CN113193378B - 一种Ka全频段宽带圆极化天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka全频段宽带圆极化天线及其阵列，所述天线包括相互正交的第一矩形波导和第二矩形波导，所述第一矩形波导上一侧的壁上以第一矩形波导横向对称轴为对称轴并向内侧凹陷形成若干个台阶，所述第一矩形波导的内部设有第一金属块和两个第二金属块，第一金属块以第一矩形波导的横向对称轴为对称轴，两个第二金属块沿着竖直方向排布，两个第二金属块关于第一金属块的对称轴对称设置，第一矩形波导竖直方向上的两个端部分别为输入端口和输出端口，第一矩形波导和第二矩形波导呈90°镜像对称；本发明的优点在于：降低回波损耗，提高阻抗匹配以及轴比特性。

Description

一种Ka全频段宽带圆极化天线及其阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体涉及一种Ka全频段宽带圆极化天线及其阵列。

背景技术

信息技术的不断发展使得卫星在应急通信、导航定位、遥感遥测等领域得到了越来越广泛的关注和应用。卫星通信具有覆盖范围广、不受地理条件限制、适用性强等优点，可以实现在任何时间、任何地点与任何人的通信。天线作为无线通信系统中有效发射和接收电磁波的前端部件，主要用来完成电磁波与导行波之间的相互转换，其性能的优劣会直接影响到整个系统的通信效果。

社会和科技进步推动着无线通信技术不断发展，使天线也面临着一系列的问题和挑战。单一的线极化方式己经无法满足现代日趋复杂的通信需求，从而使得圆极化天线技术得以迅速崛起。由于任意极化波都可被圆极化天线接收，同时圆极化波也可被任意极化天线接收，使得圆极化天线在电子干扰、卫星通信等领域得到了广泛的应用。在通信中使用圆极化天线可以抗云、雨干扰，并且在路径损耗较明显的Ka甚至更高的频段，圆极化波都能表现出很大的优势；在电子对抗中，圆极化天线可以侦查和干扰敌方的各种线极化及椭圆极化波；在剧烈摆动或滚动的飞行器上安装圆极化天线，即使在恶劣的环境下也能捕捉信息。

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。但是其没有考虑在Ka全频带内降低天线的回波损耗以及在整个工作频段内提高阻抗匹配以及轴比特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术Ka频段圆极化天线没有考虑在Ka全频带内降低天线的回波损耗以及在整个工作频段内提高阻抗匹配以及轴比特性。

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全频段宽带圆极化天线，包括相互正交的第一矩形波导和第二矩形波导，所述第一矩形波导上一侧的壁上以第一矩形波导横向对称轴为对称轴并向内侧凹陷形成若干个台阶，所述第一矩形波导的内部设有第一金属块和两个第二金属块，第一金属块以第一矩形波导的横向对称轴为对称轴，两个第二金属块沿着竖直方向排布，两个第二金属块关于第一金属块的对称轴对称设置，第一矩形波导竖直方向上的两个端部分别为输入端口和输出端口，第一矩形波导和第二矩形波导呈90°镜像对称。

本发明通过设置相互正交的第一矩形波导和第二矩形波导，使得两个输出端口的电场矢量在空间上能够呈现出正交的特点。此外通过优化波导的尺寸布局，降低回波损耗，使第一矩形波导和第二矩形波导呈90°镜像对称，同时在矩形波导中增加若干个台阶、第一金属块以及第二金属块，可以有效调节输出端口的电场幅度及相位，从而调节阻抗匹配以及轴比特性，使得两个输出端口的电场幅度相等并且满足90°相位差，从而形成圆极化辐射。

进一步地，所述第一矩形波导的横向对称轴双侧共设置六级台阶，横向对称轴单侧的三级台阶为三种宽度不同的台阶。

更进一步地，所述三种宽度不同的台阶、第一金属块以及第二金属块用于调节天线的阻抗匹配及轴比特性。

进一步地，所述第一矩形波导的长度也即输入端口的长度范围为0.5λ≤g≤λ，所述第一矩形波导的宽度也即输入端口的宽度范围为0<c≤0.5λ，其中，λ是工作频率波长。

更进一步地，所述工作频率波长取最大波长时，第一矩形波导的长度取值在5.5～11.3mm之间，第一矩形波导的宽度取值在0～5.5mm之间。

进一步地，所述第一金属块的形状为矩形、三角形、圆形或环形，第二金属块的形状为矩形、三角形、圆形或环形。

进一步地，所述第一矩形波导以及第二矩形波导内填充空气介质。

进一步地，所述第一矩形波导以及第二矩形波导均为金属材料。

本发明还提供一种Ka全频段宽带圆极化天线阵列，包括等间距排列的若干个天线单元，所述天线单元为上述所述的Ka全频段宽带圆极化天线。

进一步地，所述若干个天线单元呈线性阵列排布、矩形阵列排布或者十字交叉形排布。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过设置相互正交的第一矩形波导和第二矩形波导，使得两个输出端口的电场矢量在空间上能够呈现出正交的特点。此外通过优化波导的尺寸布局，降低回波损耗，使第一矩形波导和第二矩形波导呈90°镜像对称，同时在矩形波导中增加若干个台阶、第一金属块以及第二金属块，可以有效调节输出端口的电场幅度及相位，从而调节阻抗匹配以及轴比特性，使得两个输出端口的电场幅度相等并且满足90°相位差，从而形成圆极化辐射。

(2)本发明结构简单紧凑，设计过程简单，体积小，重量轻，便于无线通信系统实现小型化。

(3)本发明的天线为全金属结构，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线的立体结构透视示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线的立体结构实体示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线的俯视图；

图4为本发明实施例所提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线的俯视标注尺寸示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线的侧视图；

图6为本发明实施例所提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线的侧视标注尺寸示意图；

图7为本发明实施例所提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线的回波损耗特性曲线；

图8为本发明实施例所提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线的轴比特性曲线。

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。

实施例1

如图1至图6所示，为了更清楚的展示本发明的结构，本发明图2提供实体示意图，位置关系对应于图1。一种Ka全频段宽带圆极化天线，包括相互正交的第一矩形波导1和第二矩形波导11，所述第一矩形波导1上一侧的壁上以第一矩形波导1横向对称轴为对称轴并向内侧凹陷形成若干个台阶，所述第一矩形波导1的内部设有第一金属块7和两个第二金属块8，第一金属块7以第一矩形波导1的横向对称轴为对称轴，两个第二金属块8沿着竖直方向排布，两个第二金属块8关于第一金属块7的对称轴对称设置，第一矩形波导1竖直方向上的两个端部分别为输入端口和输出端口，图中第一矩形波导1的输入端口标号5，第二矩形波导11的输入端口标号6且作为备用输入端口，第一矩形波导1的输出端口标号10，第二矩形波导11的输出端口标号9，第一矩形波导1和第二矩形波导11镜像对称。

所述第一矩形波导1的横向对称轴双侧共设置六级台阶，横向对称轴单侧的三级台阶为三种宽度不同的台阶，如图中标号2、3、4为三种台阶。所述三种宽度不同的台阶、第一金属块7以及第二金属块8用于调节天线的阻抗匹配及轴比特性。经过优化设计，本发明圆极化天线的尺寸如下：a＝3.9mm，b＝1.6mm，c＝2.9mm，d＝0.7mm，e＝0.9mm，f＝1.3mm，g＝7.5mm，h＝3mm，i＝2.5mm，j＝0.6mm，k＝0.5mm，l＝2.2mm，m＝4.4mm，n＝1.5mm，o＝1.4mm，p＝6.9mm。

通常，考虑到抑制高次模、降低损耗和保证传输功率，正交矩形波导(1)的尺寸选择范围为：所述第一矩形波导1的长度也即输入端口的长度范围为0.5λ≤g≤λ，所述第一矩形波导1的宽度也即输入端口的宽度范围为0<c≤0.5λ，其中，λ是工作频率波长。所述工作频率波长取最大波长时，第一矩形波导1的长度取值在5.5～11.3mm之间，第一矩形波导1的宽度取值在0～5.5mm之间。

作为进一步改进的方案，所述第一金属块7的形状为矩形、三角形、圆形或环形，第二金属块8的形状为矩形、三角形、圆形或环形。

作为进一步改进的方案，所述第一矩形波导1以及第二矩形波导11内填充空气介质。

作为进一步改进的方案，所述第一矩形波导1以及第二矩形波导11均为金属材料。

图7给出本发明的经优化设计后所述Ka全频段宽带圆极化天线的回波损耗特性曲线的仿真结果。可见在Ka全频段(26.5GHz-40GHz)内，该天线具备良好的阻抗匹配特性，相应的回波损耗带宽超过40％。

图8给出本发明的经优化设计后所述Ka全频段宽带圆极化天线的轴比特性曲线的仿真结果。可见在Ka全频段(26.5GHz-40GHz)内，该天线的轴比均小于3dB，具备良好的圆极化特性，相应的轴比带宽超过40％。

通过以上技术方案，本发明通过设置相互正交的第一矩形波导1和第二矩形波导11且第一矩形波导1和第二矩形波导11镜像对称，优化波导的尺寸布局，降低回波损耗，同时在矩形波导中增加若干个台阶、第一金属块7以及第二金属块8，调节阻抗匹配以及轴比特性。

实施例2

基于本发明的实施例1提供的一种Ka全频段宽带圆极化天线，本发明还提供一种Ka全频段宽带圆极化天线阵列，包括等间距排列的若干个天线单元，所述天线单元为实施例1所述的Ka全频段宽带圆极化天线。所述若干个天线单元呈线性阵列排布、矩形阵列排布或者十字交叉形排布。

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全频段宽带圆极化天线，其特征在于，包括相互正交的第一矩形波导和第二矩形波导，所述第一矩形波导上一侧的壁上以第一矩形波导横向对称轴为对称轴并向内侧凹陷形成若干个台阶，所述第一矩形波导的内部设有第一金属块和两个第二金属块，第一金属块以第一矩形波导的横向对称轴为对称轴，两个第二金属块沿着竖直方向排布，两个第二金属块关于第一金属块的对称轴对称设置，第一矩形波导竖直方向上的两个端部分别为输入端口和输出端口，第一矩形波导和第二矩形波导呈90°镜像对称。

2.根据权利要求1所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线，其特征在于，所述第一矩形波导的横向对称轴双侧共设置六级台阶，横向对称轴单侧的三级台阶为三种宽度不同的台阶。

3.根据权利要求2所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线，其特征在于，所述三种宽度不同的台阶、第一金属块以及第二金属块用于调节天线的阻抗匹配及轴比特性。

4.根据权利要求1所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线，其特征在于，所述第一矩形波导的长度也即输入端口的长度范围为0.5λ≤g≤λ，所述第一矩形波导的宽度也即输入端口的宽度范围为0<c≤0.5λ，其中，λ是工作频率波长。

5.根据权利要求4所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线，其特征在于，所述工作频率波长取最大波长时，第一矩形波导的长度取值在5.5～11.3mm之间，第一矩形波导的宽度取值在0～5.5mm之间。

6.根据权利要求1所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线，其特征在于，所述第一金属块的形状为矩形、三角形、圆形或环形，第二金属块的形状为矩形、三角形、圆形或环形。

7.根据权利要求1所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线，其特征在于，所述第一矩形波导以及第二矩形波导内填充空气介质。

8.根据权利要求1所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线，其特征在于，所述第一矩形波导以及第二矩形波导均为金属材料。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线阵列，其特征在于，包括等间距排列的若干个天线单元，所述天线单元为权利要求1-8任一项所述的Ka全频段宽带圆极化天线。

10.根据权利要求9所述的一种Ka全频段宽带圆极化天线阵列，其特征在于，所述若干个天线单元呈线性阵列排布、矩形阵列排布或者十字交叉形排布。

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