罩套设于圆极化开口波导，介质罩设有与开口波导体一一对应的波束赋形环，波形赋形环用于圆极化波的展宽。本发明由于旋转设置圆极化开口波导，实现电磁波线极化波向圆极化的转变，方便信息的传输与接收；由于设置波束赋形环，使天线获得具有较高增益的扇形波束。

Description

一种赋形宽波束圆极化天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种赋形宽波束圆极化天线。

背景技术

圆极化天线在通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、天文及电视广播等方面有着相当广阔的应用前景：在通信方面，圆极化天线可以接受任何极化的电磁波，特别适用与剧烈摆动或翻滚的飞行器通信；在电子对抗方面，圆极化天线可以侦察到敌方的各种线极化或椭圆极化电磁波；在天文、航天、遥感遥测方面，圆极化天线能消除由电离层法拉第旋转效应引起的电磁波极化畸变效应；在广播电视方面，圆极化天线可以克服视频信号的重影现象。

现有技术中，火控雷达的笔形波束只在精确定位方面具有优势，在需要对大面积空域进行搜索的对空警戒中，难以做到快速并大范围的搜索；

对于一直处于颠簸状态下的舰船通信，在现有技术中，俯仰面上的波束宽度不够，在俯仰方向上容易丢失目标，并失去对方位面的分辨力。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种赋形宽波束圆极化天线，具有结构简单成本低、易实现、波束覆盖范围广、分辨力高的技术特点。

为实现上述技术效果，本发明的技术方案为：

一种赋形宽波束圆极化天线包括：馈电波导、辐射波导、圆极化开口波导和介质罩；

馈电波导与辐射波导连接或共壁，馈电波导与辐射波导之间设有耦合件，耦合件用于将馈电波导馈入的射频能量输送至辐射波导；

辐射波导远离馈电波导的端面开设有用于产生线极化波的若干开缝，若干开缝沿辐射波导宽边方向的中线均匀交错排列；

圆极化开口波导与辐射波导连接，圆极化开口波导开设有与开缝一一对应的开口波导体，开口波导体用于将开缝射出的线极化波转换为圆极化波；

介质罩套设于圆极化开口波导，介质罩设有与开口波导体一一对应的波束赋形环，波形赋形环用于圆极化波的展宽。

其中，馈电波导向辐射波导的耦合件采用耦合倾斜缝或端馈或波导直馈。

其中，馈电波导沿轴向中线方向两端面分别为馈入端面、短路端面，馈电波导设有耦合件的端面并与馈入端面、短路端面垂直，馈入端面用以导入外部的电磁波，短路端面为金属壁。

其中，耦合倾斜缝开设于馈电波导的轴向中线上，并与轴向中线呈倾斜设置，耦合倾斜缝的中点距离短路端面的距离为波长的一半。

其中，靠近辐射波导两边窄边的两条开缝的中点分别距离其相近的窄边为四分之一波长。

其中，圆极化开口波导中，开口波导体的开口为矩形，每一开口波导体用于将开缝射出的线极化波转化为电场幅度相等、相位相差90°的TE10模和TE01模，以形成圆极化波，其中，开口波导体的旋向角度与波导长度决定开口波导体的出口处波束的电场幅度与相位。

其中，波束赋形环为金属环形结构，波束赋形环印刷于介质罩的外表面，波束赋形环与圆极化开口波导的距离决定天线波束展宽后的波束宽度。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明通过介质罩上设置波束赋形环对圆化开口波导产生的圆极化波进行展宽，具体而言，波束赋形环受圆极化开口波导辐射出的电磁波照射，波束赋形环的表面会产生环形电流，其可以等效为一沿圆极化开口波导法向方向放置的偶极子天线，偶极子辐射的电磁波形似“面包圈”结构，与圆极化开口波导辐射出的“屋顶”状电磁波相互作用，使天线具有较高增益的“门”状扇形波束，较高的增益用于增加雷达照射距离，扇形波束较大的波束宽度可以覆盖更广的空域，实现对大面积范围内进行搜索，如此，在不影响天线电尺寸的情况下，解决了圆极化天线波束覆盖范围小的技术问题，达到了波束覆盖范围广的技术效果；

本发明通过波束赋形环加宽了天线在俯仰面上的波束宽度，同时还能够保持方位面的窄波束，在俯仰方向上防止丢失目标的同时还能维持在方位面的分辨力，使得使用条件恶劣的情况下依旧能够保持良好的信号通信，比如：一直处于颠簸状态下的舰船通信；

本发明通过圆极化开口波导进行线极化波向圆极化波的转变，其中，圆极化开口波导中设有与开缝对应的开口波导体，开口波导体研发设定时通过自身的旋向角度和波导长度可以在开口波导体的出口处得到满足电场幅度相等、相位相差90°的条件的波束，即实现了线极化向圆极化的转变，具体旋向角度和波导长度可以根据实际的设计天线的要求进行调整，可以方便、快捷的适应不同规格的圆极化天线的制备，达到了结构简单成本低、易实现的技术效果。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的赋形宽波束圆极化天线的结构示意图；

图2为本发明的赋形宽波束圆极化天线爆炸的结构示意图；

图3为本发明的赋形宽波束圆极化天线在有无加载波束赋形环对比示意图；

图4为图3的局部放大示意图；

图5为本发明的赋形宽波束圆极化天线的轴比图。

附图标记说明：

1：馈电波导；101：馈入端面；102：第一短路端面；103：耦合倾斜缝；2：辐射波导；201：开缝；202：第二短路端面；203：第三短路端面；3：圆极化开口波导；4：介质罩；5：波束赋形环。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种赋形宽波束圆极化天线作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

参看图1和图2，一种赋形宽波束圆极化天线包括：馈电波导1、辐射波导2、圆极化开口波导3和介质罩4；

馈电波导1与辐射波导2连接或共壁，馈电波导1与辐射波导2之间设有耦合件，耦合件用于将馈电波导1馈入的射频能量输送至辐射波导2；

辐射波导2远离馈电波导1的端面开设有用于产生线极化波的若干开缝201，若干开缝201沿辐射波导2宽边方向的中线均匀交错排列；

圆极化开口波导3与辐射波导2连接，圆极化开口波导3开设有与开缝201一一对应的开口波导体，开口波导体用于将开缝201射出的线极化波转换为圆极化波；

介质罩4套设于圆极化开口波导3，介质罩4设有与开口波导体一一对应的波束赋形环5，波形赋形环用于圆极化波的展宽。

现对本实施例进行详细说明：

参看图1或图2，在本实施例中，馈电波导1采用标准波导BJ84，馈电波导1与辐射波导2连接或共壁，其中，馈电波导1的上端面与辐射波导2的下端面连接或共壁，即两者可以是一体化形成的结构，两者之间的交界处为同一壁，两者也可以是分开独立的两个部件，两者之间固定连接，外部的电磁波经过该馈电波导1的耦合件进入上述辐射波导2。

参看图2，具体地，馈电波导1沿轴向中线方向两端面分别为馈入端面101、短路端面，馈电波导1设有耦合件的端面并与馈入端面101、短路端面垂直，馈入端面101用以导入外部的电磁波，短路端面为金属壁。

具体地，参看图2，馈电波导1向辐射波导2的耦合件采用耦合倾斜缝103，较优地，在本实施例中，馈电波导1还可以通过端馈或波导直馈向辐射波导2传输电磁波。其中，耦合倾斜缝103开设于馈电波导1的轴向中线上，并与轴向中线呈倾斜设置，耦合倾斜缝103的中点距离短路端面的距离为波长的一半。

在本实施例中，通过馈入端面101将外部的电磁波导入馈电波导1，馈电波导的短路端面为第一短路端面102，馈入端面101与第一短路端面102平行设置，该第一短路端面102为金属壁；馈电波导1的上端面与辐射波导2的下端面贴合，且开有连通馈电波导1和辐射波导2的耦合倾斜缝103；该耦合倾斜缝103的中点位于馈电波导1的轴向中线上，此外该耦合倾斜缝103的中点离第一短路端面102的距离为波长的二分之一。

参看图2，辐射波导2的上端面设有多条开缝201，电磁波从辐射波导2的下端面进入并从多条开缝201中射出，多条开缝201沿着辐射波导2宽边方向的中线交错排列，具体而言，开缝之间间隔设置并且相邻开缝之间关于中线呈交错设置，多条开缝201的开设方向与辐射波导2宽边方向的中线相互平行。具体地，靠近辐射波导2两边窄边的两条开缝的中点分别距离其相近的窄边为四分之一波长。

在本实施例中，辐射波导2两边窄边所在的侧端面分别为第二短路端面202和第三短路端面203，其次，辐射波导2中靠近的第二短路端面202、第三短路端面203的两条开缝，该两条开缝的中心点离其接近的第二短路端面202或第三短路端面203的距离均为四分之一波长，此外，开缝的数量可以是任意多个，根据天线增益的需求增加或减少开缝数量。

参看图2，辐射波导2上端面连接圆极化开口波导3，圆极化开口波导3开设多个开口波导体，上述多个开口波导体一一对应多条开缝201，使每个开口波导体内均有一条开缝201；多个开口波导体均为旋转设置，从开缝201射出电磁波的线极化方向与开口波导体任意一条边都不垂直。

具体地，参看图圆极化开口波导3中，开口波导体的开口为矩形，每一开口波导体用于将开缝201射出的线极化波转化为电场幅度相等、相位相差90°的TE10模和TE01模，以形成圆极化波，其中，开口波导体的旋向角度与波导长度决定开口波导体的出口处波束的电场幅度与相位，其中，旋向角度为开口波导体相对于开缝的旋转角度，波导长度是波束在开口波导体内传播的距离。

在本实施例中，在天线研发设计时调整开口波导体的旋向角度和高度，高度即波导长度，线极化波在开口波导体的腔体内会被分解为沿开口波导边长相互垂直的两种导行波，传播模式分别是TE10模和TE01模，具有不同的传播常数β_TE10和β_TE01；接着，两种导行波沿开口波导体传播一定距离后，其在其出口处能够满足电场幅度相等、相位相差90°的圆极化条件，从而实现电磁波由的线极化波向圆极化波的转变。

本实施例通过圆极化开口波导进行线极化波向圆极化波的转变，其中，圆极化开口波导中设有与开缝对应的开口波导体，开口波导体研发设定时通过自身的旋向角度和波导长度可以在开口波导体的出口处得到满足电场幅度相等、相位相差90°的条件的波束，即实现了线极化向圆极化的转变，具体旋向角度和波导长度可以根据实际的设计天线的要求进行调整，可以方便、快捷的适应不同规格的圆极化天线的制备，达到了结构简单成本低、易实现的技术效果。

介质罩4套设于圆极化开口波导3，并与辐射波导2上端面连接，在本实施例中介质罩4材料为聚酰亚胺，用于支撑波束赋形环5，可选的，介质罩4也可以是其他任意一种具有支撑效果并不影响天线性能的介质材料。

参看图2，具体地，波束赋形环5为金属环形结构，波束赋形环5印刷于介质罩4的外表面，波束赋形环5与圆极化开口波导3的距离决定天线波束展宽后的波束宽度，本实施例的波束赋形环距离圆极化开口波导口面一定距离，该距离可以通过介质罩进行控制调整，实际距离的大小影响天线波束展宽的程度，天线设计时具体可以根据具体规格的天线进行调整。

请参看图3和图4中所示，未加载赋形环的天线3dB波束宽度约为69.2°(-34.4°～34.8°)，顶部加载赋形环后，波束宽度约为128.86°(-64.3°～64.56°)，波束展宽了将近一倍，说明可本实施例的波束赋形环可以有效地实现圆极化天线的波束展宽；请参看图5所示，本发明提供的赋形宽波束圆极化天线的轴比图，如图中所示，在3dB波束宽度(-64.3°～64.56°)内，天线轴比小于2dB，说明本实施例满足圆极化天线的设计要求。

本实施例通过介质罩上设置波束赋形环对圆化开口波导产生的圆极化波进行展宽，具体而言，波束赋形环受圆极化开口波导辐射出的电磁波照射，波束赋形环的表面会产生环形电流，其可以等效为一沿圆极化开口波导法向方向放置的偶极子天线，偶极子辐射的电磁波形似“面包圈”结构，与圆极化开口波导辐射出的“屋顶”状电磁波相互作用，使天线具有较高增益的“门”状扇形波束，较高的增益用于增加雷达照射距离，扇形波束较大的波束宽度可以覆盖更广的空域，实现对大面积范围内进行搜索，如此，在不影响天线电尺寸的情况下，解决了圆极化天线波束覆盖范围小的技术问题，达到了波束覆盖范围广的技术效果。

此外，通过波束赋形环加宽了天线在俯仰面上的波束宽度，同时还能够保持方位面的窄波束，在俯仰方向上防止丢失目标的同时还能维持在方位面的分辨力，使得使用条件恶劣的情况下依旧能够保持良好的信号通信，比如：一直处于颠簸状态下的舰船通信。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种赋形宽波束圆极化天线，其特征在于，包括：馈电波导、辐射波导、圆极化开口波导和介质罩；

所述馈电波导与所述辐射波导连接或共壁，所述馈电波导与所述辐射波导之间设有耦合件，所述耦合件用于将所述馈电波导馈入的射频能量输送至所述辐射波导；

所述辐射波导远离所述馈电波导的端面开设有用于产生线极化波的若干开缝，若干所述开缝沿所述辐射波导宽边方向的中线均匀交错排列；

所述圆极化开口波导与所述辐射波导连接，所述圆极化开口波导开设有与所述开缝一一对应的开口波导体，所述开口波导体用于将所述开缝射出的线极化波转换为圆极化波；

所述介质罩套设于所述圆极化开口波导，所述介质罩设有与所述开口波导体一一对应的波束赋形环，所述波形赋形环用于所述圆极化波的展宽。

2.根据权利要求1所述的赋形宽波束圆极化天线，其特征在于，所述耦合件采用耦合倾斜缝或端馈或波导直馈。

3.根据权利要求2所述的赋形宽波束圆极化天线，其特征在于，所述馈电波导沿轴向中线方向两端面分别为馈入端面、短路端面，所述馈电波导设有所述耦合件的端面与所述馈入端面、所述短路端面垂直，所述馈入端面用以导入外部的电磁波，所述短路端面为金属壁。

4.根据权利要求3所述的赋形宽波束圆极化天线，其特征在于，所述耦合倾斜缝开设于所述馈电波导的所述轴向中线上，并与所述轴向中线呈倾斜设置，所述耦合倾斜缝的中点距离所述短路端面的距离为波长的一半。

5.根据权利要求1所述的赋形宽波束圆极化天线，其特征在于，靠近所述辐射波导两边窄边的两条所述开缝的中点分别距离其相近的所述窄边为四分之一波长。

6.根据权利要求2至5任意一项所述的赋形宽波束圆极化天线，其特征在于，所述圆极化开口波导中，所述开口波导体的开口为矩形，每一所述开口波导体用于将所述开缝射出的线极化波转化为电场幅度相等、相位相差90°的导行波，所述导行波分别为TE10模和TE01模，以形成所述圆极化波，其中，所述开口波导体的旋向角度与波导长度决定所述开口波导体的出口处波束的电场幅度与相位。

7.根据权利要求2至5任意一项所述的赋形宽波束圆极化天线，其特征在于，所述波束赋形环为金属环形结构，所述波束赋形环印刷于所述介质罩的外表面，所述波束赋形环与所述圆极化开口波导的距离决定所述天线波束展宽后的波束宽度。

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