CN207217758U - 螺旋天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及阵列天线技术。本实用新型公开了一种螺旋天线系统，由结构相同的两组螺旋天线阵列并排构成；所述螺旋天线阵列具有侧馈式馈电网络及其馈电端口连接的螺旋天线；所述侧馈式馈电网络包括顺序连接的馈电波导、第一波导、过渡波导和第二波导；所述两组螺旋天线阵列馈电波导底端封闭并相互连通，其连通处与波导输入端连接；所述波导输入端由第一同轴波导、第二同轴波导和圆波导顺序连接构成，所述第一同轴波导、第二同轴波导和圆波导同轴，所述第一同轴波导连接微波源，所述圆波导连接馈电波导。本实用新型的螺旋天线系统，具有高效率、高功率容量、辐射圆极化波的特点，非常适合用于纵向空间受限的场合。

Description

螺旋天线系统

技术领域

本实用新型涉及微波传输线和阵列天线技术，特别是高功率阵列天线及其馈电系统，具体涉天线阵列侧馈式馈电网络及螺旋天线系统。

背景技术

阵列天线发展迅速，形式多种多样，有赋形天线阵、相控阵、低副瓣天线阵等，在设计应用中，阵列天线的馈电网络是关键核心的部分。单元的排列方式确定后，需要综合考虑空间结构和损耗问题等采用合适的馈电方式，并根据天线阵的结构确定馈电网络的整体空间布局，最终让每个天线单元都能取得它所需要的电流幅度和相位,根据平面阵列天线理论可知，各单元激励幅度的均匀分布有利于提高天线阵的口径效率和方向性系数，因此，为了获得较高的阵列辐射效率，需要在馈电系统设计时尽可能实现等幅馈电输出。

馈电系统实际上是一个广泛的概念，不论阵列的单元天线是何种形式，具体包含多少单元数目，每个阵列天线总需要一个对应的馈电系统，但不同阵列天线的馈电系统需要满足不同的要求，其结构形式也会有所不同。在高功率微波领域中，通常要求高功率阵列天线的馈电系统具有高功率容量，而在某些特殊条件下，馈电系统还需要具有外形紧凑的特点。近年来，随着高功率微波技术的发展，人们也探索出许多适用于高功率微波辐射的天线形式，尤其是阵列天线通过增加单元数目和优化各个单元的空间位置分布方式可以获得很高的增益，从而得到了广泛应用。例如根据缝隙天线和矩形谐振腔理论设计出的矩形波导宽边偏置纵向缝隙天线阵或窄边缝隙行波天线阵[杨一明，袁成卫,钱宝良.波导缝隙阵列天线高功率应用探索[J].强激光与粒子束,2013,10:2648-2652]、[尚文惠，廖斌2.45GHz大功率矩形波导宽边缝隙阵列天线阵的设计[J].真空电子技术，2016,04:20-23.]，他们采用的是在波导的宽边或窄边按规律开出多个缝隙组成缝隙阵的方式，波导内的传输场直接在缝隙处产生辐射，缝隙产生的辐射强度和相位由缝隙的倾角和间距控制。同时，微带贴片天线阵也被验证可以应用于高功率微波领域[徐刚，廖勇，谢平，孟凡宝，唐传祥.宽带高功率贴片天线阵列辐射特性[J].强激光与粒子束，2010，12：2955-2958]、 [A.Chaoloux,F.Colombel,M.Himdi,J.L.Lasserre,P.Bruguiere,P.Pouliguen,P.Potier High Gainand Low Losses Antenna Array for High Power Microwave Applications,in The 8^thEuropean Conference on Antenna and Propagation,1705-1709 2014]，其多采用多个功分器级联形成并联馈电网络，结构较为复杂，因此难以应用在单元数目较多的场合，而在X波段以上的高频段，也有学者提出了径向波导作为功分器对微带阵列天线进行馈电的形式。另外，也有学者提出了一种可运用于高功率微波领域的新型径向线螺旋阵列天线的设计理念，采用类似馈电探针激励的原理使用耦合馈电探针从馈电波导内提取能量并向辐射单元馈电 [Nakano H,Takeda H,Homma t,et al.Extremely low-profile helixradiating a circularly polarized wave[J].IEEE Trans on Antennas andPropagation,1991,39(6):754-756]、[张健穹，刘庆想，李相强，等三角形栅格矩形径向线螺旋阵列天线的设计[J].强激光与粒子束， 2009,24(4):584-587.]、[马睿，刘庆想，李相强，张健穹、丁艳峰，64单元矩形径向线阵列天线馈电网络的设计[J].强激光与粒子束，2011,23(11):3131-3134.]，径向线内微波由同轴波导输入，经模式转换器转换为可以在径向线内传播的TEM波，同轴波导入口位于径向线的中心，微波在径向线内从入口向四周均匀传播。目前对螺旋阵列天线的馈电主要是采用径向线作为馈电波导，其入口必须位于径向线下底板的中心，但由于馈电波导前端结构的影响，在纵向空间受限的情况下，有时很难将馈电波导入口放在下底板中心。

近年来，随着高功率微波技术的不断发展，推动着人们对作为其技术终端的高功率微波天线技术的研究。由于传输的微波具有高功率特性，高功率微波天线除了要满足良好的辐射指标外，还需要尽量达到包括高功率容量、小型化、轻型化等若干特殊目标。径向线螺旋阵列天线作为一种具有特殊馈电结构的平面阵列天线形式，因其具有结构利用率高、辐射效率高等优势得到了广泛的关注。通过对高功率径向线螺旋阵列天线的研究，证明可以通过增大单个子阵的单元数目来减少子阵之间的级联从而在提高天线增益的同时降低插入损耗；通过矩形栅格、三角形栅格单元布局方式的研究对比，获得节约系统成本的方法；通过耦合探针和扼流结构的协同设计，可以实现径向线的高效率传输设计。

阵列天线是将若干个辐射单元按照一定的方式进行排列和激励，利用电磁波的干涉原理和叠加原理来实现微波定向辐射的天线形式，通过增加单元数目及改变单元空间排列方式可以提高阵列天线的增益。由于将微波功率分配到多个辐射单元上，使得各单元仅需承受较小的功率，以及易于进行天线的密封从而可以实现天线的高功率容量。通过采用不同形式的辐射单元可以实现任意极化波的辐射，通过采用合适的馈电波导可以实现天线的小型化。[马睿，刘庆想，李相强，张健穹.66单元三角形栅格径向线阵列天线馈电网络的设计[J].强激光与粒子束,2013.25(11):2949-5953]。

螺旋天线是由导电性能良好的金属导体(导线)绕成螺旋状而构成的，日本学者在研究中发现少匝数和小螺距角相结合的螺旋天线(称为短螺旋天线)，可以辐射良好的圆极化波，它具有波瓣宽度宽、轴比良好、增益较高等优点，加上其轴向尺寸短的特点，已经被应用到阵列天线中。[Nakano H,Takeda H,Honma T,et al.Extremely low-profile helixradiating a circularly polarized wave[J].IEEE Trans on Antennas andPropagation,1991,39(6):754-756]、[Nakano H,Takeda H,Kitamura Y,et al.Low-profile helical array antenna fed from a radial waveguide[J].IEEE Trans onAntennas and Propagation,1992,40(3):279-284]、[李相强，刘庆想,赵柳.短螺旋天线改进设计[J].微波学报,2009,25(1):51-54]。

采用短螺旋天线作为天线单元，径向线作为馈电波导并通过耦合探针提取能量的思路，学者首先设计了一种4单元矩形径向线螺旋子阵，初步验证了该思路的可行性[赵柳，张健穹，吴晓降，等.4单元矩形径向线螺旋阵列天线的理论分析和数值模拟[J].强激光与粒子束,2007.19(11):1869-1872]，并在此基础上进一步研究了高功率单、双层径向线阵列天线，在微波定向圆极化辐射的同时，也达成了阵列天线系统的GW级高功率容量，进一步验证了高功率径向线阵列天线设计思想的可实现性，并且明确了它具有结构尺寸小、方向性高、易于辐射圆极化波等优点[李相强，刘庆想，赵柳，等.高功率单层径向线螺旋阵列天线的设计与模拟[J].强激光与粒子束,2005.17(11):1712-1716]，[刘庆想，李相强，袁成卫，等.高功率双层径向线螺旋阵列天线的设计与模拟[J].电子学报,2005.12]。之后赵柳等学者又提出了可组合式径向线阵列天线的探究，即利用多个矩形封口的径向线阵列天线子阵进行组合，以形成更大型的阵列天线系统，进而达到实现高增益的目的，马睿等学者进而完成了S波段 64单元的创新性研究，通过增大单个径向线子阵中的单元数目，优化了天线增益，改善了阵列的极化、匹配性能，降低了因子阵级联而引入的功分网络插入损耗，但也出现了由单元数目增加引起的径向波导内场强分布不均匀的情况，因此采用耦合能力可调的新型耦合探针，实现馈电网络在中心频率下的近似等幅输出[马睿，刘庆想，李相强，张健穹，丁艳峰.64 单元矩形径向线馈电网络的设计[J].强激光与粒子束,2011.23(11):3131-3134]。

前述相关研究中，均是采用径向线作为螺旋天线阵列的馈电波导，但径向线的微波入口位于其下底板中心，通过同轴波导输入微波。由于馈电波导前端结构存在不确定性以及阵列布局的特点不同等多种原因，径向线并不能完全适应所有螺旋阵列天线的馈电，特别是对于那些空间结构受到限制的场合，有时甚至不能够采用径向线为螺旋天线阵列馈电。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种天线阵列侧馈式馈电网络，将馈电波导输入端口置于传输波导一侧，使微波由入口向另一侧单向传输，能够在某些特定的前端结构下，降低馈电系统的复杂性，提升馈电系统的整体性能。

本实用新型的另一个目的在于提供一种螺旋天线系统，采用侧馈式馈电网络为螺旋阵列天线的馈电，以解决现有技术中径向线馈电的不足。

为了实现上述目的，根据本实用新型具体实施方式的一个方面，提供了一种天线阵列侧馈式馈电网络，包括顺序连接的馈电波导、第一波导、过渡波导和第二波导；所述馈电波导与第一波导连接处具有折弯结构；所述第一波导、过渡波导和第二波导均为矩形波导，其上底板宽度相同且处于同一平面；所述第一波导厚度大于第二波导；所述过渡波导入口处厚度与第一波导相同，出口处厚度与第二波导相同；所述上底板上分布有馈电端口。

具体的，所述折弯结构弯曲角度为π/2。

进一步的，所述馈电波导具有阻抗变换结构。

具体的，所述阻抗变换结构由宽度和/或厚度不同的矩形波导连接构成。

进一步的，所述连接处具有倒角结构。

具体的，所述馈电端口为同轴馈电端口，由上底板上的圆孔及圆孔中心的馈电探针构成，所述圆孔直径大于馈电探针直径，所述馈电探针与矩形波导下底板相连。

进一步的，所述馈电探针上安装有用于调节耦合系数的耦合环和/或耦合柱，所述耦合柱安装在馈电探针下端，耦合环安装在馈电探针上端。

进一步的，所述馈电探针后面安装有立柱，所述立柱与矩形波导上底板和下底板连接。

进一步的，所述馈电端口均匀分布在上底板上。

进一步的，所述馈电端口对称分布在上底板中轴线两侧。

本实用新型的天线阵列侧馈式馈电网络，能够在波导前端靠近阵面外侧的情况下直接将微波从馈电波导的一端馈入，从而节省了纵向空间并降低了馈电系统的复杂性，也为功率容量等其他指标的优化提供了更大的空间。本实用新型还具有结构简单紧凑，功率容量高的特点。

为了实现上述目的，根据本实用新型具体实施方式的另一个方面，提供了一种螺旋天线系统，由结构相同的两组螺旋天线阵列并排构成；其特征在于，所述螺旋天线阵列具有侧馈式馈电网络及其馈电端口连接的螺旋天线；所述侧馈式馈电网络包括顺序连接的馈电波导、第一波导、过渡波导和第二波导；所述馈电波导与第一波导连接处具有折弯结构；所述第一波导、过渡波导和第二波导均为矩形波导，其上底板宽度相同且处于同一平面；所述第一波导厚度大于第二波导；所述过渡波导入口处厚度与第一波导相同，出口处厚度与第二波导相同；所述上底板上分布有馈电端口；所述两组螺旋天线阵列馈电波导底端封闭并相互连通，其连通处与波导输入端连接；所述波导输入端由第一同轴波导、第二同轴波导和圆波导顺序连接构成，所述第一同轴波导、第二同轴波导和圆波导同轴，所述第一同轴波导连接微波源，所述圆波导连接馈电波导。

进一步的，所述螺旋天线为短螺旋天线。

进一步的，所述连通处具有倒角结构。

具体的，所述折弯结构弯曲角度为π/2。

进一步的，所述波导输入端与馈电波导垂直。

具体的，所述第一同轴波导外导体直径大于第二同轴波导外导体直径，所述第一同轴波导内导体直径大于第二同轴波导内导体直径小于第二同轴波导外导体直径，所述圆波导直径大于第一同轴波导外导体直径小于第二同轴波导外导体直径。

进一步的，所述第一同轴波导与第二同轴波导连接处内导体和/或外导体具有倒角结构。

进一步的，所述第二同轴波导内导体顶部具有倒角结构。

进一步的，所述馈电端口具有耦合量调节结构。

具体的，所述耦合量调节结构包括耦合环和/或耦合柱。

具体的，所述馈电端口数量为66个。

更具体的，所述馈电端口排列成3×22的矩阵。

更具体的，所述螺旋天线系统工作频率为1.575GHz。

本实用新型的螺旋天线系统，由结构相同的两组螺旋天线阵列并排构成，采用入口位于一侧的拐弯结构作为馈电波导，代替径向线向螺旋天线阵列馈电，不但扩大了阵列单元数量，还节省了纵向空间，非常适合用于纵向空间受限的场合，也为功率容量等指标的优化提供了更大的空间。本实用新型两个并排的馈电波导相互连通并与波导输入端连接，形成过模圆波导到两路矩形波导的功分器，可以连接高功率微波源并将微波均匀分配至两个子阵中。本实用新型的螺旋天线系统还具有高效率、高功率容量、辐射圆极化波的特点。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1a是矩形波导结构示意图；

图1b是同轴波导结构示意图；

图2是实施例1的天线阵列侧馈式馈电网络结构示意图；

图3是图2的俯视示意图；

图4是实施例1的馈电波导结构示意图(也是图2的A-A剖面示意图)；

图5是实施例1的馈电探针和耦合环装配结构示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是实施例1的馈电探针和耦合柱装配结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是实施例1的立柱结构示意图；

图10是图9的俯视图；

图11是实施例2的天线阵列侧馈式馈电网络结构示意图；

图12是图11的俯视图；

图13是实施例2的馈电波导结构示意图；

图14是实施例3的螺旋天线系统结构示意图；

图15是实施例3的螺旋天线系统波导输入端结构示意图；

图16是图14的B-B剖面示意图；

图17是实施例3的螺旋天线与馈电端口连接处局部放大示意图。

其中：

1 为馈电波导；

2 为第一波导；

3 为过渡波导；

4 为第二波导；

5 为馈电探针；

6 为圆孔；

7 为耦合环；

8 为耦合柱；

9 为立柱；

10 为波导输入端；

11 为第一同轴波导；

12 为第二同轴波导；

13 为圆波导；

14、15 为矩形输入波导；

16、17 为矩形匹配波导；

80 为馈电端口；

90 为螺旋天线；

91 为天线底座；

92 为螺旋天线匹配球；

OX 为上底板中轴线；

OY 为馈电波导对称轴；

PQ 为螺旋天线系统的对称轴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型具体实施方式、实施例中的附图，对本实用新型具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型中涉及的波导是一种用来约束或引导电磁波的结构，也是一种传输线，通常采用金属材料制作而成。根据波导的作用和功能，可以将用于连接微波源的波导称为馈电波导或波导输入端，用于传输微波的波导称为传输波导，用于阻抗变换的波导称为匹配波导等。对于封闭波导，其腔体中可以填充介质或不填充介质。本实用新型主要涉及两种波导，分别是矩形波导40和同轴波导50，如图1a和图1b所示。矩形波导40截面为矩形，由上底板41、下底板42和两个侧板连接构成，如图1a所示。其微波传输特性主要由矩形的宽度a和厚度 b决定，与波导材料的厚薄无关。同轴波导50由同轴的内导体51和外导体52构成，如图1b 所示。作为一种微波传输线，微波被约束在内导体51和外导体52之间，传输特性主要由内导体51半径r和外导体52半径R决定，不受内导体51是否为实心结构及外导体52材料厚薄影响。

实施例1

参见图2、图3和图4，本例天线阵列侧馈式馈电网络，包括顺序连接的馈电波导1、第一波导2、过渡波导3和第二波导4，如图2所示。可以看出，本例馈电波导1出口连接第一波导2入口，连接处折弯π/2，并且折弯处具有倒角结构，折弯处外侧斜边倒角，折弯处内侧圆弧倒角，如图2所示。第一波导2的出口与过渡波导3的入口连接，过渡波导3的出口连接第二波导4的入口，第二波导4出口为微波封闭状态，用于防止微波泄漏。

本例第一波导2、过渡波导3和第二波导4均为矩形波导，其上底板41宽度相同且处于同一平面，也就是说，第一波导2、过渡波导3和第二波导4的上底板41为一个整体，如图 2和图3所示。

本例第一波导2厚度大于第二波导4的厚度，过渡波导3入口处厚度与第一波导2相同，过渡波导3出口处厚度与第二波导4相同。这种结构使得过渡波导3下底板为斜面，实现由厚度较大的第一波导2过渡到厚度较小的第二波导4。

由图3可见，本例上底板41上均匀分布有馈电端口80，馈电端口80在上底板41上均匀分布并以中轴线OX为对称轴对称分布。

由于各个馈电端口所处位置不同，场强不同，要求各个端口具有不同的耦合系数，以便使连接到各个端口的天线提取的微波能量尽可能相等，以提高天线阵列的性能。本例馈电端口80的这种对称分布方式，各个端口耦合系数沿上底板中轴线两侧递减，越靠近中轴线耦合系数越小，而且馈电端口耦合系数沿上底板中轴线纵向递减，越靠近馈电波导1耦合系数越小，为简化馈电端口耦合系数的调整提供了方便。

由图3可见，本例上底板41上共有66个馈电端口80，他们排列成3排，一排位于中轴线OX上，另外两排对称分布在中轴线OX两侧，每排22馈电端口，每个馈电端口装配上天线就可以构成一个3×22的天线阵列。由图3可以看出，本例馈电端口对称均匀分布，馈电端口J和馈电端口K与馈电波导1的距离相等，与中轴线OX距离也相等，所以馈电端口J和馈电端口K只要设定相同的耦合系数，就可以保证这两个馈电端口上连接的天线提取的微波能量相等，这样就可以采用相同结构的馈电端口和耦合部件。本例这种均匀对称的馈电端口结构，可以大大降低馈电网络加工难度，简化馈电端口耦合系数的调整，有利于降低系统成本。

参见图4，本例馈电波导1由宽度和厚度都不同的矩形输入波导15和矩形匹配波导17 连接构成，这种馈电波导结构具有阻抗变换作用。通过改变矩形输入波导15和矩形匹配波导 17的宽度和/或厚度，可以连接不同阻抗的微波输出端口，实现侧馈式馈电网络与微波源输出端口的匹配。为了提高微波传输性能，图4中矩形输入波导15和矩形匹配波导17连接处进行了倒角处理，倒角处为斜边，位于矩形匹配波导17中与矩形输入波导15的连接边。

由图2和图3可以清楚看出，本例馈电端口80为同轴馈电端口，由上底板41上的圆孔 6及圆孔中心的馈电探针5构成。上底板41上的圆孔6相当于同轴波导的外导体，馈电探针 5就是由同轴波导内导体及其向矩形波导内延伸的部分构成。由图2可见，圆孔6的直径大于馈电探针5的直径，同轴波导内导体延伸到与矩形波导下底板相连。

本例这种结构的馈电端口80，馈电探针5不利于场强的集中，能够降低馈电探针对功率容量产生的限制作用。

由图2可见，本例中，有的馈电端口中馈电探针5上安装有耦合环7或耦合柱8，耦合环7或耦合柱8都是用于调节耦合系数的。耦合环安装在馈电探针上端，可以在一定条件下起到馈电探针磁耦合与电耦合抵消的作用，从而实现调整耦合量的需要。耦合柱8安装在馈电探针下端，其作用相当于增加了馈电探针下端的直径，具有提高电磁耦合系数的作用，主要用在场强较弱的馈电端口处，如远离馈电波导1的地方等。

本例耦合耦合环7与馈电探针5的装配结构示意图如图5和图6所示，馈电探针5为一圆柱体，耦合环7由一个圆环构成，为了增强耦合环的调节作用，圆环直径两端还增加了一条L型延伸臂。通过调整耦合环在馈电探针上的位置以及改变耦合环的尺寸，如圆环的直径、延伸臂的长度等，可以非常方便的调节耦合量。

本例耦合柱8与馈电探针5的装配结构由图7和图8示出，可以看出，本例耦合柱为一圆柱体，圆柱体中心有一个孔，可以将耦合柱套在馈电探针5的底部。通过改变圆柱体的直径和高度，可以调节耦合系数。

由图2可以看出，除了第二波导4出口处的几个馈电端口外，其他馈电端口中馈电探针后面都安装有立柱9。立柱9为圆柱体，其结构如图9和图10所示，立柱9两端分别与矩形波导上底板和下底板连接，其主要作用是消除馈电探针引起的微波反射，改善微波传输性能。

本例天线阵列侧馈式馈电网络工作原理是：微波由位于侧面的馈电波导1底部的入口馈入，波导内传播的模式主要是TE10波，该入口处馈电波导为纵向，经过阻抗变换后尺寸得到了扩大同时转弯90度，波导方向与原先的传播方向垂直且在过渡段波导3之前横截面保持不变，这时波导内传输的仍是TE10模式，因此馈电网络波导中的场关于宽边中心轴(即底板41 的中轴线OX)对称分布，且两侧的场强小，宽边中心轴线上的场强大，因此在选择耦合探针时，宽边中心轴线上的馈电端口应采用耦合能力相对较弱的馈电探针，而两侧的馈电端口应选用耦合能力相对较强的馈电探针，也就是对中心线上的馈电端口，馈电探针的耦合环位置靠近上底板，从而减小馈电探针的耦合，而两侧馈电端口的耦合环位置靠近下底板，从而增大馈电探针的耦合。微波在馈电系统的传播过程中，由于能量不断地被探针耦合出去，因此馈电系统越靠后的部分(即远离馈电波导1的部分)场强越小，其所在位置的馈电端口也需要选择耦合能力更强的馈电探针，对于部分馈电探针，耦合环的调节范围无法使其耦合量满足要求，则选择带耦合柱的馈电探针，通过增大耦合柱半径及高度，增大馈电探针的耦合量从而使馈电端口耦合量满足要求。

实施例2

当微波工作频率为1.575GHz时，本例天线阵列侧馈式馈电网络的主要结构尺寸如图11、图12和图13所示。该馈电网络中馈电端口80尺寸为：圆孔6外径为15.75mm，馈电探针直径为5mm，高度与上底板41齐平，立柱9半径为2.5mm，距离馈电探针的距离为72mm，高度与上底板41和下底板42之间的距离相等，耦合环7的圆环内外径分别为5mm和8mm，其位于波导空间内，具体高度由所在位置决定，耦合环延伸臂的长度等参数也由其所在位置决定。本例中耦合环延伸臂顶部均与波导上底板连接。本例馈电端口分布形式与实施例1相同，馈电端口间距在纵横两个方向均为100mm，如图12所示。

本例天线阵列侧馈式馈电网络仿真结果表明，在中心频点1.575GHz其TE10模式的反射系数为0.08，在整个频带1.525～1.613GHz内反射系数小于0.2，在频带1.55～1.6GHz内可以实现各馈电端口的等幅馈电，该馈电网络腔体内部是真空环境，取电场击穿阈值为35MV/m，则该馈电系统的功率容量为2.24GW。

实施例3

本例螺旋天线系统，由结构相同的两组螺旋天线阵列并排构成，如图14、图15、图16 和图17所示。

本例中，并排的两组螺旋天线阵列结构相同，都具有侧馈式馈电网络，该馈电网络中每个馈电端口都连接有短螺旋天线90，构成3×22的平面天线阵列，并排的两组螺旋天线阵列就构成本例132单元螺旋天线阵列系统，如图14和图16所示。根据螺旋天线的特点，为了便于安装和固定，本例螺旋天线都安装在天线底座91上，螺旋天线输入端的匹配球92与馈电探针5连接，如图17所示。

图14示出了本例侧馈式馈电网络，可以看出，该侧馈式馈电网络结构与实施例1描述的侧馈式馈电网络结构完全相同，包括顺序连接的馈电波导1、第一波导2、过渡波导3和第二波导4。本例馈电波导1出口连接第一波导2入口，连接处折弯π/2，并且折弯处具有倒角结构，折弯处外侧斜边倒角，折弯处内侧圆弧倒角，如图14所示。第一波导2的出口与过渡波导3的入口连接，过渡波导3的出口连接第二波导4的入口，第二波导4出口为微波封闭状态，可以防止微波泄漏。

本例两组螺旋天线阵列中，第一波导2、过渡波导3和第二波导4均为矩形波导，其上底板41宽度相同且处于同一平面，两组螺旋天线阵列并排后，其上底板41都在同一平面上，构成一个6×22的平面天线阵列，参见图16和图14。

由图14可以看出，本例第一波导2厚度大于第二波导4的厚度，过渡波导3入口处厚度与第一波导2相同，过渡波导3出口处厚度与第二波导4相同。这种结构使得过渡波导3下底板为斜面，实现由厚度较大的第一波导2过渡到厚度较小的第二波导4。

本例馈电端口在上底板41上均匀对称分布。

由于各个馈电端口所处位置不同，场强不同，要求各个端口具有不同的耦合系数，以便使连接到各个端口的天线提取的微波能量尽可能相等，以提高天线阵列的性能。为了简化馈电端口耦合系数的调整，并根据本例馈电网络的特点，本例馈电端口耦合系数的设置是，沿上底板中轴线两侧递减，越靠近中轴线耦合系数越小，而且馈电端口耦合系数沿上底板中轴线纵向递减，越靠近馈电波导1耦合系数越小。

本例并排的两个馈电波导结构完全相同，分别由宽度和厚度都不同的矩形输入波导和矩形匹配波导连接构成，参见图16。其中矩形输入波导14与矩形输入波导15结构相同，矩形匹配波导16与矩形匹配波导17结构相同。这种馈电波导具有阻抗变换作用。通过改变矩形输入波导和矩形匹配波导宽度和/或厚度，可以连接不同阻抗的微波输出端口，实现侧馈式馈电网络与微波源输出端口的匹配。为了提高微波传输性能，图16中两个矩形输入波导和矩形匹配波导连接处进行了倒角处理，倒角处为斜边，位于矩形匹配波导中与矩形输入波导的连接边。

本例两组螺旋天线阵列馈电波导底端封闭并相互连通，其连通处与波导输入端10连接，如图16所示。波导输入端10与两个并排的馈电波导垂直并连接在对称轴PQ上，波导输入端 10由第一同轴波导11、第二同轴波导12和圆波导13顺序连接构成，如图15所示。第一同轴波导11、第二同轴波导12和圆波导13同轴，其轴线与图16中的对称轴PQ垂直相交。第一同轴波导11连接微波源，圆波导13连接馈电波导。本例这种并排的两个馈电波导与波导输入端的连接结构，构成一个圆波导到两路矩形波导的一分二功率分配器，与高功率微波源输出端连接，可以将微波能量均匀分配到两个并排的馈电波导中，为两组螺旋天线阵列提供相同的微波能量。

本例中，第一同轴波导11外导体直径大于第二同轴波导12外导体直径，第一同轴波导 11内导体直径大于第二同轴波导12内导体直径小于第二同轴波导外导体直径，圆波导直径大于第一同轴波导11外导体直径小于第二同轴波12导外导体直径，圆波导13的长度大于馈电波导的长度，如图15所示。由于第一同轴波导11和第二同轴波导12内外导体直径都不相同，其连接处结构突变对微波传输会带来不利影响，所以第一同轴波导11与第二同轴波导 12连接处内导体和外导体均进行了倒角处理，同时对第二同轴波导12内导体顶部也进行了倒角处理，参见图15。这些倒角结构缓和了结构突变的影响，有利于微波传输和系统性能的改善。

由于馈电端口分布位置不同，提取的微波能量有差异，为了实现等幅馈电，需要馈电端口具有耦合量调节结构，如安装耦合环或耦合柱等，如图17所示。图中螺旋天线90通过天线底座91固定在上底板41上，正好位于馈电端口上方。螺旋天线匹配球92连接在馈电探针 5顶端，馈电探针5延伸到下底板42与下底板42连接。

本例波导输入端是一个同轴输入端口，同轴波导经过半径变化后由一大同轴波导变成一小同轴波导之后连接圆波导。并排的两路馈电波导由矩形波导构成，与圆波导垂直相连。同轴波导TEM模与圆波导TM01模场分布相似，均具有旋转轴对称结构，因此设计一适当的圆波导与微波源同轴输出端连接可以获得较好的匹配，而两路矩形波导则与圆波导垂直相连，在圆波导与矩形波导的连接位置形成了一个短路臂来实现圆波TM01模到两路矩形波导TE10模的转换过程中的模式匹配，通过模式匹配法计算功分器的相应参数。微波由两路矩形波导分别进入两个子阵的馈电波导后，主要在波导内传输TE10模，因此中间场强大，两侧场强小，场强在波导内部分布并不均匀，因此选择耦合量调节范围较大的馈电探针，通过调节耦合环的高度等参数对耦合量进行适当调节，从而实现各馈电端口的等幅输出，耦合探针提取的能量通过同轴馈电端口输出，通过同轴馈电端口内导体与螺旋天线连接的方法来激励天线。

本例中，螺旋天线阵列中每个螺旋天线结构相同，各个螺旋天线的初始相位可以通过旋转该馈电端口的螺旋天线来调整，可以实现所有螺旋天线的同相激励和天线阵列的轴向辐射。

仿真结果表明本例天线系统主要指标为：在中心频点1.575GHz阵列驻波比为1.31，反射系数为0.137，在整个频带1.56～1.61GHz内反射系数小于0.2，天线阵列轴向辐射时增益达到26.3dB，轴比为0.58dB，3dB带宽4.3°，副瓣电平-13.4dB，辐射功率可以达到GW级别。

Claims (10)

1.螺旋天线系统，由结构相同的两组螺旋天线阵列并排构成；其特征在于，所述螺旋天线阵列具有侧馈式馈电网络及其馈电端口连接的螺旋天线；所述侧馈式馈电网络包括顺序连接的馈电波导、第一波导、过渡波导和第二波导；所述馈电波导与第一波导连接处具有折弯结构；所述第一波导、过渡波导和第二波导均为矩形波导，其上底板宽度相同且处于同一平面；所述第一波导厚度大于第二波导；所述过渡波导入口处厚度与第一波导相同，出口处厚度与第二波导相同；所述上底板上分布有馈电端口；所述两组螺旋天线阵列馈电波导底端封闭并相互连通，其连通处与波导输入端连接；所述波导输入端由第一同轴波导、第二同轴波导和圆波导顺序连接构成，所述第一同轴波导、第二同轴波导和圆波导同轴，所述第一同轴波导连接微波源，所述圆波导连接馈电波导。

2.根据权利要求1所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述螺旋天线为短螺旋天线。

3.根据权利要求1所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述连通处具有倒角结构。

4.根据权利要求1所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述折弯结构弯曲角度为π/2。

5.根据权利要求1所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述波导输入端与馈电波导垂直。

6.根据权利要求1所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述第一同轴波导外导体直径大于第二同轴波导外导体直径，所述第一同轴波导内导体直径大于第二同轴波导内导体直径小于第二同轴波导外导体直径，所述圆波导直径大于第一同轴波导外导体直径小于第二同轴波导外导体直径。

7.根据权利要求6所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述第一同轴波导与第二同轴波导连接处内导体和/或外导体具有倒角结构。

8.根据权利要求6所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述第二同轴波导内导体顶部具有倒角结构。

9.根据权利要求1所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述馈电端口具有耦合量调节结构。

10.根据权利要求9所述的螺旋天线系统，其特征在于，所述耦合量调节结构包括耦合环和/或耦合柱。