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CN113131217B - 一种全金属的双极化开口波导天线 - Google Patents

一种全金属的双极化开口波导天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全金属的双极化开口波导天线，采用了新型的SSPPs激励结构和激励方式，使得SSPPs加载开口波导天线的方式实现了改变；这种加载方式简化了加工方式，降低了加工成本，使双极化加载更加方便。本发明中所有结构为金属材质，不需要介质，避免了介质损耗。本发明采用了新型的SSPPs的加载方式，几乎没有改变开口波导的阻抗特性，因此天线的阻抗带宽非常宽，可以覆盖整个Ka波段，且结构是对称的，因此可以支持双线极化辐射或双圆极化辐射；在双线极化的基础上双圆极化辐射可以通过在方形波导的输入端添加圆极化器实现。

Description

一种全金属的双极化开口波导天线
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种全金属的双极化开口波导天线。
背景技术
常用的开口波导天线由于自设辐射口径太小，增益较低，波瓣较宽，一般无法直接使用。只能用于需要宽波束的特殊场景。开口波导天线阵列可以提高增益，但馈电网络复杂且笨重，增加了成本和体积。
目前常用的金属喇叭天线由于提高增益的方法是简单的增大天线体积，有体积大，笨重等缺点。一般喇叭需要斜面渐变结构，机械加工也比较困难。
目前常用的介质棒加载开口波导天线由于需要在开口面加载介质棒，机械强度不如一体金属结构。由于有介质棒的存在，天线介质损耗较高，效率较低。尤其在毫米波和更高频率，由于材料的限制，介质棒的损耗角正切增大，介质损耗急剧增大。而低损耗的介质一般成本非常高。一般介质棒都是比较复杂的锥形，螺旋等渐变结构，加工较为复杂，尤其是在毫米波等更高频段，波长变短，天线的体积变小，加工更为困难。
目前常用的基片集成波开口波导、喇叭天线虽然可以由平面基板实现，但辐射口径与自由空间很难匹配导致一般带宽较窄，增益较低。除此之外，由于基片集成波导的实现原理限制，金属过孔无法传播纵向电流，双极化端射波束很难实现，目前实现方案是使用多层板在过孔中间加一层连续金属，加工非常复杂且带宽很窄导致实用性不高。
目前常用的八木天线和对数周期端射天线虽然结构简单成本较低，但八木天线增益提高一般需要增加引向单元，会使带宽变窄；对数周期天线增益较低。毫米波段和更高频段这两种天线一般用PCB技术加工，很难实现双极化辐射。
综上所述，目前常用的开口波导天线一般只用于测试测量，应用场景单一；金属喇叭天线虽然增益较高，带宽较宽，但结构笨重；目前的介质棒加载开口波导天线的性能优秀，但介质损耗较高，加工比较困难，成本较高，天线的结构强度很难保证；目前的基片集成波导开口波导、喇叭天线结构紧凑，但带宽较窄，双极化难以实现，损耗较高；目前的八木天线和对数周期端射天线在毫米波段很难实现双极化辐射。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种全金属的双极化开口波导天线解决了现有技术中存在的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种全金属的双极化开口波导天线，包括相互连接的天线主体和正交模转换器OMT；
所述天线主体包括相互连接的开口波导和反射腔体；所述开口波导包括天线辐射端口、SSPPs结构、第一安装背板、第一安装孔、SSPPs耦合槽以及天线馈电端口；所述天线辐射端口和天线馈电端口分别设置于SSPPs结构的两端；所述第一安装背板为正方形，其中心设置有开口，其四个角上分别设置有第一安装孔；所述天线馈电端口与第一安装背板的开口连接，所述SSPPs结构靠近天线馈电端口的位置设置有SSPPs耦合槽；
所述反射腔体包括第二安装背板、第二安装孔以及反射腔；所述反射腔为长方体空腔且两平行面设置为开口；所述第二安装背板为正方形，其中心有开口，其四个角上分别设置有第二安装孔；所述反射腔的开口与第二安装背板的开口大小相同且四边对应连接；
所述正交模转换器OMT上设置有公共端口、第一极化端口以及第二极化端口，所述天线馈电端口与公共端口连接。
进一步地，所述开口波导穿设于反射腔体，所述SSPPs结构为中空长方体柱结构，所述天线辐射端口与天线馈电端口连通，所述SSPPs结构的四个外表面上均设置有若干渐变高度的一字型凸起结构，所述天线主体关于SSPPs结构长方向的轴线对称。
进一步地，所述公共端口上设置有第三安装背板，所述第三安装背板的四个角上分别设置有第三安装孔。
进一步地，所述第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔一一对应且通过螺丝连接。
进一步地，所述天线主体和正交模转换器OMT所采用的材质均为金属。
进一步地，所述天线主体和正交模转换器OMT还可以通过圆极化器连接。
进一步地，所述圆极化器包括切角波导圆极化器，所述切角波导圆极化器的外面表设置有波导外壁，所述切角波导圆极化器的两端分别设置有均为正方形的第四安装背板和第五安装背板，所述第四安装背板的四个角上分别设置有第四安装孔，所述第五安装背板的四个角上分别设置有第五安装孔；所述天线馈电端口通过切角波导圆极化器与公共端口连接。
进一步地，所述所述第一安装孔、第二安装孔和第四安装孔一一对应且通过螺丝连接，所述第三安装孔和第五安装孔一一对应且通过螺丝连接。
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用了新型的SSPPs激励结构和激励方式，使得SSPPs加载开口波导天线的方式实现了改变；这种加载方式简化了加工方式，降低了加工成本，使双极化加载更加方便。
(2)本发明中所有结构为金属材质，不需要介质，避免了介质损耗，这一点在毫米波段尤为重要，加工方式可以选择机械加工或金属3D打印，降低了加工难度和制作成本。
(3)本发明由于加载方式的创新性，加载结构在波导的侧壁；由于加载结构理论上不超过工作频率的四分之波长，因此在天线横向尺寸上没有过分加大，长度上与正常开口波导探头基本一致。
(4)本发明由于采用了新型的SSPPs的加载方式，并没有改变开口波导的阻抗特性，因此天线的阻抗带宽非常宽，可以覆盖整个Ka波段。
(5)本发明中由于SSPPs的高度较低，由色散特性等效的介电常数较为稳定，天线的3dB增益带宽可以达到30％以上。
(6)本发明结构是对称的，因此可以支持双线极化辐射或双圆极化辐射；双圆极化辐射可以通过在方形波导的输入端添加圆极化器实现。
(7)本发明的加载方式除了可以应用于方形波导外，矩形波导和圆波导同样适用。
附图说明
图1为本发明提出的一种全金属的双极化开口波导天线示意图；
图2为本发明提出的圆极化器示意图；
图3为本发明中开口波导的尺寸参数示意图。
其中：1-天线主体、2-正交模转换器OMT、3-天线辐射端口、4-SSPPs结构、5-第一安装背板、6-第一安装孔、7-SSPPs耦合槽、8-第二安装背板、9-第二安装孔、10-反射腔、11-天线馈电端口、12-公共端口、13-第一极化端口、14-第二极化端口、15-第三安装背板、16-第三安装孔、17-第四安装背板、18-第五安装背板、19-第四安装孔、20-第五安装孔、21-切角波导圆极化器、22-波导外壁。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1所示，一种全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，包括相互连接的天线主体1和正交模转换器OMT2；
天线主体1包括相互连接的开口波导和反射腔体；开口波导包括天线辐射端口3、SSPPs结构4、第一安装背板5、第一安装孔6、SSPPs耦合槽7以及天线馈电端口11；天线辐射端口3和天线馈电端口11分别设置于SSPPs结构4的两端；第一安装背板5为正方形，其中心设置有开口，其四个角上分别设置有第一安装孔6；天线馈电端口11与第一安装背板5的开口连接，SSPPs结构4靠近天线馈电端口11的位置设置有SSPPs耦合槽7；SSPPs表示人工表面等离激元。
反射腔体包括第二安装背板8、第二安装孔9以及反射腔10；反射腔10为长方体空腔且两平行面设置为开口；第二安装背板8为正方形，其中心有开口，其四个角上分别设置有第二安装孔9；反射腔10的开口与第二安装背板8的开口大小相同且四边对应连接；
正交模转换器OMT2上设置有公共端口12、第一极化端口13以及第二极化端口14，天线馈电端口11与公共端口12连接。
开口波导穿设于反射腔体，SSPPs结构4为中空长方体柱结构，天线辐射端口3与天线馈电端口11连通，SSPPs结构4的四个外表面上均设置有若干渐变高度的一字型凸起结构，天线主体1关于SSPPs结构4长方向的轴线对称。
公共端口12上设置有第三安装背板15，第三安装背板15的四个角上分别设置有第三安装孔16。
第一安装孔6、第二安装孔9和第三安装孔16一一对应且通过螺丝连接。
天线主体1和正交模转换器OMT2所采用的材质均为金属。
天线主体1和正交模转换器OMT2还可以通过圆极化器连接。
如图2所示，圆极化器包括切角波导圆极化器21，切角波导圆极化器21的外面表设置有波导外壁22，切角波导圆极化器21的两端分别设置有均为正方形的第四安装背板17和第五安装背板18，第四安装背板17的四个角上分别设置有第四安装孔19，第五安装背板18的四个角上分别设置有第五安装孔20；天线馈电端口11通过切角波导圆极化器21与公共端口12连接。
第一安装孔6、第二安装孔9和第四安装孔19一一对应且通过螺丝连接，第三安装孔16和第五安装孔20一一对应且通过螺丝连接。
在本实施例中，SSPPs结构4为渐变高度SSPPs，其高度变化公式为：
Figure BDA0003032426350000061
其中，y表示从SSPPs结构4最大高度至最小高度方向，某一个凸起结构到下一个凸起结构需要减去的高度；hmin、hmax分别表示SSPPs结构4中凸起结构的最小高度和最大高度，z表示以hmax的凸起结构处为原点，以最大高度至最小高度方向为z轴建立坐标系，原点至下一个凸起结构之间的距离；La表示开口波导总长度，La＝87mm。
如图3所示，开口波导中SSPPs结构4的内部通道形状为长方体柱，其宽和高均为wa；SSPPs结构4的外表面上的一字型凸起结构的宽为w2；SSPPs结构4外表面到内表面的厚度为t1；一字型凸起结构的最低高度为hmin，其最高高度为hmax；本实施例中设置有两个SSPPs耦合槽7，SSPPs耦合槽7宽为ws，两个SSPPs耦合槽7之间的距离为w3；靠近天线馈电端口11的SSPPs耦合槽7与天线馈电端口11之间的距离为w4；一字型凸起结构的宽加上两个一字型凸起结构之间的间距所得到的总距离为p。
上述参数具体见表1：
表1(单位：mm)
Figure BDA0003032426350000071
本发明的工作原理为：金属壁上开槽产生的电场分布与SSPPs传输线中传输的主模(TM0模)高度相似，基于场的相似性，可以通过在波导宽边开横槽来激励SSPPs传输线。为了减小端射天线的后瓣，提升天线增益，波导开槽的位置加了一个金属腔体来束缚电场。基于SSPPs的单元结构，调整SSPPs的单元高度可以调整SSPPs结构的色散特性，从而控制波的传输，因此采用渐变高度的SSPPs可以使传输在波导侧壁的表面波在波导开口处与波导开口产生的电场组合实现准平面波的效果，从而在远场实现高增益。SSPPs的加载也可以看作一定介电常数的介质加载。金属SSPPs的加载代替了介质材料的加载，避免了介质损耗。由于方形波导的结构对称性，本天线可以支持双线极化辐射或双圆极化辐射。双极化辐射的实现方式本天线采用的是使用OMT和极化器来实现。OMT的方波导端口接到天线上，剩余两个端口馈电时可以分别产生两种线极化。在OMT方波导端口和开口波导天线之间接入圆极化器可以在OMT的两个其他端口馈电时分别产生两种圆极化辐射。由于采用了新型的SSPPs的加载方式，并没有改变开口波导的阻抗特性，因此天线的阻抗带宽非常宽。由于SSPPs的高度较低，由色散特性等效的介电常数较为稳定，天线的3dB增益带宽可以达到30％以上。

Claims (8)

1.一种全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，包括相互连接的天线主体(1)和正交模转换器OMT(2)；
所述天线主体(1)包括相互连接的开口波导和反射腔体；所述开口波导包括天线辐射端口(3)、SSPPs结构(4)、第一安装背板(5)、第一安装孔(6)、SSPPs耦合槽(7)以及天线馈电端口(11)；所述天线辐射端口(3)和天线馈电端口(11)分别设置于SSPPs结构(4)的两端；所述第一安装背板(5)为正方形，其中心设置有开口，其四个角上分别设置有第一安装孔(6)；所述天线馈电端口(11)与第一安装背板(5)的开口连接，所述SSPPs结构(4)靠近天线馈电端口(11)的位置设置有SSPPs耦合槽(7)；
所述反射腔体包括第二安装背板(8)、第二安装孔(9)以及反射腔(10)；所述反射腔(10)为长方体空腔且两对平行面设置为开口；所述第二安装背板(8)为正方形，其中心有开口，其四个角上分别设置有第二安装孔(9)；所述反射腔(10)的开口与第二安装背板(8)的开口大小相同且四边对应连接；
所述正交模转换器OMT(2)上设置有公共端口(12)、第一极化端口(13)以及第二极化端口(14)，所述天线馈电端口(11)与公共端口(12)连接。
2.根据权利要求1所述的全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，所述开口波导穿设于反射腔体，所述SSPPs结构(4)为中空长方体柱结构，所述天线辐射端口(3)与天线馈电端口(11)连通，所述SSPPs结构(4)的四个外表面上均设置有若干渐变高度的一字型凸起结构，所述天线主体(1)关于SSPPs结构(4)长方向的轴线对称。
3.根据权利要求1所述的全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，所述公共端口(12)上设置有第三安装背板(15)，所述第三安装背板(15)的四个角上分别设置有第三安装孔(16)。
4.根据权利要求3所述的全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，所述第一安装孔(6)、第二安装孔(9)和第三安装孔(16)一一对应且通过螺丝连接。
5.根据权利要求1所述的全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，所述天线主体(1)和正交模转换器OMT(2)所采用的材质均为金属。
6.根据权利要求1所述的全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，所述天线主体(1)和正交模转换器OMT(2)还通过圆极化器连接。
7.根据权利要求6所述的全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，所述圆极化器包括切角波导圆极化器(21)，所述切角波导圆极化器(21)的外表面设置有波导外壁(22)，所述切角波导圆极化器(21)的两端分别设置有均为正方形的第四安装背板(17)和第五安装背板(18)，所述第四安装背板(17)的四个角上分别设置有第四安装孔(19)，所述第五安装背板(18)的四个角上分别设置有第五安装孔(20)；所述天线馈电端口(11)通过切角波导圆极化器(21)与公共端口(12)连接。
8.根据权利要求7所述的全金属的双极化开口波导天线，其特征在于，所述所述第一安装孔(6)、第二安装孔(9)和第四安装孔(19)一一对应且通过螺丝连接，所述第三安装孔(16)和第五安装孔(20)一一对应且通过螺丝连接。
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