CN113178687B - 一种圆极化波导缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化波导缝隙天线，包括矩形波导，球形谐振腔对中设置在矩形波导的顶端，球形谐振腔与矩形波导之间通过耦合结构连接；球形谐振腔的顶端设置有第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙与第二缝隙呈十字垂直交叉，且交叉点位于球形谐振腔的顶部中心；第一同轴馈电接头与第二同轴馈电接头均设置在矩形波导上，并采用同相位激励；矩形波导用于激励出两个相位正交的微波模式；本发明中电磁信号通过矩形波导后形成两个相位正交的微波模式，两个相位正交的微波模式通过耦合结构后，在球形谐振腔的缝隙切割表面电流，实现电磁波向外辐射圆极化波，圆极化纯度高；球形谐振腔体积与表面积比值大，品质因数高，天线在工作带宽的效率高。

Description

一种圆极化波导缝隙天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种圆极化波导缝隙天线。

背景技术

天线是无线通信系统的关键器件，起到导行电磁波与辐射电磁波之间能量转换的作用；与线极化天线相比，圆极化天线具有抵抗雨雾衰减、抑制多径干扰信号和放宽接收与发射天线安装方位限制的突出优势。

波导缝隙天线是将波导金属面上进行有规则的开缝，缝隙切割表面电流使波导内的电磁能量辐射出，在远场进行干涉叠加，在特定方向辐射处电磁能量；波导缝隙天线具有增益高、功率容量大、方向性好及副瓣电平低的优势，收到广泛关注和研究；圆极化性能可以通过微扰法实现，但微扰法设计的天线缺少严格的数学推导，且圆极化轴比带宽窄，圆极化纯度不高；对天线进行正交双馈也可以实现圆极化性能，但是需要另外使用相移器，加大发射机及接收机负担；

微带缝隙天线可以实现圆极化性能，但由于介质基板较厚，造成天线重量过重，增加制作成本，并且高介电常数的介质基板会激起介质表面波，降低天线的辐射效率；在波导或谐振腔上开取缝隙可以实现电磁能量的辐射，但是已经公开的在球形谐振腔上开缝的天线以线极化天线为主。

因此，综合已经公开的圆极化天线与波导缝隙天线，有必要结合不同种天线的优势，研究新型结构实现同相位激励、高圆极化纯度及高效率的圆极化波导缝隙天线。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种圆极化波导缝隙天线，以解决现有的波导缝隙天线，圆极化纯度较低及天线效率较低的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种圆极化波导缝隙天线，包括矩形波导、耦合结构、球形谐振腔、第一同轴馈电接头及第二同轴馈电接头；球形谐振腔对中设置在矩形波导的顶端，球形谐振腔与矩形波导之间通过耦合结构连接；

球形谐振腔的顶端设置有第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙与第二缝隙呈十字垂直交叉，且交叉点位于球形谐振腔的顶部中心；第一同轴馈电接头与第二同轴馈电接头均设置在矩形波导上，第一同轴馈电接头与第二同轴馈电接头采用同相位激励；矩形波导用于激励出两个相位正交的微波模式。

进一步的，耦合结构采用圆柱形耦合结构；圆柱形耦合结构的上端与球形谐振腔的底部连接，下端与矩形波导的顶部连接。

进一步的，第一同轴馈电接头设置在矩形波导的宽边底部，第二同轴馈电接头设置在矩形波导的窄边底部。

进一步的，第一缝隙与矩形波导的宽边中心线重合，第二缝隙与矩形波导的窄边中心线重合。

进一步的，矩形波导的传导模式为TE₁₀模及TE₀₁模。

进一步的，矩形波导的内壁宽边尺寸a、内壁窄边尺寸b及高度尺寸h，满足以下条件：

其中，a为矩形波导的内壁宽边尺寸，b为矩形波导的内壁窄边尺寸，h为矩形波导的高度尺寸；β_TE10为矩形波导内TE₁₀模的相位传播常数，β_TE01为矩形波导内TE₀₁模的相位传播常数，λ为天线中心频率的工作波长。

进一步的，还包括天线底座，天线底座设置在矩形波导的底部，天线底座的四周设置有固定孔。

进一步的，还包括同相一分二同轴线接头；同相一分二同轴线接头包括输入端、第一输出端和第二输出端，输入端与电磁信号源连接，第一输出端与第一同轴馈电接头连接，第二输出端与第二同轴馈电接头连接。

进一步的，矩形波导、耦合结构及球形谐振腔为一体式结构；所述一体式结构采用光固化成型技术增材制造加工，光固化成型后对表面进行金属化处理得到。

进一步的，矩形波导的内壁宽边长为15.8mm，内壁窄边长为11.9mm，高度为20.9mm；球形谐振腔的内径为16.7mm；第一缝隙和第二缝隙的结构相同，宽度为2mm，弧长长度为23.3mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种圆极化波导缝隙天线，通过在矩形波导的顶端设置球形谐振腔，并通过耦合结构将矩形波导与球形谐振腔连接，矩形波导设置同相位激励的两个同轴馈电接头；电磁信号通过矩形波导后形成两个相位正交的微波模式，两个相位正交的微波模式通过耦合结构后，在球形谐振腔的缝隙切割表面电流，实现电磁波向外辐射圆极化波，圆极化纯度高；球形谐振腔体积与表面积比值大，品质因数高，天线在工作带宽的效率高。

进一步的，矩形波导与球形谐振腔之间通过圆柱形耦合结构连接，实现将矩形波导中的电磁能量耦合在球形谐振腔中；避免了矩形波导与球形谐振腔直接连接时，易造成球形谐振腔内电磁能量无法谐振，驻波比显著恶化，确保了电磁能量能够通过缝隙向外辐射；结构简单，设计加工难度低。

进一步的，通过在球形谐振腔的顶端设置第一缝隙和第二缝隙，并将第一缝隙与矩形波导的宽边中心线重合，第二缝隙与矩形波导的窄边中心线重合；通过设置两个缝隙，两个缝隙能够切割表面电流，并在缝隙中形成位移电流，成为变化磁场的旋度源，确保电磁能量通过缝隙辐射出球形谐振腔。

进一步的，通过将矩形波导采用非标准尺寸结构，实现了在矩形波导中，TE₁₀模与TE₀₁模为传导模式，并满足TE₁₀模与TE₀₁模在传播至耦合结构及球形谐振腔时相位正交。

进一步的，通过在矩形波导的底部设置天线底座，便于对圆极化波导缝隙天线的固定安装；通过在天线底座四周设置固定孔，为天线的加固固定提供空间。

进一步的，传统削铣等机械加工方法不便于加工球形结构，采用增材制造技术可以使天线各部分一体成型，避免由焊接、组装造成的误差使天线的性能下降；光固化成型技术加工精度高，加工出的天线重量轻，成本低。

进一步的，采用两个同轴馈电接头等幅度同相位激励，两个同轴馈电接头采用同相一分二同轴线转接头实现，使整个天线对外只有一个接口，整体性较好。

本发明所述的圆极化波导缝隙天线，通过设置矩形波导，能够产生满足圆极化条件的正交电场，圆极化纯度高；球形谐振腔体积与表面积比值大，品质因数高，天线在工作带宽的效率高，结构外形新颖。

附图说明

图1为实施例所述的圆极化波导缝隙天线的立体结构示意图；

图2为实施例所述的圆极化波导缝隙天线的俯视图；

图3为实施例所述的圆极化波导缝隙天线的纵剖图；

图4为实施例的电场分布图；

图5为实施例的散射参数的仿真结果曲线图；

图6为实施例的天线的轴比随频率的变化曲线图；

图7为实施例的天线的总效率随频率变化曲线图；

图8为实施例在15GHz，

时的圆极化模式辐射方向图；

图9为实施例在15GHz，

时的圆极化模式辐射方向图。

其中，1矩形波导，2耦合结构，3球形谐振腔，4第一同轴馈电接头，5第二同轴馈电接头，6天线底座；31第一缝隙，32第二缝隙。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种圆极化波导缝隙天线，包括矩形波导1、耦合结构2、球形谐振腔3、第一同轴馈电接头4、第二同轴馈电接头5、天线底座6及同相一分二同轴接头；球形谐振腔3对中设置在矩形波导1的顶端，球形谐振腔3与矩形波导1之间通过耦合结构2连接；耦合结构2设置在矩形波导1与球形谐振腔3之间，耦合结构2的上端与球形谐振腔3的底端连接，下端与矩形波导1的顶端连接；矩形波导1用于将电磁信号激励出两个相位正交的微波模式。

本发明中，第一同轴馈电接头4设置在矩形波导1的宽边底部，第二同轴馈电接头5设置在矩形波导1的窄边底部；第一同轴馈电接头4与第二同轴馈电接头5采用同相位激励；同相一分二同轴线接头包括输入端、第一输出端和第二输出端，输入端与电磁信号源连接，第一输出端与第一同轴馈电接头4连接，第二输出端与第二同轴馈电接头5连接；天线底座6设置在矩形波导1的底部，天线底座6的四周设置有固定孔，用于对天线进行固定。

本发明中，矩形波导1采用非标准尺寸的矩形波导，矩形波导1的传导模式为TE₁₀模及TE₀₁模；矩形波导1的截止模式为TE₂₀模其更高次模式；采用TE₁₀模及TE₀₁模为传导模式，矩形波导1能够将所激励出的TE₁₀模和TE₀₁模方向正交、幅度相等的微波模式作为传播模式，并由于其不同的相移传播常数β_TE10与β_TE01，使得电磁场在矩形波导1中传播相同的距离在通过耦合结构2进入球形谐振腔3时实现相位正交。

其中，矩形波导1的结构尺寸理论计算过程如下：

在矩形波导中，记a为矩形波导1的内壁宽边尺寸，b为矩形波导1的内壁窄边尺寸，h为矩形波导1的高度尺寸；β_TE10为矩形波导内TE₁₀模的相位传播常数，β_TE01为矩形波导内TE₀₁模的相位传播常数，λ为天线中心频率的工作波长；其中，2a表示为TE₁₀模的截止波长；2b表示为TE₀₁模的截止波长，矩形波导1的内壁宽边尺寸a与TE₂₀模的截止波长相同，则需要满足以下条件：

为了满足矩形波导1中的TE₁₀模和TE₀₁模在传播至耦合结构时球形谐振腔时相位正交，矩形波导的高度尺寸h需要满足如下关系：

其中，矩形波导内TE₁₀模的相位传播常数β_TE10的表达式为：

矩形波导内TE₀₁模的相位传播常数的表达式如下所示：

本发明通过上述计算获得的矩形波导，能够形成TE₁₀模及TE₀₁模两个相位正交的微波模式，通过在所选工作频率的条件下，在矩形波导的内壁宽边和内壁窄边的不等式条件下，确定矩形波导的内壁宽边和内壁窄边尺寸范围，并计算得到矩形波导的高度，之后通过仿真优化，得到所述矩形波导。

本发明中，耦合结构2采用圆柱形耦合结构，圆柱形耦合结构的上端与球形谐振腔3的底部连接，下端与矩形波导1的顶部连接；球形谐振腔与矩形波导之间通过圆柱形耦合结构连接，实现将矩形波导中的电磁能量耦合在球形谐振腔中；避免了矩形波导与球形谐振腔直接连接时，造成球形谐振腔内电磁能量无法谐振，驻波比显著恶化，确保了电磁能量能够通过缝隙向外辐射；结构简单，设计加工难度低。

本发明中，球形谐振腔3的顶端设置有第一缝隙31和第二缝隙32，第一缝隙31与第二缝隙32呈十字垂直交叉，且交叉点位于球形谐振腔3的顶部中心；第一缝隙31与矩形波导1的宽边中心线重合，第二缝隙32与矩形波导1的窄边中心线重合；电磁能量通过两个缝隙辐射到自由空间，两个缝隙切割表面电流，在缝隙中形成位移电流，成为变化磁场的旋度源，确保电磁能量通过缝隙辐射出球形谐振腔，满足电场幅度相等、方向与相位正交的圆极化辐射条件。

工作原理：

本发明所述的一种圆极化波导缝隙天线，使用时，电磁信号由两个同轴馈电接头同相位输入，由于矩形波导采用非标准尺寸的矩形波导，能够激励出TE₁₀模和TE₀₁模两个幅度相同、方向正交的微波模式，并且TE₂₀模以及更高次模式不会被激励；由于矩形波导内壁的宽边和窄边尺寸不同，导致了不同的相位传播常数β_TE10与β_TE01，通过将矩形波导的结构尺寸设计为满足TE₁₀模和TE₀₁模两个微波模式在进入球形谐振器时实现相位正交；矩形波导与球形谐振腔之间通过圆柱耦合结构连接，TE₁₀模和TE₀₁模通过圆柱形耦合结构后，两种微波模式分别耦合出两种极化方向正交的球形谐振腔TM₁₁模式；球形谐振腔上的缝隙切割表面电流，并且两个缝隙间电场满足幅度相等、方向及相位正交的圆极化辐射条件，电磁波向外辐射圆极化波。

本发明中，通过两个同轴馈电接头同相位馈电，在矩形波导中激发出TE₁₀模和TE₀₁两个方向正交、幅度相等的微波模式；通过不同的相移参数β_TE10与β_TE01在矩形波导中传播相同的距离，在进入耦合结构时实现相位正交；球型谐振腔内两种极化的TM₁₁模式被激发；电磁能量通过两个缝隙辐射到自由空间，满足电场幅度相等、方向与相位正交的圆极化辐射条件，具有效率高、圆极化纯度高、交叉极化电平低及结构新颖的特点。

实施例

如附图1-3所示，本实施提供了一种圆极化波导缝隙天线，包括矩形波导1、耦合结构2、球形谐振腔3、第一同轴馈电接头4、第二同轴馈电接头5、天线底座6及同相一分二同轴线接头；球形谐振腔3对中设置在矩形波导1的顶端，球形谐振腔3与矩形波导1之间通过耦合结构2连接；耦合结构2设置在矩形波导1与球形谐振腔3之间，耦合结构2的上端与球形谐振腔3的底端连接，下端与矩形波导1的顶端连接；第一同轴馈电接头4设置在矩形波导1的宽边底部，第二同轴馈电接头5设置在矩形波导1的窄边底部；第一同轴馈电接头4与第二同轴馈电接头5采用同相位激励；同相一分二同轴线接头包括输入端、第一输出端和第二输出端，输入端与电磁信号源连接，第一输出端与第一同轴馈电接头4连接，第二输出端与第二同轴馈电接头5连接；天线底座6设置在矩形波导1的底部，天线底座6的四周设置有固定孔。

本实施例中，矩形波导1为非标准尺寸矩形波导，耦合结构2采用圆柱形耦合结构；球形谐振腔3的顶端设置有第一缝隙31和第二缝隙32，第一缝隙31与第二缝隙32呈十字垂直交叉，且交叉点位于球形谐振腔3的顶部中心；第一缝隙31与矩形波导1的宽边中心线重合，第二缝隙32与矩形波导1的窄边中心线重合；第一同轴馈电接头4与第二同轴馈电接头5采用同相位激励。

本实施例中，第一同轴馈电接头4与第二同轴馈电接头5采用同相位激励，为在矩形波导内激发出两种幅度相等、方向正交的电磁场模式；采用同相位馈电的原因是可以通过使用同相一分二同轴线接头使得天线对于外界只有一个馈电端口，降低发射机、接收机负担。

本实施例中，矩形波导1采用非标准尺寸的矩形波导，非标准尺寸的矩形波导能够使TE₁₀模与TE₀₁模为传导模式，TE₂₀模及其更高次模为截止模式；球形谐振腔与矩形波导中心对齐，圆柱形耦合结构进行电场耦合，将矩形波导中的电磁能量耦合在球形谐振腔中。

本实施例所述的圆极化波导缝隙天线，矩形波导1、耦合结构2、球形谐振腔3及天线底座6为一体式结构，所述一体式结构采用光固化成型技术的增材制造方法加工制作；光固化成型后，在通过电镀铜，对一体式结构的表面进行金属化处理；之后，在矩形波导的底端，钻设金属孔，之后焊接第一同轴馈电接头4及第二同轴馈电接头5。

本实施例中，天线的材料厚度为1mm；矩形波导内部宽边长为15.8mm，窄边长为11.9mm，高度为20.9mm；第一同轴馈电接头与天线底座之间的距离为6.6mm，第二同轴馈电接头与天线底座之间的距离为2.3mm；圆柱形耦合结构的内径为10.8mm，高度为4mm；球形谐振腔的内径为16.7mm；第一缝隙和第二缝隙的结构相同，两个缝隙方向分别与矩形波导侧边垂直，缝隙宽度为2mm，弧长长度为23.3mm，相对球心的角度为160°；天线底座的宽度为33.3mm，固定孔的内径6mm，固定孔的中心与底座间距4mm。

如附图4所示，附图4给出了在15GHz时，天线内部的电场分布图；从附图4中可以看出，在矩形波导中TE₁₀模和TE₀₁模在进入耦合结构时已经有了90°相位差；在球形谐振腔内，电场逆时针旋转，说明天线辐射左旋圆极化电磁波。

如附图5所示，附图5给出了天线的散射参数的仿真结果图；其中，端口一为第一同轴馈电接头，端口二为第二同轴馈电接头；从附图5中可以看到，在15GHz左右，天线的S₁₁、S₂₂小于-10dB，阻抗带宽约为1.0％；球形谐振腔的加载使得不在工作频率内的电磁波快速衰减，降低了天线带宽；S₁₂与S₂₁小于-15dB，满足天线工作需要。

如附图6所示，附图6中给出了天线的轴比随频率的变化曲线图；从附图6中可以看到，在阻抗带宽14.94GHz-15.07GHz范围内，圆极化轴比均小于2dB，满足应用需要。

如附图7所示，附图7中给出了天线的总效率随频率变化曲线图；从附图7中可以看到，在天线中心频率15GHz，效率超过95％，在带宽范围内效率超过90％，说明该天线效率很高。

如附图8-9所示，附图8和附图9分别为所述天线在15GHz的远场辐射方向图的仿真结果；从附图8-9中可以看出，该天线左旋圆极化增益为7dB，半功率波束宽度为60°，交叉极化电平小于-28dB；具有圆极化纯度高、波束宽度较宽、极化水平低的优良辐射特性。

本发明所述的圆极化波导缝隙天线，包括两个同相位激励的同轴馈电端口、矩形波导、球形谐振腔、矩形波导与球形谐振器间的圆柱形耦合结构、球形谐振腔上两条垂直的弧形缝隙与天线底座；天线由两个同轴馈电端口同相位馈电，在矩形波导中激发出TE₁₀模和TE₀₁两个方向正交、幅度相等的模式；通过不同的相位传播常数β_TE10及相位传播常数β_TE10在矩形波导中传播相同的距离实现相位正交；球型谐振腔内两种极化简并的TM₁₁模式被激发；电磁能量通过两个缝隙辐射到自由空间，满足电场幅度相等、方向与相位正交的圆极化辐射条件；本发明具有效率高、圆极化纯度高、交叉极化电平低、结构新颖的特点。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims (7)

1.一种圆极化波导缝隙天线，其特征在于，包括矩形波导(1)、耦合结构(2)、球形谐振腔(3)、第一同轴馈电接头(4)及第二同轴馈电接头(5)；球形谐振腔(3)对中设置在矩形波导(1)的顶端，球形谐振腔(3)与矩形波导(1)之间通过耦合结构(2)连接；

球形谐振腔(3)的顶端设置有第一缝隙(31)和第二缝隙(32)，第一缝隙(31)与第二缝隙(32)呈十字垂直交叉，且交叉点位于球形谐振腔(3)的顶部中心；第一同轴馈电接头(4)与第二同轴馈电接头(5)均设置在矩形波导(1)上，第一同轴馈电接头(4)与第二同轴馈电接头(5)采用同相位激励；矩形波导(1)用于激励出两个相位正交的微波模式；

第一同轴馈电接头(4)设置在矩形波导(1)的宽边底部，第二同轴馈电接头(5)设置在矩形波导(1)的窄边底部；

矩形波导(1)的传导模式为TE₁₀模及TE₀₁模；

矩形波导(1)的内壁宽边尺寸a、内壁窄边尺寸b及高度尺寸h，满足以下条件：

其中，a为矩形波导的内壁宽边尺寸，b为矩形波导的内壁窄边尺寸，h为矩形波导的高度尺寸；β_TE10为矩形波导内TE₁₀模的相位传播常数，β_TE01为矩形波导内TE₀₁模的相位传播常数，λ为天线中心频率的工作波长；

其中，矩形波导内TE₁₀模的相位传播常数β_TE10的表达式为：

矩形波导内TE₀₁模的相位传播常数β_TE01的表达式如下所示：

2.根据权利要求1所述的一种圆极化波导缝隙天线，其特征在于，耦合结构(2)采用圆柱形耦合结构；圆柱形耦合结构的上端与球形谐振腔(3)的底部连接，下端与矩形波导(1)的顶部连接。

3.根据权利要求1所述的一种圆极化波导缝隙天线，其特征在于，第一缝隙(31)与矩形波导(1)的宽边中心线重合，第二缝隙(32)与矩形波导(1)的窄边中心线重合。

4.根据权利要求1所述的一种圆极化波导缝隙天线，其特征在于，还包括天线底座(6)，天线底座(6)设置在矩形波导(1)的底部，天线底座(6)的四周设置有固定孔。

5.根据权利要求1所述的一种圆极化波导缝隙天线，其特征在于，还包括同相一分二同轴线接头；同相一分二同轴线接头包括输入端、第一输出端和第二输出端，输入端与电磁信号源连接，第一输出端与第一同轴馈电接头(4)连接，第二输出端与第二同轴馈电接头(5)连接。

6.根据权利要求1所述的一种圆极化波导缝隙天线，其特征在于，矩形波导(1)、耦合结构(2)及球形谐振腔(3)为一体式结构；所述一体式结构采用光固化成型技术增材制造加工，光固化成型后对表面进行金属化处理得到。

7.根据权利要求1所述的一种圆极化波导缝隙天线，其特征在于，矩形波导(1)的内壁宽边长为15.8mm，内壁窄边长为11.9mm，高度为20.9mm；球形谐振腔(3)的内径为16.7mm；第一缝隙(31)和第二缝隙(32)的结构相同，宽度为2mm，弧长长度为23.3mm。

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