CN115483541A - 一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线 - Google Patents

一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，所述阵列天线包括若天线单元，所述天线单元由反射面、方锥喇叭和极化扭转板组成，所述反射面为带有水平栅网的抛物面结构，所述水平栅网设置于反射面的凸起面上，所述反射面、方锥喇叭和极化扭转板为金属结构；水平极化波馈入方锥喇叭，传输至反射面上的水平栅网后被反射回极化扭转板，经扭转作用，从水平极化波变为垂直极化波后被反射回反射面，然后透过反射面的水平栅网辐射至自由空间。本发明阵列天线功率容量高、馈源体积紧凑、组阵灵活，实现了天线的类平面化，可以解决传统HPM天线结构复杂、难以组阵、无法波束扫描以及极化扭转天线功率容量不足的问题。

Description

一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，尤其涉及一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线。
背景技术
高功率微波(High Power Microwave,HPM)泛指1～300GHz频段且峰值功率高于100MW的电磁波。目前，高功率技术在通信系统、远程雷达和新型加速器对微波源的需求引导下，向更高频率发展。根据已发表的文献，Ka波段高功率微波源已经达到500兆瓦。喇叭天线常被用于大功率微波系统，但其低增益和大尺寸不利于实际应用场景。
传统的HPM天线，如Vlasov天线、COBRA天线和大孔径抛物线天线，在一定程度上满足了实验和应用的需要，但其体积大、配置复杂、辐射效率低等缺点限制了其应用。后来，径向螺旋线阵列天线、径向线槽天线和透射阵列天线被开发出来。这些类型的天线具有良好的性能，但当高频电磁波的波长变短时，处理起来就特别困难。此外，馈电网络很复杂，很难形成一个大的阵列，且多数天线不具备波束扫描功能。
传统的极化扭转天线具有良好的波束扫描性能，但其极化扭转板与抛物面均借助于介质板，这大大限制了其在高功率领域内的应用。为了提高实用性，拓宽应用范围，开发小型化，波束可扫的Ka波段高功率毫米波天线已成为一个迫切的问题。
发明内容
本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，通过本阵列天线的结构设置，解决了传统HPM天线结构复杂、难以组阵、无法波束扫描以及极化扭转天线功率容量不足的问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，所述阵列天线包括若干天线单元。
所述天线单元由反射面、方锥喇叭和极化扭转板组成，所述反射面为带有水平栅网的抛物面结构，所述水平栅网设置于反射面的凸起面上，所述反射面、方锥喇叭和极化扭转板为金属结构；
水平极化波馈入方锥喇叭，传输至反射面上的水平栅网后被反射回极化扭转板，经扭转作用，从水平极化波变为垂直极化波后被反射回反射面，然后透过反射面的水平栅网辐射至自由空间。
与传统的极化扭转天线相比，本阵列天线改进了极化扭转板与抛物面的结构，将介质板剔除，实现了天线的全金属化，大幅提升了天线的功率容量。
根据一个优选的实施方式，所述反射面的凹陷面与所述极化扭转板相对设置，所述方锥喇叭贯穿于极化扭转板设置。
根据一个优选的实施方式，所述阵列天线中各相邻天线单元彼此相接。
根据一个优选的实施方式，所述反射面为方块状抛物面结构，相邻天线单元的反射面以方块状抛物面各边作为连接边，相互连接。
本发明将抛物面设计为方形切割的抛物面，相邻天线单元彼此相接，以此将单馈源的大口径抛物面天线转化为多馈源小口径阵列天线，可显著降低天线的轴向高度，多个小口径抛物面彼此相接可形成类平面结构，便于天线的平面化。将单馈源的功率容量平分至多馈源，降低每个馈源所需的功率容量上限，从而减少馈源体积，且组阵灵活，可依照功率容量需求选择合适的子阵个数。
根据一个优选的实施方式，相邻天线单元共用同一极化扭转板。
根据一个优选的实施方式，所述阵列天线的波束扫描通过旋转极化扭转板实现。
以2×2阵列为例，通过旋转整个极化扭转板，可实现天线宽角度的二维波束扫描，扫描角度与旋转角度呈两倍关系，且整板旋转避免了各个单元之间的相位补偿。
根据一个优选的实施方式，反射面上水平栅网的栅条间距d1和栅条宽度w1基于天线单元的反射与透射性能以及功率容量确定。
根据一个优选的实施方式，所述极化扭转板的栅条高度h2约等于四分之一水平极化波波长。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：
1.本发明改进了极化扭转板与反射面的结构，将介质板剔除，实现了天线的全金属化，与传统的极化扭转天线相比天线的功率容量大幅提升。
2.本发明将反射面设计为方形切割抛物面，相邻单元彼此相接，以此将单馈源的大口径抛物面天线转化为多馈源小口径阵列天线，可显著降低天线的轴向高度，多个小口径抛物面彼此相接可形成类平面结构，便于天线的平面化。将单馈源的功率容量平分至多馈源，降低每个馈源所需的功率容量上限，从而减少馈源体积，且组阵灵活，可依照功率容量需求选择合适的子阵个数。
3.本发明多个天线单元之间共用同一个极化扭转板，通过旋转整板实现了二维波束扫描，这避免了不共用极化扭转板时旋转引起的相位差，从而简化了天线结构，便于工艺实现。
附图说明
图1是本发明阵列天线中某一天线单元的结构示意图；
图2是本发明2×2阵列天线的结构示意图；
图3是本发明水平栅网的结构示意图。
图4是图3在不同入射角度下对水平极化波的反射率随频率变化的结果图。
图5是图3在不同入射角度下对垂直极化波的透射率随频率变化的结果图。
图6是本发明极化扭转板上栅网的结构示意图。
图7是图6在不同入射角度下极化扭转效率随频率变化的结果图。
图8是本发明的反射系数仿真结果图。
图9是本发明的辐射方向性仿真结果图。
图10是本发明的极化扭转板在不同旋转角度下天线性能变化的结果图。
图11是本发明的极化扭转板在不同旋转角度下天线的三维方向图。
图12是本发明的极化扭转板在不同旋转角度下天线的场强分布图。
图13是本发明2×2阵列形式的反射系数仿真结果图。
图14是本发明2×2阵列形式的辐射方向性仿真结果图。
图15是本发明2×2阵列形式的极化扭转板在不同旋转角度下天线性能变化的结果图。
图16是本发明2×2阵列形式的极化扭转板在不同旋转角度下天线的三维方向图。
图17是本发明2×2阵列形式的极化扭转板在不同旋转角度下天线的场强分布图。
其中，1-反射面，2-方锥喇叭，3-极化扭转板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1和图2所示，图中示出了一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，所述阵列天线包括若天线单元。
各天线单元由反射面1、方锥喇叭2和极化扭转板3组成，所述反射面1为带有水平栅网的抛物面结构，所述水平栅网设置于反射面1的凸起面上，所述反射面1、方锥喇叭2和极化扭转板3为金属结构。
反射面1的凹陷面与所述极化扭转板3相对设置，所述方锥喇叭2贯穿于极化扭转板3设置。
水平极化波馈入方锥喇叭2，传输至反射面1上的水平栅网后被反射回极化扭转板3，经扭转作用，从水平极化波变为垂直极化波后被反射回反射面1，然后透过反射面1的水平栅网辐射至自由空间。
与传统的极化扭转天线相比，本阵列天线改进了极化扭转板3与抛物面的结构，将介质板剔除，实现了天线的全金属化，大幅提升了天线的功率容量。
优选地，所述阵列天线中各相邻天线单元彼此相接。
进一步地，所述反射面1为方块状抛物面结构，相邻天线单元的反射面1以方块状抛物面各边作为连接边，相互连接。
本发明将反射面1设计为方形切割的抛物面，相邻天线单元彼此相接，以此将单馈源的大口径抛物面天线转化为多馈源小口径阵列天线，可显著降低天线的轴向高度，多个小口径抛物面彼此相接可形成类平面结构，便于天线的平面化。
将单馈源的功率容量平分至多馈源，降低每个馈源所需的功率容量上限，从而减少馈源体积，且组阵灵活，可依照功率容量需求选择合适的子阵个数。
优选地，相邻天线单元共用同一极化扭转板3。所述阵列天线的波束扫描通过旋转极化扭转板3实现。
如图2所示，以2×2阵列为例，多个天线单元之间共用同一个极化扭转板3，通过旋转整个极化扭转板3，可实现天线宽角度的二维波束扫描，扫描角度与旋转角度呈两倍关系，且整板旋转避免了各个单元之间的相位补偿，从而简化了天线结构，便于工艺实现。
图3是本发明水平栅网的结构示意图。栅条间距d1和栅条宽度w1基于天线单元的反射与透射性能以及功率容量确定。
图4是图3在不同入射角度下对水平极化波的反射率随频率变化的结果图。当入射角度在0°到30°范围内变化时，水平极化波的反射率在30–31GHz内始终高于99％。
图5是图3在不同入射角度下对垂直极化波的透射率随频率变化的结果图。当入射角度在0°到30°范围内变化时，垂直极化波的透射率在30–31GHz内始终高于95％。
图6是本发明极化扭转板上栅网的结构示意图。对传统极化扭转板进行改进设计，去除介质板，拉高栅条的高度(栅条高度h2约等于四分之一波长)，以此实现极化扭转板3的全金属化，进而提高天线的功率容量。通过仿真优化，综合考虑单元的极化扭转性能以及功率容量以确定栅网间距d2、栅条宽度w2和栅条高度h2。
图7是图6在不同入射角度下极化扭转效率随频率变化的结果图。当入射角度在0°到15°范围内变化时，极化扭转率始终在30–31GHz内始终高于95％，极化扭转性能良好。
图8是本发明的反射系数仿真结果图。在30–31GHz频带内，天线反射系数小于-14dB，传输效率大于95％。
图9是本发明的天线单元的辐射方向性仿真结果图。在30.5GHz处天线增益32.7dB，口径效率63.7％
图10是本发明的天线单元的极化扭转板在不同旋转角度下天线性能变化的结果图。沿E面旋转0°，5°，10°以及15°时，对应的E面方向图偏转0°，10°，20°，30°，对应的增益分别为32.7dB，32.5dB，32.3dB以及32dB，口径效率从63.7％减少到54.2％，反射系数始终在-10dB以下，传输性能良好。沿H面旋转时对应的天线性能与E面近似。
图11是本发明的天线单元的极化扭转板在不同旋转角度下天线的三维方向图。可以看出天线随着扭转板的旋转可实现二维波束扫描，且扫描角度是旋转角度的两倍。
图12是本发明的天线单元的极化扭转板在不同旋转角度下天线的场强分布图。可以看出场强最大处为喇叭天线馈入端，最大为4600V/m,真空中功率容量约为133MW。极化扭转板与反射板上场强最大约为400V/m。
图13是本发明2×2阵列形式的反射系数仿真结果图。在30–31GHz频带内，天线反射系数小于-10dB，传输效率大于90％。
图14是本发明2×2阵列形式的辐射方向性仿真结果图。在30.5GHz处天线增益38.8dB，口径效率64.9％。
图15是本发明2×2阵列形式的极化扭转板在不同旋转角度下天线性能变化的结果图。沿E面旋转0°，5°，10°以及15°时，对应的E面方向图偏转0°，10°，20°，30°，反射系数始终在-10dB以下，传输性能良好。沿H面旋转时对应的天线性能与E面近似。
图16是本发明2×2阵列形式的极化扭转板在不同旋转角度下天线的三维方向图。可以看出天线随着扭转板的旋转可实现二维波束扫描，且扫描角度始终是旋转角度的两倍。
图17是本发明2×2阵列形式的极化扭转板在不同旋转角度下天线的场强分布图。2×2阵列形式的极化扭转板在不同旋转角度下天线的场强最大处为喇叭天线馈入端，最大为4600V/m，真空中功率容量约为133MW。极化扭转板与反射板上场强最大约为400V/m。与天线单元相比，组阵后的天线阵列并无明显的场增强，最大场强与天线单元保持一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，其特征在于，所述阵列天线包括若天线单元，
所述天线单元由反射面(1)、方锥喇叭(2)和极化扭转板(3)组成，所述反射面(1)为带有水平栅网的抛物面结构，所述水平栅网设置于反射面(1)的凸起面上，所述反射面(1)、方锥喇叭(2)和极化扭转板(3)为金属结构；
水平极化波馈入方锥喇叭(2)，传输至反射面(1)上的水平栅网后被反射回极化扭转板(3)，经扭转作用，从水平极化波变为垂直极化波后被反射回反射面(1)，然后透过反射面(1)的水平栅网辐射至自由空间。
2.如权利要求1所述的基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，其特征在于，所述反射面(1)的凹陷面与所述极化扭转板(3)相对设置，所述方锥喇叭(2)贯穿于极化扭转板(3)设置。
3.如权利要求2所述的基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，其特征在于，所述阵列天线中各相邻天线单元彼此相接。
4.如权利要求3所述的基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，其特征在于，所述反射面(1)为方块状抛物面结构，
相邻天线单元的反射面(1)以方块状抛物面各边作为连接边，相互连接。
5.如权利要求3所述的基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，其特征在于，相邻天线单元共用同一极化扭转板(3)。
6.如权利要求5所述的基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，其特征在于，所述阵列天线的波束扫描通过旋转极化扭转板(3)实现。
7.如权利要求1所述的基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，其特征在于，反射面(1)上水平栅网的栅条间距d1和栅条宽度w1基于天线单元的反射与透射性能以及功率容量确定。
8.如权利要求1所述的基于极化扭转的Ka波段高功率波束扫描阵列天线，其特征在于，所述极化扭转板(3)的栅条高度h2约等于四分之一水平极化波波长。
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