一种波导型的w波段圆极化喇叭天线的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种波导型的W波段圆极化喇叭天线，主要应用于毫米波通信、毫米波探测和遥感遥测等领域。该波导型的W波段圆极化喇叭天线，包括依次连接的圆波导辐射器、输出阻抗匹配波导、圆波导极化器、输入阻抗匹配波导、矩圆过渡波导和矩形波导六部分组成。本发明通过设计波导圆极化器实现电磁波的圆极化特性，通过设计输入输出阻抗匹配波导实现阻抗的良好匹配，降低天线的驻波比，通过设计喇叭辐射结构，提高天线增益。
【专利说明】一种波导型的W波段圆极化喇叭天线
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种喇叭天线，特别是一种波导型的W波段圆极化喇叭天线。
【背景技术】
[0002] 20世纪50年代以后，随着卫星通信、遥感遥测技术的发展、雷达应用范围的扩大， 以及高速目标在各种极化方式和气候条件下跟踪测量的需要，单一极化方式已经很难满足 电气设备的要求。这些新的应用对天线提出了一系列新的课题，要求天线具有高增益、高分 辨率、宽频带和圆极化。随着对圆极化天线研究的深入，圆极化天线所具有的可以抗云、雨 的干扰、可以干扰和侦察敌方的各种线极化和椭圆极化波、可以消除由电离层法拉第旋转 效应引起的极化畸变的影响等等优点，让其在卫星通信、遥控、遥测技术以及雷达的应用中 显得尤为重要。
[0003] 众所周知，进入21世纪以来，随着国内电子技术和工艺水平的提高，国内微波和 毫米波技术得到长足的进展，毫米波在国防上的应用是一件积极和重要的课题，在诸多应 用中就需要解决毫米波圆极化天线的问题。在微波波段，常见的圆极化波的产生有以下几 种方法：（1)直接产生法：依靠天线本身的结构产生圆极化波，譬如螺旋天线；(2)线-圆极 化转换器法：依靠微波元器件形成圆极化波，然后馈入辐射器辐射出圆极化波，如各种具有 圆极化器结构的圆极化天线；(3)双线极化正交激励法：依靠两个幅度相等、相位相差90° 的线极化去激励天线，得到圆极化波，典型的有各种多馈微带圆极化天线。
[0004] 这些方法当应用到毫米波波段时，如到W波段，却有着各种不足。比如，对螺旋天 线而言，频率越高，波长越短，螺旋天线的尺寸也相应的变小，与此同时，线圈之间的耦合效 应加剧，严重影响天线的性能；而各类微带天线由于自身的一些缺点，如频带窄，增益不大， 高性能天线馈电网络复杂、理想的极化很难实现，一般都会发生一定程度的畸变等，这些问 题在频率较高情况下，影响更大；而其他一些已有的波导型圆极化天线，在W波段由于尺寸 的减小，加工难度加大，所以很难应用。
【发明内容】
[0005] 本发明所解决的技术问题在于提供一种波导型的W波段圆极化喇叭天线。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种波导型的W波段圆极化喇叭天线，包括 依次连接的圆波导辐射器、输出阻抗匹配波导、圆波导极化器、输入阻抗匹配波导、矩圆过 渡波导和矩形波导，上述各组成部分同轴设置且内腔平滑过渡；其中圆波导极化器的圆波 导内腔包括两个相互平行的平面，该平面与圆波导极化器的中心轴平行，该内腔平面还与 矩形波导的内腔平面呈45°角；输出阻抗匹配波导和输入阻抗匹配波导的结构相同并对 称设置在圆波导极化器的两端，输出阻抗匹配波导包括两部分，其中一部分为圆波导，另一 部分波导的内腔包括两个斜面，该两个斜面的延长面交线与输出阻抗匹配波导的中心轴垂 直相交，输出阻抗匹配波导的圆波导与圆波导辐射器相连接，输入阻抗匹配波导的圆波导 与矩圆过渡波导相接。
[0007] 所述圆波导辐射器的辐射端为喇叭形状。
[0008] 所述圆波导极化器的材料为铝、铜或者金，该圆波导极化器的长度为6. 4±0. 5_， 口径为2. 3±0. 01_，对称面的间距为1. 96_。
[0009] 所述输出阻抗匹配波导的高度为1. 6±0· 1mm，内腔斜面高度为1. 3±0· 1mm。
[0010] 本发明的工作原理是：在矩形波导传输主模TE1(I，采用矩圆转换波导，变成圆波导 中的主模TE n，由输入阻抗匹配波导输入到圆极化器，在圆极化器中分解为两个相互垂直的 电场分量E1和E2,这两个相互垂直的分量通过圆极化器产生不同大小的相移，设计极化器 的参数，保证这两个分量通过极化器后的相位差为90°，然后合成为圆极化波，通过输出阻 抗匹配波导传输到圆波导辐射器，由圆波导辐射器辐射出去。电磁波的极化转换在圆波导 极化器完成，在极化器两端有输入输出匹配波导进行过渡，完成阻抗的匹配。通过调节圆波 导辐射器的口径控制天线辐射波束宽度。
[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过引入圆波导圆极化器和阻 抗匹配过过渡，实现将馈入的线极化波转换为圆极化波，然后通过喇叭辐射出去；或将喇叭 接收到的圆极化波转化为线极化波；2)本发明中的圆波导极化器结构精简，易于加工，线 极化波在圆极化器中分解为两个相互垂直的电场分量E1和E2,这两个相互垂直的分量通 过圆极化器产生不同大小的相移，设计极化器的参数，保证这两个分量通过极化器后的相 位差为90°，然后合成为圆极化波。3)在圆极化器两端加入阻抗匹配波导，实现输入输出 阻抗的匹配，降低天线的驻波，改善天线的带宽。4)圆波导辐射器改进为喇叭形状，增加喇 叭的辐射口面，提高天线增益。
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是波导型的W波段圆极化喇叭天线的结构示意图。
[0014] 图2是圆波导圆极化器结构示意图。
[0015] 图3是输出阻抗匹配波导示意图。
[0016] 图4是天线方向图。
[0017] 图5是天线驻波比曲线图。
[0018] 图6是天线极化曲线图。
[0019] 图7是天线轴比（AR)曲线图。
【具体实施方式】
[0020] 结合附图，本发明的一种波导型的W波段圆极化喇叭天线，包括依次连接的圆波 导辐射器1、输出阻抗匹配波导2、圆波导极化器3、输入阻抗匹配波导4、矩圆过渡波导5和 矩形波导6,上述各组成部分同轴设置且内腔平滑过渡；其中圆波导极化器3的圆波导内腔 包括两个相互平行的平面，该平面与圆波导极化器的中心轴平行，该内腔平面还与矩形波 导6的内腔平面呈45°角；输出阻抗匹配波导2和输入阻抗匹配波导4的结构相同并对称 设置在圆波导极化器3的两端，输出阻抗匹配波导2包括两部分，其中一部分为圆波导，另 一部分波导的内腔包括两个斜面，该两个斜面的延长面交线与输出阻抗匹配波导2的中心 轴垂直相交，输出阻抗匹配波导2的圆波导与圆波导辐射器1相连接，输入阻抗匹配波导4 的圆波导与矩圆过渡波导5相接。
[0021] 所述圆波导辐射器1的辐射端为喇叭形状。
[0022] 所述圆波导极化器3的材料为铝、铜或者金，该圆波导极化器的长度为 6. 4±0. 5_，口径为φ2.3±0·(Η mm，对称面的间距为 1. 96mm。
[0023] 所述输出阻抗匹配波导2的高度为1. 6±0· 1mm，内腔斜面高度为1. 3±0· 1mm。
[0024] 其中，矩形波导6作为馈电输入结构，与毫米波前端连接。矩圆过渡波导5作为 矩形波导6到圆波导的过渡，连接矩形波导6和输入阻抗匹配波导4,将矩形波导传输主模 TE1Q转换为圆波导传输主模TEn。圆波导圆极化器3将输入的线极化波转换为输出的圆极 化波，或将接收到的圆极化波转换为线极化波。圆波导辐射器1为圆形喇叭天线，采用喇叭 天线，可以提高天线增益；同时通过喇叭天线的设计调整天线波束径向辐射方向和增益。输 出输出阻抗匹配波导2和输入阻抗匹配波导4是一段渐变过渡腔体，匹配圆极化器的两端 阻抗；一端过渡到圆波导辐射器1，另外一端过渡到矩圆过渡波导5。
[0025] 下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
[0026] 参见图1、图2、图3和图4,以工作频率为94. 5GHz的毫米波圆极化喇叭天线为例， 该天线主要由圆波导辐射器1、输出阻抗匹配波导2、圆波导极化器3、输入阻抗匹配波导4、 矩圆过渡波导5和矩形波导6组成。这六个部分同轴设置且内腔平滑过渡。其中矩型波导 6为标准波导，如在94. 5GHz频率可以采用WR10波导，内腔尺寸为1. 27_X2. 54_。矩圆转 换波导5是矩形波导到圆波导的转换波导。圆波导极化器3是在圆波导的基础上对称加脊， 使主模TE11模分裂成相互垂直的分量E1和分量E2 ;圆波导极化器的长度为6. 4±0. 5mm， 在口径为φ2·3±0.01 mm的圆波导中加对称脊，对称脊与波导连为一体，对称脊的间距为 1. 96_。输出阻抗匹配波导2是一段阻抗渐变波导，用于匹配圆波导极化器和圆波导之间 的阻抗，降低由于极化器结构的突变产生的驻波。圆波导辐射器1为一圆锥喇叭，下口径为 Φ 2. 3mm，上口径为Φ 4. 8mm，高为1. 5mm，实测最大增益为13dB，半功率波束角为50°。
[0027] 参见图5,在88GHz?100GHz频率范围内，驻波比小于1. 4。
[0028] 参见图6,相比与最大增益点，交叉极化小于_20dB。
[0029] 参见图7,在天线的主波束内，轴比小于3dB。
[0030] 由上可知，矩圆过渡波导作为矩形波导到圆波导的过渡，连接矩形波导和阻抗匹 配波导，将矩形波导传输主模TE 1(I转换为圆波导传输主模TEn。圆波导极化器将输入的线极 化波转换分解为两个相互垂直的电场分量E1和E2,这两个相互垂直的分量通过圆极化器 产生不同大小的相移，设计极化器的参数，保证这两个分量通过极化器后的相位差为90°， 然后合成为圆极化波。圆波导辐射器可以设计为圆形喇叭天线，提高天线增益；同时通过 喇叭天线的设计调整天线波束径向辐射方向和增益。输入输出阻抗匹配波导是一段渐变过 渡腔体，匹配圆极化器的两端阻抗；一端过渡到圆波导辐射器，另外一端过渡到矩圆过渡波 导，完成阻抗的匹配。
[0031] 本发明通过设计波导圆极化器实现电磁波的圆极化特性，通过设计输入输出阻抗 匹配波导实现阻抗的良好匹配，降低天线的驻波比。驻波比在88GHz?100GHz范围内都小 于1. 4,交叉极化小于-20dB。
【权利要求】
1. 一种波导型的W波段圆极化喇叭天线，其特征在于，包括依次连接的圆波导辐射器 [1]、输出阻抗匹配波导[2]、圆波导极化器[3]、输入阻抗匹配波导[4]、矩圆过渡波导[5] 和矩形波导[6]，上述各组成部分同轴设置且内腔平滑过渡；其中圆波导极化器[3]的圆波 导内腔包括两个相互平行的平面，该平面与圆波导极化器的中心轴平行，该内腔平面还与 矩形波导[6]的内腔平面呈45°角；输出阻抗匹配波导[2]和输入阻抗匹配波导[4]的结 构相同并对称设置在圆波导极化器[3]的两端，输出阻抗匹配波导[2]包括两部分，其中一 部分为圆波导，另一部分波导的内腔包括两个斜面，该两个斜面的延长面交线与输出阻抗 匹配波导[2]的中心轴垂直相交，输出阻抗匹配波导[2]的圆波导与圆波导辐射器[1]相 连接，输入阻抗匹配波导[4]的圆波导与矩圆过渡波导[5]相接。
2. 根据权利要求1所述的波导型的W波段圆极化喇叭天线，其特征在于，圆波导辐射器 [1]的福射端为嘲机形状。
3. 根据权利要求1或2所述的波导型的W波段圆极化喇叭天线，其特征在于，圆 波导极化器[3]的材料为铝、铜或者金，该圆波导极化器的长度为6. 4±0. 5mm，口径为 φ2·3±0·01 mm，对称面的间距为1. 96mm。
4. 根据权利要求1或2所述的波导型的W波段圆极化喇叭天线，其特征在于，输出阻抗 匹配波导[2]的高度为1. 6±0· 1臟，内腔斜面高度为L 3±0· 1mm。
【文档编号】H01Q13/02GK104064875SQ201410311751
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】彭树生, 许建中, 范娇娇, 吴礼, 肖泽龙 申请人:南京理工大学