CN103094666A - 基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，包括毫米波圆极化喇叭，其特征在于还包括金属圆锥体反射面，毫米波圆极化喇叭。毫米波圆极化喇叭的输入端为标准BJ320波导，输入模式为TE10模，经矩圆转换器可将TE10模转变为TE11模,圆极化器对垂直电场矢量和水平电场矢量分别呈现容性和感性加载作用，使两矢量的相位滞后和超前，保证从T形张大的金属台阶辐射出的波具有较好的圆极化特性。用圆极化波照射金属圆锥体反射面，波束的主辐射方向由轴向变为径向，辐射波方向反向旋转，圆极化特性不变，从而在方位面全向，俯仰面较大角度范围内实现圆极化辐射。

Description

基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种属于毫米波天线领域，具体涉及方位面全向，俯仰面具有较宽辐射波束的全向圆极化天线，是一种基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线。 
背景技术
所谓极化，是指电磁场强度取向随时间变化的方式，一般用电场强度矢量端点每周期内在空间描述的轨迹表示波的极化。所谓圆极化天线，指的是一个天线所辐射的电磁场中电场的方向和大小在空间不是固定的，而是随着时间的变化在一个平面内形成一个圆。全向圆极化的实现比较困难，毫米波全向圆极化天线的实现尤其困难，目前已知的实现全向圆极化天线的方法主要包括： 
1.V型阵子阵。利用两个相互垂直且相距四分之一波长的对称阵子构成一个基本的阵子阵，在水平方向远区场电场幅度相同，相位相差90°。在90°方向上增加一个基本阵子阵，可实现全向圆极化辐射。这种结构适用于较低频段，不适用于毫米波领域。 
2.环形阵列天线。常见的是微带形式的环形阵列天线，利用等幅功分网络，对各个单元进行馈电，可实现方位面上全向辐射。同时对微带单元进行切角处理或者采用双馈电结构，以实现圆极化特性。此实现方式的局限在于环形半径受天线总体尺寸的限制，为了实现全向辐射需选定合适的单元数目，天线方向图的不圆度不好，驻波带宽以及轴比带宽较窄，当工作在高频段时，天线损耗较大，辐射效率较低。 
发明内容
要解决的技术问题 
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，具有方位面全向，俯仰面较宽波束范围内圆极化辐射的特性。 
技术方案 
一种基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，包括毫米波圆极化喇叭2，其特征在于还包括金属圆锥体反射面1和T型张大的金属台阶6；T型张大的金属台阶6与毫米波圆极化喇叭2的输出端同轴连接，在T型张大的金属台阶6的输出端，同轴设置金属圆锥体反射面1，且锥顶指向T型张大的金属台阶6。 
所述毫米波圆极化喇叭2包括馈电段输入端3、矩圆转换器4、两个圆波导和圆极化器5；馈电段输入端3输出端连接矩圆转换器4的输入端，连接部位为尺寸相吻合的矩形；矩圆转换器4的输出端连接第一圆波导的输入端，连接部位为尺寸相吻合的圆形；第一圆波导通过圆极化器5连接第一二圆波导；所述圆极化器5的是由两个与TE11模的电场矢量E成45度角的金属块构成。 
所述金属圆锥体反射面的上底面半径r3大于T型张大的金属台阶的半径r2。 
所述T型张大的金属台阶的半径r2大于圆波导9的半径r1。 
所述T型张大的金属台阶6与金属圆锥体反射面1之间的间距大于半个波长，不超过两个波长。 
所述金属块由多块金属块7构成。 
在毫米波圆极化喇叭2***设有泡沫塑料筒8，金属圆锥体反射面1置于泡沫塑料筒8之上。 
有益效果 
本发明提出的一种基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，用毫米波圆极化喇叭照射金属圆锥体反射面，金属圆锥反射面改变了电磁波的传播方向，使其由轴向辐射变为径向辐射，从而实现了方位面的全向辐射；同时当圆极化波辐射到一个圆对称的目标时，辐射波方向仅反向旋转，其圆极化特性并不改变。所以当用上述结构时，既可以实现全向特性，又可以保证圆极化性能。 
本发明与现有的全向圆极化天线形式相比，具有如下优势：结构形式简单，方向 图不圆度较好，损耗小，俯仰面上的辐射角度范围可调节，适合在毫米波领域使用。 
附图说明
图1：圆极化器为双金属块时圆极化喇叭照射金属圆锥体反射面结构示意图； 
图2：毫米波圆极化喇叭天线结构示意图； 
图3：圆极化器为周期加载金属块时圆极化喇叭照射金属圆锥体反射面结构示意图； 
图4：具体实施时该天线的结构示意图； 
图5：具体实施时该天线内部结构尺寸示意图； 
图6：天线的增益方向图； 
图7：天线的轴比方向图； 
1-金属圆锥体反射面，2-毫米波圆极化喇叭，3-馈电段输入端，4-矩圆转换器，5-圆极化器，6-T型张大的金属台阶，7-，8-泡沫塑料，9-圆波导， 
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述： 
本实施例分为两个部分进行设计： 
1.毫米波圆极化喇叭的设计：毫米波圆极化喇叭的馈电段采用标准BJ320波导，输入模式为TE01模，矩圆转换器将TE10模转换为适合在圆波导中传输的TE11模。圆极化器采用圆波导加载金属块的方法实现，它由传输TE11模的圆波导及两块与TE11模的电场矢量E成45度角放置的金属块组成。当电场矢量通过圆极化器时，其对垂直电场矢量和水平电场矢量分别呈现容性和感性加载作用，从而使两矢量的相位滞后和超前，只要两金属块的尺寸及嵌入深度选择合适，就能使Ex、Ey间产生90度的相位差，实现圆极化。根据圆极化器与圆波导电场矢量的夹角不同，可以分别实现馈源的左旋圆极化周期加载阶梯与电场矢量成45°夹角与右旋圆极化周期加载阶梯与电场矢量成45°夹角。馈源末端口径T形张开，以进一步改变波导模式及照射张角，与反射面配合。 
2.金属圆锥体反射面：用毫米波圆极化喇叭照射金属圆锥体反射面，金属圆锥反射面改变了电磁波的传播方向，使其由轴向辐射变为径向辐射，从而实现了方位面的全向辐射；同时当圆极化波辐射到一个圆对称的目标时，辐射波方向仅反向旋转，其圆极化特性并不改变。所以当用上述结构时，既可以实现全向特性，又可以保证圆极化性能。通过改变金属圆锥体反射面的形状以及与毫米波圆极化喇叭的距离，可以调节圆极化波在俯仰面上辐射的角度范围及天线的轴比带宽。当金属圆锥体反射面距离圆极化喇叭的距离变大时，天线的轴比带宽变大，俯仰面上的主辐射方向向下移动。在设计时，为保证天线的效率，应保证金属圆锥体反射面半径大于T型长大的金属台阶的半径。 
具体结构参照附图4和附图5所示，主要包括：金属圆锥体反射面1，毫米波圆极化喇叭2，泡沫塑料筒8，泡沫塑料8用来支撑金属圆锥体反射面1。 
此实例对天线的要求为：工作频率为Ka波段，波束宽度在方位面上全向，俯仰方向上60°～100°，轴比小于6dB，天线增益大于3dB，不圆度小于4dB。参照附图5，其结构参数为：输入端为标准BJ320波导3，尺寸为7.112mm×3.556mm，矩圆转换器4长度h为6mm，圆波导9半径r1为5mm，长度h1为20mm，圆极化器5的宽度w为3.1mm，T型张大的金属台阶6半径r2为10.5mm，高度h2为10mm，金属圆锥体反射面1上底面半径r3为19mm，锥体高度h3为15.5mm，锥顶与T型张大的金属台阶6的距离l为6mm。天线的增益方向图如图6所示，如图可见实现了E面的全向辐射，不圆度小于1dB，天线的轴比方向图如图7所示，可见在俯仰方向上40°60°～100°范围内可以保证轴比小于6dB。 
本实施例的工作过程：毫米波圆极化喇叭2的输入端为TE10模，经矩圆转换器4之后转变为适合在圆波导传播的TE11模，通过合理调整圆极化器5嵌入的深度及宽度，可使毫米波喇叭实现圆极化辐射，同时通过增加前端T型张大的金属台阶6，可 部分抑制毫米波圆极化喇叭2圆极化特性不好的波的辐射，从而减少了毫米波圆极化喇叭2的辐射波对经金属圆锥体反射面1反射之后辐射波的干涉，进而拓宽了俯仰方向上的辐射角度范围。本发明中可以对毫米波圆极化喇叭2进行改进，从而增加天线的工作带宽。附图3为圆极化器为周期加载金属块时毫米波圆极化喇叭照射金属圆锥体反射面1结构示意图，此例与附图1所示实例相比，可以大大增加天线的工作带宽。 
在毫米波圆极化喇叭2确定的情况下，调整金属圆锥体反射面1的几何参数，可以保证在全向圆极化的前提下，根据设计的具体要求满足其他指标俯仰面波束宽度，俯仰面辐射角度等。锥面的主要几何参数包括：顶端距离T形张大的金属台阶6的距离、上底面半径、锥体高度。 
根据附图1~5可以看出本实施例结构形式简单，根据附图6~7可以看出本实施例方向图不圆度好，损耗小，俯仰面上的辐射角度范围可调节，适合在毫米波领域使用。 

Claims (7)

1.一种基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，包括毫米波圆极化喇叭（2），其特征在于还包括金属圆锥体反射面（1）和T型张大的金属台阶（6）；T型张大的金属台阶（6）与毫米波圆极化喇叭（2）的输出端同轴连接，在T型张大的金属台阶（6）的输出端，同轴设置金属圆锥体反射面（1），且锥顶指向T型张大的金属台阶（6）。
2.根据权利要求1所述基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述毫米波圆极化喇叭（2）包括馈电段输入端（3）、矩圆转换器（4）、两个圆波导（9）和圆极化器（5）；馈电段输入端（3）输出端连接矩圆转换器（4）的输入端，连接部位为尺寸相吻合的矩形；矩圆转换器（4）的输出端连接第一圆波导的输入端，连接部位为尺寸相吻合的圆形；第一圆波导通过圆极化器（5）连接第一二圆波导；所述圆极化器（5）的是由两个与TE11模的电场矢量E成45度角的金属块构成。
3.根据权利要求1所述基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述金属圆锥体反射面的上底面半径r3大于T型张大的金属台阶的半径r2。
4.根据权利要求1所述基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述T型张大的金属台阶的半径r2大于圆波导（9）的半径r1。
5.根据权利要求1所述基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述T型张大的金属台阶（6）与金属圆锥体反射面（1）之间的间距大于半个波长，不超过两个波长。
6.根据权利要求2所述基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：所述金属块由多块金属块（7）构成。
7.根据权利要求1所述基于圆极化喇叭的毫米波全向圆极化天线，其特征在于：在毫米波圆极化喇叭（2）***设有泡沫塑料筒（8），金属圆锥体反射面（1）置于泡沫塑料筒（8）之上。
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