CN209401845U - 一种超宽带圆极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超宽带圆极化阵列天线，从上至下依次包括开口波导层、多孔耦合板、过膜腔体和用来圆极化的方形波导，所述方形波导远离过膜腔体一侧设有两个开口，其中一个开口为右旋圆极化馈电端口，另一个开口为左旋圆极化馈电端口；所述方形波导内设有用来移相位的金属隔片。本实用新型在圆极化器和一馈四结构的基础上，通过在圆极化器上添加金属移相片，并在一馈四的过模腔体上采用波纹移相结构，在实现双圆极化辐射的同时，大大降低了天线的剖面高度，并展宽了天线的工作频带。

Description

一种超宽带圆极化阵列天线

技术领域

本实用新型属于射频天线技术领域，具体涉及一种超宽带圆极化阵列天线。

背景技术

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

而电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波(简称极化波)。如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的(横)平面内取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极化电磁波称为平面极化波。电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按极化曲线的形状对极化波命名。对于单一频率的平面极化波，极化曲线是一椭圆(称极化椭圆)，故称椭圆极化波。顺传播方向看去，若电场矢量的旋向为顺时针，符合右螺旋法则，称右旋极化波；若旋向为逆时针，符合左螺旋法则，称左旋极化波。按极化椭圆的几何参数。可直观地对椭圆极化波作定量描述，即轴比ρ(长轴与短轴之比)。发射和接收电磁波的天线都具有确定的极化性质，可根据其用作发射天线时在最强辐射方向上的电磁波极化而命名。例如，水平或垂直极化天线辐射水平或垂直极化波；右旋或左旋(椭)圆极化天线辐射右旋或左旋(椭)圆极化波。通常为了在收发天线之间实现最大的功率传输，应采用极化性质相同的发射天线和接收天线，这种配置条件称为极化匹配。

圆极化天线在无线电领域中有重要作用。特别在航天飞行器中，由于飞行器位置姿态的固定，它们的通讯测控设备都要求是共形的、重量轻、体积小而且成本低的圆极化天线。圆极化微带天线就是能满足这些要求的比较理想的天线。所述的圆极化当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0～360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。在电场的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差90°或270°时，可以得到圆极化。圆极化，若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系，称右旋圆极化；反之，若成左螺旋关系，称左旋圆极化。

现有的圆极化天线通常截面高度较高，想要达到较好的圆极化效果，同时需要达到较宽的频带，通常需要较大的天线体积，不利于天线的布置，尤其是在一些小型设备上。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型目的在于提供一种一馈四的圆极化天线结构从而有效的减小整个天线的体积并达到较宽的工作频带。

本实用新型所采用的技术方案为：一种超宽带圆极化阵列天线，从上至下依次包括开口波导层、多孔耦合板、过膜腔体和用来圆极化的方形波导；

所述方形波导远离过膜腔体一侧设有两个开口，其中一个开口为右旋圆极化馈电端口，另一个开口为左旋圆极化馈电端口；

所述方形波导内设有用来移相位的金属隔片。

首先，所述方形波导即为一种矩形波导管结构，采用金属材质或在外表贴附有金属层进行屏蔽。而下端设有两个单独的馈电口，从而同时进行右旋圆极化和左旋圆极化。所述圆极化是当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0～360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。在电场的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差90°或270°时，可以得到圆极化。若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系，称右旋圆极化；反之，若成左螺旋关系，称左旋圆极化。

圆极化波的电场矢量端点的轨迹是一个在垂直于传播方向的平面内的圆(电场矢量的方向在旋转，而幅度不变)。则沿传播方向观察，电场矢量顺时针方向旋转，称为右旋圆极化波，电场矢量逆时针方向旋转，称为左旋圆极化波。如果迎着传播方向观察，右旋波为逆时针方向旋转，左旋波为顺时针方向旋转。辐射圆极化波的天线为圆极化天线，轴向模螺旋天线是一种圆极化天线。圆极化的主要优点是，用它做发射时，如果用线极化的作接收，则任意方向的线极化都能接收到电平值，即不存在线极化和线极化垂直时接收不到电平值的情况。

而在微带天线中，存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模式，当馈电点位于贴片的对角线上时，天线中可同时维持两种主模同相且极化正交，结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在的对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周且有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交、幅度相等且相位相差的线极化波。故本实用新型中采用的方形波导通过两个馈电口同时进行右旋圆极化和左旋圆极化，并通过上部设有的过膜腔体实现双圆极化辐射，同时又能够降低天线的剖面高度，并展宽了天线的工作频带，最后通过一馈四的结构设计从四个开口波导中向外辐射。

进一步的，所述方形波导为截面呈正方形形状的金属管体结构，其一端开口与所述过膜腔体连通；

另一端开口沿任一中线设有档条，所述档条向开口内侧凹陷形成通槽并通过所述通槽将开口分隔为右旋圆极化馈电端口和左旋圆极化馈电端口；

所述金属隔片设置在通槽内侧并与所述方形波导任一开口平面垂直。

进一步的，所述金属隔片为切削后的矩形薄片状结构，其三个侧面与所述方形波导内壁贴合，另一侧面沿垂直于所述金属隔片方向多次切割形成的阶梯型的A表面。

进一步的，所述金属隔片与所述方形波导的内壁贴合的三个侧面分别为B侧面、C侧面和D侧面；

其中所述B侧面与所述通槽内侧面贴合；

所述C侧面和D侧面为一组相对面且均设置在方形波导的侧面中线位置，且所述C侧面长度小于D侧面长度。

首先，金属隔片为整块的金属板材进行切割形成的异形板结构，其中B侧面、C侧面和D侧面均为完整的矩形面，其宽度即为整个金属隔片的厚度。而B侧面、C侧面和D侧面均与方形波导贴合从而将方形波导的下部分隔为两个区域，以便设置两个馈电口。而A面为多个具有高度差的矩形面，形成阶梯状结构，而C侧面为最低位置，高度逐渐向D侧面递增。而D侧面的长度与整个方形波导的长度减去沉槽的深度的值相等。

进一步的，在所述金属隔片的D侧面的两侧均设有与金属隔片贴合的金属移相片，所述金属移相片与方形波导内壁贴合。

随着微波、毫米波技术的快速发展，移相器作为一种可以对电磁波相位进行控制和调整的器件，在卫星通信、相控阵雷达等领域具有非常广泛的应用。移相器作为相控阵雷达系统的关键器件，其性能优劣直接关系到整个相控阵雷达系统。波导移相器具有频率高、功率高、插入损耗小、带宽宽、成本低的优点，因此有非常重要的研究价值。

进一步的，所述过膜腔体为矩形波导结构，并在所述过膜腔体一组相对的内壁上设有多组对称的膜片。

进一步的，所述膜片为所述过膜腔体外侧壁向内凹陷形成的条状凹槽结构，从而在所述过膜腔体内侧的一组相对面上形成对称设置的波纹凹凸面结构。

根据现有的理论研究表明，微波矩形金属波导具有传输损耗小、功率容量大、工作频带窄和工作频率高的优点，是大功率微波输出窗通常采用的结构，其主要功能是将微波功率通过矩形波导等传输线传输到天线等负载。在波导中放置横向电感膜片作为滤波电抗元件可以改善传输带宽，波导截面的改变所引起的电抗效应可以用复杂的场解法分析。微波传输线电路的等效四端口网络模型是分析含有横向电感膜片的矩形波导结构近似和较为简单的方法。

以微波传输线等效二端口网络模型等效电路理论近似分析了含有横向电感膜片矩形波导的结构，计算发现矩形波导内置一对膜片时膜片的宽度会影响散射参数的相位和振幅而膜片放置的位置对散射参数的幅值及带宽没有影响。根据微波无反射传输的条件，研究了微波矩形波导内置两组横向电感膜片结构的转移矩阵。采用Matlab编程计算，得到在插入衰减最小时两组膜片在波导中的最佳间距，等效电路理论计算结果与用CST软件仿真的结果相符。研究发现，在膜片间距取最佳值时，两种方法得到的相对带宽差值仅为0.59％。

按照现有的理论基础，对过膜腔体内壁上的多个膜片的间距进行合理设置，并通过设置多组膜片的方式在减小整个过膜腔体的截面高度前提下尽可能展宽了天线的工作频带。

进一步的，所述多孔耦合板上设有多个圆孔。

进一步的，所述多孔耦合板上均匀布置有四个圆孔，并对应每个所述圆孔均在其圆孔上方设有对应的开口波导块，所述开口波导块设置在同一水平面上从而构成开口波导层。

进一步的，所述开口波导块为正方体形状。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型在圆极化器和一馈四结构的基础上，通过在圆极化器上添加金属移相片，并在一馈四的过模腔体上采用波纹移相结构，在实现双圆极化辐射的同时，大大降低了天线的剖面高度，并展宽了天线的工作频带。

附图说明

图1是本实用新型的部分透视结构示意图；

图2是本实用新型的透视爆炸结构示意图；

图3是本实用新型的背面结构示意图；

图4是本实用新型的侧面透视结构示意图；

图5是本实用新型的方形波导的透视结构示意图；

图6是本实用新型的过膜腔体的透视结构示意图；

图7是本实用新型的实施例2中天线单元圆极化增益波形图；

图8是本实用新型的实施例2中天线单元圆极化轴比波形图。

图中：1-开口波导层，2-多孔耦合板，3-过膜腔体，4-方形波导，5-右旋圆极化馈电端口，6-左旋圆极化馈电端口，7-金属隔片，8-开口波导块，9-通槽，10-金属移相片，11-膜片，12-圆孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步阐释。

实施例1：

本实施例提供一种超宽带圆极化阵列天线，如图1-6所示，从上至下依次包括开口波导层1、多孔耦合板2、过膜腔体3和用来圆极化的方形波导4，所述方形波导4远离过膜腔体3一侧设有两个开口，其中一个开口为右旋圆极化馈电端口5，另一个开口为左旋圆极化馈电端口6；所述方形波导4内设有用来移相位的金属隔片7。

下端设有两个单独的馈电口，从而同时进行右旋圆极化和左旋圆极化。所述圆极化是当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。在电场的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差°或°时，可以得到圆极化。若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系，称右旋圆极化；反之，若成左螺旋关系，称左旋圆极化。

则沿传播方向观察，电场矢量顺时针方向旋转，称为右旋圆极化波，电场矢量逆时针方向旋转，称为左旋圆极化波。如果迎着传播方向观察，右旋波为逆时针方向旋转，左旋波为顺时针方向旋转。辐射圆极化波的天线为圆极化天线，轴向模螺旋天线是一种圆极化天线。圆极化的主要优点是，用它做发射时，如果用线极化的作接收，则任意方向的线极化都能接收到电平值，即不存在线极化和线极化垂直时接收不到电平值的情况。

方形波导4为截面呈正方形形状的金属管体结构，其一端开口与所述过膜腔体3连通；另一端开口沿任一中线设有档条，所述档条向开口内侧凹陷形成通槽9并通过所述通槽9将开口分隔为右旋圆极化馈电端口5和左旋圆极化馈电端口6；所述金属隔片7设置在通槽9内侧并与所述方形波导4任一开口平面垂直。

金属隔片7为切削后的矩形薄片状结构，其三个侧面与所述方形波导4内壁贴合，另一侧面沿垂直于所述金属隔片7方向多次切割形成的阶梯型的A表面。金属隔片7与所述方形波导4的内壁贴合的三个侧面分别为B侧面、C侧面和D侧面；其中所述B侧面与所述通槽9内侧面贴合；所述C侧面和D侧面为一组相对面且均设置在方形波导4的侧面中线位置，且所述C侧面长度小于D侧面长度。金属隔片7为整块的金属板材进行切割形成的异形板结构，其中B侧面、C侧面和D侧面均为完整的矩形面，其宽度即为整个金属隔片7的厚度。

而B侧面、C侧面和D侧面均与方形波导4贴合从而将方形波导4的下部分隔为两个区域，以便设置两个馈电口。而A面为多个具有高度差的矩形面，形成阶梯状结构，而C侧面为最低位置，高度逐渐向D侧面递增。而D侧面的长度与整个方形波导4的长度减去沉槽的深度的值相等。

在所述金属隔片7的D侧面的两侧均设有与金属隔片7贴合的金属移相片10，所述金属移相片10与方形波导4内壁贴合。随着微波、毫米波技术的快速发展，移相器作为一种可以对电磁波相位进行控制和调整的器件，在卫星通信、相控阵雷达等领域具有非常广泛的应用。移相器作为相控阵雷达系统的关键器件，其性能优劣直接关系到整个相控阵雷达系统。波导移相器具有频率高、功率高、插入损耗小、带宽宽、成本低的优点，因此有非常重要的研究价值。

过膜腔体3为矩形波导结构，并在所述过膜腔体3一组相对的内壁上设有多组对称的膜片11。

膜片11为所述过膜腔体3外侧壁向内凹陷形成的条状凹槽结构，从而在所述过膜腔体3内侧的一组相对面上形成对称设置的波纹凹凸面结构。根据现有的理论研究表明，微波矩形金属波导具有传输损耗小、功率容量大、工作频带窄和工作频率高的优点，是大功率微波输出窗通常采用的结构，其主要功能是将微波功率通过矩形波导等传输线传输到天线等负载。在波导中放置横向电感膜片11作为滤波电抗元件可以改善传输带宽，波导截面的改变所引起的电抗效应可以用复杂的场解法分析。微波传输线电路的等效四端口网络模型是分析含有横向电感膜片11的矩形波导结构近似和较为简单的方法。以微波传输线等效二端口网络模型等效电路理论近似分析了含有横向电感膜片11矩形波导的结构，计算发现矩形波导内置一对膜片11时膜片11的宽度会影响散射参数的相位和振幅而膜片11放置的位置对散射参数的幅值及带宽没有影响。根据微波无反射传输的条件，研究了微波矩形波导内置两组横向电感膜片11结构的转移矩阵。采用Matlab编程计算，得到在插入衰减最小时两组膜片11在波导中的最佳间距，等效电路理论计算结果与用CST软件仿真的结果相符。

按照现有的理论基础，对过膜腔体3内壁上的多个膜片11的间距进行合理设置，并通过设置多组膜片11的方式在减小整个过膜腔体3的截面高度前提下尽可能展宽了天线的工作频带。多孔耦合板2上设有多个圆孔12。

实施例2：

本实施例提供一种超宽带圆极化阵列天线，如图1-6所示，从上至下依次包括开口波导层1、多孔耦合板2、过膜腔体3和用来圆极化的方形波导4，所述方形波导4远离过膜腔体3一侧设有两个开口，其中一个开口为右旋圆极化馈电端口5，另一个开口为左旋圆极化馈电端口6；所述方形波导4内设有用来移相位的金属隔片7。

下端设有两个单独的馈电口，从而同时进行右旋圆极化和左旋圆极化。所述圆极化是当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。在电场的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差°或°时，可以得到圆极化。若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系，称右旋圆极化；反之，若成左螺旋关系，称左旋圆极化。

方形波导4为截面呈正方形形状的金属管体结构，其一端开口与所述过膜腔体3连通；另一端开口沿任一中线设有档条，所述档条向开口内侧凹陷形成通槽9并通过所述通槽9将开口分隔为右旋圆极化馈电端口5和左旋圆极化馈电端口6；所述金属隔片7设置在通槽9内侧并与所述方形波导4任一开口平面垂直。

金属隔片7为切削后的矩形薄片状结构，其三个侧面与所述方形波导4内壁贴合，另一侧面沿垂直于所述金属隔片7方向多次切割形成的阶梯型的A表面。金属隔片7与所述方形波导4的内壁贴合的三个侧面分别为B侧面、C侧面和D侧面；其中所述B侧面与所述通槽9内侧面贴合；所述C侧面和D侧面为一组相对面且均设置在方形波导4的侧面中线位置，且所述C侧面长度小于D侧面长度。金属隔片7为整块的金属板材进行切割形成的异形板结构，其中B侧面、C侧面和D侧面均为完整的矩形面，其宽度即为整个金属隔片7的厚度。

而B侧面、C侧面和D侧面均与方形波导4贴合从而将方形波导4的下部分隔为两个区域，以便设置两个馈电口。而A面为多个具有高度差的矩形面，形成阶梯状结构，而C侧面为最低位置，高度逐渐向D侧面递增。而D侧面的长度与整个方形波导4的长度减去沉槽的深度的值相等。

在所述金属隔片7的D侧面的两侧均设有与金属隔片7贴合的金属移相片10，所述金属移相片10与方形波导4内壁贴合。随着微波、毫米波技术的快速发展，移相器作为一种可以对电磁波相位进行控制和调整的器件，在卫星通信、相控阵雷达等领域具有非常广泛的应用。移相器作为相控阵雷达系统的关键器件，其性能优劣直接关系到整个相控阵雷达系统。波导移相器具有频率高、功率高、插入损耗小、带宽宽、成本低的优点，因此有非常重要的研究价值。

过膜腔体3为矩形波导结构，并在所述过膜腔体3一组相对的内壁上设有多组对称的膜片11。

膜片11为所述过膜腔体3外侧壁向内凹陷形成的条状凹槽结构，从而在所述过膜腔体3内侧的一组相对面上形成对称设置的波纹凹凸面结构。根据微波无反射传输的条件，研究了微波矩形波导内置两组横向电感膜片11结构的转移矩阵。采用Matlab编程计算，得到在插入衰减最小时两组膜片11在波导中的最佳间距，等效电路理论计算结果与用CST软件仿真的结果相符。按照现有的理论基础，对过膜腔体3内壁上的多个膜片11的间距进行合理设置，并通过设置多组膜片11的方式在减小整个过膜腔体3的截面高度前提下尽可能展宽了天线的工作频带。

如图5所示，其中两侧均对称设有四条膜片11，且间距相同，根据现有理论将其间距设定为最佳值。

多孔耦合板2上设有多个圆孔12。多孔耦合板2上均匀布置有四个圆孔12，并对应每个所述圆孔12均在其圆孔12上方设有对应的开口波导块8，所述开口波导块8设置在同一水平面上从而构成开口波导层1。所述开口波导块8为正方体形状。

如图7和图8所示，为本实施例中的天线通过HFSS仿真软件进行仿真测试的波形图。天线轴比(1.7dB)，小于3dB的带宽为30％，天线的辐射效率大于85％，带宽内增益大于13.7dB。此天线结构的特点是，实现了高效率圆极化天线，较适合应用于中等口径卫星天线系统中，尤其平板形式的卫通天线。

本实用新型不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：从上至下依次包括开口波导层(1)、多孔耦合板(2)、过膜腔体(3)和用来圆极化的方形波导(4)；

所述方形波导(4)远离过膜腔体(3)一侧设有两个开口，其中一个开口为右旋圆极化馈电端口(5)，另一个开口为左旋圆极化馈电端口(6)；

所述方形波导(4)内设有用来移相位的金属隔片(7)。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述方形波导(4)为截面呈正方形形状的金属管体结构，其一端开口与所述过膜腔体(3)连通；

另一端开口沿任一中线设有档条，所述档条向开口内侧凹陷形成通槽(9)并通过所述通槽(9)将开口分隔为右旋圆极化馈电端口(5)和左旋圆极化馈电端口(6)；

所述金属隔片(7)设置在通槽(9)内侧并与所述方形波导(4)任一开口平面垂直。

3.根据权利要求2所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述金属隔片(7)为切削后的矩形薄片状结构，其三个侧面与所述方形波导(4)内壁贴合，另一侧面沿垂直于所述金属隔片(7)方向多次切割形成的阶梯型的A表面。

4.根据权利要求3所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述金属隔片(7)与所述方形波导(4)的内壁贴合的三个侧面分别为B侧面、C侧面和D侧面；

其中所述B侧面与所述通槽(9)内侧面贴合；

所述C侧面和D侧面为一组相对面且均设置在方形波导(4)的侧面中线位置，且所述C侧面长度小于D侧面长度。

5.根据权利要求4所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：在所述金属隔片(7)的D侧面的两侧均设有与金属隔片(7)贴合的金属移相片(10)，所述金属移相片(10)与方形波导(4)内壁贴合。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述过膜腔体(3)为矩形波导结构，并在所述过膜腔体(3)一组相对的内壁上设有多组对称的膜片(11)。

7.根据权利要求6所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述膜片(11)为所述过膜腔体(3)外侧壁向内凹陷形成的条状凹槽结构，从而在所述过膜腔体(3)内侧的一组相对面上形成对称设置的波纹凹凸面结构。

8.根据权利要求6所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述多孔耦合板(2)上设有多个圆孔(12)。

9.根据权利要求6所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述多孔耦合板(2)上均匀布置有四个圆孔(12)，并对应每个所述圆孔(12)均在其圆孔(12)上方设有对应的开口波导块(8)，所述开口波导块(8)设置在同一水平面上从而构成开口波导层(1)。

10.根据权利要求9所述的一种超宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述开口波导块(8)为正方体形状。