CN102437431A - 多极化平板天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多极化平板天线，包括多模短路开缝波导(2)和多模激励波导(3)，所述多模短路开缝波导(2)和多模激励波导(3)均为方波导；多模短路开缝波导(2)的短路面一端均匀开有4个大小相同的圆形辐射缝隙(1)；多模短路开缝波导(2)另一端接多模激励波导(3)。本发明采用在多模波导短路面上开圆缝的全波导结构，不仅损耗小、效率高、易于组阵和模具化的批量生产，而且可辐射或接收左/右旋圆极化波、水平/垂直线极化波或任意极化波。

Description

多极化平板天线

技术领域

本发明涉及一种可以实现左/右旋圆极化或任意线极化的天线形式，可用作任意极化反射面的馈源或任意极化天线阵列的阵元。

背景技术

目前对于同时多极化天线的需求越来越多。比较常见的多极化天线包括多极化微带天线、波导喇叭形天线、双极化开缝天线、方形腔体结合带状线的平板天线等。微带天线由于其剖面底、体积小、易于和载体共形的特点，已获得了广泛的应用，根据应用的需要，已研制出多种线极化、圆极化、双极化及多极化的结构形式，但是由于介质损耗的缘故，高增益的大型微带阵列的效率总是很低，如Eswarappa Channabasappa的专利“MULTI-POLARIZATIONPLANAR ANTENNA，US 7,486,239B1”，不仅带宽窄、结构复杂，用于大型阵列时效率也会很低。对于喇叭型阵列，由于每一个喇叭对应一个馈电极化器，致使单元体积较大，组阵时不仅结构复杂，也无法满足宽频带天线组阵间距的要求，因此带宽会很窄；常见的双极化开缝波导天线，主要为主模传输的波导侧边开缝，为了实现两种极化的波束一致性，开缝类型为驻波阵，因此，带宽较窄，如Michael G.Guler，and Dawsonville，Ga的专利“DUAL POLARIZEDSLOTTED ARRAY ANTENNA，US006127985A”由于结构的限制，带宽是较窄的。对于方形腔体结合带状线的双极化平板天线，由于对应双极化的两层独立的带状线馈电网络结构的采用，该天线不仅用于高增益的大型阵列时效率低，而且不适于模具化的批量生产。

通常的多模波导短路面上开线型缝的线极化天线，其馈电波导为单模工作的矩形波导，由馈电波导和开缝形式决定其只能工作于单一的线极化状态，无法满足目前对多极化天线的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种频带宽、效率高、结构紧凑、便于组阵和模具化批量生产的多极化平板天线。

本发明的技术解决方案为：多极化平板天线包括多模短路开缝波导和多模激励波导，所述多模短路开缝波导和多模激励波导均为方波导；多模短路开缝波导的短路面一端均匀开有4个大小相同的圆形辐射缝隙；多模短路开缝波导另一端接多模激励波导。

所述相邻两个圆形辐射缝隙的中心之间距离d小于一个天线最高工作频率对应的波长。

所述相邻两个圆形辐射缝隙边缘间的距离t≥2mm。

本发明的工作原理是：当天线工作于单线极化模式时，激励波导中只存在TE₁₀或TE₀₁模，由于激励波导到开缝短路多模波导的截面突变，由高次模的激励原理可知，多模波导中将会存在高次模TE_mn，m、n的奇、偶特性和激励波导中的模式一样，且所有的模式均为和模。由多模波导短路面上的电流分布可知，在紧靠侧壁的位置开缝辐射效率最高，且能保证四个缝隙的激励为等幅同相；当天线工作于任意圆极化模式时，激励波导中同时存在极化正交的TE₁₀和TE₀₁模，由于激励波导到开缝短路多模波导的截面突变，由高次模的激励原理可知，多模波导中将会存在极化正交的高次模TE_mn和TE_nm，m、n的奇、偶特性和激励波导中的模式一样，且所有的模式均为和模。由多模波导短路面上的电流分布可知，在紧靠侧壁的位置开缝辐射效率最高，且能保证四个缝隙的激励为等幅同相。

采用多模波导传输和激励任意极化的电磁波，通过圆形辐射缝隙完成电磁波的有效辐射。用作发射天线时，由多模激励波导馈入左旋/右旋或水平/垂直线极化电磁信号，通过多模激励波导传输到多模短路开缝波导，最终通过圆形辐射缝隙将相应极化的电磁波辐射到自由空间；用作接收天线时，通过圆形辐射缝隙接收自由空间的左旋/右旋或水平/垂直线极化电磁信号，通过多模短路开缝波导传输到多模激励波导，最终通过相应的极化激励器到达接收机。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用在多模波导短路面上开圆缝的全波导结构，不仅损耗小、效率高、易于组阵和模具化的批量生产，且可辐射任意极化电磁波。

(2)本发明采用了相当于4个喇叭单元天线的缝隙子阵对应一个馈电极化器的结构，使相邻馈电波导间的距离增大为2d(d为阵列天线中相邻单元间的间距，d＜λ，λ为工作波长)，为阵列天线波导型馈电网络的设计提供了方便。本发明的天线形式不仅可以辐射或接收任意极化波，还具有宽频带特性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的辐射缝隙的正面视图；

图3为方形阶梯膜片圆极化器的结构图；

图4为输出双线极化的正交模耦合器的结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的多极化平板天线包括多模短路开缝波导2和多模激励波导3，所述多模短路开缝波导2和多模激励波导3均为方波导；多模短路开缝波导2的短路面一端均匀开有4个大小相同的圆形辐射缝隙1；多模短路开缝波导2另一端接多模激励波导3。

如图2所示，为4个圆形辐射缝隙1的相对位置示意图。相邻两个圆形辐射缝隙1的中心之间距离d小于一个最高工作频率对应的波长。相邻两个圆形辐射缝隙1边缘间保证一定的距离t以便于加工，本实施例中t＝2mm。多模短路开缝波导2的截面尺寸由缝隙间距d、边缘间距t和圆形辐射缝的半径决定。

在多模波导短路面紧靠侧壁处开缝以保证辐射效率且能保证四个缝隙激励为等幅同相，圆形缝隙可保证任意极化波的有效辐射。适当调节多模短路开缝波导2和多模激励波导3的高度以实现良好的阻抗匹配。

图3所示的方形阶梯膜片圆极化器6有两个馈电端口4和5。端口4输入或输出右旋圆极化波，端口5输入或输出左旋圆极化波，将图1所示的多极化平板天线和图3所示的方形阶梯膜片圆极化器6结合即可接收或辐射左/右旋圆极化波。

图4所示的正交模耦合器9有两个极化正交的馈电端口7和8，将图1所示的多极化平板天线和图4所示的正交模耦合器9结合即可接收或辐射极化正交的线极化波。

为便于和图3所示的方形阶梯膜片圆极化器6或图4所示的正交模耦合器9端口对接，多模激励波导3的边长选择应结合图3或图4所示的馈电极化器的结构参数。

用适当极化的波导型馈电网络将多个多极化平板天线连接起来，即可组成宽带、高效、适于模具化批量生产的高增益天线阵列。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.多极化平板天线，其特征在于：包括多模短路开缝波导(2)和多模激励波导(3)，所述多模短路开缝波导(2)和多模激励波导(3)均为方波导；多模短路开缝波导(2)的短路面一端均匀开有4个大小相同的圆形辐射缝隙(1)；多模短路开缝波导(2)另一端接多模激励波导(3)。

2.根据权利要求1的多极化平板天线，其特征在于：所述相邻两个圆形辐射缝隙(1)的中心之间距离d小于一个天线最高工作频率对应的波长。

3.根据权利要求1或2的多极化平板天线，其特征在于：所述相邻两个圆形辐射缝隙边缘(1)间的距离t≥2mm。

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