CN113964536A - 一种圆极化两维宽角相扫天线单元及相控阵天线阵列 - Google Patents

一种圆极化两维宽角相扫天线单元及相控阵天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种圆极化两维宽角相扫天线单元，包括波导空气腔，波导空气腔包括四个围合的金属腔壁和金属底板，所述金属腔壁上分别设置有一个金属膜片，金属膜片的位置偏离所在金属腔壁的中点位置，四个金属膜片的位置中心对称，相对的两个金属腔壁上的金属膜片规格一致；金属底板上设置有一激励缝隙，激励缝隙第一缝隙和两个分别与第一缝隙的两端垂直连通的第二缝隙，两个所述第二缝隙的长度一致且方向相反。本发明还提供了由圆极化天线单元阵列得到的相控阵天线。本发明的优点在于：通过两对微扰金属膜片实现圆极化性能，由于金属膜片的边缘电容作用，天线单元的两维尺寸能被最大程度压缩，满足两维宽角扫描的间距条件。

Description

一种圆极化两维宽角相扫天线单元及相控阵天线阵列
技术领域
本发明涉及圆极化天线技术领域，尤其涉及一种圆极化两维宽角相扫天线单元及相控阵天线阵列。
背景技术
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，减少电离层引起的法拉第旋转效应和极化失配导致的极化损耗，同时收发天线之间的相对位置可以更加灵活，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，因此采用金属波导体制设计的高性能圆极化天线是目前天线研究领域的一个热点。
目前，波导类天线产生圆极化波的方法有两种：一、在馈电波导网络中设置90°电桥，线极化信号通过90°电桥将形成幅度相等、相位相差90的两路信号，激励两个正交极化输入端，在辐射口形成圆极化波。此类天线易于匹配，且圆极化带宽较宽，但复杂的馈电网络增加了加工难度并且额外增加了金属损耗，降低了天线辐射效率；二、通过圆极化器把馈入的线极化波转变为圆极化波辐射，如常见的金属膜片式圆极化、介质插片式圆极化器以及隔板圆极化器，结构紧凑、易于加工、重量轻，并且能够使插入相位在较宽频带内保持一致，但此类天线需要将圆极化器的信号馈入喇叭后辐射，导致天线整体结构尺寸较长，无法满足天文、航天通信及遥测、遥感设备日益增长的低剖面需求。
公开号为CN113193345A的发明专利申请公开了一种S形口径圆极化天线单元及阵面天线，通过在金属腔体内设置一对平行的金属膜片，并在两个金属膜片间设置平行的馈电缝得到S形的开口天线，得到了圆极化天线单元，但是该方案组成的相控阵天线不适于两维宽角扫描。
文献“Circularly polarized Ka-band waveguide slot array with lowsidelobes.EUCAP 2012,pp:1105-1109.”中提出了一种实现波导缝隙圆极化辐射方案，在传统波导缝隙天线的宽边纵缝上加载极化波导，极化波导相当于一个圆极化器，其口径设定为矩形，激励出不同相速的两种正交电场模式TE10和TE01，控制极化波导的高度使两种正交模式到达福射口面时刚好有90°相位差，满足了圆极化波形成的条件。加载极化波导容易实现单元馈电幅度的控制，且效率高、设计简单，但由于极化波导的尺寸较大，因此布阵时单元间距较大，无法实现宽角扫描。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种圆极化两维宽角相扫天线单元及通过圆极化两维宽角相扫天线单元阵列得到的相控阵天线阵列，以满足相控阵天线中的高效率两维宽角扫描的需求。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种圆极化天线单元，包括波导空气腔，所述波导空气腔包括四个围合的金属腔壁和封堵波导空气腔其中一端的金属底板，所述金属腔壁上分别设置有一个金属膜片，所述金属膜片的位置偏离所在金属腔壁的中点位置，四个金属膜片的位置中心对称，相对的两个金属腔壁上的金属膜片规格一致；所述金属底板上设置有一激励缝隙，所述激励缝隙包括经过其中一对金属腔壁中点的第一缝隙和两个分别与第一缝隙的两端垂直连通的第二缝隙，两个所述第二缝隙的长度一致且方向相反。
本发明提供的圆极化天线单元通过激励缝隙馈入电场方向与第一缝隙垂直的电磁波，在相互垂直的金属膜片的作用下产生相互垂直的TE10和TE01两种模式，并形成90度的相位差，从而能够辐射形成圆极化波；由于金属膜片的边缘电容作用，波导空气腔的主模截止频率比正常的矩形波导低，因此天线单元的两维尺寸能被最大程度压缩，满足宽角扫描的间距条件，整个天线单元采用全金属构造，辐射效率高，不需要额外的圆极化馈电网络，大大降低了金属损耗，易于实现高增益；整体结构简单紧凑，剖面低，易于设计，在工业上方便生产应用，并具有通用性，由于采用金属加工，结构稳定，散热性能优良。
优选的，所述金属腔壁和金属底板采用铝材制作且内表面光滑。
优选的，与所述第一缝隙平行的两个金属膜片的厚度大于与第一缝隙垂直的两个金属膜片的厚度。
优选的，所述波导空气腔的敞口侧为正方形。
优选的，所述波导空气腔的口径边长小于λ/2，其中，λ为工作频带内高频点的自由空间波长。
优选的，所述金属膜片的长度不大于a/2，其中，a为波导空气腔的口径边长。
优选的，所述第一缝隙和两个第二缝隙的总长度为λ/2。
优选的，所述波导空气腔的口径边长为4mm，金属壁厚为0.8mm，与第一缝隙平行的两个金属膜片的厚度为0.463mm，长度为1.495mm，与第一缝隙垂直的两个金属膜片的厚度为0.301mm，长度为1.147mm。
本发明还提供了一种相控阵天线，包括规则阵列的多个所述圆极化天线单元，相邻的所述天线单元之间共用金属腔壁。
优选的，所述天线单元二维阵列形成8*8的相控阵。
本发明提供的圆极化两维宽角相扫天线单元及相控阵天线阵列的优点在于：通过激励缝隙馈入电场方向与第一缝隙垂直的电磁波，在相互垂直的金属膜片的作用下产生相互垂直的TE10和TE01两种模式，并形成90度的相位差，从而能够辐射形成圆极化波；由于金属膜片的边缘电容作用，波导空气腔的主模截止频率比正常的矩形波导低，因此天线单元的两维尺寸能被最大程度压缩，满足宽角扫描的间距条件，整个天线单元采用全金属构造，辐射效率高，不需要额外的圆极化馈电网络，大大降低了金属损耗，易于实现高增益；整体结构简单紧凑，剖面低，易于设计，在工业上方便生产应用，并具有通用性，由于采用金属加工，结构稳定，散热性能优良。通过天线单元阵列形成的相控阵天线中相邻天线单元共享金属腔壁，实现整体结构的轻量化，方便适用机载、星载等场景。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的圆极化两维宽角相扫天线的示意图；
图2为本发明的实施例提供的圆极化两维宽角相扫天线的俯视图；
图3为本发明的实施例提供的圆极化两维宽角相扫天线的尺寸示意图；
图4为本发明的实施例提供的圆极化两维宽角相扫天线的法向轴比仿真结果图；
图5为本发明的实施例提供的圆极化两维宽角相扫天线在中心频点处的远场归一化方向图仿真结果；
图6为本发明的实施例提供的8×8相控阵天线阵列的示意图；
图7为本发明的实施例提供的相控阵天线阵列在扫描角为0°、15°、30°、45°、60°的扫描方向图仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明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和图2所示，本实施例提供了一种圆极化两维宽角相扫天线单元，包括波导空气腔1，所述波导空气腔1包括四个围合的金属腔壁4和封堵波导空气腔1其中一端的金属底板5，所述金属腔壁4上分别设置有一个金属膜片2，所述金属膜片2的位置偏离所在金属腔壁4的中点位置，四个金属膜片2的位置中心对称；相对的两个金属腔壁4上的金属膜片2的规格一致，所述金属底板5上设置有一激励缝隙6，所述激励缝隙6包括经过其中一对金属腔壁重点的第一缝隙61和两个分别与第一缝隙61的两端垂直连通的第二缝隙62，两个所述第二缝隙62的长度一致且方向相反。
本实施例提供的圆极化天线单元通过激励缝隙6馈入电场方向与第一缝隙61垂直的电磁波，在相互垂直的金属膜片2的作用下产生相互垂直的TE10和TE01两种模式，并形成90度的相位差，从而能够辐射形成圆极化波；由于金属膜片2的边缘电容作用，波导空气腔1的主模截止频率比正常的矩形波导低，因此天线单元的两维尺寸能被最大程度压缩，满足宽角扫描的间距条件，整个天线单元采用全金属构造，辐射效率高，不需要额外的圆极化馈电网络，大大降低了金属损耗，易于实现高增益；整体结构简单紧凑，剖面低，易于设计，在工业上方便生产应用，并具有通用性，由于采用金属加工，结构稳定，散热性能优良。
所述金属腔壁4和金属底板5均采用铝材制作，且内表面光滑；从而能够实现轻量化设计，降低材料成本，方便携带。
与所述第一缝隙61平行的两个金属膜片2的厚度大于与第一缝隙61垂直的两个金属膜片2的厚度，本实施例汇总，所述金属膜片2的高度与金属腔壁4的高度相同，在生产时与金属腔壁4通过金属机械铣工艺一体化加工而成。
所述波导空气腔1的敞口侧，即辐射口径为正方形，辐射口径的边长小于λ/2，其中，λ为工作频带内高频点的自由空间波长。进一步的，所述金属膜片2的长度不大于a/2，其中，a为波导空气腔1的口径边长；所述第一缝隙和两个第二缝隙的总长度为λ/2。
结合图3，本实施例的中心工作频点为30GHz，激励缝隙6的总长度为2*L3+L4＝5mm，其中L3＝0.5mm，L4＝4mm，激励缝隙6的宽度应远小于其长度，本实施例中设置为W3＝0.5mm，考虑到组成阵列后宽角扫描的单元间距限制，波导空气腔1的辐射口径边长加上金属壁厚应不超过半波长，因此口径边长a＝4mm，金属壁厚t＝0.8mm，与第一缝隙61平行的两个金属膜片2的厚度为0.463mm，长度为1.495mm，与第一缝隙61垂直的两个金属膜片2的厚度为0.301mm，长度为1.147mm。
本实施例提供的圆极化天线的仿真结果如图4和图5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29.5GHz～30.5GHz，相对轴比带宽为3.3％，在远场辐射右旋圆极化波，上半空间的圆极化性能良好。
参考图6，本实施例还提供了一种相控阵天线，包括规则阵列的多个所述的圆极化天线单元，相邻的所述天线单元之间共用金属腔壁4，从而具有轻量化的优点，具体的，所述天线单元二维阵列形成8*8的相控阵，单元间距dx＝dy＝4.8mm，阵列有效辐射口径面积dl^2＝39.2mm×39.2mm；参考图7，阵列的法向增益为21.34dB，扫描范围为±60°。
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)

1.一种圆极化两维宽角相扫天线单元，其特征在于：包括波导空气腔，所述波导空气腔包括四个围合的金属腔壁和封堵波导空气腔其中一端的金属底板，所述金属腔壁上分别设置有一个金属膜片，所述金属膜片的位置偏离所在金属腔壁的中点位置，四个金属膜片的位置中心对称，相对的两个金属腔壁上的金属膜片规格一致；所述金属底板上设置有一激励缝隙，所述激励缝隙包括经过其中一对金属腔壁中点的第一缝隙和两个分别与第一缝隙的两端垂直连通的第二缝隙，两个所述第二缝隙的长度一致且方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化两维宽角相扫天线单元，其特征在于：所述金属腔壁和金属底板采用铝材制作且内表面光滑。
3.根据权利要求1所述的一种圆极化两维宽角相扫天线单元，其特征在于：与所述第一缝隙平行的两个金属膜片的厚度大于与第一缝隙垂直的两个金属膜片的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种圆极化两维宽角相扫天线单元，其特征在于：所述波导空气腔的敞口侧为正方形。
5.根据权利要求4所述的一种圆极化两维宽角相扫天线单元，其特征在于：所述波导空气腔的口径边长小于λ/2，其中，λ为工作频带内高频点的自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的一种圆极化两维宽角相扫天线单元，其特征在于：所述金属膜片的长度不大于a/2，其中，a为波导空气腔的口径边长。
7.根据权利要求5所述的一种圆极化两维宽角相扫天线单元，其特征在于：所述第一缝隙和两个第二缝隙的总长度为λ/2。
8.根据权利要求3所述的一种圆极化两维宽角相扫天线单元，其特征在于：所述波导空气腔的口径边长为4mm，金属壁厚为0.8mm，与第一缝隙平行的两个金属膜片的厚度为0.463mm，长度为1.495mm，与第一缝隙垂直的两个金属膜片的厚度为0.301mm，长度为1.147mm。
9.一种相控阵天线阵列，其特征在于：包括规则阵列的多个权利要求1-8任一项所述的圆极化天线单元，相邻的所述天线单元之间共用金属腔壁。
10.根据权利要求9所述的一种相控阵天线阵列，其特征在于：所述天线单元二维阵列形成8*8的相控阵。
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