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CN113193345A - 一种s形口径圆极化天线单元及阵面天线 - Google Patents

一种s形口径圆极化天线单元及阵面天线 Download PDF

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CN113193345A CN202110480720.2A CN202110480720A CN113193345A CN 113193345 A CN113193345 A CN 113193345A CN 202110480720 A CN202110480720 A CN 202110480720A CN 113193345 A CN113193345 A CN 113193345A
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罗彦彬
郑治
方小川
王晓婷
张洪涛
郑雨阳
陈明
王烁
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Abstract

本发明涉及一种S形口径圆极化天线单元及阵面天线，包括：金属腔体，所述金属腔体内部设置有容置空间，且一侧设有开口；馈电细长缝，与所述金属腔体的底部连接为一体；至少一对以上的金属膜片，每对金属膜片中，底部与所述容置空间底部连接为一体，所述金属膜片的相互远离的侧面分别固定于所述容置空间相对的侧面中，且所述金属膜片相互交错开位于不同的平面中。该天线单元采用简单的开放金属腔体结构，有利于金属机械铣工艺加工，降低了加工难度；电磁耦合的馈电细长缝隙行于天线腔体侧壁，有利于本天线单元通过矩形波导宽边开缝耦合馈电，在此基础上平行扩展构成平面阵，天线单元间距调节范围更大，在平面阵中扫描特性适应性更强。

Description

一种S形口径圆极化天线单元及阵面天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种S形口径圆极化天线单元及阵面天线。
背景技术
天线是无线电系统中必不可少的设备，天线的实现形式也是多种多样。天线按工作的极化方式来分，主要有线极化和圆极化两种，其中线极化有水平极化、垂直极化和斜极化等，而圆极化主要有左旋圆极化和右旋圆极化两种。圆极化天线具有抗多径、极化易于匹配等优点，在卫星通信、气象雷达、电子侦察和对抗中应用较多。在卫星通信和数据传输的圆极化天线中，采用波导缝隙天线优势明显，尤其是工作在X及其以上波段的情况。
美国专利US5579019缝隙波导漏波天线阵(犹玛修.玛萨赫洛和奥吉玛.塔卡仕等，Masahiro Uematsu,Takashi Ojima,etc,slotted leaky waveguide array antenna)和US7436371B1低损耗低轮廓双极化波导月牙缝隙天线阵(李.玛.保尔逊，科德.瑞皮斯等，Lee M.Paulsen,Cedar Rapids,etc,waveguide crescent slot array for low-loss,low-profile dual-polarization antenna)中，天线阵中的天线(单元)是双线极化。两个正交线极化天线辐射幅度相等，并通过两个天线沿波导轴向的间距造成90度相位差来实现圆极化。此类天线加工难，辐射效率不高，且仅适合于行波天线阵中，无法构成高效、带内波束指向稳定的驻波天线阵；组成行波天线阵时，存在宽带工作波束指向色散且效率降低的问题。这种天线阵不适合于宽瞬时带宽系统中应用。另外，这种天线也难以进行幅度加权，构成低副瓣天线阵。
张洪涛、汪伟提出了一种圆极化波导驻波天线阵(中国专利，CN 200910185457.3)中的天线是一种四脊开口波导，天线由馈电波导通过缝隙耦合的方式激励，这种天线由于耦合缝位于开口波导的对角线上，因此布阵时单元间距较大，不利于扫描阵中使用，另外，对角排列单元无法多单元共用金属壁设计，因此不利用天线阵减重。汪伟、张洪涛等人提出的一种圆极化天线(中国专利，CN 201310454644.3)结构简单，但是这种圆极化天线是建立在脊波导基础上，当工作频率达到毫米波及其以上时，由于金属波导壁厚度占用空间，脊波导凹槽和突出窄边开双极化缝在工程上已经很难实现，限制了其应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种S形口径圆极化天线单元及阵面天线，以克服现有的天线单元结构复杂难以加工、辐射效率低的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种S形口径圆极化天线单元，工作于ka波段，包括：
金属腔体，所述金属腔体内部设置有容置空间，且一侧设有开口，；
馈电细长缝，开设于所述金属腔体的底部，且所述馈电细长缝的长边与所属金属腔体的侧壁平行；
至少一对以上的金属膜片，每对金属膜片中，底部与所述容置空间底部连接为一体，所述金属膜片的相互远离的侧面分别固定于所述容置空间相对的侧面中，且所述金属膜片沿着同一条对角线布置并位于所述馈电细长缝的两侧，以构成横截面呈S形开口天线。
该天线单元采用简单的开放金属腔体结构，有利于金属机械铣工艺加工，降低了加工难度；电磁耦合的馈电细长缝隙平行于天线腔体侧壁，有利于本天线单元通过矩形波导宽边开缝耦合馈电，在此基础上平行扩展构成平面阵，相对于采用矩形波导宽边开缝耦合馈电的馈电耦合缝位于辐射腔体斜对角线天线单元而言，天线单元间距调节范围更大，在平面阵中扫描特性适应性更强，结构简单，材料单一、易加工，辐射效率高，天线剖面低。
作为本发明进一步的方案：所述金属腔体为矩形口径腔体。
作为本发明进一步的方案：所述馈电细长缝的长边与所述金属腔体长边平行。
位于所述开口金属腔体底部的馈电馈电细长缝作为输入或输出端口，所述馈电细长缝与开口金属腔体宽边平行，实现对金属腔内电磁场TE10主模的馈电激励。
作为本发明进一步的方案：所述金属膜片为一对，其中一个所述金属膜片与金属腔体的宽边侧面内壁连接，另一个所述金属膜片与相对应的另一个宽边侧面内壁连接。
两个所述金属膜片置于耦合馈电细长缝的两侧，斜对角排列，与所述开口金属腔体底部和侧壁连接，实现金属腔体内TE10主模电磁场偏转，获得正交TE01模式电磁场分量，同时，实现电磁场偏转后TE10模和TE01模两个正交模式之间90度相位差。
作为本发明进一步的方案：所述金属腔体的长度和宽度在0.5λh～λh之间，其中，λh是工作频段中最高频率在自由空间中的波长。
作为本发明进一步的方案：所述馈电细长缝长为0.5λ0，所述馈电细长缝宽度最小值大于0.5mm，最大值小于b-2Wd，其中，b为波束扫描范围限定的单元间距确定金属腔体的宽度，Wd为金属膜片的宽度。
作为本发明进一步的方案：所述金属膜片长在0～a之间，宽Wd在0.3mm～0.5b之间，金属膜片与开口金属腔体宽边距离D在0～0.5(b-Ws-Wd)之间，其中，a为金属腔体长，b为金属腔体宽。
作为本发明进一步的方案：所述馈电细长缝为矩形波导，所述矩形波导设置于金属腔体的底部，且矩形波导宽边纵向缝隙馈电激励该天线单元。
作为本发明进一步的方案：所述金属腔体宽度与矩形波导宽度相同，电磁波由矩形波导的一个端口馈入，通过该纵向缝隙耦合至开口金属腔体内，通过电磁场偏转金属膜片实现正交极化电磁场分离和90度相位。
作为本发明进一步的方案：一种平面阵天线，所述矩形波导宽边上连续放置M个所述的S形口径圆极化天线单元形成线阵，N个所述线阵平行排列构成一个二维平面阵，所述二维平面阵中，相邻圆极化天线单元中金属腔体之间共用金属壁，总体形成栅格框架结构；
其中M、N为正整数；
当M为12，N为8时候，构成8×12平面阵天线，此时该平面阵天线在28.81～31.3GHz频率范围圆极化轴比小于3dB，12单元线阵-10dB阻抗带宽为29.36～30.56GHz，天线阵厚度为7mm。
S形口径圆极化天线单元平行扩展构成平面阵，各个S形口径圆极化天线单元之间可以共用金属壁，有利于天线阵减重，相对于馈电耦合缝位于辐射腔体斜对角线而言，波导壁减少一半，由天线单元组合成平面天线阵时，众多腔体平行排列，消除了对角排列平面天线阵中减重腔电磁场寄生辐射对天线阵轴比影响，保证了天线阵圆极化性能。
本发明的优点在于：
1、本发明采用简单的开放金属腔体结构，有利于金属机械铣工艺加工，降低了加工难度；电磁耦合的馈电细长缝隙2行于天线腔体侧壁，有利于本天线单元通过矩形波导宽边开缝耦合馈电，在此基础上平行扩展构成平面阵，相对于采用矩形波导宽边开缝耦合馈电的馈电耦合缝位于辐射腔体斜对角线天线单元而言，天线单元间距调节范围更大，在平面阵中扫描特性适应性更强，结构简单，材料单一、易加工，辐射效率高，天线剖面低。
2、本发明中，S形口径圆极化天线单元平行扩展构成平面阵，各个S形口径圆极化天线单元之间可以共用金属壁，有利于天线阵减重，相对于馈电耦合缝位于辐射腔体斜对角线而言，波导壁减少一半，由天线单元组合成平面天线阵时，众多腔体平行排列，消除了对角排列平面天线阵中减重腔电磁场寄生辐射对天线阵轴比影响，保证了天线阵圆极化性能。
3、本发明验证的一种S形口径圆极化天线单元，轴比小于3dB实现了7.53％带宽，单元方向性系数6.3dB，剖面高度小于0.56λ0，λ0是工作频段中心频率在自由空间中的波长；所设计的天线单元构造平面阵列时，平行共用金属壁，呈栅格状，具有优良的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的S形口径圆极化天线单元的三维结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的S形口径圆极化天线单元的俯视图。
图3为本发明实施例1提供的S形口径圆极化天线单元的天线辐射方向图极其交叉极化。
图4为本发明实施例1提供的S形口径圆极化天线单元的天线轴比频率响应曲线。
图5为本发明实施例2提供的S形口径圆极化天线单元的三维结构示意图。
图6为本发明实施例2提供的S形口径圆极化天线单元的俯视图。
图7为本发明实施例2中以矩形波导耦合馈电的x-z横截面图。
图8为本发明实施例3提供的由天线单元扩展成8×12单元平面阵天线的立体结构示意图。
图9为本发明实施例3提供的的平面阵天线的圆极化轴比频率响应曲线。
图10为本发明实施例3提供的的平面阵天线的S11曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1，一种S形口径圆极化天线单元，工作于ka波段，包括：
金属腔体1，所述金属腔体1内部设置有容置空间，且一侧设有开口，；
馈电细长缝2，设置于所述金属腔体1的底部，所述馈电细长缝2长边与所属金属腔体1的侧壁平行；
至少一对以上的金属膜片3，每对金属膜片3中，底部与所述容置空间底部连接为一体，所述金属膜片3的相互远离的侧面分别固定于所述容置空间相对的侧面中，所述金属膜片3位于馈电细长缝2的两侧，成横截面呈S形开口天线。
天线采用简单的开放金属腔体结构，有利于金属机械铣工艺加工，降低了加工难度；电磁耦合的馈电细长缝隙2平行于天线腔体侧壁，有利于本天线单元通过矩形波导宽边开缝耦合馈电，在此基础上平行扩展构成平面阵，相对于采用矩形波导宽边开缝耦合馈电的馈电耦合缝位于辐射腔体斜对角线天线单元而言，天线单元间距调节范围更大，在平面阵中扫描特性适应性更强。
更具体的，所述金属腔体1为矩形口径腔体，其上部完全开放，所述金属腔体1底部金属面几何中心开有一个矩形结构的馈电细长缝2，该馈电细长缝2的长边与矩形的金属腔体1长边平行。
位于所述开口金属腔体1底部的馈电馈电细长缝2作为输入或输出端口，所述馈电细长缝2与开口金属腔体1宽边平行，实现对金属腔内电磁场TE10主模的馈电激励。
在本公开实施例的方案中，所述金属膜片3为一对，其中一个所述金属膜片3与金属腔体1的宽边侧面内壁连接，另一个所述金属膜片3与相对应的另一个宽边侧面内壁连接，且两个所述金属膜片3沿着同一条对角线布置，并位于所述馈电细长缝2的两侧。
两个所述金属膜片3置于耦合馈电细长缝的两侧，斜对角排列，与所述开口金属腔体1底部和侧壁连接，实现金属腔体内TE10主模电磁场偏转，获得正交TE01模式电磁场分量，同时，实现电磁场偏转后TE10模和TE01模两个正交模式之间90度相位差。
为了方便说明本产品，参阅图2，所述金属腔体1长为a、宽为b，高度为H，馈电细长缝2长和宽为Ls和Ws，高度根据应用实际需要选择，在实施例2中做进一步说明，起到电磁场偏转作用的所述金属膜片3长度为Ld，金属膜片3宽度为Wd，所述金属膜片3高度与所述金属腔体1相同，所有金属腔体1的金属壁厚度取相同值为t。
其中，本天线单元的中心频率为30GHz，利用全波电磁仿真软件HFSS进行优化。具体地，根据由所述圆极化天线单元组成阵列时，波束扫描范围限定的单元间距确定金属腔体1的长度a和宽b，通常两者在0.5λh～λh之间，其中，λh是工作频段中最高频率在自由空间中的波长。
本实施例优选的金属腔体1长度a为6mm，宽度b为5mm，高度H为3.6mm。
馈电细长缝2长Ls由工作频率谐振长度决定，约为0.5λ0，λ0是工作频段中心频率在自由空间中的波长，馈电细长缝2宽度Ws最小值由加工条件决定，通常大于0.5mm，最大值受限于开口金属腔体1宽度和金属膜片厚度，即小于b-2Wd，本实施例馈电细长缝2长和宽优选为6mm和1.4mm，馈电细长缝的高度与金属壁厚相同，优选为0.8mm；
电磁场偏转金属膜片3长Ld和宽Wd最大尺寸受限于金属腔体1长度和宽，宽度受限于金属机械加工能力，通常大于0.3mm，即长Ld在0～a之间，宽Wd在0.3mm～0.5b之间，金属膜片3与开口金属腔体1宽边距离D受限于金属腔体1宽度b、耦合馈电细长缝宽度Ld和膜片宽度，在0～0.5(b-Ws-Wd)之间。
为了减轻重量，兼顾机械加工能力，本实施例中金属膜片宽度Wd优选为0.8mm，与金属波导壁相同，以天线带内轴比为目标，优化金属膜片长度Ld、距离墙体壁1宽边尺寸D，实现在中频天线轴比接近于0dB性能，从而确定膜片尺寸参数。经过优化，Ld和D优选为2mm和1mm，获得的天线性能仿真结果如图3和图4所示，天线单元在28.88～31.14GHz频带(相对带宽7.53％)内轴比小于3dB，中频方向性系数6.3dB。
实施例2
参见图5～7，本实施例是对实施例1的扩展，用于进一步说明本发明天线单元的一种使用情况，所述馈电细长缝2为矩形波导4，所述矩形波导4设置于金属腔体1的底部，本实施例中的天线单元由矩形波导4宽边纵向缝隙馈电激励，该纵向缝隙即相当于实施例1中天线单元中的馈电细长缝2，所述金属腔体1宽度与矩形波导4宽度相同，电磁波由矩形波导4的一个端口馈入，通过该纵向缝隙耦合至开口金属腔体1内，通过电磁场偏转金属膜片3实现正交极化电磁场分离和90度相位，获得圆极化辐射。
此外，馈电细长缝2成为金属腔体1与矩形波导4之间公共金属上开的耦合缝隙，高度与公共金属壁厚相同。
本实施例说明了由于所述纵向缝隙与开口金属腔体1宽边平行，因此，很容易实现矩形波导4与开口金属腔体1金属壁上下一致。
实施例3
参见图8所示，一种基于实施例2所述的的平面阵天线，由多个S形口径圆极化天线单元阵列而成，所述矩形波导4宽边上连续放置多个实施例2所述的圆极化天线单元形成线阵，多个所述线阵平行排列构成一个二维平面阵，所述二维平面阵中，相邻圆极化天线单元中金属腔体1之间共用金属壁，总体形成栅格框架结构。
具体的，本公开实施例中，所述平面阵天线可以由8×12个实施例2扩展而成，用于进一步说明本发明天线单元扩展成平面阵的使用情况，具体实现方法是：在矩形波导4宽边上连续放置12个所述圆极化天线单元，构成一个线阵，在此基础上，将8个线阵平行排列构成一个二维平面阵。在这个平面阵中，相邻圆极化天线单元的开口金属腔体1之间共用金属壁，总体形成栅格框架结构，该8×12平面阵天线可作为平面相控阵天线的单元模块进行整体加工。
天线阵工作于Ka频段，在实施例1优化结果和实施例2结构的基础上，经优化天线在28.81～31.3GHz(相对带宽8.28％)频率范围圆极化轴比小于3dB，12单元线阵-10dB阻抗带宽为29.36～30.56GHz(相对带宽4％)，天线中金属腔体1高度H为3.6mm，波导4上下两层波导壁总厚度为1.6mm，为了降低整个天线的厚度，同时兼顾加工能力，波导4的腔体高度选择1.8mm，最终天线阵厚度为7mm。
根据实际工程需要或实际加工能力，该实例亦可为M×N个实施例1天线单元组成的天线阵模块，如8×8、16×16、8×16单元模块等，在这种一体化加工的天线模块基础上，进一步拼装扩展成需要的大型平面天线阵。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种S形口径圆极化天线单元，其特征在于，工作于ka波段，还包括：
金属腔体(1)，所述金属腔体(1)内部设置有容置空间，且一侧设有开口，；
馈电细长缝(2)，开设于所述金属腔体(1)的底部，所述馈电细长缝(2)长边与所属金属腔体(1)的侧壁平行；
至少一对以上的金属膜片(3)，每对金属膜片(3)中，底部与所述容置空间底部连接为一体，，且所述金属膜片(3)沿着同一条对角线布置并位于所述馈电细长缝(2)的两侧，以构成横截面呈S形开口天线。
2.根据权利要求1所述的S形口径圆极化天线单元，其特征在于，所述金属腔体(1)为矩形口径腔体。
3.根据权利要求1所述的S形口径圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电细长缝(2)的长边与所述金属腔体(1)长边平行。
4.根据权利要求1所述的S形口径圆极化天线单元，其特征在于，所述金属膜片(3)为一对，其中一个所述金属膜片(3)与金属腔体(1)的宽边侧面内壁连接，另一个所述金属膜片(3)与相对应的另一个宽边侧面内壁连接。
5.根据权利要求1所述的S形口径圆极化天线单元，其特征在于，所述金属腔体(1)的长度和宽度在0.5λh～λh之间，其中，λh是工作频段中最高频率在自由空间中的波长。
6.根据权利要求1所述的S形口径圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电细长缝(2)长为0.5λ0，所述馈电细长缝(2)宽度最小值大于0.5mm，最大值小于b-2Wd，其中，b为波束扫描范围限定的单元间距确定金属腔体(1)的宽度，Wd为金属膜片(3)的宽度。
7.根据权利要求1所述的S形口径圆极化天线单元，其特征在于，所述金属膜片(3)长在0～a之间，宽Wd在0.3mm～0.5b之间，金属膜片(3)与开口金属腔体(1)宽边距离D在0～0.5(b-Ws-Wd)之间；
其中，a为金属腔体(1)长，b为金属腔体(1)宽。
8.根据权利要求1所述的S形口径圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电细长缝(2)为矩形波导(4)，所述矩形波导(4)设置于金属腔体(1)的底部，且矩形波导(4)宽边纵向缝隙馈电激励该天线单元。
9.根据权利要求8所述的S形口径圆极化天线单元，其特征在于，所述金属腔体(1)宽度与矩形波导(4)宽度相同，电磁波由矩形波导(4)的一个端口馈入，通过该纵向缝隙耦合至开口金属腔体(1)内，通过电磁场偏转金属膜片(3)实现正交极化电磁场分离和90度相位。
10.一种基于权利要求8-9任一所述的S形口径圆极化天线单元的平面阵天线，其特征在于，所述矩形波导(4)宽边上连续放置M个所述的S形口径圆极化天线单元形成线阵，N个所述线阵平行排列构成一个二维平面阵，所述二维平面阵中，相邻圆极化天线单元中金属腔体(1)之间共用金属壁，总体形成栅格框架结构；
其中M、N为正整数；
当M为12，N为8时候，构成8×12平面阵天线，此时该平面阵天线在28.81～31.3GHz频率范围圆极化轴比小于3dB，12单元线阵-10dB阻抗带宽为29.36～30.56GHz，天线阵厚度为7mm。
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