CN211017392U - 一种宽带高隔离度双圆极化馈源天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽带高隔离度双圆极化馈源天线，包括依次设置的正交模转换器和喇叭天线；所述正交模转换器包括第一矩形波导端口和第二矩形波导端口；所述喇叭天线的内壁对称开设有两个槽体，所述槽体的宽度由正交模转换器朝喇叭天线方向逐渐变宽，所述喇叭天线具有第一轴截面，两个所述槽体的中心皆位于第一轴截面处，所述第一轴截面与馈入的线极化波成±45度角。其实现了双圆极化，无阶梯隔板结构，提高了天线的功率容限，可应用于较大功率场景。

Description

一种宽带高隔离度双圆极化馈源天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带高隔离度双圆极化馈源天线。

背景技术

随着4G移动通信技术的成熟和移动通信系统的不断升级和发展，低频段频谱资源极度紧缺，同时无线业务的爆发式增长又带来对能够媲美光纤的超高速无线传输速率的巨大需求，现有的通信频段和技术越来越难以满足日益增长的业务需求。而在毫米波和太赫兹频段，目前仍然存在大量的空闲频谱资源，这些频谱资源使得提供数十吉比特，甚至上百吉比特的无线通信速率服务成为可能。

然而，对于毫米波和太赫兹频段，自由空间路径损耗和大气衰减大大增加，为了克服这些损耗，必须使用高增益的天线，比如在卫星通信中广泛应用的反射面天线因其成熟的设计方法和高增益宽频带特性，使用反射面成为毫米波和太赫兹通信高增益天线的很好的选择。在提高天线增益的同时，为了提高通信链路容量，采用极化复用就是一种行之有效的技术，其利用不同极化的正交特性，将数据分成两路，并通过两种正交的极化波辐射出去，使得两路数据在同一频域和时域并行传输，在不增加使用频谱的同时大大提高了数据传输速率。或者在同一频域和时域，发送和接收信号通过使用不同的极化来实现全双工通信，以将频谱效率提升一倍。

考虑到线极化波要求发送接收端天线极化方向对齐以保证最好的接收，当发射和接收机相对位置会移动和改变情况下，线极化波接收性能会有恶化。由于圆极化波具有抗多径、无需发射接收对齐的优势，采用正交的左旋和右旋圆极化波进行极化复用的方式也被研究和使用。

一种支持极化复用特性的天线系统实现方式为馈源天线采用支持双圆极化的天线，配合一个反射面，实现正交圆极化复用的高增益收发天线。这种方式的核心技术在于馈源天线的设计。一般采用基于阶梯隔板结构的极化器级联支持圆极化的波导类型天线这种方式作为双圆极化馈源天线。其中，波导输入的线极化波经过极化器转换成左旋/右旋圆极化波，然后通过级联的波导天线辐射出去。对于通信应用来说，天线整体需要满足高隔离度，作为馈源，同时需要方向图旋转对称。

针对阶梯隔板结构的极化器部分，在传统的阶梯隔板双圆极化极化器中，方波导中的隔板结构需要同时完成矩形波导端口到方波导端口的阻抗匹配，以及在矩形波导中传播的电场的轴比调整，这两项功能。然而工作带宽范围内的反射系数(S11/S22)，隔离度(S21/S12)以及轴比(Axial Ratio)这三个指标以及一定指标下的工作带宽呈现相互制约关系，很难同时达到较高的期望值。特别是当期望工作带宽较宽(超过10％)的情况下，隔离度和轴比指标和工作带宽之间很难同时兼顾，隔离度期望越高(S21越小)时，能达到该隔离度的带宽越窄；反之，如果期望工作带宽越宽时，工作带宽内能达到的最低隔离度就越低。根据现有文献资料，为了在尽量宽的带宽中达到尽量高的隔离度，往往是通过增加隔板阶梯数量，来增加隔板结构的自由度，以更好的优化多项指标。现有文献中一般采用4级阶梯达到10％-20％带宽内20dB隔离度，毫米波段有文献采用5级阶梯才实现10％带宽内30dB高隔离度。但阶梯数目越多，意味着加工难度越高，特别是在毫米波段，本身方波导口径就很小，其中的隔板阶梯数多会导致加工难度急剧增大。根据现有文献资料中最优的结果，工作带宽内隔离度>30dB的情况下，工作带宽均小于10％；工作带宽达到20％时，隔离度就只能满足<20dB。

但在毫米波/太赫兹通信等应用场景中，需要较宽工作带宽(20％)的同时需要达到较高的隔离度(30dB)，但目前的双圆极化器尚未有报道能达到这一性能要求。

综上所述，现有技术中存在以下缺陷：

1、基于双圆极化馈源加反射面方式，其馈源天线对整体性能具有决定性影响。采用目前阶梯隔板极化器加喇叭天线方式实现的双圆极化天线，由于前述传统隔板极化器的性能瓶颈，天线整体很难同时实现宽带和高隔离度特性。同时和极化天线对接的喇叭天线性能也会制约整体的带宽和隔离度。根据目前双圆极化天线现有文献资料中最优的结果，工作带宽内隔离度>30dB的情况下，工作带宽均小于10％。

2、由于阶梯隔板结构具有多个尖角，在输入功率较高的情况下，尖角处的电场会急剧增强从而导致击穿。这个问题限制了隔板结构在大功率情况下的应用。在毫米波通信应用中，由于高频电磁波空间衰减很大，在实现远距离传输的场景下，一般需要用到大功率功放，这个问题也限制了基于隔板结构的双圆极化天线在这种大功率场景下的应用。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种宽带高隔离度双圆极化馈源天线，其实现了双圆极化，无阶梯隔板结构，提高了天线的功率容限，可应用于较大功率场景。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种宽带高隔离度双圆极化馈源天线，包括依次设置的正交模转换器和喇叭天线；所述正交模转换器包括第一矩形波导端口和第二矩形波导端口；所述喇叭天线的内壁对称开设有两个槽体，所述槽体的宽度由正交模转换器朝喇叭天线方向逐渐变宽，所述喇叭天线具有第一轴截面，两个所述槽体的中心皆位于第一轴截面处，所述第一轴截面与馈入的线极化波成±45度角。

作为优选的，所述喇叭天线的内壁为多节线性张角轮廊。

作为优选的，所述槽体的槽深固定。

作为优选的，所述第一矩形波导端口和第二矩形波导端口为标准WR-10矩形波导端口。

作为优选的，还包括方圆波导转换段，所述方圆波导转换段设置在正交模转换器和喇叭天线之间。

作为优选的，所述方圆波导转换段的圆形端与喇叭天线连接。

作为优选的，所述喇叭天线为圆口径。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型提出一种内壁具有变宽对称槽结构的喇叭天线，当馈入线极化波与圆波导过对称槽的直径成±45度角时，能分别产生右旋和左旋圆极化波，同时这种喇叭天线能够在较宽的工作带宽中实现很低的反射系数；该天线结构可以实现在约27％的工作频带下小于-40dB的低反射系数，当配合高端口间隔离度的正交模转换器，就可以实现高端口间隔离度的双圆极化天线。

2、本实用新型中的天线能够在较宽的3-dB轴比带宽内保持高隔离度 (>30dB)，实现了高端口隔离度指标下的宽相对工作带宽。在大于30dB端口隔离度的指标要求下，相对工作带宽可达27％，即在27％的相对带宽内同时实现轴比小于3dB且端口间隔离度大于30dB；天线辐射方向图具有低旁瓣且旋转对称的特点；由于其辐射方向图低旁瓣且旋转对称的特点，还可以作为馈源天线和反射面配合产生更高增益。

3、本实用采用纯腔体结构实现了双圆极化，无阶梯隔板结构，提高了天线的功率容限，可应用于较大功率场景。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的透视图；

图3为正交模转换器的结构示意图；

图4为本实用新型的剖面示意图；

图5为喇叭天线中馈入两种极化方向的信号输入的示意图；

图6为两种极化方向输入分解图，其中，(a)为垂直极化的信号输入喇叭天线后的正交模式分解图；(b)为水平极化的信号输入喇叭天线后的正交模式分解图；

图7为第二矩形波导端口激励时，馈源天线在工作频段内的反射系数、隔离度以及右旋圆极化轴比；

图8为第一矩形波导端口激励时，馈源天线在工作频段内的反射系数、隔离度以及左旋圆极化轴比；

图9为第二矩形波导端口激励时，右旋圆极化波在中心频率(85GHz)0°、 90°平面主极化以及45°平面主极化方向图和交叉极化方向图；

图10为第一矩形波导端口激励时，左旋圆极化波在中心频率(85GHz)0°、 90°平面主极化以及45°平面主极化方向图和交叉极化方向图。

图中标号说明：10、正交模转换器；11、第一矩形波导端口；12、第二矩形波导端口；20、方圆波导转换段；30、喇叭天线；31、槽体；32、第一轴截面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1-图4所示，本实用新型的公开了一种宽带高隔离度双圆极化馈源天线，包括依次设置的正交模转换器10和喇叭天线30。正交模转换器10包括第一矩形波导端口11和第二矩形波导端口12。喇叭天线30的内壁对称开设有两个槽体31，槽体31的宽度由正交模转换器10朝喇叭天线30方向逐渐变宽，所述喇叭天线具有第一轴截面，两个所述槽体的中心皆位于第一轴截面处，所述第一轴截面与馈入的线极化波成±45度角。喇叭天线的轴截面为过其中心轴的横截面，而第一轴截面为经过槽体的中心的轴截面。

对于正交模转换器10，其为现有的一种应用于毫米波/太赫兹频段的具有非对称的正交模转换器10，为现有技术，在此不做详细介绍。

在本实用新型中，一方面，线极化波从第一矩形波导端口11进入正交模转化器，馈入内壁具有槽体31的喇叭天线30，在此喇叭天线30中产生左旋圆极化波，最后从喇叭天线30口辐射出去。输入信号以TE01模式(水平极化)输入第一矩形波导端口11，进入正交模转换器10，之后馈入具有对称变宽槽体 31结构的喇叭天线30。馈入时，此TE01模(水平极化)的电场方向与第一轴截面32呈-45度角，如图5所示。

在TE01模(水平极化)电磁波以电场方向与槽体31结构呈-45度角的方式进入具有变宽对称槽结构的喇叭天线30后，由于槽体31的存在，该模式被分解成两个电场方向相互垂直但相速度不相同的模式，即它们之间存在一定的相位速度差，如图6(b)所示。通过设计槽的深度H、宽度W，可以调整它们之间相位速度差的大小，当这两个电场方向相互垂直的电磁波通过一定长度的内壁具有变宽槽结构的喇叭天线30腔之后，他们之间的相位差将被调整到90度附近，从而形成圆极化波。

另一方面，线极化波从第二矩形波导端口12进入正交模转化器，馈入内壁具有槽体31的喇叭天线30，在此喇叭天线30中产生右旋圆极化波，最后从喇叭天线30口辐射出去。输入信号以TE10模式(垂直极化)输入第二矩形波导端口12，进入正交模转换器10，之后馈入具有对称变宽槽体31结构的喇叭天线30。馈入时，此TE10模(垂直极化)的电场方向与第一轴截面32呈+45度角，如图5所示。

在TE10模(垂直极化)电磁波以电场方向与槽体31结构呈45度角的方式进入具有对称变宽槽结构的喇叭天线30后，由于槽体31的存在，该模式被分解成两个电场方向相互垂直但相速度不相同的模式，即它们之间存在一定的相位速度差，如图6(a)所示。通过设计槽体31的深度H、宽度W，可以调整它们之间相位速度差的大小，当这两个电场方向相互垂直的电磁波通过一定长度的内壁具有变宽槽结构的喇叭天线30腔之后，他们之间的相位差将被调整到90 度附近，从而形成圆极化波。

喇叭天线30的内壁为多节线性张角轮廊，每一节内壁上的槽体31具有不同的宽度，但所有节内壁的槽相对内壁具有同样的深度，即槽体31的槽深固定。

第一矩形波导端口11和第二矩形波导端口12为标准WR-10矩形波导端口。

本实用新型还包括方圆波导转换段，方圆波导转换段设置在正交模转换器 10和喇叭天线30之间。由于正交模转换器10的公共端口为方形，喇叭天线30 为圆口径。方圆波导转换段20的方形端与正交模转换器10连接，方圆波导转换段20的圆形端与喇叭天线30连接。

同样的，当内壁具有槽体31结构的喇叭天线30接收到右旋圆极化波后，右旋圆极化波经具有槽体31的内壁段后，会转换成TE10模(垂直极化)的线极化波传输至喇叭天线30的圆波导口，然后经过方圆波导转换段20传播至正交模转换器10的公共端口，经过正交模转换器10后输出至第二矩形波导端口 12。当内壁具有槽体31结构的喇叭天线30接收到左旋圆极化波后，左旋圆极化波经具有槽体31的内壁段后，会转换成TE01模(水平极化)的线极化波传输至喇叭天线30的圆波导口，然后经过方圆波导转换段20传播至正交模转换器10的公共端口，经过正交模转换器10后输出至第一矩形波导端口11。

图7为第二矩形波导端口激励时，馈源天线在工作频段内的反射系数、隔离度以及右旋圆极化轴比。图8为第一矩形波导端口激励时，馈源天线在工作频段内的反射系数、隔离度以及左旋圆极化轴比。从图7和图8中可以看出，本实用新型在保持高端口间隔离度的情况下，能够实现更宽的相对工作带宽。这种天线能够在较宽的3-dB轴比带宽内保持高隔离度(>30dB)，实现高端口隔离度指标下的宽相对工作带宽。相对工作带宽可达27％，即在27％的相对带宽内同时实现轴比小于3dB且隔离度大于30dB。目前的双圆极化器尚未有报道能达到这一的性能要求，在目前已有的双圆极化天线的文献报告中，端口间隔离度大于30dB情况下，最宽相对带宽只有10％。

图9为第二矩形波导端口激励时，右旋圆极化波在中心频率(85GHz)0°、 90°平面主极化以及45°平面主极化方向图和交叉极化方向图；图10为第一矩形波导端口激励时，左旋圆极化波在中心频率(85GHz)0°、90°平面主极化以及45°平面主极化方向图和交叉极化方向图。从图9和图10可以看出，本实用新型中的天线在宽工作频带(27％)下辐射方向图具有具有低旁瓣和旋转对称等特点，可以作为馈源天线，结合反射面天线获得更高增益。

本实用新型采用纯腔体结构实现了双圆极化，无阶梯隔板结构，提高了天线的功率容限，可应用于较大功率场景。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种宽带高隔离度双圆极化馈源天线，其特征在于，包括依次设置的正交模转换器和喇叭天线；所述正交模转换器包括第一矩形波导端口和第二矩形波导端口；所述喇叭天线的内壁对称开设有两个槽体，所述槽体的宽度由正交模转换器朝喇叭天线方向逐渐变宽，所述喇叭天线具有第一轴截面，两个所述槽体的中心皆位于第一轴截面处，所述第一轴截面与馈入的线极化波成±45度角。

2.如权利要求1所述的宽带高隔离度双圆极化馈源天线，其特征在于，所述喇叭天线的内壁为多节线性张角轮廊。

3.如权利要求1所述的宽带高隔离度双圆极化馈源天线，其特征在于，所述槽体的槽深固定。

4.如权利要求1所述的宽带高隔离度双圆极化馈源天线，其特征在于，所述第一矩形波导端口和第二矩形波导端口为标准WR-10矩形波导端口。

5.如权利要求1所述的宽带高隔离度双圆极化馈源天线，其特征在于，还包括方圆波导转换段，所述方圆波导转换段设置在正交模转换器和喇叭天线之间。

6.如权利要求5所述的宽带高隔离度双圆极化馈源天线，其特征在于，所述方圆波导转换段的方形端与正交模转换器连接，所述方圆波导转换段的圆形端与喇叭天线连接。

7.如权利要求5所述的宽带高隔离度双圆极化馈源天线，其特征在于，所述喇叭天线为圆口径。

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