CN115566386A - 一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器 - Google Patents

一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器 Download PDF

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吴泽威
杨杰
王敏行
黄帅
蒲友雷
王建勋
罗勇
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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器，属于天线技术领域。该功分器包括依次连接的馈电方波导、功分网络、辐射喇叭；其中功分网络包括依次连接的十字匹配波导、阶梯十字同轴波导、四个矩形波导；所述辐射喇叭由同轴方波导、四个辐射喇叭单元、以及四个匹配阶梯圆台构成。当馈入线极化波，四个辐射喇叭单元能辐射四路同相等功率的线极化波；当馈入圆极化波，四个辐射喇叭单元能辐射四路同相等功率的圆极化波。本发明具有带宽宽、传输损耗小、结构简单的优点；同时输出端口紧凑，作为波导阵列天线单元，能有效抑制栅瓣；采用全金属波导结构，因此还具有损耗低、效率高和功率容量高的优点。

Description

一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器。
背景技术
天线作为无线通信系统中电磁波发射和接收的窗口，用来实现自由空间波束与导波结构中模式的相互转换，其性能的优劣对整个系统的通信效果有重要影响。与线极化天线相比，圆极化天线具有抗云雨衰减，抑制多径干扰，可消除电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变等优势，因此广泛用于通信、雷达、电子对抗等领域。相比于单一圆极化天线，双圆极化天线可以极大地提高通信容量以及实现同时收发的功能。
全金属结构的波导阵列天线损耗低、效率高、功率容量大，在卫星通信领域中被广泛应用。在波导阵列天线中，波束形成网络中的功分器至关重要。而直接与辐射单元相连接的第一级波束形成网络则对阵列天线的性能影响有着重要影响。采用两路，三路，甚至四路耦合器和功分器可以实现双极化波束形成网络，但是阵列单元间距大于自由空间中的波长λ0，会导致波束栅瓣的出现。利用双极化定向耦合器构成的波束形成网络可以实现亚波长间距的阵列单元，但由于需要多个缝来实现高耦合水平，因此会导致更大的剖面尺寸以及增加机械复杂度。
在现有的技术中，中国专利申请号CN201610792694.6公开了一种双圆极化平板波导阵列天线，其中的四路功分器由方波导谐振腔、脊波导谐振腔和方波导辐射口构成。这种功分器结构简单，输出端口之间距离紧凑，但带宽不足20％。中国专利申请号CN201822273206.8公开了一种超宽带双圆极化阵列天线，其中的四路功分器由过膜腔体、多孔耦合板和开口波导构成，在过膜腔体上采用波纹移相结构，展宽了工作带宽，并且功分器具有体积小的优点，但天线圆极化轴比较差，辐射效率较低。文献“J.L.Cano,A.Mediavilla,S.Dragas,and A.Tazon,“Novel broadband circular waveguide four-way power divider for dual polarization applications,”IEEE Microw.WirelessCompon.Lett.,vol.26,no.2,pp.98-100,Feb.2016.”中采用四个双探针正交模耦合器互连的方式实现四等分功率分配，具有低剖面的优点，但四个输出端口不是同相，且在最低工作频率下输出端口间距大于1.2λ0以及端口间距过大。文献“Nelson J.G.Fonseca,“Broadband Waveguide Dual-Polarization Four-Way Power Divider for SmallPassive Arrays,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.31,no.8,pp.985-988,Aug.2021.”中的四路功分器由十字转门、偏移扭曲波导、E-T接头和正交模耦合器构成。功分器输出端口之间的距离非常紧凑(仅0.7λ0)，功分器相对带宽达到了20％，但结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用新型拓扑结构的宽带四路双圆极化功分器，解决了现有四路圆极化功分器带宽较窄，结构复杂，输出波束不完全同相，不利于实现阵列天线系统等问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器，其特征在于，包括依次连接的馈电方波导、功分网络、辐射喇叭。
所述馈电方波导输入端口馈入线极化波或圆极化波；馈入线极化波时，为TE10模或TE01模；馈入圆极化波时，为一对等幅正交且相差等于90°的TE10模和TE01模。
所述功分网络，包括依次连接的十字匹配波导、阶梯十字同轴波导、四个矩形波导。
所述十字匹配波导，其后段设置有同轴内导体，用于实现馈电方波导中TE10模或TE01模转换为阶梯十字同轴波导中的TEM模式。
所述阶梯十字同轴波导由至少两个十字同轴波导组成，十字同轴波导的内导体为十字匹配波导内导体的轴向延伸；各十字同轴波导的臂长相同，臂宽逐渐减小。所述阶梯状十字同轴波导通过在宽度方向的变化，实现十字同轴波导基模TEM模式向十字同轴波导次高阶TE10模式的转换。通过增加阶梯的数目，可以扩展阶梯状十字同轴波导的工作带宽。
四个所述矩形波导尺寸相同、呈十字排列；四个所述矩形波导之间的中轴线与阶梯十字同轴波导的中轴线重合，各矩形波导距中轴线较远的外侧面与十字同轴波导的外侧面位于同一平面，矩形波导的窄边尺寸小于阶梯十字同轴波导的臂宽。
所述辐射喇叭与阶梯十字同轴波导的中轴线重合，由同轴方波导、四个辐射喇叭单元、以及四个匹配阶梯圆台构成。其中，所述同轴方波导的外侧面分别与四个矩形波导的外侧面平行，同轴方波导的内导体为方形内导体；四个所述辐射喇叭单元为结构相同的亚波长方形喇叭，呈2×2阵列形式设置于同轴方波导的输出端，形成的阵列边长与同轴方波导的边长相同、且不超过阶梯十字同轴波导最大臂长；四个所述匹配阶梯圆台分别设置于一个辐射喇叭单元内，实现同轴方波导与辐射喇叭单元之间的阻抗匹配，最终四个辐射喇叭单元能等幅同相地辐射线极化波或者圆极化波；通过增加匹配阶梯圆台的阶数，可以拓展双圆极化功分器的工作带宽。
进一步地，所述同轴方波导的方形内导体的边长与相邻辐射喇叭单元的间距相同。
进一步地，所述十字同轴波导的内导体和十字匹配波导内导体为圆柱形内导体或方形内导体；当采用方形内导体时，方形内导体进行倒角处理，方便工艺实现。
进一步地，沿电磁波传播的方向，波导进行倒角处理，便于工艺实现。
进一步地，本发明的波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器可通过数控车铣、3D打印和注塑等方式进行加工实现。
本发明的宽带四路双圆极化功分器的工作原理如下：
当馈电方波导中馈入线极化TE10模时，经十字匹配波导进入到阶梯十字同轴波导中，被转换成十字同轴波导TEM模式；随着阶梯十字同轴波导在宽度上的变化，同轴TEM模式被进一步转换成同轴TE10模式。由于同轴十字波导中TE10模式场分布与矩形波导TE10模式的高度相似性，通过阶梯同轴十字波导后端设置正交极化的矩形波导对就能分别实现不同极化方向电磁波的等幅同相TE10模式的输出。再通过同轴方波导将两路等幅同相的矩形波导TE10模式实现进一步的功分，以等幅同相的方式馈入到辐射喇叭单元中，实现四路等幅同相的功率输出。
由于本发明提出的四路双圆极化功分器结构具有高度的对称性，当馈电方波导中馈入TE01模时同样能在辐射方波导中实现四路等幅同相的功率输出。在整个波束的传播过程中，两个极化输出的波束均能保持等幅同相输出状态；因此，当馈电方波导中馈入任意极化方向的线极化波，四个辐射喇叭单元能辐射四路同相等功率的线极化波；当馈电方波导中馈入圆极化波，即等幅正交且相差90°的TE10模和TE01模，四个辐射喇叭单元能辐射四路同相等功率的圆极化波。
本发明具有以下优势：
1.本发明的四路双圆极化功分器可在宽带内产生四路等幅同相的双圆极化输出，传输损耗小。
2.本发明的四路双圆极化功分器结构简单，没有复杂的波导结构，有利于机械加工和装配，可靠性高。
3.本发明的四路双圆极化功分器的四个输出端口距离紧凑，小于一个自由空间波长；输出端口作为波导阵列天线单元，能有效抑制栅瓣。
4.本发明的四路双圆极化功分器可实现双圆极化输出，这种极化复用方式可以增大通信容量。
5.本发明的四路双圆极化功分器为全金属波导结构，因此具有损耗低、效率高和功率容量高的优点。
附图说明
图1是本发明四路双圆极化功分器的整体结构示意图。
图2是本发明四路双圆极化功分器的腔体结构示意图。
图3是本发明实施例腔体部分拆解结构示意图。
图4是本发明实施例四路双圆极化功分器输入端口反射曲线图。
图5是本发明实施例四路双圆极化功分器输出端口的传输系数幅度图。
图6是本发明实施例四路双圆极化功分器输出端口的传输系数相位图。
附图标号说明：1为馈电方波导，2为十字匹配波导，201为十字匹配波导内导体，3为阶梯十字同轴波导，301为阶梯十字同轴波导内导体，4为矩形波导，5为辐射喇叭，501为同轴方波导，502为匹配阶梯圆台，503为辐射喇叭单元，504为同轴方波导内导体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种全金属结构宽带四路双圆极化功分器加工后的实物仅由三段金属构件组成。自下而上的第一段金属构件为十字匹配波导和阶梯同轴十字波导中的第一级，第二段金属构件为阶梯同轴十字波导中的第二级和呈十字排列的四个矩形波导，第三段金属构件为辐射喇叭。为了保证实施例的组装精度，三段金属构件之间安装了定位销钉。由实物加工图可看出，本实施例结构简单，容易加工和装配。
如图2、图3所示，本实施例包括依次连接的馈电方波导、功分网络、辐射喇叭。
所述馈电方波导的尺寸为9.4mm×9.4mm，长度为19.2mm；输入端口馈入线极化波或圆极化波；馈入线极化波时，为TE10模或TE01模；馈入圆极化波时，为一对等幅正交且相差等于90°的TE10模和TE01模。
所述功分网络，包括依次连接的十字匹配波导、阶梯十字同轴波导、四个矩形波导。
所述十字匹配波导的臂长为13.6mm、臂宽为8mm、长度为6.3mm，其后段设置有长度为3mm的同轴内导体，该同轴内导体为倒角处理后的方形内导体；十字匹配波导用于实现馈电方波导中TE10模或TE01模转换为阶梯十字同轴波导中的TEM模式。
所述阶梯十字同轴波导由两个十字同轴波导组成，十字同轴波导的内导体为十字匹配波导内导体的轴向延伸，该内导体能抑制十字匹配波导和阶梯十字同轴波导内高次模的产生；两个十字同轴波导的臂长均为24mm，第一级十字同轴波导的臂宽为6.3mm、长度为5mm，第二级的臂宽为5.4mm、长度为3.5mm。所述阶梯状十字同轴波导通过在宽度方向的变化，实现十字同轴波导基模TEM模式向十字同轴波导次高阶TE10模式的转换。通过增加阶梯的数目，可以扩展阶梯状十字同轴波导的工作带宽。
四个所述矩形波导的宽边×窄边均为9.6mm×4.8mm、长度为3mm，呈十字排列，使得结构更加紧凑；四个所述矩形波导之间的中轴线与阶梯十字同轴波导的中轴线重合，各矩形波导距中轴线较远的外侧面与十字同轴波导的外侧面位于同一平面。矩形波导中传输的导波为主模TE10。
所述辐射喇叭与阶梯十字同轴波导的中轴线重合，由同轴方波导、四个辐射喇叭单元、以及四个匹配阶梯圆台构成。
其中，所述同轴方波导的外侧面分别与四个矩形波导的外侧面平行，同轴方波导的边长为22.5mm，其内导体为边长2.5mm的方形内导体；四个所述辐射喇叭单元为边长10mm、长度15mm的亚波长方形喇叭，即边长小于一个自由空间波长；四个所述辐射喇叭单元呈2×2阵列形式设置于同轴方波导的输出端，形成的阵列边长与同轴方波导的边长相同；四个所述匹配阶梯圆台分别设置于一个辐射喇叭单元内，匹配阶梯圆台的第一级半径为2.95mm、长度为2.2mm，第二级半径为1.7mm、长度为2.7mm，实现同轴方波导与辐射喇叭单元之间的阻抗匹配；最终四个辐射喇叭单元能等幅同相地辐射线极化波或者圆极化波；通过增加匹配阶梯圆台的阶数，可以拓展双圆极化功分器的工作带宽。
为便于加工实现，所有波导结构在沿着电磁波传播的方向上都做了倒角处理。
本实施例中，四个辐射喇叭单元端口间距紧凑，端口之间的中心距为12.5mm，仅0.79λ0(λ0为中心频率19.05GHz对应波长)，小于一个自由空间波长，而当前大多数四路双圆极化功分器输出端口之间距离大于一个波长。采用本实施例的辐射方喇叭作为阵列天线单元时，能有效抑制栅瓣。
图4给出了本实施例的输入端口反射系数曲线。在16-22.5GHz的频率范围内，输入端口两个反射系数小于-20dB，表明提出的功分器结构回波损耗非常小，有利于实现电磁能量的对外辐射。
图5给出了本实施例的输入端口的其中一个极化波在输出端口的幅度曲线。在17GHz-21.1GHz的频率范围内，相对带宽为21.5％，输入端口到输出端口的传输效率为-6.1dB。显然，四个输出端口的幅度曲线完全重合，说明提出的功分器结构实现了一分四等功率分配。
图6给出了本实施例的输入端口的其中一个极化波在输出端口的相位曲线。在17GHz-21.1GHz的频率范围内，四个输出端口的相位曲线完全重合，说明提出的功分器结构输出端口为同相位输出。
由于结构的对称性，本实施例中的输入端口的两个极化波在输出端口具有完全相同的幅相特性。因此，根据输入端口波束的极化状态的不同，本实施例可以在宽频带内实现对输入圆极化波/线极化波进行四路等幅同相功分输出，且相邻输出端口之间的距离小于一个波长，证实了本发明的提出宽带四路双圆极化功分器适用于波导阵列天线。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明同样可以适用于其它频段的宽带四路双圆极化功分器上，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器，其特征在于，包括依次连接的馈电方波导、功分网络、辐射喇叭；
所述馈电方波导输入端口馈入线极化波或圆极化波；馈入线极化波时，为TE10模或TE01模；馈入圆极化波时，为一对等幅正交且相差等于90°的TE10模和TE01模；
所述功分网络，包括依次连接的十字匹配波导、阶梯十字同轴波导、四个矩形波导；
所述十字匹配波导，其后段设置有同轴内导体，用于实现馈电方波导中TE10模或TE01模转换为阶梯十字同轴波导中的TEM模式；
所述阶梯十字同轴波导由至少两个十字同轴波导组成，十字同轴波导的内导体为十字匹配波导内导体的轴向延伸；各十字同轴波导的臂长相同，臂宽逐渐减小；
四个所述矩形波导尺寸相同、呈十字排列；四个所述矩形波导之间的中轴线与阶梯十字同轴波导的中轴线重合，各矩形波导距中轴线较远的外侧面与十字同轴波导的外侧面位于同一平面，矩形波导的窄边尺寸小于阶梯十字同轴波导的臂宽；
所述辐射喇叭与阶梯十字同轴波导的中轴线重合，由同轴方波导、四个辐射喇叭单元、以及四个匹配阶梯圆台构成；其中，所述同轴方波导的外侧面分别与四个矩形波导的外侧面平行，同轴方波导的内导体为方形内导体；四个所述辐射喇叭单元为结构相同的亚波长方形喇叭，呈2×2阵列形式设置于同轴方波导的输出端，形成的阵列边长与同轴方波导的边长相同、且不超过阶梯十字同轴波导最大臂长；四个所述匹配阶梯圆台分别设置于一个辐射喇叭单元内，实现同轴方波导与辐射喇叭单元之间的阻抗匹配，最终四个辐射喇叭单元能等幅同相地辐射线极化波或者圆极化波。
2.如权利要求1所述的一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器，其特征在于，所述同轴方波导的方形内导体的边长与相邻辐射喇叭单元的间距相同。
3.如权利要求2所述的一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器，其特征在于，所述十字同轴波导的内导体和十字匹配波导内导体为圆柱形内导体或方形内导体；当采用方形内导体时，方形内导体进行倒角处理。
4.如权利要求3所述的一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器，其特征在于，沿电磁波传播的方向，波导进行导角处理。
5.如权利要求4所述的一种用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器，其特征在于，所述用于波导阵列天线的宽带四路双圆极化功分器，通过数控车铣、3D打印和注塑方式进行加工实现。
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