CN116154480A - 一种基于3d打印的双圆极化馈源天线 - Google Patents

一种基于3d打印的双圆极化馈源天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，该波导馈源天线由喇叭天线、正交模耦合器和方‑圆波导转换结构三部分组成。所述喇叭天线内壁对称引入一对凹槽，凹槽宽度固定并贯穿整个喇叭天线的圆锥角；所述正交模耦合器有三个物理端口，公共方波导口及第一矩形波导端口和第二矩形波导端口；所述方‑圆波导转换结构提供从正交模耦合器公共方波导口到喇叭天线馈电圆波导口的平滑过渡。本发明实施例的双圆极化馈源天线结构简单紧凑，便于采用3D打印技术一体化加工，尺寸小成本低，且在较宽的工作频段内具有较高的增益和端口隔离度，适用于射电望远镜接收系统。

Description

一种基于3D打印的双圆极化馈源天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线。
背景技术
射电天文学主要依靠无线电接收技术对来自宇宙的微弱信号进行观测，因此射电望远镜作为观测的关键设备需要具有极高的灵敏度。射电望远镜系统的构成主要包括反射面天线、馈源天线、射频接收链路以及后级数字处理终端，其中馈源天线是射电天文信号由辐射电磁波形式转化为射频链路中传导电信号形式的关键器件。
随着射电天文和无线通信技术的不断发展，应用于射电望远镜接收系统的馈源天线主要面临以下几个需求：(1)工作频段向高频段迁移，高效率利用频谱资源并提高数据传输速率；(2)电磁波极化方式采用双圆极化，以便极化匹配并提高抗干扰能力；(3)高增益，以提高接收系统灵敏度，对抗大气衰减等影响；(4)结构简单紧凑，便于毫米波频段下的加工且减少互连损耗。地面射电望远镜接收的信号一般强度较弱且极化方向难以确定，实现满足上述需求的馈源天线，有利于提高射电观测系统的接收性能。
目前射电望远镜天线大多采用双圆极化馈源天线，再结合大型抛物面反射面实现高增益。其中双圆极化馈源天线通常有两种形式：一是在馈源喇叭天线端口连接圆极化器和正交模耦合器来实现双圆极化和极化分离；二是通过馈源喇叭天线和阶梯隔板极化器来实现双圆极化。传统馈源部件一般采用CNC数控金属铣削技术进行加工，一方面难以满足高频毫米波下馈源天线高精度低损耗的设计需求，另一方面CNC工艺通常需要将单个器件拆分成多个部分加工，在组装的过程中不免会因缝隙和对准精度等装配问题引入额外的损耗和误差。并且对于双圆极化馈源网络来说，需要将多种器件分开加工，再通过标准波导端口进行级联组装，这也将引入损耗，影响系统整体的灵敏度。此外，传统CNC工艺无法加工多维变换结构和不规则结构，这大大限制各个器件设计的自由性和灵活性，给整体性能的优化带来限制。而用于深空探测系统的器件数量较少、种类较多，使用CNC工艺需要对各个器件和结构分别进行开模加工，因而在小批量设计加工时，采用CNC工艺会带来较高的加工成本。近年来提出的3D打印技术作为一种新型的加工工艺，具有免装配的低损耗特性，小批量加工的低成本优势，以及高灵活性结构设计的优良特性。这些优势和特性对于毫米波低损耗高灵敏度馈源设计具有极其重要的意义。因此设计一种结构简单紧凑，便于采用3D打印技术一体成型的双圆极化馈源天线有利于降低馈源尺寸和加工成本，并能减少互连损耗从而改善系统接收灵敏度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于3D打印工艺的双圆极化馈源喇叭天线，该双圆极化馈源天线将圆极化喇叭天线与正交模耦合器进行集成设计，结构简单紧凑，可通过3D打印实现一体成型加工，大大减少了加工时装配和互连带来的损耗，且具有较高的增益和端口隔离度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，包括喇叭天线、正交模耦合器和方-圆波导转换结构；正交模耦合器设置有三个物理端口，公共方波导口及第一矩形波导端口和第二矩形波导端口；喇叭天线经方-圆波导转换结构连接正交模耦合器；方-圆波导转换结构提供从正交模耦合器公共方波导口到喇叭天线圆波导口的平滑过渡；喇叭天线内壁开设两个凹槽，凹槽关于喇叭天线的一个轴向中面对称，凹槽与正交模耦合器的方波导口的线极化波成45°夹角排列，凹槽贯穿整个喇叭天线的圆锥角。
凹槽的宽度为固定值。
第一矩形波导端口和第二矩形波导端口为标准WR-22矩形波导端口。
第一矩形波导端口位于端面，第二矩形波导端口位于侧面，第一矩形波导端口和第二矩形波导端口均有一个对称面，对称面为过馈源天线中心轴的水平面和垂直面。
所述方-圆波导转换结构位于喇叭天线和正交模耦合器之间，方-圆波导转换结构、喇叭天线和正交模耦合器中轴一致，腔体连通形成一个整体；所述方-圆波导转换结构上设圆波导口与喇叭天线的馈电圆波导口相连，方波导口与正交模耦合器的公共方波导口相连。
第一矩形波导端口和第二矩形波导端口被激励时，TE10模或TE01模将通过正交模耦合器到达方波导口，经方-圆波导转换结构传播到圆波导口后转换为TE11模，馈入喇叭天线的TE11模，将被分为两个正交极化的TE11简并模，且具有不同的传播常数；通过设计凹槽的宽度和深度改变TE11简并模的传播常数，当两个正交极化的TE11简并模之间的相位差达到±90°时，产生左旋或右旋圆极化波并辐射出去。
用于射电望远镜系统时，接收到的左旋或右旋圆极化波经带有凹槽的喇叭天线后转换为线极化波，再通过方-圆波导转换结构到达方波导口，线极化波TE10模和TE01模经过正交模耦合器后将分别从第一矩形波导端口和第二矩形波导端口输出，实现接收左旋圆极化波和右旋圆极化波信号的分离。
第一矩形波导端口处设置直通阶梯阻抗变换。
轴比小于3dB，端口隔离度高于28dB，且增益达到19.55±2dBic。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所述的双圆极化馈源天线使用方-圆波导转换结构实现圆极化喇叭天线和正交模耦合器之间的连接和模式转换，采用3D打印技术对馈源天线进行一体成型加工，有效降低了馈源天线的尺寸和加工成本，并避免了传统加工工艺中馈源组件的互连损耗和装配损耗；
本发明所述的双圆极化馈源天线采用的喇叭天线通过在内壁对称引入一对凹槽的方式来产生圆极化波，凹槽与所连接的方波导成45°夹角，当正交模耦合器受TE10模和TE01模激发，天线分别产生左旋圆极化波和右旋圆极化波，即将圆极化器整合到内壁光滑的喇叭天线中，使得该双圆极化馈源天线结构简单紧凑，并能在较宽的阻抗频带和3dB轴比带宽内实现较高的指向性增益和端口隔离度；
本发明所述的双圆极化馈源天线采用内壁带凹槽的圆极化喇叭天线加正交模耦合器的方式实现双圆极化，未采用隔板圆极化器或添加额外的圆极化器，因此结构简单，无阶梯型隔板，销钉等在较高频段下制造存在挑战的结构，具有较低的加工复杂度。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于3D打印的双圆极化馈源天线的三维整体示意图；
图2为本发明实施例的一种基于3D打印的双圆极化馈源天线的内部结构截面示意图；
图3为图1所示实施例中内壁对称开有一对凹槽的圆极化喇叭天线轴截面对TE10垂直极化和TE01水平极化信号分解示意图；
图4为图1所示实施例中方-圆波导转换结构和正交模耦合器的结构示意图；
图5为本发明实施例的一种基于3D打印的双圆极化馈源天线接收通道的反射系数和隔离度曲线图；
图6为本发明实施例的一种基于3D打印的双圆极化馈源天线的轴比(AR)随频率变化曲线图；
图7为本发明实施例的一种基于3D打印的双圆极化馈源天线的增益随频率变化曲线图。
图中标号说明：1-喇叭天线，2-凹槽，3-第一矩形波导端口，4-第二矩形波导端口，5-圆形波导法兰，6-正交模耦合器，7-方波导口，8-方-圆波导转换结构，9-圆波导口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做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。
参照图1-图4，本发明实施例的一种基于3D打印的双圆极化馈源天线整体结构包括喇叭天线1、方-圆波导转换结构8和正交模耦合器6，按内部腔体连接后形成一个连通的整体，且第一矩形波导端口3和第二矩形波导端口4连接圆形波导法兰5，其中喇叭天线1的内壁对称开有一对凹槽2，凹槽2与正交模耦合器6的方波导口7成45°夹角排列，贯穿整个喇叭天线1的内锥面，且宽度为固定值不随着喇叭天线1的锥面张角口径大小变化。
如图1所示的双圆极化馈源天线的三维整体图，该一体化结构内部腔体连通，外壁为平滑实心结构，第一矩形波导端口3和第二矩形波导端口4均为标准WR-22矩形波导端口，均连接圆形波导法兰5，且各有一个对称面，其中第一矩形波导端口3关于馈源天线过中心轴的水平横截面对称，第二矩形波导端口4关于过中心轴的垂直横截面对称。该双圆极化馈源天线结构简单紧凑，采用3D打印技术进行一体成型加工，制备时可以较少的引入支撑结构，可根据应用场景需求使用金属材料直接打印或使用非金属材料打印后对腔体内部均匀镀上一层金属材料，加工得到的馈源天线通过标准尺寸法兰与接收系统中的其他器件连接方便。
当图2中的第一矩形波导端口3或第二矩形波导端口4被激励时，第一矩形波导端口3激励时对应TE10模；第二矩形波导端口4激励时对应TE01模；TE10模(垂直极化)或TE01模(水平极化)将通过正交模耦合器6到达方波导口7，经方-圆波导转换结构8传播到圆波导口9后转换为TE11模。如图3所示，凹槽2位置相对于方波导口7中的TE10模和TE01模成±45°排列，此时由于凹槽2的存在，馈入喇叭天线1的TE11模，将被分为两个正交极化的TE11简并模，且具有不同的传播常数，通过设计凹槽2的宽度和深度可以调整TE11简并模的传播常数，当他们之间的相位差在传播一定距离达到±90°时，产生左旋或右旋圆极化波并辐射出去。
反之，该双圆极化馈源天线用于射电望远镜系统时，接收到的左旋或右旋圆极化波经带有凹槽2的喇叭天线1后转换为线极化波，再通过方-圆波导转换结构8到达方波导口7，也即正交模耦合器6的公共端口，此时的线极化波TE10模和TE01模经过正交模耦合器6后将分别从第一矩形波导端口3和第二矩形波导端口4输出，从而实现接收左旋圆极化波和右旋圆极化波信号的分离。
如图4所示，由于喇叭天线1是圆锥结构，正交模耦合器6公共端口为方波导口7，本发明实施例使用了方-圆波导转换结构8连接喇叭天线1和正交模耦合器6。该模式转换器结构紧凑，提供了从方波导到圆波导的平滑过渡，实现了TE10模或TE01模到TE11模的转换，圆波导口9尺寸支持工作频段内圆形波导基本模式。
本发明实施例采用的正交模耦合器6有三个物理端口，公共方波导口7收入两路正交线极化分量，设计时通过选择合适的直通阶梯阻抗变换和侧方缝隙耦合尺寸实现两路正交极化波的分离，并优化端口位置和尺寸实现两个矩形端口的高隔离度和低损耗，最终第一矩形波导端口3输出TE10模，第二矩形波导端口4输出TE01模。该正交模耦合器结构简单紧凑，便于加工并能在较宽的频带内实现良好的性能。
将本发明实例提供的一种基于3D打印的双圆极化馈源天线在电磁仿真软件中进行仿真，仿真结果如图5-7所示。
图5为工作频段内双圆极化馈源天线接收通道的反射系数和隔离度曲线图，表明在35-40GHz频段内，本发明的双圆极化馈源天线第一矩形波导端口3和第二矩形波导端口4具有低于-17dB的反射系数和高于28dB的隔离度。
图6为工作频段内双圆极化馈源天线的轴比(AR)随频率变化曲线图，左旋圆极化和右旋圆极化轴比均小于3dB。
图7为工作频段内双圆极化馈源天线的增益随频率变化曲线图，左旋圆极化和右旋圆极化均实现了19.55±2dBic的高增益。
本发明公开一种基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，包括喇叭天线、正交模耦合器和方-圆波导转换结构；正交模耦合器设置有三个物理端口，公共方波导口及第一矩形波导端口和第二矩形波导端口；喇叭天线经方-圆波导转换结构连接正交模耦合器；喇叭天线内壁开设两个凹槽，凹槽关于喇叭天线的一轴向中面对称，凹槽与正交模耦合器的方波导口线极化波成45°夹角排列，结构简单紧凑，便于通过3D打印技术一体化加工，相比于传统双圆极化馈源天线的加工方式，大大减小了成本、互连损耗和装配损耗。本发明提供的双圆极化馈源天线在13.3％的相对工作带宽内具有优良的性能，实现轴比小于3dB，端口隔离度高于28dB，且增益高达19.55±2dBic，适合作射电望远镜天线接收抛物面天线的馈源。

Claims (9)

1.一种基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，包括喇叭天线(1)、正交模耦合器(6)和方-圆波导转换结构(8)；正交模耦合器(6)设置有三个物理端口，公共方波导口(7)及第一矩形波导端口(3)和第二矩形波导端口(4)；喇叭天线(1)经方-圆波导转换结构(8)连接正交模耦合器(6)；方-圆波导转换结构(8)提供从正交模耦合器(6)公共方波导口(7)到喇叭天线圆波导口(9)的平滑过渡；喇叭天线(1)内壁开设两个凹槽(2)，凹槽(2)关于喇叭天线(1)的一个轴向中面对称，凹槽(2)与正交模耦合器(6)的方波导口(7)的线极化波成45°夹角排列，凹槽(2)贯穿整个喇叭天线的圆锥角。
2.如权利要求1所述的基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，凹槽(2)的宽度为固定值。
3.如权利要求1所述的基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，第一矩形波导端口(3)和第二矩形波导端口(4)为标准WR-22矩形波导端口。
4.如权利要求1所述的基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，第一矩形波导端口(3)位于端面，第二矩形波导端口(4)位于侧面，第一矩形波导端口(3)和第二矩形波导端口(4)均有一个对称面，对称面为过馈源天线中心轴的水平面和垂直面。
5.如权利要求1所述的基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，所述方-圆波导转换结构(8)位于喇叭天线(1)和正交模耦合器(6)之间，方-圆波导转换结构(8)、喇叭天线(1)和正交模耦合器(6)中轴一致，腔体连通形成一个整体；所述方-圆波导转换结构(8)上设圆波导口(9)与喇叭天线(1)的馈电圆波导口相连，方波导口(7)与正交模耦合器的公共方波导口相连。
6.如权利要求1所述的基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，第一矩形波导端口(3)和第二矩形波导端口(4)被激励时，TE10模或TE01模将通过正交模耦合器(6)到达方波导口(7)，经方-圆波导转换结构(8)传播到圆波导口(9)后转换为TE11模，馈入喇叭天线(1)的TE11模，将被分为两个正交极化的TE11简并模，且具有不同的传播常数；通过设计凹槽(2)的宽度和深度改变TE11简并模的传播常数，当两个正交极化的TE11简并模之间的相位差达到±90°时，产生左旋或右旋圆极化波并辐射出去。
7.如权利要求1所述的基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，用于射电望远镜系统时，接收到的左旋或右旋圆极化波经带有凹槽(2)的喇叭天线(1)后转换为线极化波，再通过方-圆波导转换结构(8)到达方波导口(7)，线极化波TE10模和TE01模经过正交模耦合器(6)后将分别从第一矩形波导端口(3)和第二矩形波导端口(4)输出，实现接收左旋圆极化波和右旋圆极化波信号的分离。
8.如权利要求1所述的基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，第一矩形波导端口(3)处设置直通阶梯阻抗变换。
9.如权利要求1-8任一项所述的基于3D打印的紧凑型双圆极化馈源喇叭天线，其特征在于，轴比小于3dB，端口隔离度高于28dB，且增益达到19.55±2dBic。
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