一種圓極化波導縫隙天線及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天線，尤其涉及的是一種圓極化波導縫隙天線及其設計方法。
【背景技術】
[0002]近些年來，隨著衛(wèi)星通訊的廣泛應用，接收衛(wèi)星廣播通訊的天線系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展。諸如用于直播衛(wèi)星(DBS)通訊系統(tǒng)，需要低輪廓、高效率的天線系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的G/T值(G為天線系統(tǒng)的增益；!~為天線系統(tǒng)的噪聲溫度)，來增加天線與衛(wèi)星通訊的數據率。并且，天線的有效孔徑受天線掃描體積的限制，對于給定的掃描體積，低輪廓天線可以得到最大的系統(tǒng)增益，從而提高整個系統(tǒng)的G/T值。
[0003]波導縫隙天線陣由于其高效、易于幅相控制、加工簡單等因素得以大量應用，特別是雷達系統(tǒng)。波導縫隙天線陣有行波陣和駐波陣(諧振陣)兩種，波導行波陣帶寬較寬、有頻掃特性。但其效率較低，適合做大型平面陣列；駐波陣效率高、帶寬較窄，適合做小型平面陣列。
[0004]對于接收衛(wèi)星直播通訊的天線系統(tǒng)來說，一般安裝在飛機上或汽車頂部，因此這些天線系統(tǒng)都具有很好的機動性，從而對于這些天線的要求也就比較高。比如:小型化、低輪廓、低損耗、高增益等。為了減少天線系統(tǒng)的高度，天線一般設計為平面陣列天線，因此波導縫隙天線陣得到了很好的應用。
[0005]商業(yè)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中，衛(wèi)星接收和發(fā)射的信號都是圓極化波，這樣無論雷達和衛(wèi)星成什么夾角，都不會引起交叉極化分量。也就是說衛(wèi)星接收和發(fā)射圓極化波，不會引起極化的失配從而引起數據傳輸的效率的降低。
[0006]美國現有矩形波導寬邊中心開“X”縫隙的漏波天線和低損耗低輪廓雙極化波導月牙縫隙天線陣，但這兩種圓極化天線都是波導行波天線，存在工作寬帶內波束指向色散、效率低等問題。
[0007]現有的脊波導寬邊橫向直縫隙天線、脊波導傾斜縫隙對天線、寬帶雙L形波導窄邊縫隙天線陣和一種寬帶單脊波導寬邊縱縫駐波天線中，各天線均為脊波導單線極化天線。
[0008]在現有的技術中，張洪濤，汪偉提出的一種圓極化波導駐波天線(專利號CN200910185457.3，主分類號H01Q13/10，申請日20091113)，其包含了饋電波導和開口波導兩層結構，結構上較為復雜，天線厚度較厚，并且圓極化帶寬較窄。汪偉，齊美清，張洪濤等提出的一種圓極化天線(專利號CN201310454644.3，主分類號H01Q13/22，申請日20130929)，在“凹”形波導管上開設輻射縫隙，實現圓極化的工作方式，該圓極化天線在X波段以下具有較好的圓極化特性，且也易于工程化，但在X波段以上，這種圓極化天線受加工因素的影響，很難實現工程化。
[0009]現有技術中的天線，要么為線極化工作；要么存在波束指向色散；要么結構復雜，工作帶寬較窄；要么受工程化影響，不適宜工作在高頻段，無法滿足日益發(fā)展的雷達和通信系統(tǒng)需求。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好的寬頻帶特征，結構簡單，便于單獨組成大型平面陣的圓極化波導縫隙天線及其設計方法，用以解決現有技術中的天線，要么為線極化工作；要么存在波束指向色散；要么結構復雜，工作帶寬較窄；要么受工程化影響，不適宜工作在高頻段，無法滿足日益發(fā)展的雷達和通信系統(tǒng)需求的問題。
[0011]本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:一種圓極化波導縫隙天線，其包括金屬波導管(I)，金屬波導管⑴的橫截面呈“凸”形:定義金屬波導管⑴上凸起部分為凸臺(11)，定義金屬波導管(I)上位于凸臺(11)兩側的縮進部分均為肩臂(12);金屬波導管(I)為空管，且其一端為所述天線的輸入口，其相對的另一端設置為封閉短路或接匹配負載；凸臺
[11]上且沿金屬波導管(I)的延伸方向上開設有多個直縫隙(2)，每個直縫隙(2)平行于金屬波導管⑴的延伸方向而呈直線形；每個肩臂(12)上且沿金屬波導管⑴的延伸方向上開設有多對傾斜縫隙組，每對傾斜縫隙組包括呈八字形的傾斜縫隙(3)，每對傾斜縫隙組自凸臺(11)的側壁向外發(fā)散而傾斜于凸臺(11)。
[0012]作為上述方案的進一步改進，多個直縫隙(2)排列成相互平行的兩組直縫隙組，兩組直縫隙組位于凸臺(11)中心線的兩側。再進一步地，每組直縫隙組上的多個直縫隙
(2)等間距設置，肩臂(12)上相鄰兩個傾斜縫隙(3)中心之間的距離與凸臺(11)上相鄰兩個直縫隙(2)中心之間的距離相同。
[0013]再進一步地，兩組直縫隙組成中心對稱，兩個肩臂(12)上的多對傾斜縫隙組以凸臺(11)的中心線成軸對稱。
[0014]作為上述方案的進一步改進，所有直縫隙(2)的中心與所有傾斜縫隙(3)的中心位于金屬波導管(I)的同一橫截面內。
[0015]作為上述方案的進一步改進，每個傾斜縫隙(3)自凸臺(11)的側壁向外發(fā)散至肩臂(12)的側壁上，使相應側壁出現豁口。
[0016]本發(fā)明還提供一種上述任意圓極化波導縫隙天線的設計方法，所述設計方法包括:根據頻率范圍、結構限制的空間范圍和最低頻率下的主模傳輸要求確定金屬波導管
(I)的截面尺寸；根據截面尺寸確定金屬波導管(I)上直縫隙(2)和傾斜縫隙(3)的設置參數；根據所述截面尺寸和所述設置參數制造所述圓極化波導縫隙天線。
[0017]作為上述方案的進一步改進，金屬波導管(I)截面尺寸的確定包括:金屬波導管
(I)的底面寬度a小于O^aci，其中，Aci是工作中心頻率自由空間波長，所述底面指金屬波導管⑴上與凸臺(11)相背的側面；金屬波導管⑴的上面寬度b小于0.35A。，所述上面寬度指凸臺(11)的寬度；金屬波導管(I)的兩側肩膀波導壁的高度ah小于0.5 λ ^，所述兩側肩膀波導壁指兩個肩臂(11);金屬波導管(I)的頭部高度bh為0.25 λ ^，所述頭部高度指凸臺(11)的高度。
[0018]再進一步地，直縫隙(2)的設置參數包括:直縫隙(2)的長度Ls由下式確定:LS =0.45 λ。;直縫隙⑵的寬度Ws由下式確定:0.1 λ 0^ffs^ 0.125 λ。。
[0019]優(yōu)選地，傾斜縫隙(3)的設置參數包括:傾斜縫隙(3)與金屬波導管⑴的延伸方向之間的傾斜銳角為Θ，傾斜縫隙(3)在相應肩臂(12)上的長度為LI，傾斜縫隙(3)在肩臂(12)上的深度為L2，Θ、L1、L2滿足以下式子:0°〈 Θ〈90。，L2彡ah，LI = (a_b)/(2*cos θ )，L1+L2 為 0.45 λ0Ο
[0020]本發(fā)明通過在凸形中空的金屬波導管上設置直縫隙和傾斜縫隙，構造了具備優(yōu)點的圓極化波導縫隙天線，該天線結構簡單且工作效率較高，解決了現有技術中天線，要么為線極化工作；要么存在波束指向色散；要么結構復雜，工作帶寬較窄；要么受工程化影響，不適宜工作在高頻段，無法滿足日益發(fā)展的通信和雷達系統(tǒng)需求的問題。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明圓極化波導縫隙天線的立體示意圖；
[0022]圖2為圖1中圓極化波導縫隙天線的橫截面示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明圓極化波導縫隙天線的俯視圖；
[0024]圖4為圖3中沿剖線A-A的剖視圖；
[0025]圖5為圖3中沿剖線B-B的剖視圖；
[0026]圖6為本發(fā)明優(yōu)四個單元天線的結構示意圖；
[0027]圖7為本發(fā)明四個單元天線的中心頻率軸比曲線；
[0028]圖8為本發(fā)明四個單元天線的軸比-頻率曲線；
[0029]圖9為本發(fā)明四個單元天線的中心頻率方向圖曲線；
[0030]圖10為本發(fā)明8X8單元的圓極化波導縫隙駐波天線陣結構示意圖；
[0031]圖11為本發(fā)明8X8單元的圓極化波導縫隙行波天線陣結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施