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CN116487902A - 一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线 - Google Patents

一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线 Download PDF

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CN116487902A
CN116487902A CN202310632013.XA CN202310632013A CN116487902A CN 116487902 A CN116487902 A CN 116487902A CN 202310632013 A CN202310632013 A CN 202310632013A CN 116487902 A CN116487902 A CN 116487902A
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China
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waveguide
columnar
beam deflection
angle beam
series
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张金栋
丁达
牛自豪
吴文
陈峤羽
张景怡
罗登月
韩滨宇
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Nanjing University of Science and Technology
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Nanjing University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，包括金属腔体、串馈功分网络、柱状铁氟龙介质块以及同轴馈电探针。采用了串馈网络的形式进行馈电以及移相，使得阵列方向图波束实现固定角度30°的偏转，使用两个馈电网络对同一金属腔体进行馈电以实现±45°极化切换，实现了极化单元复用，通过对金属腔体进行开口并且加入柱状铁氟龙介质块，减小了天线尺寸，从而在进行大角度波束偏转时抑制了栅瓣的产生。该阵列具有造价低廉、结构简单、体积小、便于切换极化、易于实现大角度波束偏转等优点。

Description

一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线。
背景技术
波导阵列天线由于其效率高、易于加工和自身结构强度高等优点被广泛用于雷达和通信领域。随着工程上的需求，已经发展出各式各样的波导阵列天线，其中波导缝隙阵列天线由于其口径分布便于控制，容易实现低副瓣、效率高、结构紧凑而被广泛应用，但由于波导缝隙天线阵的带宽较窄，不能满足大带宽的需求，而开口波导天线具有很宽的带宽，并且以开口波导作为辐射单元的天线鲜有报道。常见的开口波导天线一般为单极化，然而随着应用场景的变化，对双极化的要求也越来越多。因此，如何保持开口波导天线的优势，同时又能够实现天线的双极化性能，是研究的重点。同时，在另一些应用场景中，要求对开口波导天线阵列的波束偏角有一定的要求。然而，在大角度波束偏转的情况下，因为开口波导天线的尺寸过大，单元尺寸过大，在波束偏转时往往产生较大的栅瓣。避免这一问题的关键就是缩短单元间距，因此单元尺寸的小型化尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的需求，提供一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，所述天线包括矩形金属腔体，位于矩形金属腔体内的沿矩形金属腔体中心轴线均匀分布的若干个柱状铁氟龙介质块，以及位于柱状铁氟龙介质块两侧且关于所述中心轴线对称的两个串馈功分网络，还包括伸入所述矩形金属腔体内分别对两个所述串馈功分网络进行馈电的两个同轴馈电探针；所述柱状铁氟龙介质块的个数与单个串馈功分网络的输出端口数相同，每个串馈功分网络的每个输出端口分别与若干个柱状铁氟龙介质块一一对应连接，且与同一个柱状铁氟龙介质块相连的两个串馈功分网络的输出端口相垂直。
进一步地，所述串馈功分网络的输出端口幅度相等，且相位依次线性递减。
进一步地，所述串馈功分网络包括一个主波导和沿主波导长度方向均匀分布的若干个V型E面波导，所述主波导的一端作为输入端口，每个所述V型E面波导的一端与主波导连接，另一端作为输出端口。
进一步地，所述主波导与所述矩形金属腔体中心轴线平行设置，且沿着垂直于所述矩形金属腔体中心轴线的方向，主波导的宽度依次减小呈阶梯状即特性阻抗依次降低。
进一步地，每个所述V型E面波导的一端与主波导宽度跳变处相连，且沿主波导宽度依次减小的方向，V型E面波导中与柱状铁氟龙介质块相连的E面波导长度依次减小，与主波导相连的E面波导长度依次增加。
进一步地，所述柱状铁氟龙介质块的间距小于半个自由空间波长。
进一步地，所述柱状铁氟龙介质块安装在所述矩形金属腔体内开设的辐射孔中。
进一步地，所述柱状铁氟龙介质块的顶部与矩形金属腔体的顶部位于同一高度。
进一步地，所述串馈功分网络的底部与柱状铁氟龙介质块的底部位于同一高度。
进一步地，所述同轴馈电探针位于串馈功分网络的主波导的宽边中心线上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)通过对金属腔体内部的辐射孔与切角相邻的两垂直边分别进行馈电，从而在不添加单元的情况下引入了±45°两个极化波，实现了天线的双极化。
2)通过在金属腔体内部设置两个一分四串馈功分网络，可以实现两个极化波的独立控制。
3)通过在金属腔体的内部放置铁氟龙介质块，缩短了电磁波的波长，从而可以实现波导的小型化，进而缩短了天线单元的间距，满足了在大角度波束偏转时不产生栅瓣的要求。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是一个实施例中可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线的结构示意图。
图2是一个实施例中串馈功分网络端口分配示意图。
图3是一个实施例中串馈功分网络输入端口S11仿真图。
图4是一个实施例中串馈功分网络输出端口S12、S13、S14、S15幅度仿真图。
图5是一个实施例中串馈功分网络输出端口S12、S13、S14、S15相位仿真图。
图6是一个实施例中天线阵列的输入端口S11、S22仿真图。
图7是一个实施例中天线阵列的输入端口隔离度S12仿真图。
图8是一个实施例中天线阵列波束偏转方向图。
图9是一个实施例中端口一馈电时的天线阵列波束方向图。
图10是一个实施例中端口二馈电时的天线阵列波束方向图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，所述天线包括矩形金属腔体1，位于矩形金属腔体1内的沿矩形金属腔体1中心轴线均匀分布的4个柱状铁氟龙介质块3，以及位于柱状铁氟龙介质块3两侧且关于所述中心轴线对称的两个串馈功分网络2，还包括伸入所述矩形金属腔体1内分别对两个所述串馈功分网络2进行馈电的两个同轴馈电探针4；所述柱状铁氟龙介质块的个数与单个串馈功分网络2的输出端口数相同，每个串馈功分网络2的每个输出端口分别与若干个柱状铁氟龙介质块3一一对应连接，且与同一个柱状铁氟龙介质块3相连的两个串馈功分网络2的输出端口相垂直。
进一步地，在其中一个实施例中，所述串馈功分网络2的输出端口幅度相等，且相位依次线性递减，可以实现天线波束的偏转。
进一步地，在其中一个实施例中，所述柱状铁氟龙介质块3安装在所述矩形金属腔体1内开设的辐射孔中。
这里优选地，所述辐射孔呈正方体切角状，柱状铁氟龙介质块的截面尺寸与辐射孔截面尺寸一致。
这里优选地，所述柱状铁氟龙介质块3的顶部与辐射孔齐平，且与矩形金属腔体1的顶部位于同一高度。介质块的引入降低了辐射孔的大小，使得在相同的谐振频率下，天线单元的尺寸降低了约1.4倍，阵元间距相应也减小约1.4倍，从而保证了天线阵在大角度波束偏转时不出现栅瓣。
这里优选地，所述柱状铁氟龙介质块3的间距小于半个自由空间波长。
进一步优选地，两个串馈功分网络2对应的输出端口分别垂直于柱状铁氟龙介质块3的右切角相邻的两垂直边。这里，分别对金属腔体内部辐射孔切角相邻的两垂直边进行馈电，从而在不增加单元数量的情况下引入了另一个极化，实现了单元的极化复用。
进一步地，在其中一个实施例中，所述串馈功分网络2包括一个主波导和沿主波导长度方向均匀分布的若干个V型E面波导，所述主波导的一端作为输入端口(输入端口1)，每个所述V型E面波导的一端与主波导连接，另一端作为输出端口(输出端口2至5)。
所述主波导与所述矩形金属腔体1中心轴线平行设置，且沿着垂直于所述矩形金属腔体1中心轴线的方向，主波导的宽度依次减小呈阶梯状即特性阻抗依次降低。
每个所述V型E面波导的一端与主波导宽度跳变处相连，且沿主波导宽度依次减小的方向，V型E面波导中与柱状铁氟龙介质块3相连的E面波导长度依次减小，与主波导相连的E面波导长度依次增加。
在本实施例中，输出端口2～5的能量比为1：1：1：1。因为E面波导串馈一分二功分器端口的输出能量正比于特性阻抗，即输出的能量越大，其对应端口特性阻抗越大，而同时，特性阻抗正比于波导的宽度，因此，功分器越往后，其相应的波导宽度就越细。功分器在进行能量分配的时候，其输出端口的相位也在变化，根据相控阵原理，为了达到一定的波束倾斜，这里调整输出端口的相位依次线性递减。
进一步地，在其中一个实施例中，所述同轴馈电探针由金属探针和铁氟龙介质组成，位于串馈功分网络沿高度方向的中间位置，两个同轴探针呈对称分布，探针伸入波导内部，从而完成同轴线TEM模式至波导中TE10模式的转换。
这里优选地，所述同轴馈电探针4在实际中采用SMA接头，接头的法兰盘通过金属螺钉固定在矩形金属腔体1的侧壁上。
进一步地，在其中一个实施例中，所述矩形金属腔体1通过3D打印不锈钢材料制成，整个结构一体成型，可避免电场能量的泄露。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步说明。
本示例中，柱状铁氟龙介质块3的介电常数为2.1，电损耗角正切为0.001，通过机加工制作。串馈功分网络2的端口分布如图2所示，其中端口1为输入端口，端口2～5为输出端口。
由图3可知，该功分器在30～40GHz频率范围内S11都低于-20dB，可见匹配性能良好。
由图4可知，在35GHz附近S12＝-5.85dB、S13＝-5.99dB、S14＝-6.15dB、S15＝-6.22dB，输出端口最大浮动为0.36dB，基本满足等幅度分布的要求。
由图5可知，在35GHz附近，cang_S12＝-134.39°、cang_S13＝-232.01°、cang_S14＝28.06°、cang_S15＝-72.16°，端口间相位平均相差99°，在此上下相位波动的最大幅度1.5°，基本满足相位线性分布的要求。综上所述，串馈功分网络(2)具有优良的端口幅度和相位性能，可以满足波束偏转的要求。
天线性能方面，如图6所示，该天线在34GHz～36GHz范围内的S11和S22都小于-15dB，这说明天线在该频带内可以实现良好的阻抗匹配特性。由于结构的对称，两个端口的阻抗匹配特性一致，即S11和S22曲线基本重合。由图7所示，天线端口的隔离度S12在34GHz～36GHz范围内低于-20dB，说明两端口的隔离度情况良好。该天线的典型3D方向图如图8所示，可见天线实现了一定波束角度的偏转。两端口分别馈电时，该天线在波束偏转切面的方向图曲线分别如图9、图10所示，在35GHz天线方向图中波束偏向theta＝-30°，两个端口分别馈电时的增益最大值分别为11.18dBi和11.21dBi，浮动仅为0.03dBi，说明端口间的一致性较好，方向图副瓣电平大小分别为-9.89dB和-9.58dB，效果较好。
本发明提出的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，采用了串馈网络的形式进行馈电以及移相，使得阵列方向图波束实现固定角度30°的偏转，使用两个馈电网络对同一金属腔体进行馈电以实现±45°极化切换，实现了极化单元复用，通过对金属腔体进行开口并且加入柱状铁氟龙介质块，减小了天线尺寸，从而在进行大角度波束偏转时抑制了栅瓣的产生。该阵列具有造价低廉、结构简单、体积小、便于切换极化、易于实现大角度波束偏转等优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述天线包括矩形金属腔体(1)，位于矩形金属腔体(1)内的沿矩形金属腔体(1)中心轴线均匀分布的若干个柱状铁氟龙介质块(3)，以及位于柱状铁氟龙介质块(3)两侧且关于所述中心轴线对称的两个串馈功分网络(2)，还包括伸入所述矩形金属腔体(1)内分别对两个所述串馈功分网络(2)进行馈电的两个同轴馈电探针(4)；所述柱状铁氟龙介质块的个数与单个串馈功分网络(2)的输出端口数相同，每个串馈功分网络(2)的每个输出端口分别与若干个柱状铁氟龙介质块(3)一一对应连接，且与同一个柱状铁氟龙介质块(3)相连的两个串馈功分网络(2)的输出端口相垂直。
2.根据权利要求1所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述串馈功分网络(2)的输出端口幅度相等，且相位依次线性递减。
3.根据权利要求2所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述串馈功分网络(2)包括一个主波导和沿主波导长度方向均匀分布的若干个V型E面波导，所述主波导的一端作为输入端口，每个所述V型E面波导的一端与主波导连接，另一端作为输出端口。
4.根据权利要求3所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述主波导与所述矩形金属腔体(1)中心轴线平行设置，且沿着垂直于所述矩形金属腔体(1)中心轴线的方向，主波导的宽度依次减小呈阶梯状即特性阻抗依次降低。
5.根据权利要求3所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，每个所述V型E面波导的一端与主波导宽度跳变处相连，且沿主波导宽度依次减小的方向，V型E面波导中与柱状铁氟龙介质块(3)相连的E面波导长度依次减小，与主波导相连的E面波导长度依次增加。
6.根据权利要求1所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述柱状铁氟龙介质块(3)的间距小于半个自由空间波长。
7.根据权利要求1所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述柱状铁氟龙介质块(3)安装在所述矩形金属腔体(1)内开设的辐射孔中。
8.根据权利要求1所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述柱状铁氟龙介质块(3)的顶部与矩形金属腔体(1)的顶部位于同一高度。
9.根据权利要求1所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述串馈功分网络(2)的底部与柱状铁氟龙介质块(3)的底部位于同一高度。
10.根据权利要求3所述的可实现大角度波束偏转的双极化开口波导阵列天线，其特征在于，所述同轴馈电探针(4)位于串馈功分网络(2)的主波导的宽边中心线上。
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