一种侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列及其应用

1.本公开涉及无线通信技术领域，具体涉及一种侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列及其应用。


背景技术：

2.纯金属的波导天线有着损耗低、带宽宽的优点，广泛应用于雷达的相控阵系统中。一方面为了满足姿态实时平台之间的互相通信要求，常需要设计宽轴比、宽波束的圆极化天线。另一方面，在一些特定应用中，常对波导天线的尺寸和体积提出限制。由于波导结构固有的体积大，尺寸大的缺点，传统波导天线难以在有限尺寸下完成阵列设计。因此，开发结构紧凑的波导圆极化天线是相控阵设计中的难点。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列及其应用，该天线阵列采用侧面馈电方式，在实现模式转换的同时实现了信号初级及次级的功分，大大减小了天线阵列的尺寸。
4.本公开的第一个方面提供了一种侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列，包括：功分馈电网络，包括：初级功分网络及与所述初级功分网络连接的次级功分网络；其中，初级功分网络采用侧面馈电方式，用于实现同轴线模式到波导模式的模式转换，以及对馈入信号进行功分转换，输出1分2的初级功分信号；次级功分网络用于将1分2的初级功分信号转换成1分4的次级功分信号；四脊金属腔圆极化器，其与功分馈电网络通过耦合缝隙耦合连接，用于将1分4的次级功分信号实现圆极化辐射。
5.进一步地，初级功分网络采用阶梯型脊波导匹配结构，该阶梯型脊波导匹配结构用于实现宽带的阻抗变换。
6.进一步地，初级功分网络还包括：多个侧凸脊结构，所述多个侧凸脊结构用于引入并联导纳，以实现抵消天线引入的部分阻抗虚部。
7.进一步地，该天线阵列还包括：同轴连接器，其外芯通过螺纹与所述初级功分网络的下壁连接，其内芯通过在阶梯型脊波导匹配结构上的预留孔与初级功分网络的上壁连接。
8.进一步地，四脊金属腔圆极化器为不对称的四脊金属腔体，其通过调节长轴及短轴的尺寸以调整两种正交模式的相位。
9.进一步地，该天线阵列的高度小于24mm。
10.进一步地，该天线阵列输出的圆极化辐射信号相位差为90
°
。
11.本公开的第二个方面提供了一种如本公开第一个方面提供的侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列在无线通信系统上的应用。
12.本公开的实施例提供的一种侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列及其应用，该天线阵列采用特殊的侧面馈电方式，同时实现了模式转化和功率分配；通过初级功分网络中
设计的阶梯型脊波导匹配结构，在实现匹配的同时大大减小了天线的尺寸。通过在脊波导中合理地引入了侧凸脊来抵消天线引入的虚部，实现更好匹配效果。在天线阵列总高度小于1.6个波长的尺寸下实现了1乘4的圆极化天线阵列的设计。
附图说明
13.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
14.图1示意性示出了根据本公开一实施例的侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列的立体图；
15.图2示意性示出了根据本公开一实施例的侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列的分层图；
16.图3a示意性示出了根据本公开一实施例的初级功分网络的仰视图；
17.图3b示意性示出了根据本公开一实施例的初级功分网络的主视图；
18.图3c示意性示出了根据本公开一实施例的四脊金属腔圆极化器的俯视图；
19.图4a示意性示出了根据本公开一实施例的端口电压驻波比结果示意图；
20.图4b示意性示出了根据本公开一实施例的天线阵列轴比结果示意图；
21.图5a示意性示出了根据本公开一实施例的天线阵列在20ghz时xz面内的方向图结果示意图；
22.图5b示意性示出了根据本公开一实施例的天线阵列在21.5ghz时xz面内的方向图结果示意图；
23.图5c示意性示出了根据本公开一实施例的天线阵列在20ghz时yz面内的方向图结果示意图；
24.图5d示意性示出了根据本公开一实施例的天线阵列在21.5ghz时yz面内的方向图结果示意图。
具体实施方式
25.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
26.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
27.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
28.图1示意性示出了根据本公开一实施例的侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列的立体图。图2示意性示出了根据本公开一实施例的侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列的分层图。
29.如图1和2所示，该侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列100，包括：初级功分网络10、次级功分网络20、耦合缝隙30及四脊金属腔圆极化器40。
30.其中，初级功分网络10采用侧面馈电方式，用于实现同轴线模式到波导模式的模式转换，以及对馈入信号进行功分转换，输出1分2的初级功分信号。次级功分网络20设置于初级功分网络10上，用于将1分2的初级功分信号转换成1分4的次级功分信号。四脊金属腔圆极化器40通过耦合缝隙30与次级功分网络20耦合连接，用于将次级功分网络20输出的1分4的次级功分信号实现圆极化辐射。
31.本公开的实施例中，该侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列100采用同轴结构从侧面进行馈电，在传统设计中，首先需要同轴从背部进行馈电，以实现同轴线模式到波导模式的模式转化，在通过两个1分2的波导功分来实现单元馈电。但现有技术需要天线阵列较大的空间，难以实现有限尺寸下1乘4圆极化天线的设计。本公开的实施例把模式转化和功分网络结合在一起，通过侧面馈电的方式，在模式转化的同时实现了1分2的初级功分，然后通过波导腔体的次级功分，实现了1分4的功分馈电网络，大大减小了天线阵列的尺寸。
32.具体地，如图3a所示，初级功分网络10采用阶梯型脊波导匹配结构，具体包括：第一阶梯型脊波导110、第二脊波导120及预留孔140。其中，第一阶梯型脊波导110采用阶梯型脊波导结构，第二脊波导120与第一阶梯型脊波导110相对间隔设置，且具有同轴的预留孔位。
33.根据本公开的实施例，该天线阵列还包括：同轴连接器140。其中，同轴连接器140的外芯通过螺纹与初级功分网络10的下壁(即第二脊波导120)连接，其内芯通过在阶梯型脊波导匹配结构上的预留孔130与初级功分网络10的上壁(即第一阶梯型脊波导110)连接，用以连接第一阶梯型脊波导110及第二脊波导120，以实现对第一阶梯型脊波导110及第二脊波导120的馈电。
34.本公开的实施例中，为了进一步地缩小天线阵列的高度，其初级功分网络10采用了脊波导的结构，并通过阶梯渐变形式的脊结构来实现了宽带的阻抗变换，通过优化两端脊波导中脊的高度和长度来实现宽带的阻抗匹配。
35.进一步地，由于输出端接次级功分网络20和四脊金属腔圆极化器40后，阻抗中出现较大的虚部导致匹配恶化，本公开的实施例在初级功分网络10的脊波导末端位置设置多个侧凸脊结构150，如图3b所示。该多个侧凸脊结构150用以引入并联导纳，部分抵消天线引入的阻抗虚部，以使达到更好的匹配效果。
36.根据本公开的实施例，四脊金属腔圆极化器40包括四个金属腔，四个金属腔与耦合缝隙30中的耦合缝隙一一对应，以使与次级功分信号20的输出端一一对应连接。
37.如图3c所示，四脊金属腔圆极化器40为不对称的四脊金属腔体。其中，每个金属腔包括长脊410及短脊420。四脊金属腔圆极化器40通过调节长脊410及短脊420的长度和高度，以调整两种正交模式的相位，并在所设计的频段(如，19.7～21.6ghz)使得相位差保持在90
°
左右，以实现较好的圆极化轴比，满足实现圆极化的必要条件。
38.本公开的实施例中，假设该天线阵列100的工作频率范围在19.7～21.6ghz，在该频段内，调节长脊410及短脊420的长度和高度，该长脊410的长度优选1.7～2.1mm，其高度优选3.6～4.6mm；短脊420的长度优选1～1.4mm，其高度优选3.6～4.6mm，每个金属腔的高度优选4.2～5.2mm。在该范围内调节长脊410及短脊420的长度和高度，以调整两种正交模
式的相位，可以实现较好的圆极化轴比，满足实现圆极化的必要条件。
39.根据本公开的实施例，功分馈电网络采用了金属波导结构，初级功分网络采用侧面馈电方式，并通过耦合缝隙将次级功分网络耦合至四脊金属腔圆极化器，以实现圆极化辐射。该天线阵列100通过结构的设计优化，其整体高度可实现在24mm尺寸内，即1.6个波长，具有较低的纵向尺寸。
40.本公开的实施例对该天线阵列100进行了理论仿真，得到了其对应的电压驻波比与轴比的结果示意图如图4a及4b所示。从图4a及4b中可以看出，在19.7～21.6ghz带宽范围内，天线驻波系数都在1.5以下，说明其具有95％以上的能量被天线耗散，相对带宽约为9％。在19.3～21.6ghz带宽范围内，轴比小于6db，圆极化轴比带宽大于阻抗带宽，说明在整个阻抗带宽内都有较好的圆极化。
41.如图5a～5d所示为该天线阵列方位向和俯仰向的方向图结果示意图。从图中可以看出，按照上述实施例所设计的天线阵列100在工作频段内有着较宽的右旋圆极化波束，能够满足无线通信系统对圆极化天线的性能要求。
42.本公开的实施例提供的一种侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列，该天线阵列采用特殊的侧面馈电方式，同时实现了模式转化和功率分配；通过初级功分网络中设计的阶梯型脊波导匹配结构，在实现匹配的同时大大减小了天线的尺寸。通过在脊波导中合理地引入了侧凸脊来抵消天线引入的虚部，实现更好匹配效果。在天线阵列总高度小于1.6个波长的尺寸下实现了1乘4的圆极化天线阵列的设计。
43.本公开的实施例另一方面提供了一种上述实施例所示的侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列在无线通信系统上的应用。需说明的是，该侧面馈电的波导1乘4圆极化天线阵列100具体结构及工作原理如上述实施例所示，此处不再详细的赘述。
44.尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
45.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
46.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。