一种自扭转波导圆极化天线

本发明属于微波天线及波导传输领域，尤其涉及一种自扭转波导圆极化天线。

背景技术：

1、圆极化天线能够降低收发天线相对姿态变化所引起的极化失配，并在抑制多径传播影响、提高复杂传播环境下的通信稳定性等方面具有一定优势，因此被广泛应用于卫星通信、雷达探测、遥感测量、导航定位及微波测试等领域。对于功率容量、传输效率和环境适应性要求较高的微波系统，波导结构由于具有导体损耗较低、功率承载能力较高以及机械结构稳定等特点，常被用作圆极化天线的馈电及辐射结构。圆极化电磁波的形成通常要求获得两个空间正交、幅度接近且相位相差约90°的电磁场分量，因此，如何在波导传输过程中稳定建立上述幅相关系，是波导圆极化天线设计中的关键问题。

2、现有波导圆极化结构通常采用介质极化片、金属隔板、脊结构、正交模转换结构或者专门的波导差相结构实现极化转换。例如，可在波导内部设置具有不同电磁边界特性的加载结构，使两个正交场分量具有不同的传播常数，并利用一定的传播长度累积形成所需的相位差。此类结构能够实现线极化与圆极化之间的转换，但其极化调控功能通常依赖于波导内部附加设置的功能结构，不同功能结构与原有波导之间容易形成新的电磁边界变化，其尺寸误差、位置误差以及装配状态均可能改变两个正交场分量的幅度及相位关系。特别是在工作频率升高、波导尺寸减小后，较小的结构偏差即可能造成明显的相位偏移、模式扰动或者阻抗变化，从而增加加工和调试难度，并影响不同天线单元之间的一致性。

3、为降低突变结构带来的反射损耗，现有专利申请cn120221953a中还提出了在圆柱波导内壁设置非轴对称渐变波纹的偏振转换结构。该类结构通过使波纹深度、倾斜状态、等效半径等几何参数沿传播方向连续或分段变化，对两个正交场分量形成不同的横向边界约束，使二者产生不同的传播常数，并随着传播距离累积相对相位延迟，当相位差达到预定值时实现线极化与圆极化之间的转换。相较于阶梯突变式极化结构，该类渐变结构能够在一定程度上改善传输连续性及阻抗匹配性能。但是，其极化转换机理仍主要依赖设置于基本波导传输通道内壁上的特定非对称波纹或类似局部边界调控结构，极化性能受到波纹深度、周期、倾角、曲率以及渐变规律等多个局部结构参数共同影响，在高频条件下仍需要较高的加工精度。此外，该类结构通常首先完成波导内部的偏振转换，再将转换后的圆极化导波输送至后续辐射结构，其偏振转换过程与由导波状态向自由空间辐射状态的转换过程在功能上仍具有一定的分离性。

4、对于需要构成相控阵天线单元或高集成度微波辐射单元的应用场景，上述功能分离还可能使偏振转换结构、传输结构与辐射结构之间需要分别进行模式匹配和阻抗匹配，各结构之间的电磁状态相互影响。当多个功能段串联设置时，不仅会增加整体轴向尺寸，而且任一结构参数偏差均可能通过级联方式影响最终的轴比、端口反射及辐射方向图。因此，现有技术仍有必要进一步解决这样的问题：如何在减少对独立偏振转换部件或局部功能性加载结构依赖的同时，使线极化导波在传播过程中形成稳定的正交场分量幅相关系，并使该极化演化过程能够与后续辐射过程形成更加连续的电磁过渡，从而兼顾圆极化性能、阻抗匹配、结构一体化程度以及加工一致性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题主要在于：现有波导圆极化天线依赖独立偏振转换结构或局部边界加载结构实现正交场分量的幅相调控，导致极化转换与辐射过程相对分离、结构复杂且加工一致性难以保证的问题。

2、为此，本发明提供一种自扭转波导圆极化天线，该天线包括沿电磁波传播方向依次连通的输入波导段、自扭转波导段和辐射开口段；

3、所述输入波导段用于馈入线极化电磁波；

4、所述自扭转波导段具有非连续旋转对称的波导内腔横截面，该内腔横截面的整体空间取向沿电磁波传播方向绕传播轴连续或分段变化，以使波导内腔的局部电磁边界方向随传播位置发生变化，使所述线极化电磁波在自扭转波导段内传播过程中逐步耦合形成两个正交场分量，并使两个正交场分量在自扭转波导段的输出端形成满足圆极化辐射条件的幅度关系和相位关系；

5、所述辐射开口段与自扭转波导段的输出端连通，用于将经自扭转波导段调控后的电磁波向自由空间辐射。

6、进一步地，所述输入波导段用于与矩形波导馈电端口连接；所述辐射开口段为开口波导结构，且所述辐射开口段的波导内腔与所述自扭转波导段输出侧的波导内腔连续连通，以使经所述自扭转波导段调控后的电磁波由导波状态向自由空间辐射状态过渡。

7、优选地，所述自扭转波导段的波导内腔横截面为矩形，所述矩形横截面的宽边方向和窄边方向随电磁波传播位置的变化绕所述传播轴依次转动。

8、优选地，所述自扭转波导段为连续螺旋扭转结构，所述波导内腔横截面的整体轮廓沿电磁波传播方向绕所述传播轴连续平滑旋转。

9、在一种实施方式中，所述自扭转波导段包括沿电磁波传播方向依次连接的多个波导子段，各所述波导子段具有非连续旋转对称的波导内腔横截面，相邻所述波导子段的波导内腔横截面绕所述传播轴具有预设角度差，以形成分段扭转结构。

10、进一步地，所述自扭转波导段在轴向位置处的实际横截面满足：

11、

12、其中，表示轴向位置处未发生扭转时的基准横截面，表示绕电磁波传播方向旋转所对应的旋转变换，表示轴向位置处所述波导内腔横截面的扭转角；所述扭转角沿电磁波传播方向呈线性变化或非线性变化。

13、优选地，所述自扭转波导段的总扭转角为360°，自扭转波导段的扭转方向用于确定所述圆极化电磁波的旋向。

14、进一步地，所述输入波导段、自扭转波导段和辐射开口段均具有导电金属壁，且输入波导段、自扭转波导段和辐射开口段构成为一体成型的金属结构。

15、优选地，所述自扭转波导段的矩形横截面尺寸为20×40mm，轴向长度为200mm。

16、优选地，所述自扭转波导圆极化天线的工作频段为10.2~10.7ghz，在该工作频段内，所述自扭转波导圆极化天线的端口反射系数小于-15db，且主辐射方向的轴比小于3db。

17、相比于现有技术，本发明至少具备以下有益效果：

18、本发明通过使不具备连续旋转对称性的波导横截面轮廓沿电磁波传播方向连续或分段发生空间扭转，使波导内腔的局部电磁边界方向随传播位置变化，进而使输入的线极化电磁波在传播过程中持续发生正交场分量的耦合以及幅度、相位演化，并在辐射端形成满足圆极化条件的场分布。相较于依赖介质极化片、金属隔板、脊结构、波纹加载结构或独立移相结构实现极化转换的现有方案，本发明将极化调控功能直接融入波导本体的空间构型之中，不需要在基本波导传输通道内额外设置独立的偏振转换部件或专门的局部边界加载结构，从而减少附加结构所造成的电磁边界不连续、局部反射以及装配误差，有利于提高波导传输过程的连续性以及天线结构的一体化程度。

19、本发明并非依赖设置于波导内部某一局部区域的独立极化调控结构来实现圆极化辐射，而是利用波导横截面沿电磁波传播方向的连续或分段旋转，使波导内电磁场随传播距离逐步发生模式耦合及相位演化。通过对自扭转波导段的总扭转角、扭转方向、轴向长度、扭转角沿轴向的变化规律以及横截面尺寸等结构参数进行协同设计，可对传播过程中不同正交场分量的幅度和相位关系进行调控，使其在辐射开口处形成满足圆极化辐射条件的电场分布。由此，在实现圆极化辐射的同时，还可对端口阻抗匹配、工作带宽及辐射方向图等天线性能进行协同设计，从而降低天线极化性能对局部极化调控结构尺寸及其加工误差的敏感性。

20、本发明将自扭转波导段与辐射开口段连续连接，使输入的线极化电磁波在自扭转波导段内传播的过程中逐步完成电磁场状态的演化，并在接近辐射开口处形成满足圆极化辐射条件的正交场分量，随后由辐射开口直接向自由空间辐射。由此，波导内电磁场的极化状态演化过程与导波向自由空间的辐射过程在同一波导结构中连续衔接。相较于采用独立极化器先对导波进行极化调控、再通过后续辐射结构实现空间辐射的级联式结构，本发明减少了独立极化器及其与后续辐射结构之间的附加连接和匹配环节，有利于简化天线整体结构，并降低不同功能结构之间的接口及装配误差对天线性能的影响。对于由大量重复天线单元构成的相控阵等应用场景，将极化状态调控、波导传输及辐射功能集成于同一自扭转波导结构中，还可减少单元间独立功能部件的数量及装配环节，有利于提高阵列单元结构的一致性及工程实现的便利性。