CN115051164B - 一种基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化喇叭天线，包括双脊波导和双脊喇叭，通过在宽带圆极化喇叭天线内部加载横截面为超椭圆形状的双脊，改善阻抗匹配，拓展天线阻抗带宽。在双脊喇叭的行波传播方向上加载螺旋超椭圆双脊，通过调整指数和线性比例减小轴比，再通过加速旋转超椭圆双脊平衡工作频带内的轴比水平，行波在双脊传播过程中自旋角动量加速增大，在远场区表现为圆极化，仅需旋转少量角度即可有效拓展天线轴比带宽，同时消除陷波，达到展宽天线阻抗带宽的效果。本发明通过设置加速螺旋超椭圆双脊作为极化器，该圆极化喇叭天线的阻抗带宽和轴比带宽均得到有效展宽，在阻抗带宽和轴比带宽的重叠带宽内方向图保持稳定。本发明广泛应用于天线技术领域。

Description

一种基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线。

背景技术

喇叭天线由于其宽频带、工作模式稳定、效率高而被广泛应用于卫星通信、雷达和测控系统。圆极化天线能解决发射天线和接收天线之间因放置角度不同而导致的极化失配问题，得到广泛关注。圆极化喇叭天线兼具两者的优点，然而，如何展宽阻抗带宽和轴比带宽仍是难题。

圆极化喇叭天线通常由喇叭、波导、极化器和射频连接器组成。极化器的功能是将线极化波转换为圆极化波，从而使喇叭天线的极化方式为圆极化。极化器有立体结构和平面结构。立体结构的极化器能提供较大的轴比带宽，但体积过大，不利于组装。平面结构的极化器有两种，其中一种是加载在喇叭辐射口面的超表面，结构轻薄，但轴比带宽太小；另一种是加载在喇叭天线内部的正交模式转换隔片，但其非对称结构可能导致天线波束偏置。实现圆极化喇叭天线的另一种方法是通过双端口馈电激励两个正交信号，无需在喇叭天线内部设置极化器，但这种方法增加了馈电复杂性，从而降低了天线的鲁棒性。

综上所述，目前的圆极化喇叭天线难以同时具有大的阻抗带宽和轴比带宽。

发明内容

针对目前的圆极化喇叭天线难以同时具有大的阻抗带宽和轴比带宽等技术问题，本发明的目的在于提供一种基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线。

本发明实施例包括一种基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，包括：

双脊波导；所述双脊波导的横截面形状为超椭圆形；

双脊喇叭；所述双脊喇叭与所述双脊波导的一端连接，所述双脊喇叭在行波传播方向上交替旋转延伸。

进一步地，所述双脊喇叭沿着指数和线性叠加形状的曲线旋转延伸。

进一步地，所述双脊波导的横截面的形状满足以下方程：

其中，r为极坐标系中的半径坐标，τ为极坐标系中的极角坐标，n₁、n₂和n₃为形状参数，W₁为所述双脊波导的横截面中最宽处的长度，D_b为所述双脊波导的横截面中最高点和最低点之间的距离，G为所述双脊波导的横截面中的上边脊和下边脊之间的距离。

进一步地，所述双脊喇叭旋转延伸所沿的曲线满足以下方程：

z(μ,ν)＝L_i·ν^a

其中，

a为双脊旋转速度调节参数，p为双脊指数比例，μ为以极坐标系表示的所述双脊喇叭的横截面的扫描角度，ν为以极坐标系表示的行波传播方向上的扫描角度，n₁、n₂和n₃为形状参数，W₁为所述双脊波导的横截面中最宽处的长度，D_b为所述双脊波导的横截面中最高点和最低点之间的距离，G为所述双脊波导的横截面中的上边脊和下边脊之间的距离，L₁为所述双脊喇叭的延伸长度在行波传播方向上的投影的长度。

进一步地，所述双脊波导中的上边脊的形状与下边脊的形状不同。

进一步地，所述双脊波导中的上边脊为阶梯状，下边脊为阶梯切角状。

进一步地，所述基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线还包括：

同轴馈电结构；所述同轴馈电结构与所述双脊波导的另一端连接。

进一步地，所述基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线还包括：

背腔；所述背腔与所述双脊波导的另一端连接。

进一步地，所述背腔位于所述双脊波导的延伸方向上，所述同轴馈电结构位于所述双脊波导的延伸方向的垂直方向上。

进一步地，所述双脊波导、所述双脊喇叭、所述同轴馈电结构和所述背腔均为金属材质。

本发明的有益效果是：实施例中的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，通过在宽带圆极化喇叭天线内部加载横截面为超椭圆形状的双脊，能够改善阻抗匹配，拓展天线阻抗带宽。在双脊喇叭的行波传播方向上加载螺旋超椭圆双脊，能够通过调整指数和线性比例减小轴比，再通过加速旋转超椭圆双脊平衡工作频带内的轴比水平，行波在双脊传播过程中自旋角动量加速增大，在远场区表现为圆极化，仅需旋转少量角度即可有效拓展天线轴比带宽，同时消除陷波，达到展宽天线阻抗带宽的效果。实施例中的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线通过设置加速螺旋超椭圆双脊作为极化器，该圆极化喇叭天线的阻抗带宽和轴比带宽均得到有效展宽，在阻抗带宽和轴比带宽的重叠带宽内方向图保持稳定。

附图说明

图1为实施例中基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线的结构和逻辑示意图；

图2和图3为实施例中宽带圆极化喇叭天线的双脊波导的结构示意图；

图4为实施例中宽带圆极化喇叭天线超椭圆双脊尚未螺旋时的结构侧面图；

图5为实施例中各种形状的上边脊与下边脊的双脊波导的示意图；

图6为实施例中双脊形状对喇叭天线反射系数影响的仿真结果示意图；

图7为图1所述宽带圆极化喇叭天线的超椭圆双脊螺旋角度对喇叭天线反射系数影响的仿真结果；

图8为图1所述宽带圆极化喇叭天线的超椭圆双脊的在行波传播方向上的指数成分和旋转速度对喇叭天线轴比影响的仿真结果；

图9为图1所述宽带圆极化喇叭天线反射系数的仿真结果；

图10为图1所述宽带圆极化喇叭天线轴比和增益的仿真结果；

图11为图1所述宽带圆极化喇叭天线辐射方向图的仿真结果。

具体实施方式

基于螺旋双脊的宽带圆极化喇叭天线能提供更大的阻抗带宽和轴比带宽。在喇叭天线内部设置双脊，双脊在行波传播方向上设计为指数形状，双脊能展宽基模的工作频带，拓展天线阻抗带宽。但喇叭天线内部加载的双脊横截面为矩形，限制了阻抗带宽的进一步拓展。圆极化是通过在喇叭天线的行波传播方向上匀速旋转双脊获得的，行波在传播过程中自旋角动量逐渐增大，在远场区表现为圆极化。然而螺旋双脊在行波传播方向上是匀速旋转的，需要旋转975°才能达到理想的轴比带宽，螺旋角度过大导致加工困难，而且可能导致陷波产生，减小了阻抗带宽。

考虑到上述问题，本实施例中，基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线的结构如图1所示，基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线的基本结构为双脊波导和双脊喇叭，即通过双脊波导和双脊喇叭可以实现基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线的基本功能。图1中，1为双脊喇叭，2为双脊波导，3为背腔，4为同轴馈电结构。

本实施例中，双脊波导的结构如图2和图3所示。参照图2和图3，双脊波导的横截面形状为超椭圆形。具体地，双脊波导的横截面形状对应的超椭圆形可以通过以下曲线方程描述：

其中，r为极坐标系中的半径坐标，τ为极坐标系中的极角坐标，τ的含义是横截面的扫描角度，τ的变化范围是0～2π。n₁、n₂和n₃为形状参数，W₁为双脊波导的横截面中最宽处的长度，D_b为双脊波导的横截面中最高点和最低点之间的距离，G为双脊波导的横截面中的上边脊和下边脊之间的距离。

在极坐标系中画出r(τ)对应的曲线，这一曲线围成的图形即为双脊波导的横截面形状对应的超椭圆形。其中的W₁、D_b和G等参数在图2和图3中标示出来，n₁、n₂和n₃为可以根据需求调整取正整数值的形状参数。

参照图1，双脊喇叭与双脊波导的一端连接，双脊喇叭在行波传播方向上交替旋转延伸。本实施例中，当双脊波导沿着z轴方向延伸，当双脊波导被馈电，将在图1所示的z轴方向产生行波，因此行波传播方向为图1所示的z轴正方向。

本实施例中，双脊喇叭旋转延伸所沿着的曲线是一条指数和线性叠加形状的曲线。这样，双脊喇叭的行波传播方向上形成加速旋转超椭圆双脊，双脊在行波传播方向上设计为指数和线性叠加的形状，通过调整指数和线性比例减小轴比，再通过加速旋转超椭圆双脊平衡工作频带内的轴比水平，行波在双脊传播过程中自旋角动量加速增大，在远场区表现为圆极化，仅需旋转少量角度即可有效拓展天线轴比带宽，同时消除陷波，达到展宽天线阻抗带宽的效果。宽带圆极化喇叭天线通过设置加速螺旋超椭圆双脊作为极化器，该圆极化喇叭天线的阻抗带宽和轴比带宽均得到有效展宽，在阻抗带宽和轴比带宽的重叠带宽内方向图保持稳定，工作模式为基模，即TE10模。

本实施例中，双脊喇叭旋转延伸所沿的曲线满足以下方程：

z(μ,ν)＝L_i·ν^a

其中，

a为双脊旋转速度调节参数，p为双脊指数比例，μ为以极坐标系表示的双脊喇叭的横截面的扫描角度，ν为以极坐标系表示的行波传播方向上的扫描角度，n₁、n₂和n₃为形状参数，W₁为双脊波导的横截面中最宽处的长度，D_b为双脊波导的横截面中最高点和最低点之间的距离，G为双脊波导的横截面中的上边脊和下边脊之间的距离，L₁为双脊喇叭的延伸长度在行波传播方向上的投影的长度。

上述方程是以极坐标μ和ν表示的空间直角坐标系x、y和z的参数方程，其中μ的含义是横截面的扫描角度，μ的变化范围是0～2π，ν的含义是双脊在行波传播方向(z轴正方向)上的扫描角度，ν的变化范围是

W₁、D_b、G和L₁等参数在图2、图3和图4中标示出来，n₁、n₂和n₃为可以根据需求调整取正整数值的形状参数。

本实施例中，双脊在行波传播方向上设计为指数和线性叠加的形状，从x(μ,ν)和y(μ,ν)的表达式可明显看到，p用于调整双脊指数比例。从z(μ,ν)的表达式可明显看到，a表征所述宽带圆极化喇叭天线的超椭圆双脊的在行波传播方向上的旋转速度，a越小意味着旋转速度越大。

本实施例中，在实际制作宽带圆极化喇叭天线或者进行仿真时，图2、图3和图4中所标示的尺寸的具体数值可以如表1所示。

表1

本实施例中，参照图3，双脊波导包括上边脊201与下边脊202两部分，上边脊与下边脊可以有不同的形状。为了研究上边脊与下边脊的形状产生的影响，对双脊形状对喇叭天线反射系数的影响进行仿真。仿真对象为图5所示的多种不同形状的双脊波导，为了方便显示，这里省略了波导的金属外壁。

图5中，位于同一纵线的两个视图为同一款双脊波导。参照图5，Antenna I是常规的双脊波导，未采取任何改善阻抗匹配的方法，Antenna I中的上边脊和下边脊的形状相同；Antenna II是在Antenna I的基础上设置双脊波导底部的上边脊和下边脊均为阶梯状；Antenna III、Antenna IV和Antenna V都是在Antenna II的基础上设置双脊波导底部的上边脊为阶梯状，下边脊为阶梯切角状。Antenna I到Antenna V的横截面均是超椭圆，由于表1中n₁，n₂，n₃都是4，这里简化为n，超椭圆方程参数n分别为12、12、12、8、4。可见随着n增大，横截面从准矩形过渡到准椭圆，边角越来越圆润。以上五种天线的区别总结如下：

Antenna I是典型的双脊波导2，n＝12；

Antenna II的上下边脊均为阶梯状，n＝12；

Antenna III的上边脊为阶梯状，下边脊为阶梯切角状，n＝12；

Antenna IV的上边脊为阶梯状，下边脊为阶梯切角状，n＝8；

Antenna V的上边脊为阶梯状，下边脊为阶梯切角状，n＝4；

图6为双脊形状对喇叭天线反射系数影响的仿真结果。可以看到随着双脊波导设计过程的演进，喇叭天线的15dB阻抗带宽逐渐增加，阻抗匹配明显改善。验证了在宽带圆极化喇叭天线内部加载横截面为超椭圆形状的双脊，双脊波导底部的上边脊为阶梯状，下边脊为阶梯切角状，能改善阻抗匹配，拓展天线阻抗带宽。

本实施例中，参照图1和图4，基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线还包括同轴馈电结构和背腔。同轴馈电结构和背腔均与双脊波导的另一端连接，其中背腔位于双脊波导的延伸方向上，而同轴馈电结构位于双脊波导的延伸方向的垂直方向上。同轴馈电结构可以对双脊波导进行馈电，通过设置背腔，可以改善阻抗匹配从而展宽天线带宽。

本实施例中，双脊波导、双脊喇叭、同轴馈电结构和背腔均为金属材质。具体地，可以使用3D打印技术一体化加工双脊波导、双脊喇叭、同轴馈电结构和背腔，这样所得到的宽带圆极化喇叭天线便无需分立的极化器，具有较高的集成度。

图7为图1所述宽带圆极化喇叭天线的超椭圆双脊螺旋角度对喇叭天线反射系数影响的仿真结果。据本发明背景技术介绍，圆极化可通过在喇叭天线的行波传播方向上匀速旋转双脊获得，螺旋角度增大有利于实现更大的轴比带宽。然而从图7可见，螺旋角度过大导致陷波产生，随着螺旋角度增大，陷波模式越来越明显，减小了阻抗带宽。螺旋角度过大还会导致加工困难，因此在本发明实施例中，将螺旋角度设置为650°。

图8为图1所述宽带圆极化喇叭天线的超椭圆双脊的在行波传播方向上的指数成分和旋转速度对喇叭天线轴比影响的仿真结果。所述双脊喇叭1的行波传播方向上设置加速旋转超椭圆双脊，双脊在行波传播方向上设计为指数和线性叠加的形状，通过调整指数和线性比例减小轴比，从图8可以看到，随着双脊指数比例p减小，轴比逐渐减小。再通过加速旋转超椭圆双脊平衡工作频带内的轴比水平，从图8可以看到，随着双脊旋转速度增大(即a减小)，轴比在工作频带内的轴比水平更加均衡。行波在双脊传播过程中自旋角动量加速增大，在远场区表现为圆极化，仅需旋转少量角度即可有效拓展天线轴比带宽，同时消除陷波，达到展宽天线阻抗带宽的效果。

图9为图1所述宽带圆极化喇叭天线反射系数的仿真结果。喇叭天线的15dB阻抗带宽可以达到72.4％，在16.2～34.6GHz频段内有理想的阻抗匹配。

图10为图1所述宽带圆极化喇叭天线轴比和增益的仿真结果。喇叭天线的3dB轴比带宽可以达到85.8％，在15.3～38.3GHz频段内有理想的圆极化性能。也就是说，图1所述宽带圆极化喇叭天线阻抗带宽和轴比带宽的重叠带宽为72.4％，在16.2～34.6GHz工作频段内有理想的阻抗匹配和圆极化性能。从图10的增益曲线可以看到，在阻抗带宽和轴比带宽的重叠带宽内(16.2～34.6GHz)喇叭天线的增益随着频率提高而增加，增益的变化范围是8.0～13.8dBic。随着频率变化，增益出现小范围波动，这可能是由多径效应引起的。

图11为图1所述宽带圆极化喇叭天线辐射方向图的仿真结果。可见所述宽带圆极化喇叭天线的极化方式为右旋圆极化，在图中所示的三个频率处左旋圆极化的分量均小于–17dB，所述宽带圆极化喇叭天线在阻抗带宽和轴比带宽的重叠带宽内(16.2～34.6GHz)方向图保持稳定，工作模式为基模，即TE₁₀模。

通过图7-11所示的仿真结果可知，本实施例中的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线兼具大的阻抗带宽和大的轴比带宽。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (7)

1.一种基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，其特征在于，所述基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线包括：

双脊波导；所述双脊波导的上边脊和下边脊的横截面形状均为超椭圆形；

双脊喇叭；所述双脊喇叭与所述双脊波导的一端连接，所述双脊喇叭中的双脊在行波传播方向上交替旋转延伸，螺旋角度范围为550°～750°；

所述双脊喇叭中的双脊沿着指数和线性叠加形状的曲线旋转延伸；

所述双脊波导的上边脊和下边脊的横截面所沿曲线满足以下方程：

其中，r为极坐标系中的半径坐标，τ为极坐标系中的极角坐标，n₁、n₂和n₃为形状参数，W₁为所述双脊波导的横截面中最宽处的长度，D_b为所述双脊波导的横截面中最高点和最低点之间的距离，G为所述双脊波导的横截面中的上边脊和下边脊之间的距离；

所述双脊喇叭中的双脊旋转延伸所沿的曲线满足以下方程：

z(μ,ν)＝L_i·ν^a

其中，

a为双脊旋转速度调节参数，p为双脊指数比例，μ为以极坐标系表示的所述双脊喇叭的横截面的扫描角度，ν为以极坐标系表示的行波传播方向上的扫描角度，n₁、n₂和n₃为形状参数，W₁为所述双脊波导的横截面中最宽处的长度，D_b为所述双脊波导的横截面中最高点和最低点之间的距离，G为所述双脊波导的横截面中的上边脊和下边脊之间的距离，L₁为所述双脊喇叭的延伸长度在行波传播方向上的投影的长度。

2.根据权利要求1所述的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，其特征在于，所述双脊波导中的上边脊的形状与下边脊的形状不同。

3.根据权利要求2所述的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，其特征在于，所述双脊波导中的上边脊中，与下边脊相对的边形成阶梯；下边脊中，与上边脊相对的边两端分别形成三角形切角。

4.根据权利要求1的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，其特征在于，所述基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线还包括：

同轴馈电结构；所述同轴馈电结构与所述双脊波导的另一端连接，所述同轴馈电结构位于所述双脊波导的延伸方向的垂直方向上。

5.根据权利要求4所述的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，其特征在于，所述基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线还包括：

背腔；所述背腔与所述双脊波导的另一端连接。

6.根据权利要求5所述的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，其特征在于，所述背腔位于所述双脊波导的延伸方向上。

7.根据权利要求5所述的基于加速螺旋超椭圆双脊的宽带圆极化喇叭天线，其特征在于，所述双脊波导、所述双脊喇叭、所述同轴馈电结构和所述背腔均为金属材质。

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