CN115548687A - 一种Ka波段锥状波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ka波段锥状波束天线，包括中心轴线位于同一直线上，且依次相连的滤波单元、波同转换单元及圆波导喇叭；滤波单元，用于对输入的电磁能量进行滤波处理，得到滤波后预设频率的电磁波；波同转换单元，用于将滤波后预设频率的电磁波中的TE10模式电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波；圆波导喇叭，用于响应同轴TEM模式的电磁波，激励出TM01模式辐射，并在天线远场辐射出锥形波束方向图；本发明实现对天线的阻抗带宽进行控制，能够显著提高频带外抑制能力，以使天线的增益在频带外的衰减显著，有效提高了天线的抗干扰能力；通过设置波同转换单元，有效提高了天线的功率容量，并保证天线具有较高的辐射效率。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种Ka波段锥状波束天线。
背景技术
天线作为无线通信系统的关键器件，起到导行电磁波与辐射电磁波之间能量转换的作用；锥状波束天线由于其最大辐射方向位于与法线呈预设倾角的锥面上，且其辐射方向图和极化均具有轴向对称性，因而被广泛应用于地面卫星通信终端、室内WLAN微基站、无线电引信系统以及导航系统中。
目前，现有的锥状波束天线大多采用螺旋天线或贴片天线；其中，螺旋天线能够通过对称激励两组平衡模，以产生径向反向电流进而产生锥状波束；采用平面印刷电路板制作的贴片天线，能够通过激励TMn1模式实现锥状波束；螺旋天线或贴片天线具有天线剖面低，易于与其他设备共形等优势；但现有的锥状波束天线在毫米波频段存在效率较低，功率容量较小的问题；同时，由于现有的锥状波束天线未集成设计用于滤波的结构部件，无法实现滤波功能，导致天线的抗干扰能力较差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种Ka波段锥状波束天线，以解决现有的锥状波束天线在毫米波频段存在效率较低，功率容量较小，且天线的抗干扰能力较差的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种Ka波段锥状波束天线，包括中心轴线位于同一直线上，且依次相连的滤波单元、波同转换单元及圆波导喇叭；
所述滤波单元，用于对输入的电磁能量进行滤波处理，得到滤波后预设频率的电磁波；
所述波同转换单元，用于将滤波后预设频率的电磁波中的TE10模式电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波；
所述圆波导喇叭，用于响应所述同轴TEM模式的电磁波，激励出TM01模式辐射，并在天线远场辐射出锥形波束方向图。
进一步的，所述滤波单元，包括波导法兰盘、输入耦合结构、第一球形谐振腔、电感耦合膜片、第二球形谐振腔及输出耦合结构；
所述输入耦合结构的一端与所述波导法兰盘相连，所述输入耦合结构的另一端与所述第一球形谐振腔的一端相连；所述第一球形谐振腔的另一端与电感耦合膜片的一端相连，所述电感耦合膜片的另一端与所述第二球形谐振腔的一端相连，所述第二球形谐振腔的另一端与所述输出耦合结构的一端相连，所述输出耦合结构的另一端与所述波同转换单元的输入端相连。
进一步的，所述第一球形谐振腔的一端开设有输入耦合窗，所述输入耦合窗用于与输入耦合结构相连；所述第一球形谐振腔的另一端开设有第一谐振腔耦合窗，所述第一谐振腔耦合窗用于与所述电感耦合膜片的一端相连；
所述第一球形谐振腔的两侧侧壁分别设置有第一球形凹陷，两个第一球形凹陷位于所述第一球形谐振腔的纵向中心面的两侧，且两个第一球形凹陷的法线重合；其中，第一个第一球形凹陷的法线与所述第一球形谐振腔的纵向中心面上端部夹角为45°，第二个第一球形凹陷的法线与所述第一球形谐振腔的纵向中心面下端部夹角为45°。
进一步的，所述第二球形谐振腔的一端开设有第二谐振腔耦合窗，所述第二谐振腔耦合窗用于与所述电感耦合膜片的另一端相连；所述第二球形谐振腔的另一端开设有输出耦合窗，所述输出耦合窗用于与所述输出耦合结构相连；
所述第二球形谐振腔的两侧侧壁分别设置有第二球形凹陷，两个第二球形凹陷位于所述第二球形谐振腔的纵向中心面的两侧，且两个第二球形凹陷的法线重合；其中，第一个第二球形凹陷的法线与所述第二球形谐振腔的纵向中心面下端部夹角为45°，第二个第二球形凹陷的法线与所述第二球形谐振腔的纵向中心面上端部夹角为45°。
进一步的，所述电感耦合膜片采用十字椭圆形耦合膜片；所述十字椭圆形耦合膜片置于第一球形谐振腔与所述第二球形谐振腔的中心连线处；
所述十字椭圆形耦合膜片包括呈十字交叉设置的横向椭圆形耦合膜片及纵向椭圆形耦合膜片；其中，所述横向椭圆形耦合膜片的长轴与所述第一球形谐振腔的纵向中心面垂直设置，所述纵向椭圆形耦合膜片的长轴与所述第一球形谐振腔的纵向中心面平行设置。
进一步的，所述波同转换单元包括转换腔体、阻抗变换结构及同轴结构；
所述转换腔体设置在所述滤波单元的输出端与所述圆波导喇叭的馈电端之间；所述转换腔体的一端中心开设有矩形空腔，所述转换腔体的另一端开设有同轴安装孔；所述阻抗变换结构设置在所述矩形空腔中，所述阻抗变换结构的底部与所述矩形空腔的底板相连；所述同轴结构同心设置在所述同轴安装孔内，所述同轴结构的一端与所述阻抗变换结构相连，所述同轴结构的另一端与所述圆波导喇叭的馈电端相连。
进一步的，所述阻抗变换结构包括沿所述矩形空腔的长轴中心线方向依次设置的第一阶梯结构、第二阶梯结构及第三阶梯结构；
所述第一阶梯结构、第二阶梯结构及第三阶梯结构的底面均与所述矩形空腔的底板相连，所述第一阶梯结构、第二阶梯结构及第三阶梯结构的顶面朝所述矩形空腔的顶板方向延伸；
所述第一阶梯结构、第二阶梯结构及第三阶梯结构均为长方体结构，且高度依次增大；所述第三阶梯结构的顶面开设有矩形凹槽，所述矩形凹槽靠近所述同轴安装孔一侧设置。
进一步的，所述同轴结构包括同轴设置的圆柱状内导体及圆柱筒外导体，所述圆柱筒外导体同心穿设在所述同轴安装孔中，所述圆柱筒内导体同心设置在所述圆柱筒外导体中；其中，所述圆柱状内导体与所述圆柱筒外导体之间采用空气填充。
进一步的，所述圆波导喇叭包括圆波导结构、开口圆喇叭及探针结构；所述圆波导结构与所述开口圆喇叭同心相连；其中，所述圆波导结构的一端与所述波导转换单元相连，所述圆波导结构的另一端与所述开口圆喇叭相连；
所述探针结构同心插设在所述圆波导结构的中心，所述探针结构的一端与所述波同转换单元的输出端相连，所述探针结构的另一端向所述开口圆喇叭一端延伸。
进一步的，所述Ka波段锥状波束天线的制作过程，具体如下：
按照所述的Ka波段锥状波束天线的设计要求，采用光固化成型增材制造工艺，加工得到天线基体；
利用化学镀铜方法，对所述天线基体进行表面金属化处理，得到所述Ka波段锥状波束天线。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种Ka波段锥状波束天线，采用滤波单元对输入的电磁能量进行滤波处理，实现对天线的阻抗带宽控制，能够显著提高频带外抑制能力，以使天线的增益在频带外的衰减显著，有效提高了天线的抗干扰能力；通过设置波同转换单元，有效提高了天线的功率容量，并保证天线具有较高的辐射效率。
进一步的，采用在滤波单元中设计两个球形谐振腔，形成双模滤波结构，并在球形谐振腔上对称设置球形凹陷，利用球形凹陷对电磁场的微扰，能够激发出极化简并模式的模式；通过在双模滤波结构中设置电感耦合膜片，形成交叉耦合效果，以使电磁波形成两条传播途径；当某个频率的电磁波由两条传播途径传输至幅度相等且相位差相差180°的模式时，其能量正好相互抵消，从而在该频率点引入传输零点，加强频带外抑制，有效提高了天线的抗干扰能力。
进一步的，采用三级阶梯做阻抗变换的波导同轴转换结构，实现电磁波从TE10模式到TEM模式的转换；采用空气填充的结构确保天线的高功率容量性能。
进一步的，光固化成型增材制造工艺加工得到天线基体，并利用化学镀铜的方式，对天线基体进行表面金属化处理，形成全金属结构天线，确保天线具有较高的辐射效率。
附图说明
图1为本实施例中所述的Ka波段锥状波束天线的整体结构示意图；
图2为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线的纵向剖视图；
图3为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线的横向剖视图；
图4为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线的左视图；
图5为实施例中的滤波单元的结构示意图；
图6为实施例中的滤波单元的拓扑图；
图7为实施例中的输入耦合结构及输出耦合结构尺寸与外部品质因数的关系曲线图；
图8为实施例中的椭圆形膜片尺寸与腔体间模式耦合系数的关系曲线图；
图9为实施例中的球形凹陷尺寸与腔体内模式耦合系数的关系曲线图；
图10为实施例中的滤波单元的散射参数的仿真结果图；
图11为实施例中的波同转换单元的整体结构示意图；
图12为实施例中的波同转换单元的纵剖图；
图13为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线的反射系数仿真结果图；
图14为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线的增益随频率变化仿真结果图；
图15为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线在33GHz，
时的远场辐射方向图；
图16为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线在33GHz，
时的远场辐射方向图；
图17为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线在34.5GHz，
时的远场辐射方向图；
图18为实施例中所述的Ka波段锥状波束天线在34.5GHz，
时的远场辐射方向图。
其中，1滤波单元，2波同转换单元，3圆波导喇叭；11波导法兰盘，12输入耦合结构，13第一球形谐振腔，14电感耦合膜片，15第二球形谐振腔，16输出耦合结构；131第一球形凹陷；151第二球形凹陷；21转换腔体，22阻抗变换结构，23同轴结构；211矩形空腔，212同轴安装孔；221第一阶梯结构，222第二阶梯结构，223第三阶梯结构；231圆柱状内导体，232圆柱筒外导体；31圆波导结构，32开口圆喇叭，33探针结构。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1-4所示，本实施例提供了一种Ka波段锥状波束天线，包括中心轴线位于同一直线上，且依次相连的滤波单元1、波同转换单元2及圆波导喇叭3；其中，所述滤波单元1的输入端用于与电磁能量源相连，所述滤波单元1的输出端与所述波同转换单元2的输入端相连，所述波同转换单元2的输出端与所述圆波导喇叭3的馈电端相连。
本实施例中，所述滤波单元1，用于对输入的电磁能量进行滤波处理，得到滤波后预设频率的电磁波；所述波同转换单元2，用于将滤波后预设频率的电磁波中的TE10模式电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波；所述圆波导喇叭3，用于响应所述同轴TEM模式的电磁波，激励出TM01模式辐射，并在天线远场辐射处锥形波束方向图。
如附图5所示，本实施例中，所述滤波单元1包括波导法兰盘11、输入耦合结构12、第一球形谐振腔13、电感耦合膜片14、第二球形谐振腔15及输出耦合结构16；所述输入耦合结构12的一端与波导法兰盘11相连，所述输入耦合结构12的另一端与所述第一球形谐振腔13的一端相连；所述第一球形谐振腔13的另一端与所述电感耦合膜片14的一端相连，所述电感耦合膜片14的另一端与所述第二球形谐振腔15的一端相连，所述第二球形谐振腔15的另一端与所述输出耦合结构16的一端相连，所述输出耦合结构16的另一端与所述波同转换单元2的输入端相连。
所述Ka波段锥状波束天线采用WR-28标准波导馈电；其中，所述波导法兰盘11采用WR-28标准矩形波导法兰。
所述输入耦合结构12为呈阶梯结构，所述输入耦合结构12的高度与WR-28标准矩形波导法兰的高度相同；其中，所述输入耦合结构12的高度b为3.56mm；所述输入耦合结构12包括第一输入段和第二输入段，所述第一输入段的一端与所述波导法兰盘11相连，所述第一输入段的另一端与所述第二输入段的一端相连，所述第二输入段的另一端与所述第一球形谐振腔13的输入耦合腔相连；其中，所述第一输入段的竖直截面和所述第二输入段的竖直截面均为矩形结构；其中，所述第一输入段的竖直截面的宽度a为7.12mm，所述第二输入段的竖直截面的宽度为4.5mm。
所述第一球形谐振腔13为球形空腔结构，所述第一球形谐振腔13的一端开设有输入耦合窗，所述输入耦合窗与输入耦合结构12的第二阶梯段相连；所述第一球形谐振腔13的另一端开设有第一谐振腔耦合窗，所述第一谐振腔耦合窗与所述电感耦合膜片14的一端相连；所述第一球形谐振腔13的两侧侧壁分别设置有第一球形凹陷131，两个第一球形凹陷131位于所述第一球形谐振腔13的纵向中心面的两侧，且两个第一球形凹陷131的法线重合；其中，第一个第一球形凹陷131的法线与所述第一球形谐振腔13的纵向中心面上端部夹角为45°，第二个第一球形凹陷131的法线与所述第一球形谐振腔13的纵向中心面下端部夹角为45°。
所述第二球形谐振腔15为球形空腔结构，所述第二球形谐振腔15的一端开设有第二谐振腔耦合窗，所述第二谐振腔耦合窗与所述电感耦合膜片14的另一端相连；所述第二球形谐振腔15的另一端开设有输出耦合窗，所述输出耦合窗与所述输出耦合结构16相连；所述第二球形谐振腔15的两侧侧壁分别设置有第二球形凹陷151，两个第二球形凹陷151位于所述第二球形谐振腔15的纵向中心面的两侧，且两个第二球形凹陷151的法线重合；其中，第一个第二球形凹陷151的法线与所述第二球形谐振腔15的纵向中心面下端部夹角为45°，第二个第二球形凹陷151的法线与所述第二球形谐振腔15的纵向中心面上端部夹角为45°。
本实施例中，所述第一球形谐振腔13与所述第二球形谐振腔15的内径均为r＝4.23mm；其中，两个第一球形凹陷131沿所述第一球形谐振腔13的球心在斜对称45°的位置进行加载，两个第二球形凹陷151沿所述第二球形谐振腔15的球心在斜对称45°的位置进行加载；电磁能量由波导法兰盘11耦合至第一谐振腔11内，在第一球形谐振腔13和第二球形谐振腔15中以TM101模式谐振，通过在第一球形谐振腔13的两侧侧壁上加载两个第一球形凹陷131，在第二球形谐振腔15的两侧侧壁上加载两个第二球形凹陷151，激发出第一球形谐振腔和第二球形谐振腔里两个极化简并的电磁模式，通过调节第一球形凹陷和第二球形凹陷的半径，实现对两个球形谐振腔内的两个谐振模式的耦合程度进行控制。
所述第一谐振腔耦合窗和第二谐振腔耦合窗均为十字形结构，所述电感耦合膜片14采用十字椭圆形耦合膜片；所述十字椭圆形耦合膜片置于第一球形谐振腔13与所述第二球形谐振腔15的中心连线处，用于耦合两个球形谐振腔间的电磁能量；其中，所述十字椭圆形耦合膜片的一端与所述第一谐振腔耦合窗相连，所述十字椭圆形耦合膜片的另一端与所述第二谐振腔耦合窗相连；所述十字椭圆形耦合膜片包括呈十字交叉设置的横向椭圆形耦合膜片及纵向椭圆形耦合膜片；其中，所述横向椭圆形耦合膜片的长轴与所述第一球形谐振腔13的纵向中心面垂直设置，所述纵向椭圆形耦合膜片的长轴与所述第一球形谐振腔13的纵向中心面平行设置；其中，横向椭圆形耦合膜片的截面椭圆的长轴为3.61mm，短轴为2.17mm；纵向椭圆形耦合膜片的截面椭圆的长轴为5.52mm，短轴为3.12mm。
所述输出耦合结构16为呈阶梯结构，所述输出耦合结构16的高度与WR-28标准矩形波导法兰的高度相同；其中，所述输出耦合结构16的高度b为3.56mm；所述输出耦合结构16包括第一输出段和第二输出段，所述第一输出段的一端与第二球形谐振腔15的输出耦合窗相连，所述第一输出段的另一端与所述第二输出段的一端相连，所述第二输出段的另一端与波同转换单元2相连；其中，所述第一输出段的竖直截面和所述第二输出段的竖直截面为矩形结构；其中，所述第一输出段的竖直截面的宽度a为4.5mm，所述第二输入段的竖直截面的宽度为7.12mm。
本实施例中，所述滤波结构利用两个双模谐振腔形成的四阶滤波结构实现；其中，所述第一球形谐振腔13和所述第二球形谐振腔15为基本谐振单元；球形谐振腔为中心频率谐振在TM101的球形谐振腔；每个球形谐振腔的腔体内存在两个极化简并的模式，模式之间的调谐通过缩短或延长球形谐振腔垂直方向和水平方向的直径实现，上述两个方向均垂直于能量传输的方向；所述球形谐振腔内模式耦合，利用两个球形凹陷实现；由于调谐和耦合结构对工艺的敏感度很低，且结构上无突变；因此，能够有效减小由于加工工艺误差带来的滤波性能恶化和突变结构引入的高次模等问题；两个球形谐振腔之间采用十字椭圆形耦合膜片耦合，实现两个球形谐振腔之间的模式耦合，滤波结构控制整体锥状波束天线带宽，并且仅用两个球形谐振腔实现了四阶滤波效果，有利于系统的小型化的同时提高了天线的选择性。
如附图6所示，所述滤波单元1的滤波模式1和滤波模式2为极化简并模，谐振于第一球形谐振腔13；滤波模式3和滤波模式4为极化简并模，谐振于第二球形谐振腔15；在球形谐振腔中通过两个球形凹陷对电磁波的微扰，实现激发出极化简并模的模式；本实施例中，第一球形谐振腔和第二球形谐振腔形成的双模滤波结构存在一个交叉耦合；其主要因为电磁波有两条传播途径；其中，第一条传播途径为滤波模式1→滤波模式2→滤波模式3→滤波模式4，另一条为滤波模式1→滤波模式4；当某个频率的电磁波由两条传播途径传到滤波模式4的幅度相等且相位相差为180°时，能量就会正好相互抵消，从而在该频率点引入传输零点，加强带外抑制，提高天线抗干扰能力。
如附图7-9所示，附图7中给出了输入耦合结构及输出耦合结构尺寸与外部品质因数的关系曲线图；从附图7中可以看出，随着缩放比的增大，外部品质因数减小；附图8中给出了椭圆形膜片尺寸与腔体间耦合系数的关系曲线图；从附图8中可以看出，膜片间距越大，耦合系数越大，且基本呈线性关系；附图9中给出了球形凹陷尺寸与腔体内耦合系数的关系曲线图；从附图9中可以看出，凹陷球体半径越大，耦合系数越大。
如附图10所示，附图10中给出了滤波单元的散射参数的仿真结果图；从附图10中可以看出，滤波结构1的中心频率为33.5GHz，相对带宽为5.9％，带内回波损耗优于15dB；并且带外有一对零点，进一步提高了滤波结构1的带外抑制能力，增强了滤波结构1的选择性。
如附图11-12所示，所述波同转换单元2包括转换腔体21、阻抗变换结构22及同轴结构23；所述转换腔体21设置在所述滤波单元1的输出端与所述圆波导喇叭3的馈电端之间；所述转换腔体21的一端中心开设有矩形空腔211，所述转换腔体21的另一端开设有同轴安装孔212；所述阻抗变换结构22设置在所述矩形空腔211中，所述阻抗变换结构22的底部与所述矩形空腔211的底板相连；所述同轴结构23同心设置在所述同轴安装孔212内，所述同轴结构23的一端与所述阻抗变换结构22相连，所述同轴结构23的另一端与所述圆波导喇叭3的馈电端相连。
所述阻抗变换结构22，包括沿所述矩形空腔211的长轴中心线方向依次设置的第一阶梯结构221、第二阶梯结构222及第三阶梯结构223；所述第一阶梯结构221、第二阶梯结构222及第三阶梯结构223的底面均与所述矩形空腔211的底板相连，所述第一阶梯结构221、第二阶梯结构222及第三阶梯结构223的顶面朝所述矩形空腔211的顶板方向延伸；所述第一阶梯结构221、第二阶梯结构222及第三阶梯结构223均为长方体结构，且高度依次增大；所述第三阶梯结构的顶面开设有矩形凹槽，所述矩形凹槽靠近所述同轴安装孔212一侧设置。
本实施例1中，矩形空腔211的尺寸特征为：长a×高b＝7.12mm×3.56mm；所述第一阶梯结构221的尺寸特征为：长L1×宽S×高H1＝2.08mm×1.46mm×0.61mm；所述第二阶梯结构222的尺寸特征为：长L2×宽S×高H2＝1.71mm×1.46mm×1.40mm；所述第三阶梯结构223的尺寸特征为：长L3×宽S×高H3＝0.85mm×1.46mm×1.11mm；其中，所述高H2为第一阶梯结构221的顶面与第二阶梯结构222的顶面之间的距离，所述高H3为第二阶梯结构222的顶面与第三阶梯结构223的顶面之间的距离；所述矩形凹槽的尺寸特征为：Lt＝0.55mm。
所述同轴结构23连接所述第三阶梯结构223，并置于所述第三阶梯结构223的末端中心位置处；所述同轴结构23包括同轴设置的圆柱状内导体231及圆柱筒外导体232；所述圆柱筒外导体232同心穿设在所述同轴安装孔212中，所述圆柱筒内导体232同心设置在所述圆柱筒外导体232中；其中，所述圆柱状内导体231与所述圆柱筒外导体232之间采用空气填充；其中，所述圆柱状内导体231及所述圆柱筒外导体232均采用金属导体结构，所述圆柱状内导体231的直径为Din＝0.8mm，所述圆柱筒外导体232的直径Dout＝2mm。
本实施例中，所述圆波导喇叭3包括圆波导结构31、开口圆喇叭32及探针结构33；所述圆波导喇叭3中，利用探针结构33馈电，激励起圆波导结构31内TM01模式的电场，通过调整开口圆喇叭32的尺寸结构，实现天线远场的锥状波束的增益与波束倾角的调节。
所述圆波导结构31与所述开口圆喇叭32同心相连；其中，所述圆波导结构31的一端与所述波导转换单元2相连，所述圆波导结构31的另一端与所述开口圆喇叭32相连；所述探针结构33同心插设在所述圆波导结构31的中心，所述探针结构33的一端与所述波同转换单元2的输出端相连，所述探针结构33的另一端向所述开口圆喇叭32一端延伸；其中，所述探针结构33与同轴结构23相连接，并伸入圆波导结构31；其中，所述探针结构33的伸入距离为2mm；圆波导结构的内径为8.16mm，高度为4mm；所述开口圆喇叭的内径由8.16mm逐渐增大至10.9mm，高度为9.22mm。
制作过程：
本实施例所述的Ka波段锥状波束天线的制作过程，具体如下：
按照天线的设计要求，采用光固化成型增材制造工艺，加工得到天线基体；
利用化学镀铜方法，对所述天线基体进行表面金属化处理，得到所述的Ka波段锥状波束天线。
本实施例中，采用光固化成型技术(SLA)增材制造技术加工，光固化成型后再通过化学镀铜实现表面金属化，具有全金属天线电磁性能；采用所述加工方法的天线优势是重量轻，降低系统的机械负担，其与传统的数控机械铣削方式相比，加工成本显著降低。
如附图13所示，附图13中给出了所述的Ka波段锥状波束天线的反射系数仿真结果图；从附图13中可以看出，所述的Ka波段锥状波束天线可以在32.70GHz-34.95GHz的频率范围内实现优于10dB的回波损耗；并且由于所述滤波单元1的设计，在反射系数曲线中可以明显的观察到4个谐振极点。
如附图14所示，附图14中给出了所述的Ka波段锥状波束天线的增益随频率变化仿真结果图；从附图13中可以看出，在阻抗带宽内，所述的Ka波段锥状波束天线的最大增益为6.3dBi，工作频带内的增益变化小于0.5dB，带外增益衰减超过35dB/GHz。
如附图15-16所示，附图15中给出了所述的Ka波段锥状波束天线在33GHz，
时的远场辐射方向图，附图16中给出了所述的Ka波段锥状波束天线在33GHz，
时的远场辐射方向图；从附图15-16中可以看出，所述的Ka波段锥状波束天线在33GHz的远场增益方向图；所述的Ka波段锥状波束天线增益为6.2dBi，波束倾斜角为34°，3dB波束宽度为38°，交叉极化优于20dB。
如附图17-18所示，附图17中给出了所述的Ka波段锥状波束天线在34.5GHz，
时的远场辐射方向图，附图18中给出了所述的Ka波段锥状波束天线在34.5GHz，
时的远场辐射方向图；从附图17-18中可以看出，所述的Ka波段锥状波束天线增益为6.1dBi，波束倾斜角为37°，3dB波束宽度为41°，交叉极化优于20dB。
本实施例所述的Ka波导锥状波束天线，利用两个球形谐振腔形成的四阶双模球状滤波结构，控制锥状波束天线工作带宽，提高天线带外抑制，提高抗干扰能力；采用阶梯式的波导同轴转换结构，将波导内电磁场TE10模转换成同轴TEM模式，用以圆波导喇叭结构馈电；并利用同轴探针激励圆波导喇叭结构中的TM01模式，在远场辐射锥状波束，全金属结构满足高功率容量需求；通过在球形谐振腔的两侧设置球形凹陷，实现激励出腔内极化简并模式并且提供满足设计带宽和带外抑制的耦合强度；将阶梯式的波导同轴转换结构作为四阶双模滤波结构与锥状波束圆形喇叭的模式转换结构，采用三级阶梯结构实现模式与阻抗的转换，实现波导滤波器和锥状波束辐射结构的集成化设计，既具有全金属天线低损耗、高效率、高功率容量的特点，可提高引信系统探测距离；又显著提高了带外抑制能力，提高引信系统的抗干扰性能。
本发明中，采用波导结构，提高了天线的功率容量，并且全金属电磁性能使天线具有很高的辐射效率；基于单腔双模的四阶滤波结构不但控制了天线的阻抗带宽，并且显著提高了带外抑制能力，使天线增益的在频带外的衰减显著，提高了天线抗干扰能力。此外，本发明的调谐和耦合结构对工艺的敏感度很低，且结构上没有突变，可以很好地减小由于加工工艺误差带来的滤波性能恶化和突变结构引入的高次模等问题。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。
Claims (10)
1.一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，包括中心轴线位于同一直线上，且依次相连的滤波单元(1)、波同转换单元(2)及圆波导喇叭(3)；
所述滤波单元(1)，用于对输入的电磁能量进行滤波处理，得到滤波后预设频率的电磁波；
所述波同转换单元(2)，用于将滤波后预设频率的电磁波中的TE10模式电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波；
所述圆波导喇叭(3)，用于响应所述同轴TEM模式的电磁波，激励出TM01模式辐射，并在天线远场辐射出锥形波束方向图。
2.根据权利要求1所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述滤波单元(1)，包括波导法兰盘(11)、输入耦合结构(12)、第一球形谐振腔(13)、电感耦合膜片(14)、第二球形谐振腔(15)及输出耦合结构(16)；
所述输入耦合结构(12)的一端与所述波导法兰盘(11)相连，所述输入耦合结构的另一端与所述第一球形谐振腔(13)的一端相连；所述第一球形谐振腔(13)的另一端与电感耦合膜片(14)的一端相连，所述电感耦合膜片(14)的另一端与所述第二球形谐振腔(15)的一端相连，所述第二球形谐振腔(15)的另一端与所述输出耦合结构(16)的一端相连，所述输出耦合结构(16)的另一端与所述波同转换单元(2)的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述第一球形谐振腔(13)的一端开设有输入耦合窗，所述输入耦合窗用于与输入耦合结构(12)相连；所述第一球形谐振腔的另一端开设有第一谐振腔耦合窗，所述第一谐振腔耦合窗用于与所述电感耦合膜片(14)的一端相连；
所述第一球形谐振腔(13)的两侧侧壁分别设置有第一球形凹陷(131)，两个第一球形凹陷(131)位于所述第一球形谐振腔(13)的纵向中心面的两侧，且两个第一球形凹陷(131)的法线重合；其中，第一个第一球形凹陷(131)的法线与所述第一球形谐振腔(13)的纵向中心面上端部夹角为45°，第二个第一球形凹陷(131)的法线与所述第一球形谐振腔(13)的纵向中心面下端部夹角为45°。
4.根据权利要求2所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述第二球形谐振腔(15)的一端开设有第二谐振腔耦合窗，所述第二谐振腔耦合窗用于与所述电感耦合膜片(14)的另一端相连；所述第二球形谐振腔(15)的另一端开设有输出耦合窗，所述输出耦合窗用于与所述输出耦合结构(16)相连；
所述第二球形谐振腔(15)的两侧侧壁分别设置有第二球形凹陷(151)，两个第二球形凹陷(151)位于所述第二球形谐振腔(15)的纵向中心面的两侧，且两个第二球形凹陷(151)的法线重合；其中，第一个第二球形凹陷(151)的法线与所述第二球形谐振腔(15)的纵向中心面下端部夹角为45°，第二个第二球形凹陷(151)的法线与所述第二球形谐振腔(15)的纵向中心面上端部夹角为45°。
5.根据权利要求2所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述电感耦合膜片(14)采用十字椭圆形耦合膜片；所述十字椭圆形耦合膜片置于第一球形谐振腔(13)与所述第二球形谐振腔(15)的中心连线处；
所述十字椭圆形耦合膜片包括呈十字交叉设置的横向椭圆形耦合膜片及纵向椭圆形耦合膜片；其中，所述横向椭圆形耦合膜片的长轴与所述第一球形谐振腔(13)的纵向中心面垂直设置，所述纵向椭圆形耦合膜片的长轴与所述第一球形谐振腔(13)的纵向中心面平行设置。
6.根据权利要求1所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述波同转换单元(2)包括转换腔体(21)、阻抗变换结构(22)及同轴结构(23)；
所述转换腔体(21)设置在所述滤波单元(1)的输出端与所述圆波导喇叭(3)的馈电端之间；所述转换腔体(21)的一端中心开设有矩形空腔(211)，所述转换腔体(21)的另一端开设有同轴安装孔(212)；所述阻抗变换结构(22)设置在所述矩形空腔(211)中，所述阻抗变换结构(22)的底部与所述矩形空腔(211)的底板相连；所述同轴结构(23)同心设置在所述同轴安装孔(212)内，所述同轴结构(23)的一端与所述阻抗变换结构(22)相连，所述同轴结构(23)的另一端与所述圆波导喇叭(3)的馈电端相连。
7.根据权利要求6所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述阻抗变换结构(22)包括沿所述矩形空腔(211)的长轴中心线方向依次设置的第一阶梯结构(221)、第二阶梯结构(222)及第三阶梯结构(223)；
所述第一阶梯结构(221)、第二阶梯结构(222)及第三阶梯结构(223)的底面均与所述矩形空腔(211)的底板相连，所述第一阶梯结构(221)、第二阶梯结构(222)及第三阶梯结构(223)的顶面朝所述矩形空腔(211)的顶板方向延伸；
所述第一阶梯结构(221)、第二阶梯结构(222)及第三阶梯结构(223)均为长方体结构，且高度依次增大；所述第三阶梯结构的顶面开设有矩形凹槽，所述矩形凹槽靠近所述同轴安装孔(212)一侧设置。
8.根据权利要求1所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述同轴结构(23)包括同轴设置的圆柱状内导体(231)及圆柱筒外导体(232)，所述圆柱筒外导体(232)同心穿设在所述同轴安装孔(212)中，所述圆柱筒内导体(232)同心设置在所述圆柱筒外导体(232)中；其中，所述圆柱状内导体(231)与所述圆柱筒外导体(232)之间采用空气填充。
9.根据权利要求1所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述圆波导喇叭(3)包括圆波导结构(31)、开口圆喇叭(32)及探针结构(33)；所述圆波导结构(31)与所述开口圆喇叭(32)同心相连；其中，所述圆波导结构(31)的一端与所述波导转换单元(2)相连，所述圆波导结构(31)的另一端与所述开口圆喇叭(32)相连；
所述探针结构(33)同心插设在所述圆波导结构(31)的中心，所述探针结构(33)的一端与所述波同转换单元(2)的输出端相连，所述探针结构(33)的另一端向所述开口圆喇叭(32)一端延伸。
10.根据权利要求1所述的一种Ka波段锥状波束天线，其特征在于，所述Ka波段锥状波束天线的制作过程，具体如下：
按照所述的Ka波段锥状波束天线的设计要求，采用光固化成型增材制造工艺，加工得到天线基体；
利用化学镀铜方法，对所述天线基体进行表面金属化处理，得到所述Ka波段锥状波束天线。
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- 2022-10-20 CN CN202211289442.3A patent/CN115548687A/zh active Pending
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