CN115101914A - 一种低剖面灵活口径的腔体天线阵及其谐振腔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振腔，底部内壁具有第一金属凸脊，谐振腔顶部具有辐射缝，所述辐射缝平行于第一金属凸脊延伸；通过在谐振腔内增加金属凸脊，可以有效调节波导结构的导波长，从而使得天线在两维方向上的尺寸能够灵活设计，不受限制，实现天线的灵活口径。本发明还提出一种低剖面灵活口径的腔体天线阵。

Description

一种低剖面灵活口径的腔体天线阵及其谐振腔
技术领域
本发明涉及天线阵技术领域，尤其涉及一种低剖面灵活口径的腔体天线阵及其谐振腔。
背景技术
在航天军工通信领域，天线是关键部件，其工作环境复杂多变，对天线的加工精度、可靠性方面具有较高的要求。在众多天线形式当中，波导腔体天线以其结构紧凑、重量轻、体积小、功率容量大、口径效率高且容易实现低副瓣、窄波束等特点脱颖而出。
此外，在通信中使用圆极化天线可以抗云、雨干扰，并且在路径损耗较明显的Ka甚至更高的频段，圆极化波都能表现出很大的优势；在电子对抗中，圆极化天线可以侦查和干扰敌方的各种线极化及椭圆极化波；在剧烈摆动或滚动的飞行器上安装圆极化天线，即使在恶劣的环境下也能捕捉信息。
因此，基于波导腔体结构的圆极化天线在航天军工通信领域将有着巨大的应用潜力。在现有技术中，中国专利申请号CN200910185457.3，张洪涛、汪伟等人公开了一种基于四脊波导的圆极化天线，由馈电波导管、耦合缝以及四脊圆极化器构成，具备在工作频带内进行圆极化辐射的能力。然而，该圆极化天线存在以下几个不足：首先，该圆极化天线通过馈电波导搭载圆极化器的形式，使得天线剖面较高。其次，上述圆极化波导天线只能产生单一的圆极化(左旋圆极化或者右旋圆极化)，不具备极化复用的能力，***通信容量有限。此外，根据上述发明中天线的设计原理，该天线在两维方向上的尺寸相互关联，因此天线口径大小不灵活，在具体工程应用中对天线口径要求严格的情况下，该天线无法满足要求。其原因在于波导波长受制于波导宽度，这样一来，一旦波导宽度定了，那导波长就无法改变。从而使得天线口径无法在两维方向灵活变动。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种低剖面灵活口径的腔体天线阵及其谐振腔。
本发明提出一种谐振腔，所述谐振腔底部内壁具有第一金属凸脊，谐振腔顶部具有辐射缝，所述辐射缝平行于第一金属凸脊延伸。
优选地，所述谐振腔包括下壳体和上壳体，下壳体上具有依次平行布置的多个第一金属凸脊，上壳体上具有多组辐射缝，每组辐射缝与一个第一金属凸脊对应设置且每组辐射缝沿长度方向依次分布。
本发明中，所提出的谐振腔，底部内壁具有第一金属凸脊，谐振腔顶部具有辐射缝，所述辐射缝平行于第一金属凸脊延伸；通过在谐振腔内增加金属凸脊，可以有效调节波导结构的导波长，从而使得天线在两维方向上的尺寸能够灵活设计，不受限制，实现天线的灵活口径。
本发明还提出一种低剖面灵活口径的腔体天线阵，包括：馈电波导、极化转换微带板、同轴波导转换器和上述的谐振腔；
馈电波导内具有传导通道，所述传导通道顶部具有沿所述传导通道内壁延伸的耦合缝，谐振腔底部具有与所述耦合缝对应设置的开口，第一金属凸脊垂直于所述传导通道延伸方向设置，极化转换微带板位于谐振腔上方，同轴波导转换器连接在所述传导通道的一端。
优选地，所述传导通道顶部具有依次分布的多个耦合缝，每个第一金属凸脊与一个所述耦合缝对应设置。
优选地，所述传导通道底部具有沿其长度方向延伸的第二金属凸脊。
优选地，极化转换微带板上设有双极化转换贴片，极化转换微带板上设有竖直布置的转轴且通过转轴可转动安装在谐振腔上。
优选地，极化转换微带板上具有均匀同向分布的多个双极化转换贴片。
优选地，极化转换微带板包括上板体和下板体，双极化转换贴片位于下板体上，上板体上设有与双极化转换贴片对应布置的寄生第二微带板位于第一微带板上方，第二微带板上设有与双极化转换贴片对应设置的寄生单元。
优选地，谐振腔顶部具有用于对极化转换微带板边缘定位的定位凸起。
优选地，极化转换微带板具有正方形结构，双极化转换贴片具有十字形结构，所述十字形结构的长径方向沿极化转换微带板的对角线方向布置。本发明中，所提出的低剖面灵活口径的腔体天线阵，
本发明中，所提出的低剖面灵活口径的腔体天线阵，馈电波导内具有传导通道，所述传导通道顶部具有沿所述传导通道内壁延伸的耦合缝，谐振腔底部具有与所述耦合缝对应设置的开口，第一金属凸脊垂直于所述传导通道延伸方向设置，极化转换微带板位于谐振腔上方，同轴波导转换器连接在所述传导通道的一端。谐振腔内增加金属凸脊，可有效调节波导结构的导波长，同时，通过微带板的设计，有效降低天线的剖面高度，馈电波导与谐振腔之间通过耦合缝相连，谐振腔顶部开辐射缝使能量向顶层极化转换微带板传输，从而实现圆极化辐射。
附图说明
图1为本发明提出的一种谐振腔的一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的整体结构示意图。
图3为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的***示意图。
图4为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的极化转换微带板的结构示意图。
图5为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式中极化转换微带板左旋圆极化模式的示意图。
图6为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式中极化转换微带板右旋圆极化模式的示意图。
图7为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的同轴波导转换器的一个结构示意图。
图8为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的同轴波导转换器的另一结构示意图。
图9为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的中心频点辐射特性图。
具体实施方式
如图1至9所示，图1为本发明提出的一种谐振腔的一种实施方式的结构示意图，图2为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的整体结构示意图，图3为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的***示意图，图4为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的极化转换微带板的结构示意图，图5为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式中极化转换微带板左旋圆极化模式的示意图，图6为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式中极化转换微带板右旋圆极化模式的示意图，图7为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的同轴波导转换器的一个结构示意图，图8为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的同轴波导转换器的另一结构示意图，图9为本发明提出的一种低剖面灵活口径的腔体天线阵的一种实施方式的中心频点辐射特性图。
参照图1，本发明提出的一种谐振腔，所述谐振腔底部内壁具有第一金属凸脊302，谐振腔顶部具有辐射缝403，所述辐射缝403平行于第一金属凸脊302延伸。通过在谐振腔内设计金属脊用于调节谐振腔的导波长，使得谐振腔在两维方向的尺寸能够灵活变化。
在本实施例中，所提出的谐振腔，底部内壁具有第一金属凸脊，谐振腔顶部具有辐射缝，所述辐射缝平行于第一金属凸脊延伸；通过在谐振腔内增加金属凸脊，可以有效调节波导结构的导波长，从而使得天线在两维方向上的尺寸能够灵活设计，不受限制，实现天线的灵活口径。
在本实施例的谐振腔的具体设计方式中，所述谐振腔包括下壳体3和上壳体4，下壳体3上具有依次平行布置的多个第一金属凸脊302，上壳体4上具有多组辐射缝403，每组辐射缝403与一个第一金属凸脊302对应设置且每组辐射缝403沿长度方向依次分布。
参照图2和3，本实施例还提出一种低剖面灵活口径的腔体天线阵，包括：馈电波导2、极化转换微带板、同轴波导转换器1和上述的谐振腔；
馈电波导2内具有传导通道，所述传导通道顶部具有沿所述传导通道内壁延伸的耦合缝203，谐振腔底部具有与所述耦合缝203对应设置的开口303，第一金属凸脊302垂直于所述传导通道延伸方向设置，极化转换微带板位于谐振腔上方，同轴波导转换器1连接在所述传导通道的一端。
本实施例的天线阵工作时，输入信号进入馈电波导中，然后通过耦合缝耦合到谐振腔中，再经过辐射缝依次进入上方的极化转换微带板，从而向空间中辐射圆极化电磁波。谐振腔底部开设与馈电波导匹配的开口，使得馈电波导可以与谐振腔紧密相连。采用微带板结构来实现圆极化，取代了传统的金属波导圆极化器，在一定程度上降低了天线的剖面高度。
在本实施例中，所提出的低剖面灵活口径的腔体天线阵，馈电波导内具有传导通道，所述传导通道顶部具有沿所述传导通道内壁延伸的耦合缝，谐振腔底部具有与所述耦合缝对应设置的开口，第一金属凸脊垂直于所述传导通道延伸方向设置，极化转换微带板位于谐振腔上方，同轴波导转换器连接在所述传导通道的一端。谐振腔内增加金属凸脊，可有效调节波导结构的导波长，同时，通过微带板的设计，有效降低天线的剖面高度，馈电波导与谐振腔之间通过耦合缝相连，谐振腔顶部开辐射缝使能量向顶层极化转换微带板传输，从而实现圆极化辐射。
在馈电波导的具体实施方式中，所述传导通道顶部具有依次分布的多个耦合缝203，每个第一金属凸脊302与一个所述耦合缝203对应设置，使得通过耦合缝进入谐振腔的信号在谐振腔内均匀分布。
在传导通道的具体设计中，所述传导通道底部具有沿其长度方向延伸的第二金属凸脊201。馈电波导内设置金属凸脊，用于调节馈电波导的导波长，使得电磁波从耦合缝中顺利耦合入上方的谐振腔内。
参照图4-6，在极化转换微带板的具体设计方式中，极化转换微带板上设有双极化转换贴片502，极化转换微带板上设有竖直布置的转轴且通过转轴可转动安装在谐振腔上。通过旋转极化转换微带板，可调节极化方向。具体地，极化转换微带板具有正方形结构，双极化转换贴片502具有十字形结构，所述十字形结构的长径方向沿极化转换微带板的对角线方向布置。
在本实施方式中，通过双极化转换贴片502的十字形结构，形成一对正交、等幅并且相位差为90°的信号，从而实现圆极化辐射。在天线工作时，线极化电磁波从辐射缝进入到上方微带板结构以后，受十字形极化转换贴片的影响，会分解为两种正交的模式，且具备等幅、相位差90°的特性，满足圆极化形成的条件，此时产生圆极化辐射。由于左旋圆极化和右旋圆极化在空间是一种正交关系，而且基于该该天线的旋转对称特性，将上方微带板旋转90°以后，即可在左旋圆极化和右旋圆极化之间切换。
进一步地，谐振腔顶部具有用于对极化转换微带板边缘定位的定位凸起402，便于对不同旋转角度的微带板进行定位。
在实际设计中，极化转换微带板上具有均匀同向分布的多个双极化转换贴片502。具体地，可根据使用需要，将多个双极化转换贴片形成N*N阵列分布，相应地，谐振腔顶部形成N*N阵列分布的辐射缝，每个辐射缝与一个双极化转换贴片对应，谐振腔内设置N个第一金属凸脊。
在极化转换微带板的其他具体实施方式中，极化转换微带板包括上板体5和下板体6，双极化转换贴片502位于下板体6上，上板体5上设有与双极化转换贴片502对应布置的寄生单元。通过与极化转换贴片对应设置的寄生单元，用于进一步优化天线的圆极化特性及阻抗带宽。具体地，双极化转换贴片502设计为十字形结构，寄生单元可包括寄生内环602和寄生外环603。
在本实施例的天线阵实际设计中，对应不同的工作频段和指标需求，可以灵活设计。可将微带板设计为单层或多层结构。不同微带板可采用相同材质或不同材质。寄生环可设计为圆环、矩形、椭圆、菱形等环状结构，也可是连续或不连续的环状结构。
同样，耦合缝和辐射缝也可采用圆形、三角形等形状。
加工时，双极化贴片部分可采用印制板工艺制作，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广，成本低。
下面以具体实例详细说明本实施例的低剖面灵活口径的腔体天线阵。
根据图1-8，本实施例的天线阵包括从下至上依次设置的同轴波导转换器1、馈电波导2、谐振腔的下壳体3、谐振腔的上壳体4、微带板的上板体5、微带板的下板体6。同轴波导转换器包含同轴套筒101、同轴外介质102、同轴内导体103、同轴波导外壳104、第一同轴匹配台阶105第二同轴匹配台阶106、以及第三同轴匹配台阶107。其中，同轴套筒101与同轴波导外壳104相连。同轴外介质102插在同轴套筒101中，同轴内导体103穿过同轴外介质102与同轴波导外壳104内部的第一同轴匹配台阶105相连。第一同轴匹配台阶105、第二同轴匹配台阶106、与第三同轴匹配台阶107均用于调节同轴波导转换器1的阻抗匹配特性。
馈电波导2包括第二金属凸脊201、馈电波导腔体外壳202、以及耦合缝203。第二金属凸脊201用于调节馈电波导2的导波长，使电磁波从耦合缝203中顺利耦合入上方的谐振腔。
谐振腔包括下壳体3、第一金属凸脊302、谐振腔底部矩形开口303和上壳体4。第一金属凸脊302用于调节谐振腔的导波长，使得谐振腔在两维方向的尺寸能够灵活变化。谐振腔底部矩形开口303的大小与馈电波导2尺寸一致，使得馈电波导可以与谐振腔紧密相连。谐振腔的上壳体4顶部具有定位凸起402、辐射缝403。其中定位凸起402位于上壳体上表面四个角，用于定位上方的微带板结构。辐射缝403均匀分布在上壳体4顶部。
极化转换微带板包括上板体6和下板体5，下板体5上设有十字形的双向极化转换贴片502，双向极化转换贴片502边缘具有第一极化转换阶梯5021和5022。双向极化转换贴片502长轴方向与下方辐射缝403的延伸方向呈45°夹角，第一极化转换阶梯与第二极化转换阶梯用于调节天线的圆极化特性。上板体6上设有寄生内环603和寄生外环604，可用于进一步优化天线的圆极化特性及阻抗带宽。
天线工作时，输入信号通过同轴波导转换器1进入馈电波导2中，然后通过耦合缝23耦合到谐振腔中，再经过辐射缝403依次进入上方的下板体5和上板体6，从而向空间中辐射圆极化电磁波。该天线具备辐射左旋及右旋两种电磁波的能力，通过将微带板结构旋转90°，即可实现两种圆极化之间的切换。
图9展示了本实施例的腔体天线阵的辐射特性曲线，从图中可以看出，该天线具备优异的圆极化辐射。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种谐振腔，其特征在于，所述谐振腔底部内壁具有第一金属凸脊(302)，谐振腔顶部具有辐射缝(403)，所述辐射缝(403)平行于第一金属凸脊(302)延伸。
2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括下壳体(3)和上壳体(4)，下壳体(3)上具有依次平行布置的多个第一金属凸脊(302)，上壳体(4)上具有多组辐射缝(403)，每组辐射缝(403)与一个第一金属凸脊(302)对应设置且每组辐射缝(403)沿长度方向依次分布。
3.一种低剖面灵活口径的腔体天线阵，其特征在于，包括：馈电波导(2)、极化转换微带板、同轴波导转换器(1)和根据权利要求1-2任一项所述的谐振腔；
馈电波导(2)内具有传导通道，所述传导通道顶部具有沿所述传导通道内壁延伸的耦合缝(203)，谐振腔底部具有与所述耦合缝(203)对应设置的开口(303)，第一金属凸脊(302)垂直于所述传导通道延伸方向设置，极化转换微带板位于谐振腔上方，同轴波导转换器(1)连接在所述传导通道的一端。
4.根据权利要求3所述的低剖面灵活口径的腔体天线阵，其特征在于，所述传导通道顶部具有依次分布的多个耦合缝(203)，每个第一金属凸脊(302)与一个所述耦合缝(203)对应设置。
5.根据权利要求3所述的低剖面灵活口径的腔体天线阵，其特征在于，所述传导通道底部具有沿其长度方向延伸的第二金属凸脊(201)。
6.根据权利要求3所述的低剖面灵活口径的腔体天线阵，其特征在于，极化转换微带板上设有双极化转换贴片(502)，极化转换微带板上设有竖直布置的转轴且通过转轴可转动安装在谐振腔上。
7.根据权利要求6所述的低剖面灵活口径的腔体天线阵，其特征在于，极化转换微带板上具有均匀同向分布的多个双极化转换贴片(502)。
8.根据权利要求6所述的低剖面灵活口径的腔体天线阵，其特征在于，极化转换微带板包括上板体(5)和下板体(6)，双极化转换贴片(502)位于下板体(6)上，上板体(5)上设有与双极化转换贴片(502)对应布置的寄生单元。
9.根据权利要求6所述的低剖面灵活口径的腔体天线阵，其特征在于，谐振腔顶部具有用于对极化转换微带板边缘定位的定位凸起(402)。
10.根据权利要求5所述的低剖面灵活口径的腔体天线阵，其特征在于，极化转换微带板具有正方形结构，双极化转换贴片(502)具有十字形结构，所述十字形结构的长径方向沿极化转换微带板的对角线方向布置。
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