CN207753168U - 一种加载超材料的圆极化喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种加载超材料的圆极化喇叭天线，包括同轴馈电接头、矩形波导、喇叭及超材料圆极化转换器，该同轴馈电接头安装在该矩形波导的外侧壁上，该矩形波导与该喇叭小端的开口相对接，该超材料圆极化转化器连接在该喇叭大端的开口位置；所述超材料圆极化转换器包括叠置在一起的两层介质基板，二介质基板的外端面及一介质基板的内端面上均刻蚀正方形阵列排布的多个金属方框，二介质基板的外端面及一介质基板的内端面上的金属方框重叠，二介质基板外端面的金属方框内还刻蚀有十字形的偶极子。该加载超材料的圆极化喇叭天线结构简单、方便加工。

Description

一种加载超材料的圆极化喇叭天线

技术领域

本实用新型涉及一种加载超材料的圆极化喇叭天线，属于微波天线技术领域。

背景技术

随着卫星通信与太空探索的发展，需要用雷达技术对目标在各种极化形式和气候环境下进行跟踪定位，线极化天线已远不能满足需求，而圆极化天线在信号接收能力和电磁抗干扰上相比同尺寸大小的线极化天线都有着优势。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号；在天文、航天设备中采用圆极化天线，除可以减小信号漏失外，还可能消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变等影响；在电视广播中采用圆极化天线，可克服重影、抑制雨雾的干扰，保持画面的稳定等等。可见，圆极化天线在卫星通信、深空探测、雷达技术、射电天文学及电视广播等领域的应用前景是十分广阔的。

喇叭天线的圆极化形成主要取决于圆极化器，圆极化器是形成振幅相等、相位差90°的空间正交电场矢量的微波元器件。圆极化器是圆极化天线波导馈源***的重要组成部分，它的性能好坏直接影响到天线的圆极化特性及其带宽特性。

1961年Komlos、Foldes和Jasinski发表了《Feed system for clockwise andcounterclockwise circular polarization》，提出了90°移相器和在波导中加入脊构造的圆极化喇叭天线的概念。但是由于需要多层结构组成，这将增大装载难度和天线重量，并且成本较高。

1993年何征宇发表《微波圆极化喇叭天线》，提出一种X波段圆极化喇叭，用介质移相原理设计成角锥喇叭型，由标准波导、极化扭转45°变换器、方波导、介质片、喇叭口等构成，该天线虽然实现了圆极化，但是设计结构和组装复杂，另外要求的加工精度也比较高，与相移介质片的形状、面积、位置和工艺都有着很大的关系。

2010年王佑贞等人发表了《X波段圆极化天线的设计与实验》，介绍了一种圆极化宽带圆锥喇叭天线，这种天线是通过在圆波导的管壁对称地***两排金属螺钉,金属螺钉是相等间隔来排列，从而实现圆极化的。螺钉圆极化器具有***损耗小，功率容量较大，匹配性能好等特点，但是频带较窄，并且极化器内部激励容易引起高次模，结构很复杂。

综上所述，现有的圆极化喇叭天线的结构复杂，加工难度大，不便于组装，限制了其使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种加载超材料的圆极化喇叭天线，结构简单、方便加工。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种加载超材料的圆极化喇叭天线，包括同轴馈电接头、矩形波导、喇叭及超材料圆极化转换器，该同轴馈电接头安装在该矩形波导的外侧壁上，该矩形波导与该喇叭小端的开口相对接，该超材料圆极化转化器连接在该喇叭大端的开口位置；所述超材料圆极化转换器包括叠置在一起的两层介质基板，二介质基板的外端面及一介质基板的内端面上均刻蚀正方形阵列排布的多个金属方框，二介质基板的外端面及一介质基板的内端面上的金属方框重叠，二介质基板外端面的金属方框内还刻蚀有十字形的偶极子，所述偶极子的横端和竖端的两端部分别指向所述金属方框的四个角，所述金属方框当中的所述偶极子横端相对的两个直角位置均刻蚀有两个短金属边，二短金属边对称连接在围成所述直角的二侧边上并与所述偶极子的横端平行。

优选地，所述喇叭为标准增益角锥喇叭。

优选地，所述超材料圆极化转换器的所在的平面和所述喇叭大端的开口的端面平行。

优选地，所述超材料圆极化转化器与所述喇叭大端的开口形状相适配，并贴合安装在所述喇叭内部。

优选地，所述喇叭大端开口平面为矩形。

优选地，所述超材料圆极化转化器与所述喇叭之间采用胶水固定或螺丝固定。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

所述超材料圆极化转换器由两层介质基板构成，可以由印刷电路板制成，工艺要求低，加工容易，轻便，非常便于装配，成本较低。

所述加载超材料的圆极化喇叭天线，包括同轴馈电接头、矩形波导、喇叭及超材料圆极化转换器，所述超材料圆极化转换器包括叠置在一起的两层介质基板，二介质基板的外端面及一介质基板的内端面上均刻蚀正方形阵列排布的多个金属方框，二介质基板的外端面及一介质基板的内端面上的金属方框重叠，二介质基板外端面的金属方框内还刻蚀有十字形的偶极子，所述偶极子的横端和竖端的两端部分别指向所述金属方框的四个角，所述金属方框当中的所述偶极子横端相对的两个直角位置均刻蚀有两个短金属边，二短金属边对称连接在围成所述直角的二侧边上并与所述偶极子的横端平行。由矩形波导和张开的喇叭壁形成的类球面波，经过所述超材料圆极化转换器表面时，入射波被分解为两个振幅相等，相位相差90°的线极化波从而使从圆极化转换器出射的电磁波转化为圆极化波，抗干扰能力强。同时又有喇叭天线的增益高、结构简单、方便加工等优点。

所述喇叭为标准增益角锥喇叭，对配件要求不高，组装该超材料圆极化转换器简单方便。

所述超材料圆极化转换器的所在的平面和所述喇叭大端的开口的端面平行，所述超材料圆极化转化器与所述喇叭大端的开口形状相适配，并贴合安装在所述喇叭内部。可根据任意频段和任意形状的喇叭，加载与喇叭大端的开口形状相适配的超材料圆极化转换器，通用性好。

附图说明

图1是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线的立体示意图之一。

图2是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线的立体示意图之二。

图3是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线的超材料圆极化转换器内部结构示意图。

图4(a)是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线中入射波透射圆极化转换器的反射和透射系数曲线。

图4(b)是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线中入射波透射圆极化转换器的相位曲线。

图5(a)是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在29GHz下XOZ面归一化方向图。

图5(b)是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在29GHz下YOZ面归一化方向图。

图6是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在28GHz-31GHz下的S11参数随频率变化曲线。

图7是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在28GHz-31GHz下的驻波比随频率变化曲线。

图8是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在28GHz-31GHz下的轴比随频率变化曲线。

图9是本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在28GHz-31GHz下的增益随频率变化曲线。

附图标记：

1同轴馈电接头，2矩形波导，3喇叭，超材料圆极化转换器4，介质基板5，金属方框6，偶极子7，短金属边8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横”、“竖”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图中的立体图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1至图3所示，本实用新型提供一种加载超材料的圆极化喇叭天线，包括同轴馈电接头1、矩形波导2、喇叭3及超材料圆极化转换器4。该同轴馈电接头1安装在该矩形波导2的外侧壁上，该矩形波导2与该喇叭3小端的开口相对接，该超材料圆极化转化器4连接在该喇叭3大端的开口位置。

所述超材料圆极化转换器4包括叠置在一起的两层介质基板5，可以由印刷电路板制成，工艺要求低，加工容易，轻便，非常便于装配，成本较低。

该二介质基板5的外端面及一介质基板5的内端面上均刻蚀正方形阵列排布的多个金属方框6，二介质基板5的外端面及一介质基板5的内端面上的金属方框6重叠，二介质基板5外端面的金属方框6内还刻蚀有十字形的偶极子7，所述偶极子7的横端和竖端的两端部分别指向所述金属方框6的四个角，所述金属方框6当中的所述偶极子横端相对的两个直角位置均刻蚀有两个短金属边8，二短金属边8对称连接在围成所述直角的二侧边上并与所述偶极子7的横端平行。由矩形波导2和张开的喇叭3的壁形成的类球面波，经过所述超材料圆极化转换器4表面时，入射波被分解为两个振幅相等，相位相差90°的线极化波从而使从圆极化转换器出射的电磁波转化为圆极化波，抗干扰能力强。同时又有喇叭天线的增益高、结构简单、方便加工等优点。

所述喇叭3为标准增益角锥喇叭，对配件要求不高，组装该超材料圆极化转换器4简单方便。该标准增益角锥喇叭3的口面尺寸、轴向长度根据具体增益需求设计。所述喇叭3也不止局限于角锥喇叭，也适用于任意形状的喇叭，只要根据设计在其内部或者喇叭口面上加载圆极化转换器，可以将发射的线极化波转换为圆极化波即可。

所述矩形波导2的尺寸由加载超材料的圆极化喇叭天线的工作频段决定，所述超材料圆极化转换器4的厚度约为工作频带中心频率波长的五分之一。

所述超材料圆极化转换器4的所在的平面和所述喇叭3大端的开口的端面平行。

所述超材料圆极化转化器4的大小和摆放位置可以根据需要设计。例如，所述超材料圆极化转化器4的外端平面距离所述喇叭3大端开口平面的距离为0-4mm，所述超材料圆极化转化器4与所述喇叭3大端的开口形状相适配，并贴合安装在所述喇叭3内部。

所述喇叭3大端开口平面为矩形。

所述超材料圆极化转化器4与所述喇叭3之间采用胶水固定或螺丝固定，以保证牢固性和可靠性。

所述平面介质基板5的介电常数为2.2-6。

如图2所示，所述超材料圆极化转换器4由转换单元周期排布形成，该转化单元由双层介质基板5、三层金属方框6、多个短金属边6和两层金属偶极子7组成。该圆极化转换器4的大小和位置是不固定的，可以根据圆极化带宽等指标来设计位置，可以通过位置和喇叭3的尺寸来决定尺寸。该转换单元的结构可以更换，只要其可以完成线-圆极化转换即可。超材料作为一种新兴具有超常电磁特性的人工复合材料，通常由周期排布的规则单元构成，易于研究人员设计结构简单、功能强大的电磁产品。

图4(a)是本实用新型圆极化转换器4在电磁波透射时的反射和透射系数曲线。横轴为频率范围，纵轴为反射和透射幅度系数，可以看出在28GHz-31GHz，两个模式的透射系数接近0，透过率很高，反射系数在-10dB以下，反射率很低。图4(b)是本实用新型中入射波透射圆极化转换器4后两个模式的相位曲线,由图中可以发现在28GHz-31GHz，入射波被分解为两个相位相差约90°的两个线极化波。

超材料圆极化转化器4的边长和谐振单元的数量是由加载在喇叭3内部的位置决定的，因为考虑到牢固性、可靠性和极化转换的效果，其四边需要和喇叭4内部紧贴。在本实用新型中实际测试中超材料圆极化转化器4装配在距离喇叭3的开口0mm处，长边边长18mm，短边边长14.4mm。同时也可以调整超材料圆极化转化器4的大小将其放在距离喇叭3的开口2mm至4mm等多处。图5(a)为29GHz下本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线XOZ面归一化的方向图；图5(b)为29GHz下本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线YOZ面的方向图。

图6为本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在28GHz至31GHz范围内自反射系数S11随频率变化曲线，由图可知，S11在28GHz-30.6GHz范围内基本在-15dB以下。图7为本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在28GHz至31GHz范围内驻波比随频率变化曲线，由图可知,在28GHz-30.7GHz范围内驻波比均在2以下，这充分说明该超材料圆极化转化器4对入射波的反射很少。

图8为本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在28GHz至31GHz范围内轴比随频率变化曲线，由图可知，该天线在28.4GHz-30.7GHz范围内轴比均在3dB以下，实现了圆极化的转换。

图9为本实用新型加载超材料的圆极化喇叭天线在28GHz至31GHz范围内增益随频率变化曲线，由图可知，加了超材料圆极化转化器4的喇叭天线的增益小幅度降低，减小量在1.1dB范围内，对于基础天线，15dB的标准增益喇叭天线来说，该超材料圆极化转化器4没有对原天线的增益造成太大影响。

本实用新型加载超材料圆极化转化器4的加载超材料的圆极化喇叭天线通过在传统角锥喇叭内加载超材料圆极化转化器4实现的。发明人通过设计超材料圆极化转化器4的尺寸及构成其转换单元结构的形状和尺寸来进行极化转换，以获得角锥喇叭内部的入射波从线极化波到圆极化波的转化。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种加载超材料的圆极化喇叭天线，包括同轴馈电接头、矩形波导、喇叭及超材料圆极化转换器，该同轴馈电接头安装在该矩形波导的外侧壁上，该矩形波导与该喇叭小端的开口相对接，该超材料圆极化转化器连接在该喇叭大端的开口位置，其特征在于：所述超材料圆极化转换器包括叠置在一起的两层介质基板，二介质基板的外端面及一介质基板的内端面上均刻蚀正方形阵列排布的多个金属方框，二介质基板的外端面及一介质基板的内端面上的金属方框重叠，二介质基板外端面的金属方框内还刻蚀有十字形的偶极子，所述偶极子的横端和竖端的两端部分别指向所述金属方框的四个角，所述金属方框当中的所述偶极子横端相对的两个直角位置均刻蚀有两个短金属边，二短金属边对称连接在围成所述直角的二侧边上并与所述偶极子的横端平行。

2.根据权利要求1所述的加载超材料的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述喇叭为标准增益角锥喇叭。

3.根据权利要求1所述的加载超材料的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述超材料圆极化转换器的所在的平面和所述喇叭大端的开口的端面平行。

4.根据权利要求1所述的加载超材料的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述超材料圆极化转化器与所述喇叭大端的开口形状相适配，并贴合安装在所述喇叭内部。

5.根据权利要求4所述的加载超材料的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述喇叭大端开口平面为矩形。

6.根据权利要求4所述的加载超材料的圆极化喇叭天线，其特征在于：所述超材料圆极化转化器与所述喇叭之间采用胶水固定或螺丝固定。