CN109950702B - 一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线，由十字辐射缝隙、耦合腔、馈电缝隙、脊波导、脊波导变换段、匹配脊波导、同轴探针、探针固定介质、天线壳体、同轴壳体构成；其中，十字辐射缝隙、耦合腔、馈电缝隙、脊波导、脊波导变换段、匹配脊波导和天线壳体构成天线主体。同轴探针、探针固定介质、同轴壳体形成SMP接口构成天线的馈电同轴。本发明采用脊波导经耦合腔馈电十字辐射缝隙的形式，在实现圆极化的同时，减小了天线的体积和损耗，增加了天线的波束宽度。本发明可作为单天线使用，也可用作宽角扫描相控阵天线阵元。

Description

一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种低损耗、宽波束、圆极化波导十字缝隙天线。

背景技术

宽波束圆极化天线在通信和雷达领域应用十分广泛。为实现移动用户高码率数据传输和宽幅高分辨率成像，现代通信和雷达***更多的采用相控阵电扫描技术，并向毫米波甚至更高频段应用方向发展。

在毫米波太赫兹频段，常见的微带和介质类圆极化天线用于相控阵电扫描存在介质损耗大、恶劣环境下适应能力差的缺点。常见的波导喇叭天线由于尺寸大，难以用于宽角电扫描，而短截波导又难以实现圆极化工作。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种环境适应能力强，且兼具低成本、低轴比、低损耗、宽波束、易加工、高功率容量优点，可用作宽角扫描相控阵天线阵元的波导十字缝隙天线。

本发明的技术解决方案为：

本发明采用相同厚度、相同长度的两个正交工字形缝隙构成十字辐射缝隙。利用常见的SMP接口转脊波导进行馈电，通过脊波导自然过渡为工字形馈电缝隙，再经耦合腔对十字辐射缝隙进行馈电，从而实现了天线的低损耗、宽波束和低轴比圆极化。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线，天线主体包括：金属壳体，以及在金属壳体内部机械加工获得从上到下依次层叠的十字辐射缝隙、耦合腔、馈电缝隙、脊波导、脊波导变换段以及匹配脊波导；

十字辐射缝隙由相同厚度、相同长度的两个工字形缝隙相互正交构成；

耦合腔为圆形空腔；

馈电缝隙为工字形缝隙；馈电缝隙、脊波导、脊波导变换段以及匹配脊波导端面对齐依次层叠。

优选的，天线的馈电同轴由同轴探针、探针固定介质和同轴壳体构成；匹配脊波导的底部中心开设通孔，同轴探针穿过通孔后与脊波导变换段的末级阶梯紧密焊接在一起。

优选的，十字辐射缝隙的两个工字形缝隙的长度小于天线自由空间下工作时的半波长。

优选的，调节十字辐射缝隙两个工字形缝隙的中间窄缝隙的宽度和厚度使得通过两个工字形缝隙的两个极化电场相位差为+90°或-90°，从而实现天线左旋或右旋圆极化。

优选的，所述耦合腔的直径小于天线自由空间下工作时的半波长，腔体的几何中心与十字辐射缝隙的几何中心在垂直方向上的投影重合。

优选的，所述馈电缝隙为工字形缝隙，缝隙的几何中心与耦合腔的几何中心在垂直方向上的投影重合；馈电缝隙与十字辐射缝隙的两个工字形缝隙夹角均为45度；调整馈电缝隙的宽度和长度，从而改变天线的驻波比和轴比。

优选的，所述脊波导为双脊金属波导，波导口长边、短边尺寸与馈电缝隙的长度、宽度相同，几何中心与馈电缝隙的几何中心在垂直方向上的投影重合；调整双脊波导脊间距的尺寸，从而改变天线的驻波比。

优选的，所述脊波导变换段采用三级双脊金属波导阶梯变换，调节阶梯的尺寸，从而改变天线的驻波比。

优选的，所述匹配脊波导为双脊金属波导，波导口尺寸与脊波导完全相同；调节匹配脊波导的厚度，从而改变天线的驻波比。

同时提供一种相控阵天线，包括多个相控阵单元，所述相控阵单元采用所述低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线实现。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用相同厚度、相同长度的两个正交工字形缝隙构成十字辐射缝隙，利用工字形缝隙经耦合腔馈电十字辐射缝隙的天线形式，克服了现有的基于微波介质材料的圆极化宽波束天线损耗大的缺点，同时实现了天线口径小于自由空间半波长，从而获得宽波束特性，并能满足宽角扫描阵列对阵元尺寸的要求。

(2)本发明天线主体部分为全金属结构，具备易加工、低成本、低损耗、高功率容量和环境适应能力强的优点。

附图说明

图1为本发明天线的剖视图；

图2为本发明天线的俯视图；

图3为本发明天线内部波导空腔含阶梯侧面的示意图；

图4为本发明天线内部波导空腔不含阶梯侧面的示意图；

图5为本发明天线实例的仿真驻波比曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明天线的剖视图，由图可知，天线由十字辐射缝隙1、耦合腔2、馈电缝隙3、脊波导4、脊波导变换段5、匹配脊波导6、同轴探针7、探针固定介质8、天线壳体9、同轴壳体10构成。

其中，十字辐射缝隙1、耦合腔2、馈电缝隙3、脊波导4、脊波导变换段5、匹配脊波导6从上到下依次层叠，结合天线壳体9构成了天线主体。可以采用分段机械加工再进行焊接的工艺生产加工。同轴探针7、探针固定介质8和同轴壳体10紧密贴合形成常见的SMP接口。

如图1和图2所示，脊波导变换段5的底部开通孔，同轴探针7穿过通孔后与脊波导变换段5的末级阶梯紧密焊接在一起。探针固定介质8固定在同轴探针7外表面，同轴壳体10固定在探针固定介质8的外表面。

图3所示为本发明天线内部波导空腔示意图，图4为本发明天线内部波导空腔不含阶梯侧面的示意图；十字辐射缝隙1由两个相同厚度、相同长度的工字形缝隙相互正交构成。为了加工方便，工字形缝隙的两端矩形空腔各四个角可以为圆角。工字形缝隙的长度小于天线自由空间下工作时的半波长。两个工字形缝隙的中间窄缝隙的宽度差，结合厚度使得通过两个工字形中间窄缝隙的两个电场极化相位差为+90°或-90°，从而实现天线左旋或右旋圆极化工作。十字辐射缝隙1的两端矩形空腔的尺寸可以调节天线的驻波比。

耦合腔2位于十字辐射缝隙1的下层，为圆形金属空腔。空腔的直径小于天线自由空间下工作时的半波长，与十字辐射缝隙1两个工字形缝隙的长度相同，腔体的几何中心与十字辐射缝隙的几何中心在垂直方向上的投影重合。

馈电缝隙3位于耦合腔2的下层，为工字形缝隙，缝隙的几何中心与耦合腔的几何中心在垂直方向上的投影重合。馈电缝隙3与十字辐射缝隙1的两个工字形缝隙夹角均为45度。调整馈电缝隙3的宽度和长度，从而改变天线的驻波比和轴比。为加工方便，馈电缝隙3的边缘可以倒圆角。

脊波导4位于馈电缝隙3的下层，为双脊金属波导，其波导口长边、短边与馈电缝隙3的长度、宽度相同。脊波导4的双脊间距大于馈电缝隙3的工字形缝隙间距。脊波导4的几何中心与馈电缝隙3的几何中心在垂直方向上的投影重合，脊波导4两端分别与馈电缝隙3两端对齐。调整双脊波导脊间距的尺寸，从而改变天线的驻波比。

脊波导变换段5位于脊波导4的下层，采用三级双脊金属波导阶梯变换，每一级阶梯的宽度与脊波导4脊的宽度相同。调节阶梯的尺寸，从而改变天线的驻波比。

匹配脊波导6为双脊金属波导，波导口尺寸与脊波导4完全相同。调节匹配脊波导6的厚度，从而改变天线的驻波比。

综合调节馈电缝隙3、脊波导4、脊波导变换段5以及匹配脊波导6的厚度，获得更宽的天线的驻波比带宽。

本发明在金属基体的基础上进行高精密机械加工，获得如图3所示的内部波导空腔。由于使用全金属结构，克服了现有的毫米波太赫兹频段基于微波介质材料的圆极化宽波束天线损耗大的缺点，恶劣环境下适应能力强。利用脊波导在半波长内能够传输TE10主模，从而获得了宽波束特性，并能满足宽角扫描阵列对阵元尺寸的要求。

如图1所示，在本实施案例中，天线整体尺寸为Φ5.8mm×19mm。十字辐射缝隙的厚度为1mm，构成十字辐射缝隙的两工字形缝隙长度均为5.2mm，宽度均为1.5mm，缝隙间距分别为0.44mm和0.78mm。耦合腔的厚度为0.8mm，直径为5.4mm。馈电缝隙的厚度为1mm，缝隙长度为5mm，宽度为2.5mm，缝隙间距为0.9mm。脊波导的厚度为2.8mm，波导口长边和短边尺寸分别为5mm和2.5mm，双脊间距为1.14mm。脊波导变换段的厚度为4mm，前两级阶梯的厚度均为1mm，末级阶梯的厚度为2mm。匹配脊波导的厚度为1.3mm。

本实施例的天线工作指标如下：

频率：Ka频段(25.3GHz-26.3GHz)；

驻波比：≤1.6；

右旋圆极化轴比：≤3dB；

3dB波束宽度：≥130°；

增益值：≥4dB；

本发明的Ka频段的宽频带圆极化微带天线的电压驻波比随频率变化曲线如图5所示，不同频率时天线的波束宽度和轴比如表1所示。

表1不同频率时天线波束宽度和轴比仿真值

频率/GHz	25.3	25.5	25.7	25.9	26.1	26.3
							3dB波束宽度/°	130	131	132	133	133	134
轴比/dB	2.83	1.72	0.88	1.03	1.88	2.8

上述实施例只是本发明应用的一种列举，本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离本发明技术方案的情况下进行各种改进和更换，同样落入本发明的保护范围。本发明未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims (7)

1.一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线，其特征在于，天线主体包括：金属壳体(9)，以及在金属壳体(9)内部机械加工获得从上到下依次层叠的十字辐射缝隙(1)、耦合腔(2)、馈电缝隙(3)、脊波导(4)、脊波导变换段(5)以及匹配脊波导(6)；

十字辐射缝隙(1)由相同厚度、相同长度的两个工字形缝隙相互正交构成，两个工字形缝隙的长度小于天线自由空间下工作时的半波长；调节十字辐射缝隙(1)两个工字形缝隙的中间窄缝隙的宽度和厚度使得通过两个工字形缝隙的两个极化电场相位差为+90°或-90°，从而实现天线左旋或右旋圆极化；

耦合腔(2)为圆形空腔，空腔直径小于天线自由空间下工作时的半波长，腔体的几何中心与十字辐射缝隙(1)的几何中心在垂直方向上的投影重合；

馈电缝隙(3)为工字形缝隙；馈电缝隙(3)、脊波导(4)、脊波导变换段(5)以及匹配脊波导(6)端面对齐依次层叠。

2.根据权利要求1所述的一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线，其特征在于：天线的馈电同轴由同轴探针(7)、探针固定介质(8)和同轴壳体(10)构成；匹配脊波导(6)的底部中心开设通孔，同轴探针(7)穿过通孔后与脊波导变换段(5)的末级阶梯紧密焊接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线，其特征在于：所述馈电缝隙(3)为工字形缝隙，缝隙的几何中心与耦合腔的几何中心在垂直方向上的投影重合；馈电缝隙(3)与十字辐射缝隙(1)的两个工字形缝隙夹角均为45度；调整馈电缝隙(3)的宽度和长度，从而改变天线的驻波比和轴比。

4.根据权利要求1所述的一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线，其特征在于：所述脊波导(4)为双脊金属波导，波导口长边、短边尺寸与馈电缝隙(3)的长度、宽度相同，几何中心与馈电缝隙(3)的几何中心在垂直方向上的投影重合；调整双脊波导脊间距的尺寸，从而改变天线的驻波比。

5.根据权利要求1所述的一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线，其特征在于：所述脊波导变换段(5)采用三级双脊金属波导阶梯变换，调节阶梯的尺寸，从而改变天线的驻波比。

6.根据权利要求1所述的一种低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线，其特征在于：所述匹配脊波导(6)为双脊金属波导，波导口尺寸与脊波导(4)完全相同；调节匹配脊波导(6)的厚度，从而改变天线的驻波比。

7.一种相控阵天线，包括多个相控阵单元，其特征在于：所述相控阵单元采用如权利要求1～6之一所述低损耗宽波束圆极化波导十字缝隙天线实现。

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