CN113193343A - 一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，包括金属波导壁，金属波导壁内设置左旋圆极化输入端口、右旋圆极化输入端口、左旋渐变台阶匹配波导腔、右旋渐变台阶匹配波导腔、多金属凸台渐变耦合网络、垂直极化传输波导腔、水平极化形成波导腔以及圆极化波辐射端口，左旋圆极化输入端口通过左旋渐变台阶匹配波导腔与多金属凸台渐变耦合网络相连接；右旋圆极化输入端口通过右旋渐变台阶匹配波导腔与多金属凸台渐变耦合网络相连接，多金属凸台渐变耦合网络分别通过垂直极化传输波导腔和水平极化形成波导腔连接于两个圆极化波辐射端口；本发明采用全金属一体化加工成型，结构紧凑稳定，辐射效率高，满足轻量化、低成本、高增益、宽带的工作要求。

Description

一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线
技术领域
本发明涉及Ka频段圆极化天线技术领域，更具体涉及一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线。
背景技术
Ka频段相对于C、Ku等传统频段，可用频率资源最为丰富，可为卫星通信的宽带化提供可观的拓展空间。除了频率资源丰富之外，Ka波段的开发较少，电磁频谱相对纯净，且高的Ka频段能远离一般地面通信系统所在的频率范围，具有天然的高抗干扰性能。为了能降低多径效应导致的时延扩散，降低码间串扰，降低误码率，提高通信质量，减少电离层引起的法拉第旋转效应，圆极化天线被广泛应用于卫星、空间探测器和弹道导弹的空间遥测应用中，利用圆极化的不同极化特性，还可以设计出具有双圆极化特性的天线，可接收到任意极化的电磁波。
目前Ka频段圆极化天线主要有如下几种：微带贴片天线、印刷振子天线、喇叭天线、维瓦尔第(Vivaldi)天线、螺旋天线、波导缝隙天线等。其中，微带贴片天线、印刷振子天线具有轻量化、结构紧凑和易于后端集成等优势，但是由于实现宽带圆极化的馈电网络较为复杂，工作在高频段的天线辐射效率较低；喇叭天线、维瓦尔第(Vivaldi)天线和螺旋天线同为行波天线，能够在宽频段内实现良好的驻波比和圆极化性能，但由于此类天线的剖面较高，体积、重量较大，越来越无法适用于面积有限、资源日益紧张的星载平台；波导缝隙天线解决了辐射效率和剖面的问题，高频段的体积重量处于可接受范围之内，且具有结构稳定的特点，是实现Ka频段圆极化天线的理想选择，但由于其工作带宽较窄(一般不超过10％)，无法满足日益增长的通信容量要求。
因此设计满足轻量化、低成本、高增益、宽带工作要求的Ka频段圆极化天线十分必要。中国专利申请号CN201910977270.0，公开了一种Ka波段高增益圆极化天线系统，由多个天线单元、极化器、隔离器、变换波导依次连接而成，实现信号的传输、转换以及与空间信号耦合，通过对波导变换、隔离器、极化器、天线单元的特殊处理，使其能很好满足高增益、低损耗、低轴比、高带宽的性能要求，但是其设计复杂，不能满足轻量化、低成本的设计要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术Ka频段圆极化天线不能同时满足轻量化、低成本、高增益、宽带的工作要求。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，包括金属波导壁，金属波导壁内设置左旋圆极化输入端口、右旋圆极化输入端口、左旋渐变台阶匹配波导腔、右旋渐变台阶匹配波导腔、多金属凸台渐变耦合网络、垂直极化传输波导腔、水平极化形成波导腔以及圆极化波辐射端口，左旋圆极化输入端口通过左旋渐变台阶匹配波导腔与多金属凸台渐变耦合网络相连接；右旋圆极化输入端口通过右旋渐变台阶匹配波导腔与多金属凸台渐变耦合网络相连接，多金属凸台渐变耦合网络分别通过垂直极化传输波导腔和水平极化形成波导腔连接于两个圆极化波辐射端口。
本发明设计多金属凸台渐变耦合网络，提高天线工作带宽，降低天线的剖面高度，体积小，重量轻，整体结构紧凑，可以作为大型相控阵天线的组阵单元，适用于机载、星载等对重量和空间要求苛刻的平台，整体结构简单，使用金属波导壁封装整个天线，实现全金属波导结构，损耗低、辐射效率高，增益高，一体化加工实现低成本，总体满足轻量化、低成本、高增益、宽带的工作要求。
进一步地，所述左旋圆极化输入端口和右旋圆极化输入端口为水平平行的两个矩形波导口。
进一步地，所述左旋渐变台阶匹配波导腔和右旋渐变台阶匹配波导腔为关于中轴对称的矩形空气腔体，尺寸完全相同，分别内含1个匹配过渡台阶。
进一步地，所述多金属凸台渐变耦合网络为中心对称的波导空气腔结构，多金属凸台渐变耦合网络中心对称的沿着与波导传输方向垂直的方向向内凹陷形成若干个匹配过渡台阶，波导空气腔结构内中心对称的设置若干个金属凸台。
更进一步地，所述匹配过渡台阶有12个，所述金属凸台有6个。
进一步地，所述垂直极化传输波导腔为一段矩形直波导。
进一步地，所述水平极化形成波导腔为5段矩形波导从下到上依次串联形成且各段绕其公共轴向同一方向转动预设的角度，水平极化形成波导腔的公共轴与垂直极化传输波导腔的竖直方向的对称轴平行。
更进一步地，所述水平极化形成波导腔的5段标准矩形波导依次逆时针转动0°、19.5°、45°、70.5°、90°。
进一步地，所述两个圆极化波辐射端口为相互正交设置的矩形波导口，两个圆极化波辐射端口的几何中心在同一水平面上。
进一步地，金属波导壁采用铝制材料一体化加工成。
本发明的优点在于：
(1)本发明设计多金属凸台渐变耦合网络，提高天线工作带宽，降低天线的剖面高度，体积小，重量轻，整体结构紧凑，可以作为大型相控阵天线的组阵单元，适用于机载、星载等对重量和空间要求苛刻的平台，整体结构简单，使用金属波导壁封装整个天线，实现全金属波导结构，损耗低、辐射效率高，增益高，一体化加工实现低成本，总体满足轻量化、低成本、高增益、宽带的工作要求。
(2)本发明的多金属凸台渐变耦合网络中引入了6个金属凸台，相比传统单纯使用波导设计的圆极化形成网络，纵向长度更小，天线的剖面更低，体积小重量低；
(3)本发明通过水平极化形成波导腔改变波导场的对称分布，激励出两种幅度相等、相位差90度的正交模式，在空间合成圆极化辐射波，若干匹配过渡台阶及金属凸台提高了阻抗带宽及轴比带宽，具有宽带特性。
(4)本发明采用全金属波导一体化加工，损耗低，结构稳定，易于实现高辐射效率，且具有双圆极化特性，可接收到任意极化的电磁波。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线的总体结构透视示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线的正视图；
图3为本发明实施例所提供的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线的侧视图；
图4为本发明实施例所提供的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线的左旋圆极化输入端口和右旋圆极化输入端口S11仿真结果图；
图5为本发明实施例所提供的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线的左旋圆极化波和右旋圆极化波轴比仿真结果图；
图6为本发明实施例所提供的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线在中心频点处的左旋圆极化波远场归一化方向图仿真结果；
图7为本发明实施例所提供的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线在中心频点处的右旋圆极化波远场归一化方向图仿真结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
如图1所示，本发明提供一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，从下到上依次包括左旋圆极化输入端口1和右旋圆极化输入端口2、左旋渐变台阶匹配波导腔3和右旋渐变台阶匹配波导腔4、多金属凸台渐变耦合网络5、垂直极化传输波导腔6和水平极化形成波导腔7、圆极化波辐射端口8，金属波导壁9罩设与以上所有器件外部，并且在本实施例中金属波导壁9为矩形结构。
左旋圆极化输入端口1和右旋圆极化输入端口2为水平平行的两个标准矩形波导口，左旋圆极化输入端口1馈入或接收左旋圆极化波，右旋圆极化输入端口2馈入或接收右旋圆极化波，因此本法明具有双圆极化特性。左旋圆极化输入端口1通过左旋渐变台阶匹配波导腔3与多金属凸台渐变耦合网络5相连接；右旋圆极化输入端口2通过所述右旋渐变台阶匹配波导腔4与所述多金属凸台渐变耦合网络5相连接。多金属凸台渐变耦合网络5分别通过垂直极化传输波导腔6和水平极化形成波导腔7连接于两个圆极化波辐射端口8，圆极化波辐射端口8为两个相互正交设置的标准矩形波导口，其几何中心在同一水平面上。金属波导壁9采用轻量铝制材料一体化加工而成，具有强度高、低成本、易加工的优势。
如图2所示，左旋渐变台阶匹配波导腔3和右旋渐变台阶匹配波导腔4为关于中轴对称的矩形空气腔体，其尺寸完全相同，分别内含1个匹配过渡台阶，台阶的横向宽度W1＝0.203mm。多金属凸台渐变耦合网络5为中心对称的波导空气腔。多金属凸台渐变耦合网络5中心对称的沿着与波导传输方向垂直的方向向内凹陷形成若干个匹配过渡台阶，波导空气腔结构内中心对称的设置若干个金属凸台。本实施例中，多金属凸台渐变耦合网络5包括12个匹配过渡台阶和6个金属凸台，关于中轴对称的匹配过渡台阶横向宽度分别为W2＝0.649mm、W3＝0.648mm、W4＝0.235mm，两个中心金属凸台11分别设置在多金属凸台渐变耦合网络的几何中心两侧，且关于中轴对称，其横向宽度W6＝2.267mm、纵向长度L6＝2.335mm；四个边缘金属凸台10关于多金属凸台渐变耦合网络5的几何中心旋转对称，其横向宽度W5＝2.267mm、纵向长度L5＝2.335mm。引入匹配过渡台阶增加了天线的工作带宽，优化金属凸台的尺寸，利用多金属凸台渐变耦合网络5中心产生的高次模实现优良的宽带相位稳定度，且降低了天线的剖面，实现紧凑型结构。多金属凸台渐变耦合网络5通过匹配过渡台阶与垂直极化传输波导腔6和水平极化形成波导腔7相连接，匹配过渡台阶的横向宽度W7＝0.203mm，垂直极化传输波导腔6为一段标准矩形直波导，传输垂直极化的TE10模，纵向长度与水平极化形成波导腔7相同。
如图3所示，左旋渐变台阶匹配波导腔3、右旋渐变台阶匹配波导腔4、多金属凸台渐变耦合网络5、垂直极化传输波导腔6的垂直向高度相同，为标准矩形波导口的窄边长度，中心金属凸台10的垂直向高度H2＝1.313mm，边缘金属凸台11的垂直向高度H1＝0.914mm。水平极化形成波导腔7由5段绕公共轴向转动一定角度相同长度的标准矩形波导串联形成，将馈入的含有高阶模的复杂电磁波转换成水平极化TE10模辐射，波导腔各段长度L7＝2.95mm，每段波导腔从前至后依次逆时针转动0°、19.5°、45°、70.5°、90°。
天线的仿真结果如图4～图7所示，由图中数据可以得到，左旋圆极化输入端口在25.7GHz～41.9GHz的频带内S11都小于-15dB，相对阻抗带宽为48％；右旋圆极化输入端口在24.8GHz～42.0GHz的频带内S11都小于-15dB，相对阻抗带宽为51.5％；法向左旋圆极化轴比小于3dB的频带范围为27.3GHz～39.2GHz，相对轴比带宽为35.8％；法向右旋圆极化轴比小于3dB的频带范围为27.4GHz～41.1GHz，相对轴比带宽为40.0％；天线在上半空间具有良好的圆极化辐射特性。
本发明的工作原理如下：
由左旋圆极化输入端口1或右旋圆极化输入端口2馈电，电磁波从左旋渐变台阶匹配波导腔3或右旋渐变台阶匹配波导腔4传输至多金属凸台渐变耦合网络5，优化多金属凸台渐变耦合网络5激励出相差90°的垂直极化TE10模，电磁波分别进入垂直极化传输波导腔6和水平极化形成波导腔7，垂直极化传输波导腔6不改变极化特性，水平极化形成波导腔7将垂直极化波转换成水平极化波，在圆极化波辐射端口8产生相互正交相位差90°的场分量，辐射至远场形成圆极化波。左旋圆极化输入端口1馈电的电磁波经多金属凸台渐变耦合网络5进入垂直极化传输波导腔6的耦合分量相位超前于进入水平极化形成波导腔7的耦合分量，因此，辐射左旋圆极化波。同理，右旋圆极化输入端口2馈电在辐射端口辐射右旋圆极化波。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，包括金属波导壁，金属波导壁内设置左旋圆极化输入端口、右旋圆极化输入端口、左旋渐变台阶匹配波导腔、右旋渐变台阶匹配波导腔、多金属凸台渐变耦合网络、垂直极化传输波导腔、水平极化形成波导腔以及圆极化波辐射端口，左旋圆极化输入端口通过左旋渐变台阶匹配波导腔与多金属凸台渐变耦合网络相连接；右旋圆极化输入端口通过右旋渐变台阶匹配波导腔与多金属凸台渐变耦合网络相连接，多金属凸台渐变耦合网络分别通过垂直极化传输波导腔和水平极化形成波导腔连接于两个圆极化波辐射端口。
2.根据权利要求1所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，所述左旋圆极化输入端口和右旋圆极化输入端口为水平平行的两个矩形波导口。
3.根据权利要求1所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，所述左旋渐变台阶匹配波导腔和右旋渐变台阶匹配波导腔为关于中轴对称的矩形空气腔体，尺寸完全相同，分别内含1个匹配过渡台阶。
4.根据权利要求1所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，所述多金属凸台渐变耦合网络为中心对称的波导空气腔结构，多金属凸台渐变耦合网络中心对称的沿着与波导传输方向垂直的方向向内凹陷形成若干个匹配过渡台阶，波导空气腔结构内中心对称的设置若干个金属凸台。
5.根据权利要求4所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，所述匹配过渡台阶有12个，所述金属凸台有6个。
6.根据权利要求1所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，所述垂直极化传输波导腔为一段矩形直波导。
7.根据权利要求1所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，所述水平极化形成波导腔为5段矩形波导从下到上依次串联形成且各段绕其公共轴向同一方向转动预设的角度，水平极化形成波导腔的公共轴与垂直极化传输波导腔的竖直方向的对称轴平行。
8.根据权利要求7所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，所述水平极化形成波导腔的5段标准矩形波导依次逆时针转动0°、19.5°、45°、70.5°、90°。
9.根据权利要求1所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，所述两个圆极化波辐射端口为相互正交设置的矩形波导口，两个圆极化波辐射端口的几何中心在同一水平面上。
10.根据权利要求1所述的一种Ka频段紧凑型高效宽带双圆极化天线，其特征在于，金属波导壁采用铝制材料一体化加工成。
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