CN203536570U - 一种宽波束圆极化相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种宽波束圆极化相控阵天线，由m×n个宽波束圆极化相控阵天线单元组成，其中m，n均为大于1的自然数；所述的宽波束圆极化相控阵天线单元包括圆极化波导辐射器、加载介质和探针组件；所述的圆极化波导辐射器为一个带台阶状内腔的波导体，波导体上半部分为正方体，下半部分为长方体，加载介质正好位于此内腔中，并从设在圆极化波导辐射器上方的辐射口中伸出，圆极化波导辐射器台阶状外壁的下方设有馈电开口，馈电开口内装配有探针组件；圆极化波导辐射器上半部分正方体的内壁中心设有隔板移相器。本实用新型提供了一种高效率、低损耗的圆极化极化天线，该天线形式可以较好的适用于阵列天线或者宽角扫描的相控阵天线中。

Description

一种宽波束圆极化相控阵天线
技术领域
本实用新型涉及一种为通信和雷达领域的圆极化相控阵天线，特别适用于阵列天线或者宽角扫描的圆极化相控阵天线。
背景技术
目前在通信、雷达等系统中使用的圆线极化阵列天线或相控阵天线有以下几种形式，这几种形式在性能、实现方法等方面各有特色，但也存在各自的优缺点。
1、微带形式的圆极化天线，该种天线形式的实现可以分为几种形式，一是利用双馈电实现双线极化信号，后端通过圆极化电桥来实现圆极化信号，这种形式的实现方法较为复杂，并且电桥的引入会带来较大的插入损耗；二是利用微带贴片切角的方式实现圆极化信号，这种方法实现简单，利用单一馈电既可以实现圆极化信号，但是这种天线的圆极化轴比往往由于贴片的切角带来较大的宽角轴比，因此这两种实现形式在某些领域具有一定的使用性，但是由于微带贴片本来的效率较低，且组阵后由于单元之间的互耦左右，在阵列天线或者相控阵天线中，不容易实现较大的扫描范围，因此其适用范围受限。
2、利用单臂螺旋天线实现圆极化信号，这种天线由于自身的特点，非常适合进行圆极化信号的产生，且在一定的角度范围内轴比较小，而且该种天线的实现方法简单，加工容易，但是由于螺旋天线自身为了提高增益，往往起螺旋圈数较多，而造成天线的波瓣宽度较小，不适合于进行较大范围扫描的相控阵天线的设计。
3、利用四臂螺旋天线实现圆极化，这种天线一般由微带线缠扰在介质柱上，对地板和手的影响不是很敏感,易于波束赋形而且可实现较宽的圆极化波束宽度,但由于其同样要引入四端口电桥，因此引入的插损较大，降低了天线阵列的效率。
4、利用极化栅负载线极化天线的上层，使某一电场分量进行90度移相，进而实现圆极化信号，该种方式的圆极化信号实现技术较为简单，难点在于极化栅的设计。在引入极化栅后，由于极化栅本身大部分是由介质材料支撑，因此其插入损耗较大，其效率较低。如果对天线组阵，则由于极化栅对于斜极化信号不具备较好的极化旋转功能，因此在宽角时其轴比较差。
实用新型内容
本实用新型具有完全不同于上述几种圆极化宽波束相控阵天线的实现思路，提供一种高效率、低损耗的圆极化极化天线，该天线形式可以较好的适用于阵列天线或者宽角扫描的相控阵天线中。
为解决以上问题，本实用新型所采用的技术方案为：
一种宽波束圆极化相控阵天线，由m×n个宽波束圆极化相控阵天线单元组成，其中m，n均为大于的自然数；所述的宽波束圆极化相控阵天线单元包括圆极化波导辐射器、加载介质和探针组件；所述的圆极化波导辐射器为一个带台阶状内腔的波导体，波导体上半部分为正方体，下半部分为长方体，加载介质正好位于此内腔中，并从设在圆极化波导辐射器上方的辐射口中伸出，圆极化波导辐射器台阶状外壁的下方设有馈电开口7，馈电开口内装配有探针组件；圆极化波导辐射器上半部分正方体的内壁中心设有隔板移相器。
其中，加载介质由一个与圆极化波导辐射器的内腔相对应的台阶状整体介质组成，整体介质上方有从辐射口中伸出的四棱台；整体介质台阶下方设有探针孔。
其中，加载介质采用聚四氟乙烯材料制成。
其中，探针组件是由通过法兰连接的探针和馈电端口组成的；法兰和探针之间设有一个与馈电开口相对应的同轴底座，探针设在该同轴底座中心，探针插在探针孔中。
其中，隔板移相器为多个金属台阶组成的金属膜片，隔板移相器设在圆极化波导辐射器内部的台阶处。
其中，宽波束圆极化相控阵天线以隔板移相器为中心镜像对称。
本实用新型相比背景技术具有如下优点：
1、本实用新型利用波导辐射口，提高天线的孔径利用效率。
2、本实用新型理由隔板移相器实现圆极化，省去了圆极化电桥器件，减小了插损，具有很高天线效率。
3、本实用新型中，对通过加载低损耗角正切的介质，减小了辐射口的口径，可以满足组阵时单元间距的要求。
4、本实用新型进行组阵后，在方位、俯仰方向可以采用相控阵形式，可进行较大范围的电扫描，满足通信天线扫描范围的要求，天线波束、驻波比以及轴比具有优良的性能。
5、整个阵列可以采用一体加工、拼装焊接等方式，简单可行，可以采用纯金属材料，或者塑料成型镀金属的形式。
附图说明
图1是本实用新型的一种宽波束圆极化相控阵天线以及其各部分组成的两维示意图。
图2是本实用新型的一种宽波束圆极化相控阵天线的主体辐射器示意图。
图3是本实用新型的一种宽波束圆极化相控阵天线的加载介质的外形示意图。
图4为本实用新型的一种宽波束圆极化相控阵天线的小空间探针组件示意图
图5为本实用新型的一种宽波束圆极化相控阵天线的组阵示意图，图示为8×8阵列。
图6为本实用新型的一种宽波束圆极化相控阵天线组阵后阵中单元的有源驻波比仿真结果。
图7为本实用新型的一种宽波束圆极化相控阵天线组阵后阵中单元的波瓣仿真结果。
图8为本实用新型的一种宽波束圆极化相控阵天线组阵后阵中单元的轴比仿真结果。
具体实施方式
参照图1至图8，一种宽波束圆极化相控阵天线，由m×n个宽波束圆极化相控阵天线单元1组成，其中m，n均为大于1的自然数；所述的宽波束圆极化相控阵天线单元1包括圆极化波导辐射器2、加载介质3和探针组件4；所述的圆极化波导辐射器2为一个带台阶状内腔的波导体，波导体上半部分为正方体，下半部分为长方体，加载介质3正好位于此内腔中，并从设在圆极化波导辐射器2上方的辐射口5中伸出，圆极化波导辐射器2台阶状外壁的下方设有馈电开口7，馈电开口7内装配有探针组件4；圆极化波导辐射器2上半部分正方体的内壁中心设有隔板移相器6。
加载介质3由一个与圆极化波导辐射器2的内腔相对应的台阶状整体介质10组成，整体介质10上方有从辐射口5中伸出的四棱台11；整体介质10台阶下方设有探针孔9。
加载介质3采用聚四氟乙烯材料制成。
探针组件4是由通过法兰12连接的探针13和馈电端口14组成的；法兰12和探针13之间设有一个与馈电开口7相对应的同轴底座，探针13设在该同轴底座中心，探针13插在探针孔9中。
隔板移相器6为多个金属台阶组成的金属膜片，隔板移相器6设在圆极化波导辐射器2内部的台阶处。
宽波束圆极化相控阵天线以隔板移相器6为中心镜像对称。
其中，将宽波束圆极化相控阵天线单元1进行组阵，可以按照一定的规律实施矩形或者三角形排布，该阵列具有宽角扫描，驻波比小的特点，在仿真的结果中，图6为组阵后单元的有源驻波比，在20%的频带内小于2，图7为单元波瓣，在±60°内，增益下降小于4dB，单元波瓣轴比在法向小于1dB。
本实用新型主要包括两个方面的内容，一是一种宽波束圆极化相控阵天线1，如图1所示，二是由双极化天线单元1组成的波导阵列，馈电网络为普通1：N的等功分或者不等功分波导网络。
一种宽波束圆极化相控阵天线采用单个单元加工，或者多个单元整体加工的方式，可以开磨具整体加工或者分段加工，在焊接拼装的方式均可。
工作原理：
以单个一种宽波束圆极化相控阵天线天线为例，阐述该实用新型的工作原理。
当发射信号时，发射机产生的信号进入图4中的馈电端口14，通过探针13，通进加载介质3的内部，信号在波导腔内传输，到达隔板移相器6时，将线极化信号转化为圆极化信号，由辐射口5辐射到空间中。其中加载介质3的上半部分的台体9为调节阻抗匹配的作用。
当接收信号时，空间来的圆极化极化方式的信号经过如图2所示的辐射口5，经过隔板移相器6，信号的极化形式由圆极化转化为线极化，通过波导腔体，由小型化组件的探针13传输到馈电口14，进而实现信号的结构功能。
如果所研究的阵列为由该发明单元部分组成的一维或者两维相控阵天线，只需在后端经过馈电网络或者有源器件进行信号合成即可。

Claims (6)

1.一种宽波束圆极化相控阵天线，由m×n个宽波束圆极化相控阵天线单元（1）组成，其中m，n均为大于1的自然数；其特征在于：所述的宽波束圆极化相控阵天线单元（1）包括圆极化波导辐射器（2）、加载介质（3）和探针组件（4）；所述的圆极化波导辐射器（2）为一个带台阶状内腔的波导体，波导体上半部分为正方体，下半部分为长方体，加载介质（3）正好位于此内腔中，并从设在圆极化波导辐射器（2）上方的辐射口（5）中伸出，圆极化波导辐射器（2）台阶状外壁的下方设有馈电开口（7），馈电开口（7）内装配有探针组件（4）；圆极化波导辐射器（2）上半部分正方体的内壁中心设有隔板移相器（6）。
2.根据权利要求1所述的一种宽波束圆极化相控阵天线，其特征在于：所述的加载介质（3）由一个与圆极化波导辐射器（2）的内腔相对应的台阶状整体介质（10）组成，整体介质（10）上方有从辐射口（5）中伸出的四棱台（11）；整体介质（10）台阶下方设有探针孔（9）。
3.根据权利要求2所述的一种宽波束圆极化相控阵天线，其特征在于：所述的加载介质（3）采用聚四氟乙烯材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种宽波束圆极化相控阵天线，其特征在于：所述的探针组件（4）是由通过法兰（12）连接的探针（13）和馈电端口（14）组成的；法兰（12）和探针（13）之间设有一个与馈电开口（7）相对应的同轴底座，探针（13）设在该同轴底座中心，探针（13）插在探针孔（9）中。
5.根据权利要求1所述的一种宽波束圆极化相控阵天线，其特征在于：所述的隔板移相器（6）为多个金属台阶组成的金属膜片，隔板移相器（6）设在圆极化波导辐射器（2）内部的台阶处。
6.根据权利要求1所述的一种宽波束圆极化相控阵天线，其特征在于：所述的宽波束圆极化相控阵天线以隔板移相器（6）为中心镜像对称。
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