CN113851825B - 一种毫米波宽带圆极化辐射器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波宽带圆极化辐射器及其设计方法，所述圆极化辐射器包括多层渐变金属台阶、波导腔金属底座以及金属腔壁，所述金属腔壁与波导腔金属底座连接形成一面开口的波导空气腔，所述波导空气腔内斜对角分布一对多层渐变金属台阶，波导腔金属底座的中轴线上开有一条矩形激励缝隙，从波导空气腔的开口方向上向下看，所述多层渐变金属台阶与矩形激励缝隙平行；本发明的优点在于：能够在毫米波频段实现圆极化辐射器的宽带特性。

Description

一种毫米波宽带圆极化辐射器及其设计方法

技术领域

本发明涉及圆极化天线技术领域，更具体涉及一种毫米波宽带圆极化辐射器及其设计方法。

背景技术

随着现代无线通讯技术的发展，频谱资源越来越紧张。在广泛使用的微波频段低端，电磁干扰也越来越严重，因此人们将目光投向频率更高的毫米波，甚至太赫兹频段。毫米波处于微波频段的高端，与远红外频段相接，具有丰富的频谱资源。另外由于毫米波的高频特点，毫米波器件相对于低频微波器件来说，具有尺寸小、重量轻的特点。因为这些优点，毫米波技术被广泛应用于通讯、雷达、成像、遥感等领域。

圆极化天线是一种辐射圆极化电磁波的天线，相比于线极化天线，主要有以下三方面的优点：(1)圆极化天线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；(2)圆极化天线能够减少电离层引起的法拉第旋转效应。如果采用线性极化信号，法拉第旋转效应会导致显著的信号损失(约3dB或者更多)。然而圆极化天线不受这一问题的影响；(3)圆极化天线的发射天线和接收天线之间不需要严格的定向。任意极化波都可以用圆极化天线来接收，圆极化天线的辐射波也可以用任意极化天线接收。因此圆极化技术可以减少极化失配导致的极化损耗，同时在安装天线的时候，收发天线之间的相对位置可以更加灵活。这些优点使得圆极化天线对许多无线系统非常有吸引力，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。

金属波导具有导体损耗和介质损耗小、功率容量大、结构简单、力学强度高、易于加工等优点，适用于毫米波圆极化天线及阵列。波导缝隙天线具有低剖面、高辐射效率和高增益的特点，并且由于波导缝隙天线对天线口径内场的幅度分布容易控制，易实现低副瓣。目前实现波导缝隙天线辐射圆极化波的方法有两种：一、在波导宽边或者窄边刻蚀各种形式的缝隙，通过不同形式的缝隙组合耦合辐射出正交电场，再控制正交分量的相位形成90度相差，在远场形成圆极化波。在波导壁上刻蚀各种形式缝隙组合的方式对加工精度的要求很高，特别在毫米波频段，微小的误差就会致使天线性能急剧恶化，工程实施风险有待评估。二、在波导辐射缝隙上加载圆极化辐射器，将缝隙耦合的线极化波扭转为圆极化波辐射。因此，对于加载圆极化辐射器的波导缝隙天线，其圆极化带宽与圆极化辐射器的性能有很大关系，如通常使用的在缝隙上加载切角贴片圆极化辐射器，轴比带宽受微带贴片的限制，仅有3.3％；又如在缝隙上加载脊波导圆极化辐射器，其轴比带宽为3.8％；还有在缝隙上加载改进后的背腔式十字缝圆极化辐射器，轴比带宽也仅为5.8％。圆极化辐射器的窄带特性严重限制了天线的应用范围以及平台性能，尤其在毫米波频段对圆极化辐射器的宽带化设计是目前天线设计的难点。

中国专利申请号CN201510722960.3，公开了一种多层辐射装置，包括：一高频电路板，具有一上部和一下部；一微带辐射体，集成在该高频电路板的顶面表层；一叠层波导结构，集成在该高频电路板的上部，其与该微带辐射体相连；一间隙波导结构，集成在该高频电路板的下部，其与该叠层波导结构级联，其具有开口于该高频电路板的底面的一空气腔；一金属板，设置在该间隙波导结构的空气腔的开口处；以及一空气波导，装设在该金属板的底侧。该专利申请增益较高，并且体积较小，易于集成。但是该专利申请不能在毫米波频段实现圆极化辐射器的宽带化设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术难以在毫米波频段对圆极化辐射器进行宽带设计。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种毫米波宽带圆极化辐射器，包括多层渐变金属台阶、波导腔金属底座以及金属腔壁，所述金属腔壁与波导腔金属底座连接形成一面开口的波导空气腔，所述波导空气腔内斜对角分布一对多层渐变金属台阶，波导腔金属底座的中轴线上开有一条矩形激励缝隙，从波导空气腔的开口方向由上向下看，所述多层渐变金属台阶与矩形激励缝隙平行。

本发明的波导空气腔内斜对称的位置引入一对多层渐变金属台阶，引导矩形激励缝隙馈入的电磁波在波导空气腔实现扭转，在辐射口面上形成幅度相等、相位相差90度的正交模，辐射产生圆极化波，多层渐变金属台阶的不连续性激励出多种幅度相等、相速各异的正交主模，与单一正交模式相比提高了电磁波在波导腔内传播路径的相位差平坦度，使得本发明在毫米波频段具有宽频特性。

进一步地，所述波导空气腔的辐射口径为矩形或者正方形，口径边长大于1/2λ，其中，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长。

进一步地，一对所述多层渐变金属台阶分布于矩形激励缝隙的两侧，每个多层渐变金属台阶由多个不同尺寸的矩形金属块堆叠而成，矩形金属块的尺寸从上到下依次增大，矩形金属块的数量N≥2。

进一步地，所述多层渐变金属台阶紧贴金属腔壁内表面与波导腔金属底座，多层渐变金属台阶的高度与金属腔壁的高度相同。

进一步地，所述波导腔金属底座和金属腔壁的内表面光滑，均采用铝制材料一体化加工而成。

进一步地，所述矩形激励缝隙为圆极化辐射器的馈电端口，长度为1/2λ，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长，且矩形激励缝隙的宽度应远小于其长度。

本发明还提供一种毫米波宽带圆极化辐射器的设计方法，从矩形激励缝隙馈入电场方向垂直于矩形激励缝隙长边的电磁波，经过波导空气腔内斜对角分布的一对多层渐变金属台阶，产生相互垂直的TE10模和TE01模，调整多层渐变金属台阶的参数，使得TE10模和TE01模的模式分量在波导空气腔的辐射口面上幅度相等、相位相差90度，辐射形成圆极化波。

进一步地，一对所述多层渐变金属台阶分布于矩形激励缝隙的两侧，每个多层渐变金属台阶3个不同尺寸的矩形金属块堆叠而成，矩形金属块的尺寸从上到下依次增大，3个不同尺寸的矩形金属块分别定义为第一矩形金属块、第二矩形金属块以及第三矩形金属块。

进一步地，所述调整多层渐变金属台阶的参数的过程为：

步骤一：确定工作带宽B＝[f₀,f_e]，其中，f₀表示工作最低频率，f_e表示工作最低频率；

步骤二：初始化多层渐变金属台阶的中心距波导空气腔的中心的距离d＝a/4，其中，a为波导空气腔的内壁宽度；

步骤三：初始化第一矩形金属块的尺寸：W1＝(a-W4)/20、L1＝b/20、H1＝λ/10，其中，λ为中心频点的自由空间波长，其中，W1为第一矩形金属块的宽度，L1为第一矩形金属块的长度，H1为第一矩形金属块的高度，W4为矩形激励缝隙的宽度，b为波导空气腔的内壁长度，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长；

步骤四：优化第二矩形金属块的尺寸：W1<W2<(a-W4)/2、L1<L2<b/2、λ/10<H2<λ/3，其中，W2为第二矩形金属块的宽度，L2为第二矩形金属块的长度，H2为第二矩形金属块的高度；

步骤五：优化第三矩形金属块的尺寸：W2<W3<(a-W4)/2、L2<L3<b/2、λ/10<H3<λ/3，其中，W3为第三矩形金属块的宽度，L3为第三矩形金属块的长度，H3为第三矩形金属块的高度；

步骤六：提取口径长宽分别为a和b的波导空气腔在工作频带内波导波长λg＝[λg₀,λg_e]，其中，λg₀为波导空气腔在工作频带内最小波导波长，λg_e为波导空气腔在工作频带内最大波导波长；

步骤七：根据多层渐变金属台阶的层数将波导空气腔分层，分别提取各层波导空气腔单独馈电时在工作带宽内的波导波长

其中，λg_i为第i层波导空气腔单独馈电时在工作带宽内的波导波长，/>

为第i层波导空气腔单独馈电时在工作带宽内的最小波长，/>

为第i层波导空气腔单独馈电时在工作带宽内的最大波长；

步骤八：通过公式

计算带内总相差；

步骤九：计算带内总相差与90度的差，判断其平坦度是否能满足要求，如果不能，则将第一矩形金属块的尺寸微量增加，调整多层渐变金属台阶的中心距波导空气腔的中心的距离d，依次重复步骤四～步骤八，直到满足要求。

更进一步地，所述中心频点为34GHz。

本发明的优点在于：

(1)本发明的波导空气腔内斜对称的位置引入一对多层渐变金属台阶，引导矩形激励缝隙馈入的电磁波在波导空气腔实现扭转，在辐射口面上形成幅度相等、相位相差90度的正交模，辐射产生圆极化波，多层渐变金属台阶的不连续性激励出多种幅度相等、相速各异的正交主模，与单一正交模式相比提高了电磁波在波导腔内传播路径的相位差平坦度，使得本发明在毫米波频段具有宽频特性。

(2)本发明整体结构简单紧凑，通用性强，易于实现，工程应用性大大增强，同时极大地降低了成本，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。

(3)本发明采用全金属波导一体化加工，结构稳定，散热性能优良，损耗低，易于实现高辐射效率以及高增益。

(4)本发明提供一种毫米波宽带圆极化辐射器的设计方法，通过调整多层渐变金属台阶的参数，对圆极化辐射器进行优化设计，最终实现平坦度满足要求的毫米波宽带圆极化辐射器，保证天线性能。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器的立体结构示意图；

图2为本发明实施例1所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器的立体结构示意图对应的线条图；

图3为本发明实施例1所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器的俯视图；

图4为本发明实施例1所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器的侧视图；

图5为本发明实施例2所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器的设计方法的流程图；

图6为本发明实施例1所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器的法向轴比仿真结果图；

图7为本发明实施例1所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器在低频处的H面远场归一化方向图仿真结果；

图8为本发明实施例1所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器在中心频点处的H面远场归一化方向图仿真结果；

图9为本发明实施例1所提供的一种毫米波宽带圆极化辐射器在高频处的H面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。

实施例1

如图1～图4所示，为了更清楚的展示本发明的结构，图1给出了带有实体填充的立体结构图，本发明提供一种毫米波宽带圆极化辐射器，包括波导空气腔1、多层渐变金属台阶、波导腔金属底座5、矩形激励缝隙6、金属腔壁7。其中，金属腔壁7由四块矩形金属板一体化加工形成，金属腔壁7与一块波导腔金属底座5连接形成一面开口的波导空气腔1，波导腔金属底座5和金属腔壁7的内表面光滑，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。波导空气腔1轴线两侧斜对角分布一对相同结构尺寸的多层渐变金属台阶，多层渐变金属台阶从上到下依次由第一矩形金属块2、第二矩形金属块3、第三矩形金属块4堆叠而成，三层矩形金属块的尺寸从上到下依次增大，便于一体化加工，从图1可以看出，第三矩形金属块4的长宽高依次大于第二矩形金属块3和第一矩形金属块2。第一矩形金属块2、第二矩形金属块3的侧面紧贴金属腔壁7内表面，第三矩形金属块4的侧面和地面分别紧贴金属腔壁7内表面和波导腔金属底座5，三层矩形金属块的高度总和与金属腔壁的高度相同。波导腔金属底座5的中轴线上开有一条细长的矩形激励缝隙6，矩形激励缝隙6为圆极化辐射器的馈电端口，长度为λ/2，其中，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长，且缝隙的宽度应远小于长度。在本实施例中中心频点为34GHz，则矩形激励缝隙6的长度L4＝4.5mm，考虑到工程实施难度，矩形激励缝隙6的宽度W4＝0.8mm。波导空气腔1的辐射口径为矩形或者方形，口径边长大于λ/2，其中，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长，在本实施例中考虑到圆极化辐射器需要覆盖较宽工作频带，选择矩形辐射口径，口径长度a＝8.6mm，宽度b＝7.2mm。金属腔壁7与波导腔金属底座5的壁厚t＝0.8mm。

通过以上技术方案，本发明的波导空气腔1内斜对称的位置引入一对多层渐变金属台阶，引导矩形激励缝隙6馈入的电磁波在波导空气腔1实现扭转，在辐射口面上形成幅度相等、相位相差90度的正交模，辐射产生圆极化波，多层渐变金属台阶的不连续性激励出多种幅度相等、相速各异的正交主模，与单一正交模式相比提高了电磁波在波导空气腔1内传播路径的相位差平坦度，使得本发明在毫米波频段具有宽频特性。

实施例2

基于本发明实施例1提供的本发明提供一种毫米波宽带圆极化辐射器，本发明实施例2还提供本发明提供一种毫米波宽带圆极化辐射器的设计方法，所述方法包括：由矩形激励缝隙6馈入电场方向垂直于矩形激励缝隙6长边的电磁波，经过圆极化辐射器内部一对多层渐变金属台阶，产生了相互垂直的TE10模和TE01模，优化多层渐变金属台阶的物理参数，使得两种模式分量在辐射口面上幅度相等、相位相差90度，辐射形成圆极化波。由此可见，TE10模和TE01模这两种模式分量的相差和幅度随频率变化的平坦度是决定圆极化辐射器轴比带宽的主要因素。因此，引入多层渐变金属台阶结构，不同尺寸的矩形金属块所在腔体传导不同的相速的电磁波，能够保证TE10和TE01两种模式的相差和幅度差在宽带维持在稳定范围内，圆极化辐射器的圆极化性能得到大幅改善。本实施例中，引入三层渐变金属台阶，参数的具体设计优化流程如图5所示：

步骤一：确定工作带宽B＝[f₀,f_e]，其中，f₀表示工作最低频率，f_e表示工作最低频率；

步骤二：初始化多层渐变金属台阶的中心距波导空气腔1的中心的距离d＝a/4，其中，a为波导空气腔1的内壁宽度；

步骤三：初始化第一矩形金属块2的尺寸：W1＝(a-W4)/20、L1＝b/20、H1＝λ/10，其中，λ为中心频点的自由空间波长，其中，W1为第一矩形金属块2的宽度，L1为第一矩形金属块2的长度，H1为第一矩形金属块2的高度，W4为矩形激励缝隙6的宽度，b为波导空气腔1的内壁长度，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长；

步骤四：优化第二矩形金属块3的尺寸：W1<W2<(a-W4)/2、L1<L2<b/2、λ/10<H2<λ/3，其中，W2为第二矩形金属块3的宽度，L2为第二矩形金属块3的长度，H2为第二矩形金属块3的高度；

步骤五：优化第三矩形金属块4的尺寸：W2<W3<(a-W4)/2、L2<L3<b/2、λ/10<H3<λ/3，其中，W3为第三矩形金属块4的宽度，L3为第三矩形金属块4的长度，H3为第三矩形金属块4的高度；

步骤六：提取口径长宽分别为a和b的波导空气腔1在工作频带内波导波长λg＝[λg₀,λg_e]，其中，λg₀为波导空气腔1在工作频带内最小波导波长，λg_e为波导空气腔1在工作频带内最大波导波长；

步骤七：根据多层渐变金属台阶的层数将波导空气腔1分层，分别提取各层波导空气腔1单独馈电时在工作带宽内的波导波长

其中，λg_i为第i层波导空气腔1单独馈电时在工作带宽内的波导波长，/>

为第i层波导空气腔1单独馈电时在工作带宽内的最小波长，/>

为第i层波导空气腔1单独馈电时在工作带宽内的最大波长；

步骤八：通过公式

计算带内总相差，这里将第i层波导空气腔1单独馈电时在工作带宽内的波导波长λg_i中的最小波长代入公式即可得到β₀，将第i层波导空气腔1单独馈电时在工作带宽内的波导波长λg_i中的最大波长代入公式即可得到β_e；

步骤九：计算带内总相差β_a＝[β₀,β_e]与90度的差是否小于等于20°，如果不能，则将第一矩形金属块2的尺寸微量增加，调整多层渐变金属台阶的中心距波导空气腔1的中心的距离d，依次重复步骤四～步骤八，直到满足要求。

通过不断迭代计算后，得到最终的参数优化结果如下：d＝2.2mm、W1＝0.53mm、L1＝1.74mm、H1＝2.38mm、W2＝0.78mm、L2＝2.48mm、H1＝2.45mm、W3＝1.11mm、L3＝3.27mm、H3＝2.07mm。本发明圆极化性能仿真结果如图6～图9所示，由图中数据可以得到，所述圆极化辐射器法向轴比小于3dB的频带范围为22.9GHz～45.1GHz，相对轴比带宽为67.2％，在远场辐射左旋圆极化波，上半空间的圆极化性能良好。

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 (8)

1.一种毫米波宽带圆极化辐射器，其特征在于，包括多层渐变金属台阶、波导腔金属底座以及金属腔壁，所述金属腔壁与波导腔金属底座连接形成一面开口的波导空气腔，所述波导空气腔内斜对角分布一对多层渐变金属台阶，波导腔金属底座的中轴线上开有一条矩形激励缝隙，从波导空气腔的开口方向由上向下看，所述多层渐变金属台阶与矩形激励缝隙平行；一对所述多层渐变金属台阶分布于矩形激励缝隙的两侧，每个多层渐变金属台阶3个不同尺寸的矩形金属块堆叠而成，矩形金属块的尺寸从上到下依次增大，3个不同尺寸的矩形金属块分别定义为第一矩形金属块、第二矩形金属块以及第三矩形金属块；

调整多层渐变金属台阶的参数的过程为：

步骤一：确定工作带宽B＝[f₀,f_e]，其中，f₀表示工作最低频率，f_e表示工作最低频率；

步骤二：初始化多层渐变金属台阶的中心距波导空气腔的中心的距离d＝a/4，其中，a为波导空气腔的内壁宽度；

步骤三：初始化第一矩形金属块的尺寸：W1＝(a-W4)/20、L1＝b/20、H1＝λ/10，其中，λ为中心频点的自由空间波长，其中，W1为第一矩形金属块的宽度，L1为第一矩形金属块的长度，H1为第一矩形金属块的高度，W4为矩形激励缝隙的宽度，b为波导空气腔的内壁长度，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长；

步骤四：优化第二矩形金属块的尺寸：W1<W2<(a-W4)/2、L1<L2<b/2、λ/10<H2<λ/3，其中，W2为第二矩形金属块的宽度，L2为第二矩形金属块的长度，H2为第二矩形金属块的高度；

步骤五：优化第三矩形金属块的尺寸：W2<W3<(a-W4)/2、L2<L3<b/2、λ/10<H3<λ/3，其中，W3为第三矩形金属块的宽度，L3为第三矩形金属块的长度，H3为第三矩形金属块的高度；

步骤六：提取口径长宽分别为a和b的波导空气腔在工作频带内波导波长λg＝[λg₀,λg_e]，其中，λg₀为波导空气腔在工作频带内最小波导波长，λg_e为波导空气腔在工作频带内最大波导波长；

步骤七：根据多层渐变金属台阶的层数将波导空气腔分层，分别提取各层波导空气腔单独馈电时在工作带宽内的波导波长

其中，λg_i为第i层波导空气腔单独馈电时在工作带宽内的波导波长，/>

为第i层波导空气腔单独馈电时在工作带宽内的最小波长，/>

为第i层波导空气腔单独馈电时在工作带宽内的最大波长；

步骤八：通过公式

计算带内总相差；

步骤九：计算带内总相差与90度的差，判断其平坦度是否能满足要求，如果不能，则将第一矩形金属块的尺寸微量增加，调整多层渐变金属台阶的中心距波导空气腔的中心的距离d，依次重复步骤四～步骤八，直到满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带圆极化辐射器，其特征在于，所述波导空气腔的辐射口径为矩形或者正方形，口径边长大于1/2λ，其中，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带圆极化辐射器，其特征在于，一对所述多层渐变金属台阶分布于矩形激励缝隙的两侧，每个多层渐变金属台阶由多个不同尺寸的矩形金属块堆叠而成，矩形金属块的尺寸从上到下依次增大，矩形金属块的数量N≥2。

4.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带圆极化辐射器，其特征在于，所述多层渐变金属台阶紧贴金属腔壁内表面与波导腔金属底座，多层渐变金属台阶的高度与金属腔壁的高度相同。

5.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带圆极化辐射器，其特征在于，所述波导腔金属底座和金属腔壁的内表面光滑，均采用铝制材料一体化加工而成。

6.根据权利要求1所述的一种毫米波宽带圆极化辐射器，其特征在于，所述矩形激励缝隙为圆极化辐射器的馈电端口，长度为1/2λ，λ为工作频带内中心频点的自由空间波长，且矩形激励缝隙的宽度小于其长度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种毫米波宽带圆极化辐射器的设计方法，其特征在于，从矩形激励缝隙馈入电场方向垂直于矩形激励缝隙长边的电磁波，经过波导空气腔内斜对角分布的一对多层渐变金属台阶，产生相互垂直的TE10模和TE01模，调整多层渐变金属台阶的参数，使得TE10模和TE01模的模式分量在波导空气腔的辐射口面上幅度相等、相位相差90度，辐射形成圆极化波。

8.根据权利要求7所述的一种毫米波宽带圆极化辐射器的设计方法，其特征在于，所述中心频点为34GHz。

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