CN104518285A - 一种Ka波段腔体耦合馈电的圆极化喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线，包括馈电斜缝(1)，耦合斜缝(2)耦合腔体(3)，两个角锥喇叭(4)，馈电波导(5)。采用耦合波导开缝给耦合腔体然后在耦合腔体上开双缝给喇叭馈电，其中耦合波导内还有一根调节阻抗匹配的调节柱。上述设计实现了喇叭天线和圆极化馈源一体化，腔体耦合馈电圆极化角锥喇叭天线的电性能和以前的宽边中心斜缝馈电圆极化喇叭天线的电性能相差不大，但其优势在于网络相对要简单些，组阵后的馈电结构也要紧凑些，他的功分网络末端只有14个端口。现在大多数的询问天线都是工作在L波段的微带天线，除了容易受到同一频段的电磁波干扰外，微带形式的天线本身也有着增益偏低的缺点。然而本发明工作在Ka波段内，在保留喇叭天线高增益的特点时，还能够实现圆极化，可以作为理想的单脉冲天线。

Description

一种Ka波段腔体耦合馈电的圆极化喇叭天线

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，具体来说是一种ka波段毫米波询问天线。

背景技术

随着火箭、人造卫星和宇航技术的发展，对跟踪雷达的跟踪速度、跟踪精度、跟踪距离抗干扰能力都提出了更高的要求。由于圆锥扫描天线体制采用的是顺序比较波瓣法，这种体制必须在馈源绕天线轴旋转一周后才能判明目标的方向，限制了跟踪速度；在波束扫描过程中，目标运动状态的变化引起回波信号幅度的起伏，给误差信号附加上一个调幅干扰，也降低了角跟踪精度。而单脉冲体制采用同时比较波瓣法，获取误差信号迅速，跟踪速度快；误差信号只与接收到得几个波束的回波脉冲幅度的相对值有关，不存在目标起伏干扰。目前单脉冲体制已经逐步取代了圆锥扫描体制而获得广泛的应用，现在的询问天线大多都采用单脉冲工作体制。

与此同时，随着卫星通信、遥控遥测技术的发展、雷达应用范围的扩大以及对高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要，单一极化方式已远难满足要求，圆极化的应用就显得十分重要，在电子对抗中，使用圆极化天线可以干扰和侦察敌方的各种线极化及椭圆极化方式的无线电波；在剧烈摆动或滚动的飞行器上装置圆极化天线，可以在任何状态下都能收到信息；在天文、航天通信及遥测遥感设备中采用圆极化天线，除可减小信号漏失外，还可能消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响；在电视广播中采用圆极化天线，可望克服重影等等。可见，圆极化天线在通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、天文及电视广播等方面的应用是相当广阔的。采用多模喇叭来实现圆极化天线是一种很好的选择，不同模式的电磁波在喇叭中的相速度是不同的，传输一段距离后两种模式的电磁波在喇叭口径面上形成90度相位差，并在自由空间叠加形成圆极化电磁波。

发明内容

现在大多数的询问天线都是工作在L波段的微带天线，但是在移动通信爆发式发展的今天，层出不穷的各种通信方式占据电磁频谱当中一定的频段，因此会干扰到工作在该频段天线，影响天线的询问精度；其次，微带天线近年来发展态势迅猛，形式多种多样，在实现圆极化的方法上有其独特的优势。但是其缺点也比较明显，功率容量小，增益偏低，波瓣较宽等。对于要求高增益窄波瓣的天线指标，微带天线形式并不适合。为了让天线具有很高的抗干扰及较高的询问精度，我们希望有一种天线能够尽可能的工作在较高频段并且能够拥有较高的增益。

然而本发明所设计的角锥喇叭天线则工作在Ka波段内，询问精度高，尤其是在空间中有多个目标时，询问精度极高，具有很高的抗干扰能力。本发明的重要创新点就是这种天线采用腔体耦合馈电的方式，通过腔体上开双缝分别给两个喇叭馈电，用两个喇叭作为一个单元，实现喇叭和圆极化馈源一体化的形式，使本来需要一分28功分器的和，差馈电网络变成一分14功分器的和，差馈电网络，因此这种一馈二的单元形式来组阵时极大简化了前面的馈电网络，实际制作中这种形式要比前者少了一层的结构，从而节省了成本和空间。使得本发明具有很高的市场价值。

附图说明：

图1为本发明Ka波段腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线三维物理模型

图2为本发明Ka波段腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线驻波系数VSWR

图3为本发明在直角坐标系下上下边频及中心频率俯仰方向图

图4为本发明的轴比方向图

图5为本发明组成的28元喇叭天线直线阵的三视图

图6为图5的下边频方位面和、差方向图

图7为图5的中心频率方位面和、差方向图

图8为图5的上边频方位面和、差方向图

图9为图5的上下边频及中心频率的俯仰和方向图

图10为图5的上下边频及中心频率的方位面轴比特性曲线

图11为图5的上下边频及中心频率的俯仰面轴比特性曲线

图12为图5的第7个端口的有源输入驻波特性曲线(最大输入驻波端口)

图13为28单元功分网络整体结构示意图

图14为差口到14个输出端口的功分特性曲线

图15为差口到14个输出端口的相位特性曲线

图16为和口到14个输出端口的功分特性曲线

图17为和口到14个输出端口的相位特性曲线

图18为和、差口输入驻波特性曲线

图19为和、差口隔离度特性曲线

图20阵列天线整体结构示意图

图21下边频方位和、差方向图

图22中心方频率方位面和、差向图

图23上边频方位和、差方向图

图24上下边频及中心频率的俯仰面和方向图

图25上下边频及中心频率的方位面轴比特性曲线

图26上下边频及中心频率的俯仰面轴比特性曲线

图27和差口输入驻波曲线

图28喇叭天线的整体效果图

图29天线加工分层正视图

图30天线加工分层背视图

图31天线阵实物照片

具体实施方式

图1描述了本发明的具体实施方案。依图1所示，本天线阵的单元包括馈电斜缝(1)耦合斜缝(2)耦合腔体(3)，两个角锥喇叭(4)，一个馈电波导(5)，波导一端作输入，在波导顶面中心线上开斜缝耦合能量给腔体，沿腔体宽边中心线上并且是在中心斜缝缝的对称两侧分别开斜缝给喇叭馈电。角锥喇叭，以上组件也可以由其它金属材料制成，使用其他材料制作本天线当然应属于本发明的涉及范围。

角锥喇叭天线的矩形波导尺寸为4.4×5.69×1mm3，喇叭口径尺寸为6×15.5×3.5mm3。壁厚均为1mm，馈电波导与耦合腔体的连接设计是本发明的核心内容，将馈电波导一端与末级功分器连接作为输入端口，馈电波导尺寸为19.69×5.69×1.5mm3，在波导顶面宽边中心线上及耦合腔体底面宽边中心线上开右倾45度的斜缝，这两个缝大小相同且对齐，用来把能量耦合到腔体中，斜缝宽为0.6mm小于1/10中心频率波长，缝长约为4.55mm大约为1/2中心频率波长，缝隙中心到馈电波导短路壁的距离为6.2mm,大约为1/2中心频率波导波长，并保证腔体中心与缝隙中心处重合。耦合腔体尺寸为12.5×5.69×1.5mm3，也可以表示为1.42×0.68×0.18(单位为一个中心频率波长)。在耦合腔体顶面宽边中心线两侧分别开右倾45度的斜缝，缝宽为0.8mm小于1/10中心频率波长，缝长为4.5mm大约为1/2中心频率波长，左侧的缝中心到腔体一端距离为2.55mm,右侧的缝隙中心到耦合腔体的右端也为2.55mm。馈电波导与耦合腔体之间，耦合腔体与角锥喇叭矩形波导之间都有1mm的空气间隙。采用的波导尺寸或者是喇叭口径不一定与上文所述完全一致，耦合缝在馈电波导顶部的位置等等。只要使用了图1中的波导耦合缝的馈电结构并使用于该种天线中，就应当属于本发明所涉及的范围。

耦合腔体通过两个斜缝给两个角锥喇叭分别馈电，且两个斜缝的位置关于腔体中心位置对称，因此两个喇叭的辐射场强大小一致。但是在阵列模型中，相邻两单元的辐射场强一致，则会造成阵列天线的和方向图副瓣明显升高，差方向图副瓣则降低，从而造成和、差波束副瓣范围出现刺穿现象。因此，需要对耦合腔体给喇叭馈电的斜缝进行调整，主要调整斜缝相对腔体波导宽边中心线的偏心距。由于腔体内部场的复杂性，波导斜缝耦合馈电的一般性理论在此不再适用。因此可通过近场法来调整，通过近场等效激励与泰勒分布的差异，然后有针对性的进行调整。如某个单元的近场等效电流值较理想电流值偏大，则可以调节该单元的耦合斜缝偏心距。

图5表示的是由本发明组成的直线阵，取单元数N=28，相邻的辐射喇叭天线间隔为d=0.88λ，激励分布用泰勒综合法得到，如下表1所示，表中只给出一半阵元的激励，另一半对称。

表1旁瓣-35dB设计的归一化电流分布

单元编号n	1	2	3	4	5	6	7
								电流幅度In	0.1690	0.1951	0.2449	0.3138	0.3958	0.4847	0.5755
单元编号n	8	9	10	11	12	13	14
								电流幅度In	0.6645	0.7490	0.8262	0.8927	0.9454	0.9816	1.0000

本发明Ka波段波导开缝激励的圆极化喇叭天线的工作原理如下：

因为阵列的圆极化是由单元天线决定的，所以单元天线实现圆极化则阵列天线也可实现圆极化。等幅的两种模式的电磁波(TE10与TE01)经过特定的传输距离后在喇叭口径面上形成90度相位差则可形成圆极化。通过调整角锥喇叭的上下两个口径面尺寸以及喇叭长度，可以调整天线的圆极化轴比以及俯仰面和方位面的波瓣宽度，而馈电缝可以调整圆极化轴比旋向，向右倾45°则为右旋圆极化波，向左倾45°则为左旋圆极化波。组成阵列的单元间距应满足栅瓣抑制条件，当单元数为偶数时，要获得阵列的和方向图时，要求各单元激励相位相同；而要获得差方向图，要求激阵列左右两半激励相位相差180°。

我们采用了Ansoft公司的HFSS三维电磁仿真软件对本发明进行了仿真。

图2是关于该天线的驻波系数(VSWR)曲线图。由图上可以看到，在需要的频带范围内，天线的驻波系数都小于1.35，最低值接近1.04。

图3天线单元的增益约为14.3dB，俯仰面波瓣宽度约为37o，其上下边频和中频方向图基本吻合，皆满足天线单元的设计要求

图4俯仰面和方位面的轴比特性如图2-18所示，俯仰面的轴比约为0.8dB，而方位面的轴比最大约为1dB。上下边频和中频的轴比特性曲线相差很小

图6，图7和图8方位面和波束的波瓣宽度约为2.61°，和波束增益约为25.5dB，和波束副瓣电平小于-30dB。

图9俯仰面方向图如图3-17所示，高中低三个频点的俯仰面波瓣宽度约为53.35°，增益都在25.4dB以上，无副瓣，上下边频及中频的俯仰方位面方向图相近，均满足设计要求。

图10和图11表示上下边频及中频的俯仰面和方位面轴比皆小于1.5dB。在上下边频和中频时的轴比特性略有差异，随着频率的升高，轴比特性变好。

图12表示由于14个端口太多，14根驻波特性曲线放在一起，难以分辨。因而此处只给出有源驻波最大的第7个端口的驻波特性曲线。第7个端口的有源输入驻波频带内小于1.55，低频时的驻波相对要差些，但亦满足设计指标要求。

图13-图17表示差口幅度误差在0.1db相位误差在3度左右，和口最大幅度误差0.2db相位误差在3.5度以内满足要求，

图18中红色虚线条表示差口的驻波特性，其电压驻波比最大值小于1.2；蓝色线条表示和口的驻波特性，最大值为1.17。和、差口的驻波特性基本满足设计要求。

图19中隔离度也是和、差网络的一个重要指标，只是设计指标中不做考核要求。魔T的隔离度一般都较好，无需额外考虑。下面给出1分14的馈网的隔离度特性工作频段内隔离度小于-35dB

图21,22,23中表示频带范围内，方位面内和波束增益最小值约为25.47dB，波瓣宽度约为2.62°，副瓣电平皆在工作小于-29dB，和波束的增益随频率升高而增加，副瓣电平随着频率的升高而升高。差波束对称性较好，零深均在-40dB左右，差波束双峰幅度差最大值约为0.31dB，随频率升高而减小。穿刺余量随频率升高而减小，其最小值约为3.5dB。可见和、差方向图的各项参数皆满足设计指标要求。

图24中上下边频及中频的俯仰面波瓣宽度约为36°，且在频带内方向图基本一致，皆满足设计指标要求。

图25中方位面轴比只考虑theta在2.62°范围内的轴比特性。上下边频及中心频率的俯仰面轴比皆小于1.4dB，满足轴比4dB以内的设计要求

图26中俯仰面波束宽度约为36°，因此俯仰面轴比只需考虑theta在36°范围内的轴比数值。如图5-15所示，轴比值在上边频时最大，约为3.15dB，和未接馈网时相比，天线阵列的轴比有一些恶化，这都是调节腔体给喇叭馈电的斜缝所致，但其数值也满足了轴比4dB以内的设计要求。

图27中的驻波特性是蓝色虚线为差口输入驻波特性曲线，最大值为1.28；红色实线为和口输入驻波特性曲线，其最大值小于1.35，皆满足设计指标要求。

图28，29，30中描述了天线整体的分层结构图，天线分层说明：

(1)角锥喇叭直线阵，厚度为8mm

(2)功分网络第一层，厚度为2.5mm

(3)功分网络第二层，厚度为2.5mm

(4)和差网络，厚度为2.5mm

(5)天线盖板，厚度为4mm

总厚度约为19.5mm。天线的总尺寸为229mm×72mm×19.5mm

图31为天线加工实物图

相较于常见的询问天线，本发明不仅在Ka波段有着良好的工作特性，弥补了微带天线形式增益不高的缺点，同时维持着圆极化的特点，结构紧凑，易于加工且具有高度可设计性，因此有着很强的实用性和竞争力。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。而且，本发明并不局限于Ka频段，本发明的结构自然可以移植到其它不同的频段的喇叭天线。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种Ka波段腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线，其特征在于：包括馈电斜缝(1)耦合斜缝(2)，耦合腔体(3)，两个角锥喇叭(4)，馈电波导(5)，采用馈电波导开缝给耦合腔体馈电，然后耦合腔体宽边中心线上开双缝给两个喇叭分别馈电，整个喇叭馈口间距大，馈电网络简单。

2.根据权利要求1所述的一种腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线，圆极化波的产生可以通过调整角锥喇叭的上下两个口径面尺寸和喇叭长度来控制产生两个正交的相位差90度的场量。

3.根据权利要求1所述的腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线，馈电波导一端作为能量输入端口，顶面宽边中心线上开斜缝以便耦合能量给耦合腔体。

4.根据权利要求1所述的腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线，在耦合腔体顶面中心线上对称位置开右斜45°缝，且角锥喇叭天线和馈电缝的中心线应重合。

5.根据权利要求1所述的腔体耦合缝隙激励的圆极化喇叭天线，多个该发明组成的直线阵可以作为单脉冲雷达的询的天线，并且具有较高的增益，轴比在工作频带内很小因此可实现理想的圆极化。