CN113193342B - 一种双圆极化宽带宽波束天线 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及圆极化天线技术领域,尤其是指一种双圆极化宽带宽波束天线。
背景技术
随着现代科技的发展,人们的信息交流越来越频繁。在近些年,为了更好地传输电磁波,卫星通信通常都选择采用宽波束圆极化天线。在某些特别的使用环境中,需要通信系统中设计波束较宽的天线来发射接收电磁波,实现在广阔的区域内设备间的通信。所设计的波束较宽的天线要求在一定的波束范围内辐射功率下降较小,并能在低仰角下有效地接收无线电信号,进而实现在较大的范围内进行电磁波的有效接收和发射。
在现有技术中,所设计的波束较宽的天线多采用微带天线。微带天线通过改变地面结构、在主辐射片附近添加竖直电流等方式进行辐射,能在较窄的工作频带内实现宽半功率波束,但是比较难保持波束内的良好轴比特性。现有技术中还有在喇叭口面处加多个环形扼流槽来展宽半功率波束,但是其横向尺寸太大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供了一种横向面积小、宽频带内同时实现宽半功率波束和宽轴比波束的圆极化天线。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种双圆极化宽带宽波束天线,包括圆波导、馈电探针、负载探针、隔板移相器和金属环组;所述馈电探针、所述负载探针与所述隔板移相器均位于所述圆波导内,且所述馈电探针与所述负载探针分居所述隔板移相器两侧;所述圆波导的一端端面封闭,另一端端面设置有开口;所述馈电探针馈入的能量经所述隔板移相器转换形成圆极化波后从所述开口处向外辐射;所述金属环组位于所述开口旁,用于引入水平环形磁流;所述圆波导的靠近所述开口的侧壁上设置有用于引入竖直磁流的镂空槽组。
进一步地,所述镂空槽组中设置有至少两个第一竖槽和至少两个第二竖槽;所述第一竖槽的长度大于所述第二竖槽的长度,且二者的长度方向均与所述圆波导的轴线平行;所述第一竖槽与所述第二竖槽之间交替地排布。
进一步地,所述开口为圆形口,其的直径与所述圆波导的直径相等;所述第一竖槽的一端延伸至所述开口的边沿,所述第二竖槽的一端也延伸至所述开口的边沿。
进一步地,所述第一竖槽为四个,四个所述第一竖槽均匀分布在所述开口边沿上;所述第二竖槽为四个,四个所述第二竖槽均匀分布在所述开口边沿上。
进一步地,所述金属环组包括第一金属环;所述第一金属环的环芯位于所述圆波导的轴线上,其所在的平面与所述圆波导的端面平行。
进一步地,所述天线的中心工作频率波长为λ,所述圆波导的直径为Φ,所述第一金属环的直径为Φ1,所述第一金属环到所述开口的距离为H1,其中,0.61λ≤Φ≤0.72λ,Φ1<Φ,0.1λ≤H1≤0.15λ。
进一步地,所述金属环组还包括第二金属环,所述第一金属环位于所述第二金属环与所述开口之间;所述第二金属环所在的平面与所述第一金属环所在的平面平行,其环芯也位于所述圆波导的轴线上;所述第二金属环的直径为Φ2,所述第二金属环到所述第一金属环的距离为H2;所述第一金属环落在所述圆波导端面上的投影的圆环环宽为A,所述第二金属环落在所述圆波导端面上的投影的圆环环宽为B,其中,Φ2<Φ1,0.146λ≤H2≤0.25λ,0.007λ≤A≤0.016λ,0.007λ≤B≤0.016λ。
进一步地,所述圆波导的侧壁上设置有用于固定馈电探针的第一端口和用于固定负载探针的第二端口,所述第一端口接入电磁波信号,所述第二端口接50Ω匹配负载。
进一步地,所述隔板移相器过所述圆波导的轴心,其第一边边沿和第二边边沿分别固定在所述圆波导的侧壁上,其第三边边沿与所述圆波导的远离所述开口的端面相接,其靠近所述开口的第四边边沿呈阶梯状变化;沿着第一边指向第二边的方向,第四边到第三边的距离逐步增大;所述第二边与所述第四边的相交处设置有用于微调隔板移相器相差的第三竖槽;所述第三竖槽的长度方向与所述圆波导的轴线平行;所述馈电探针与所述负载探针均位于同一直线上,且该直线与所述隔板移相器的平面垂直、过所述圆波导轴心。
进一步地,还包括支撑罩和螺钉组,所述第一金属环和所述第二金属环均通过所述支撑罩固定在所述圆波导的开口旁;所述隔板移相器通过所述螺钉组固定在所述圆波导内;所述螺钉组中的螺钉间隔为R;所述圆波导的长度为L,侧壁厚度为C;所述第一竖槽的长度为D,宽度为E;所述第二竖槽的长度为F,宽度为G;所述馈电探针的长度为M,所述负载探针的长度为N;所述隔板移相器的厚度为I,其中,0.06λ≤R≤0.13λ,1.17λ≤L≤1.33λ,0.01λ≤C≤0.04λ,0.1λ<D≤0.13λ,0.013λ≤E≤0.03λ,0.1λ≤F<0.13λ,0.013λ≤G≤0.03λ,M=N,0.19λ≤M≤0.21λ,0.19λ≤N≤0.21λ,0.02λ≤I≤0.03λ,N+M<Φ-I。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的立体图;
图2为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的正视图;
图3为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的左视图;
图4为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的俯视图;
图5为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的过隔板移相器的剖面图;
图6为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的过圆波导轴心、过馈电探针的剖面图;
图7为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的S参数图;
图8为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的在3.8GHz处的圆极化增益方向图;
图9为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的在4.0GHz处的圆极化增益方向图;
图10为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的在4.2GHz处的圆极化增益方向图;
图11为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的在3.8GHz处的轴比方向图;
图12为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的在4.0GHz处的轴比方向图;
图13为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的在4.2GHz处的轴比方向图;
图14为本发明的一种双圆极化宽带宽波束天线的轴比随频率变化图;
其中,1-圆波导,11-第一竖槽,12-第二竖槽,2-隔板移相器,21-第三竖槽,31-第一金属环,32-第二金属环,4-支撑罩,5-馈电探针,6-负载探针,7-第一端口,8-第二端口,9-螺钉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1至图6,一种双圆极化宽带宽波束天线,包括圆波导1、馈电探针5、负载探针6、隔板移相器2和金属环组;所述馈电探针5、所述负载探针6与所述隔板移相器2均位于所述圆波导1内,且所述馈电探针5与所述负载探针6分居所述隔板移相器2两侧;所述圆波导1的一端端面封闭,另一端端面设置有开口;所述馈电探针5馈入的能量经所述隔板移相器转换形成圆极化波后从所述开口处向外辐射;所述金属环组位于所述开口旁,用于引入水平环形磁流;所述圆波导1的靠近所述开口的侧壁上设置有用于引入竖直磁流的镂空槽组。
通过圆波导1和隔板移相器2,形成定向辐射的圆极化波;通过利用金属环组引入水平环形磁流,提高宽带内的水平面增益Eθ,提高半功率波束宽度;利用镂空槽组引入竖直磁流,提高宽带内的水平面增益进一步提高半功率波束宽度且减小一定波束内Eθ和的差值,改善轴比波束宽度。因同时实现宽半功率波束和宽轴比波束的效果,该圆极化天线可实现圆极化波束覆盖的功能,并保证了波束覆盖内良好的圆极化特性,保证了广阔区域内的稳定通信。馈电探针5和负载探针6均用来馈电激励隔板移相器2两侧的金属腔,形成双圆极化;所述馈电探针5用于接入馈入的能量;所述负载探针6用于吸收交叉极化,改善方向图轴比。
实施例2
在上述结构基础上,所述镂空槽组中设置有至少两个第一竖槽11和至少两个第二竖槽12;所述第一竖槽11的长度大于所述第二竖槽12的长度,且二者的长度方向均与所述圆波导1的轴线平行;所述第一竖槽11与所述第二竖槽12之间交替地排布。排布方向为绕着圆波导1轴心的顺时针方向或逆时针方向。通过采用不同的槽深提高天线的方向图带宽,更有利于展宽带宽。
实施例3
在上述结构基础上,所述开口为圆形口,其的直径与所述圆波导1的直径相等;所述第一竖槽11的一端延伸至所述开口的边沿,所述第二竖槽12的一端也延伸至所述开口的边沿,使部分电磁波漏射,提升轴比波束。
实施例4
在上述结构基础上,所述第一竖槽11为四个,四个所述第一竖槽11均匀分布在所述开口边沿上;所述第二竖槽12为四个,四个所述第二竖槽12均匀分布在所述开口边沿上,降低水平面方向图的不圆度,有利于形成更圆的平面方向图。
实施例5
在上述结构基础上,所述金属环组包括第一金属环31;所述第一金属环31的环芯位于所述圆波导1的轴线上,其所在的平面与所述圆波导1的端面平行。通过第一金属环31,引入水平环形磁流,提高水平面增益Eθ、提高半功率波束宽度。
实施例6
在上述结构基础上,所述天线的中心工作频率波长为λ,所述圆波导1的直径为Φ,所述第一金属环31的直径为Φ1,所述第一金属环31到所述开口的距离为H1,其中,0.61λ≤Φ≤0.72λ,Φ1<Φ,0.1λ≤H1≤0.15λ。所述圆波导1的直径大于第一金属环31的直径,在引入水平环形磁流、提高水平面增益Eθ、提高半功率波束宽度的同时,不会导致天线横向面积增大。
实施例7
在上述结构基础上,所述金属环组还包括第二金属环32,所述第一金属环31位于所述第二金属环32与所述开口之间;所述第二金属环32所在的平面与所述第一金属环31所在的平面平行,其环芯也位于所述圆波导1的轴线上;所述第二金属环32的直径为Φ2,所述第二金属环32到所述第一金属环31的距离为H2;所述第一金属环31落在所述圆波导1端面上的投影的圆环环宽为A,所述第二金属环32落在所述圆波导1端面上的投影的圆环环宽为B,其中,Φ2<Φ1,0.146λ≤H2≤0.25λ,0.007λ≤A≤0.016λ,0.007λ≤B≤0.016λ。沿着第一金属环31指向第二金属环32的方向,所述金属环组还可依次设置有第三金属环、第四金属环……各个环的直径依次变小,可以进一步提高半功率波束宽度,但兼顾成本、工艺、效果提升幅度等因素,所述金属环组优选设置第一金属环31、第二金属环32共两个金属环。
实施例8
在上述结构基础上,所述圆波导1的侧壁上设置有用于固定馈电探针5的第一端口7和用于固定负载探针6的第二端口8,所述第一端口7接入电磁波信号,所述第二端口8接50Ω匹配负载。
实施例9
在上述结构基础上,所述隔板移相器2过所述圆波导1的轴心,其第一边边沿和第二边边沿分别固定在所述圆波导1的侧壁上,其第三边边沿与所述圆波导1的远离所述开口的端面相接,其靠近所述开口的第四边边沿呈阶梯状变化;沿着第一边指向第二边的方向,第四边到第三边的距离逐步增大;所述第二边与所述第四边的相交处设置有用于微调隔板移相器相差的第三竖槽21;所述第三竖槽21的长度方向与所述圆波导1的轴线平行;所述馈电探针5与所述负载探针6均位于同一直线上,且该直线与所述隔板移相器2的平面垂直、过所述圆波导1的轴心。
实施例10
在上述结构基础上,所述双圆极化宽带宽波束天线还包括支撑罩4和螺钉组,所述第一金属环31和所述第二金属环32均通过所述支撑罩4固定在所述圆波导1的开口旁;所述隔板移相器2通过所述螺钉组固定在所述圆波导1上;所述螺钉组中的螺钉9间隔为R;所述圆波导1的长度为L,侧壁厚度为C;所述第一竖槽11的长度为D,宽度为E;所述第二竖槽12的长度为F,宽度为G;所述馈电探针5的长度为M,所述负载探针6的长度为N;所述隔板移相器2的厚度为I,其中,0.06λ≤R≤0.13λ,1.17λ≤L≤1.33λ,0.01λ≤C≤0.04λ,0.1λ<D≤0.13λ,0.013λ≤E≤0.03λ,0.1λ≤F<0.13λ,0.013λ≤G≤0.03λ,M=N,0.19λ≤M≤0.21λ,0.19λ≤N≤0.21λ,0.02λ≤I≤0.03λ,N+M<Φ-I。进一步优化双圆极化宽带宽波束天线的性能。所述支撑罩的包含一用于支撑第一金属环31和第二金属环32的圆台回转面,厚度为0.014λ-0.02λ,介电常数为2.2-2.75。
为了进一步论述本发明的有益效果,根据以下实验例进行仿真测试,测试结果详见图7至图14。
实验例
一种双圆极化宽带宽波束天线,包括圆波导1、馈电探针5、隔板移相器2、金属环组、负载探针6、支撑罩4和螺钉组;所述馈电探针5、所述负载探针6与所述隔板移相器2均位于所述圆波导1内,且所述馈电探针5与所述负载探针6分居所述隔板移相器2两侧;所述圆波导1的一端端面封闭,另一端端面设置有开口;所述馈电探针5馈入的能量经所述隔板移相器2转换形成圆极化波后从所述开口处向外辐射;所述金属环组位于所述开口旁,用于引入水平环形磁流;所述圆波导1的的靠近所述开口的侧壁上设置有用于引入竖直磁流的镂空槽组;所述圆波导1的远离所述开口的另一端侧壁上设置有用于固定所述馈电探针5的第一端口7和用于固定所述负载探针6的第二端口8。所述圆波导1的侧壁上设置有用于固定馈电探针5的第一端口7和用于固定负载探针6的第二端口8,所述第一端口7接入电磁波信号,所述第二端口8接50Ω匹配负载。
所述镂空槽组中设置有四个第一竖槽11和四个第二竖槽12;所述第一竖槽11的长度为10mm,所述第二竖槽12的长度为8.5mm,且二者的长度方向均与所述圆波导1的轴线平行,二者的宽度均为2mm;所述第一竖槽11与所述第二竖槽12之间交替地排布,且均匀分布在所述开口边沿上——相邻的两竖槽之间间隔相等。所述开口的直径与所述圆波导1的直径相等,均为54mm;所述第一竖槽11的一端延伸至所述开口的边沿,所述第二竖槽12的一端也延伸至所述开口的边沿。
所述金属环组设置有第一金属环31和第二金属环32;所述第一金属环31的环芯位于所述圆波导1的轴线上,其所在的平面与所述圆波导1的端面平行。所述第一金属环31位于所述第二金属环32与所述开口之间;所述第二金属环32所在的平面与所述第一金属环31所在的平面平行,其环芯也位于所述圆波导1的轴线上。
所述圆波导1的直径为54mm,所述第一金属环31的直径为46mm,所述第一金属环31到所述开口的距离为9.5mm。所述第二金属环32的直径为33mm,所述第二金属环32到所述第一金属环31的距离为11mm;所述第一金属环31落在所述圆波导1端面上的投影的厚度为1mm,所述第二金属环32落在所述圆波导1端面上的投影的厚度为1mm。
所述隔板移相器2过所述圆波导1的轴心,其第一边边沿和第二边边沿分别固定在所述圆波导1的侧壁上,其第三边边沿与所述圆波导1的远离所述开口的端面相接,其靠近所述开口的第四边边沿呈阶梯状变化;沿着第一边指向第二边的方向,第四边到第三边的距离逐步增大;所述第二边与所述第四边的相交处设置有用于微调隔板移相器2相差的第三竖槽21;所述第三竖槽21的长度方向与所述圆波导1的轴线平行;所述馈电探针5与所述负载探针6均位于同一直线上,且该直线与所述隔板移相器2的平面垂直、过所述圆波导1的轴心。第一边长度为75mm,第二边长度为22mm,第三边长度为49mm;第四边分为5个台阶,每个台阶到第三边的长度分别为22mm、28.5mm、36.5mm、53mm、75mm,每个台阶对应的宽度依次为11.5mm、12mm、8mm、8mm、7mm;第三竖槽21的长度为7mm,宽度为2.5mm。
所述第一金属环31和所述第二金属环32均通过所述支撑罩4固定在所述圆波导1的开口旁;所述隔板移相器2通过所述螺钉组固定在所述圆波导1上;所述螺钉组中的螺钉9间隔为8mm;所述圆波导1的长度为96mm,侧壁厚度为2mm;所述馈电探针5的长度为15.5mm,所述负载探针6的长度为15.5mm;所述隔板移相器2的厚度为3mm;所述支撑罩的包含一用于支撑第一金属环31和第二金属环32的圆台回转面,厚度为1.5mm,介电常数为2.75。
请参考图7至图14,利用仿真软件对上述实验例天线的电压驻波比、端口隔离度、增益方向图及轴比特性进行了仿真计算,仿真结果如下:
图7是对实验例天线仿真得到的S参数随工作频率变化的特性,从图7可以看出,可实现21.3%(驻波比小于2且端口隔离度大于10dB)的相对阻抗带宽。
图8-图13是实验例天线在3.8GHz、4GHz以及4.2GHz的增益方向图和轴比方向图,从图中可以看出该天线在上半球空间内方向图关于z轴对称性较好,3.8GHz处半功率波束宽度能够达到145°,在3.8-4.2GHz(10%相对带宽)内方向图都能实现半功率波束宽度大于130°,同时轴比波束也能达到130°。
图14是为实验例天线的轴比随频率变化图,从图14中可以看成该天线在3.75-4.44GHz(16.8%相对带宽)内顶端轴比小于3dB。
仿真结果表明,该天线可实现宽波束宽带圆极化辐射,同时具有宽半功率波束和宽轴比波束的效果。
综上所述,本发明提供的一种双圆极化宽带宽波束天线,通过圆波导和隔板移相器,形成定向辐射的圆极化波;通过利用金属环组引入水平环形磁流,增加宽带内的水平面增益Eθ,提高半功率波束宽度;利用镂空槽组引入竖直磁流,提高宽带内的水平面增益进一步提高半功率波束宽度且减小一定波束内Eθ和的差值,改善轴比波束宽度。因同时实现宽半功率波束和宽轴比波束的效果,该圆极化天线可实现圆极化波束覆盖的功能,并保证了波束覆盖内良好的圆极化特性,保证了广阔区域内的稳定通信。
此处第一、第二……只代表其名称的区分,不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,包括圆波导、馈电探针、负载探针、隔板移相器和金属环组;所述馈电探针、所述负载探针与所述隔板移相器均位于所述圆波导内,且所述馈电探针与所述负载探针分居所述隔板移相器两侧;所述圆波导的一端端面封闭,另一端端面设置有开口;所述馈电探针馈入的能量经所述隔板移相器转换形成圆极化波后从所述开口处向外辐射;所述金属环组位于所述开口旁,用于引入水平环形磁流;所述圆波导的靠近所述开口的侧壁上设置有用于引入竖直磁流的镂空槽组;
所述镂空槽组包括至少两个第一竖槽和至少两个第二竖槽;所述第一竖槽的长度大于所述第二竖槽的长度,且二者的长度方向均与所述圆波导的轴线平行;所述第一竖槽与所述第二竖槽之间交替地排布。
2.如权利要求1所述的双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,所述开口为圆形口,其直径与所述圆波导的直径相等;所述第一竖槽的一端延伸至所述开口的边沿,所述第二竖槽的一端也延伸至所述开口的边沿。
3.如权利要求2所述的双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,所述第一竖槽为四个,四个所述第一竖槽均匀分布在所述开口边沿上;所述第二竖槽为四个,四个所述第二竖槽均匀分布在所述开口边沿上。
4.如权利要求1至3任一所述的双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,所述金属环组包括第一金属环;所述第一金属环的环芯位于所述圆波导的轴线上,其所在的平面与所述圆波导的端面平行。
5.如权利要求4所述的双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,所述天线中心工作频率波长为λ,所述圆波导的直径为Φ,所述第一金属环的直径为Φ1,所述第一金属环到所述开口的距离为H1,其中,0.61λ≤Φ≤0.72λ,Φ1<Φ,0.1λ≤H1≤0.15λ。
6.如权利要求5所述的双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,所述金属环组还包括第二金属环,所述第一金属环位于所述第二金属环与所述开口之间;所述第二金属环所在的平面与所述第一金属环所在的平面平行,其环芯也位于所述圆波导的轴线上;所述第二金属环的直径为Φ2,所述第二金属环到所述第一金属环的距离为H2;所述第一金属环落在所述圆波导端面上的投影的圆环环宽为A,所述第二金属环落在所述圆波导端面上的投影的圆环环宽为B,其中,Φ2<Φ1,0.146λ≤H2≤0.25λ,0.007λ≤A≤0.016λ,0.007λ≤B≤0.016λ。
7.如权利要求6所述的双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,所述圆波导的侧壁上设置有用于固定馈电探针的第一端口和用于固定负载探针的第二端口,所述第一端口接入电磁波信号,所述第二端口接50Ω匹配负载。
8.如权利要求7所述的双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,所述隔板移相器过所述圆波导的轴心,其第一边边沿和第二边边沿分别固定在所述圆波导的侧壁上,其第三边边沿与所述圆波导的远离所述开口的端面相接,其靠近所述开口的第四边边沿呈阶梯状变化;沿着第一边指向第二边的方向,第四边到第三边的距离逐步增大;所述第二边与所述第四边的相交处设置有用于微调隔板移相器相差的第三竖槽;所述第三竖槽的长度方向与所述圆波导的轴线平行;所述馈电探针与所述负载探针均位于同一直线上,且该直线与所述隔板移相器的平面垂直、过所述圆波导轴心。
9.如权利要求8所述的双圆极化宽带宽波束天线,其特征在于,还包括支撑罩和螺钉组,所述第一金属环和所述第二金属环均通过所述支撑罩固定在所述圆波导的开口旁;所述隔板移相器通过所述螺钉组固定在所述圆波导上;所述螺钉组中的螺钉间隔为R;所述圆波导的长度为L,侧壁厚度为C;所述第一竖槽的长度为D,宽度为E;所述第二竖槽的长度为F,宽度为G;所述馈电探针的长度为M,所述负载探针的长度为N;所述隔板移相器的厚度为I,其中,0.06λ≤R≤0.13λ,1.17λ≤L≤1.33λ,0.01λ≤C≤0.04λ,0.1λ<D≤0.13λ,0.013λ≤E≤0.03λ,0.1λ≤F<0.13λ,0.013λ≤G≤0.03λ,M=N,0.19λ≤M≤0.21λ,0.19λ≤N≤0.21λ,0.02λ≤I≤0.03λ,N+M<Φ-I。
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