基于角相特性的高功率电磁涡旋H面合成天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，是特别涉及一种h面合成天线，可用于雷达探测。

背景技术：

雷达探测的基本任务就是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方向、速度等状态参数。雷达系统组成中，天线在电磁波能量的发射和接收过程中起着至关重要的作用。现有雷达常采用传统相控阵天线，如图1所述。该天线由若干天线元按照线型、平面型或空间型分布排列而成，各天线元辐射的电磁波在空间中矢量叠加得到阵列天线的辐射电磁波，通过调整天线元的相位特性可以控制阵列天线的辐射方向和增益。

这种传统的相控阵天线其辐射的主要是远场近似平面波，雷达使用传统的相控阵天线虽具有波束指向灵活、目标容量大、抗干扰能力强的优点，但由于传统相控阵列天线辐射的远场近似平面电磁波不具有轨道角动量的特性，要提高目标识别能力、获取目标的角相特性则需要利用空间分集从多个角度入射目标，需要消耗大量的时间、空间和物质资源。而电磁波在传播过程中，能量会随着距离衰减，介质也会有损耗作用，导致了天线的回波功率小容易被噪声淹没，需要进一步提高天线的辐射功率以增强目标识别能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于角相特性的高功率电磁涡旋h面合成天线以获取目标角相特性，提高回波功率，增强雷达探测中的目标识别能力，减少时间、空间和物资的消耗。

为实现上述目的，本发明的基于角相特性的高功率电磁涡旋h面合成天线，包括：

一分八径向波导功分器1和八路相同的信号传输与辐射单元，每一路信号传输与辐射单元的输入端与一分八径向波导功分器1的输出端对应连接；

每一路信号传输与辐射单元由圆弧弯波导2、调相器3、扭波导4和h面矩形喇叭天线5依次连接组成，其特征在于：

八路相同的信号传输与辐射单元中的八个h面矩形喇叭天线在垂直于传播方向的平面上围成圆形阵列，该圆形阵列的半径r为圆形阵列的圆心到每个h面矩形喇叭天线的辐射中心连线，半径r的值为一个波长；

每个h面矩形喇叭天线的功率相同，且相邻天线元之间的相位差为22.5°，每个h面矩形喇叭天线辐射的电磁波在空间中进行矢量叠加，得到具有轨道角动量的电磁涡旋。

进一步，所述一分八径向波导功分器1由一个同轴波导11、匹配元件12和八个矩形波导13组成；其中矩形波导13在垂直于同轴波导11的方向呈辐射状放置，相邻矩形波导13角度相差45°；该匹配元件12为母线弯曲的圆台形结构，其上底面与同轴波导11的内导体连接，下底面与八个矩形波导13的交汇中心连接，信号从同轴波导11的输入端馈入，经过匹配元件12后平均分为八份进入八个对应的矩形波导13。

进一步，所述圆弧弯波导2，其内沿曲率半径为r1，外沿曲率半径为r2，r1与r2的差值与矩形波导13窄边长度相同，圆弧对应角度为90°，信号从圆弧弯波导2的输入端馈入，输出传播方向改变了90°的电磁波信号。

进一步，所述调相器3，由矩形波导31和金属螺钉32组成，金属螺钉32从矩形波导31外壁插入矩形波导31内部，通过调整金属螺钉32的插入深度实现对电磁波相位的调整。

进一步，所述扭波导4外形为一端不变，另一端以传输方向中心轴扭转90°而形成的拧状波导，其长度不小于工作波长的2倍，信号经过该扭波导4之后电磁波的极化方向旋转90°，传播方向不变。

进一步，所述h面矩形喇叭天线5由矩形波导51和矩形波导喇叭52连接而成，信号从矩形波导51进入，从矩形波导喇叭52辐射出。

本发明由于采用功率容量大，抗干扰能力强的圆弧弯波导和扭波导，因而基于波导结构设计的合成天线也具有功率容量大的优点；同时由于该天线辐射的电磁涡旋具有轨道角动量,其波前是连续变化的，相当于能在短时间内实现二维角度空间连续采样，故在照射目标时，相当于传统平面波从连续的多个角度入射目标，从而实现了目标特性空间分集的能力，提高了目标识别的性能。

附图说明

图1为现有雷达常采用的传统相控阵天线；

图2为本发明的三维结构图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明中的一分八径向波导功分器的三维结构图；

图5为图4的主视图；

图6为本发明中的圆弧弯波导三维结构图；

图7为图6的主视图；

图8为本发明中的调相器的三维结构图；

图9为本发明中的扭波导的三维结构图；

图10为本发明中的h面矩形喇叭天线的三维结构图；

图11为理想条件下电磁涡旋的辐射图形；

具体实施方式

参照图2和图3，本发明包括一分八径向波导功分器1和八路相同的信号传输与辐射单元，每一路信号传输与辐射单元的输入端与一分八径向波导功分器1的输出端对应连接；每一路信号传输与辐射单元由圆弧弯波导2、调相器3、扭波导4和h面矩形喇叭天线5依次连接组成，部件之间的连接方式采用波导连接器，或者在加工时将各段加工成一个整体。这八条通路沿轴向放置，在垂直于传输方向的平面上围成均匀的圆形阵列，该圆形阵列的半径r为圆心到h面矩形喇叭天线5的辐射中心连线，r值的大小为一个波长。

参考图4和图5，所述的一分八径向波导功分器1，包括同轴波导11，匹配元件12和八个矩形波导13。该同轴波导11垂直位于这八个矩形波导13的交汇中心，相邻矩形波导的角度相差45°；该匹配元件12为母线弯曲的圆台，其上底面与同轴波导11的内导体连接，下底面与八个矩形波导13的交汇中心连接，形成一体结构。

参考图7和图8，圆弧弯波导2，其内沿曲率半径为r1，外沿曲率半径为r2，r1与r2的差值与矩形波导13窄边长度相同，圆弧对应角度为90°；在加工时可在矩形波导中添加填充物，在机床上弯折90°得到圆弧弯波导2。

参考图9，调相器3，包括调相波导31和金属螺钉32，加工时可在调相波导31上钻带螺纹的孔，使用螺纹旋拧使金属螺钉32从调相波导31外壁插入调相波导31内部，通过旋拧金属螺钉32调节其插入调相波导31的深度来调节相位的变化。

参考图10，扭波导4，加工时可在矩形波导中添加填充物，在机床上固定一端，另一端旋转90°得到，扭波导的长度不小于工作波长的2倍。

参考图11，h面矩形喇叭天线5，包括矩形波导51和矩形波导喇叭52，其中矩形波导喇叭52外形由四个梯形金属板围绕而成，矩形波导51和矩形波导喇叭52为加工成的一体结构。

所述每一路信号传输与辐射单元的输入端与一分八径向波导功分器1的输出端连接方式采用波导连接器。

工作时，信号从一分八径向波导功分器1的同轴波导11端口输入，经过匹配元件12后平均分为八份进入八个对应的矩形波导13，每一路信号通过对应矩形波导传输后进入圆弧弯波导2，圆弧弯波导将每一路信号的传播方向改变90°后，再输出给调相器3进行相位的调整，通过调整调相器3中的金属螺钉32的旋入深度，使相邻两路中信号相位相差22.5°，即当第一个通路输出信号的相位为0时，顺时针或逆时针第二个通路输出信号的相位是在第一个通路的基础上加22.5°，即22.5°，第三个通路输出信号的相位是在第二个通路的基础上加22.5°，即45°，第四个通路输出信号的相位是在第三个通路的基础上加22.5°，即67.5°，以此类推第五、六、七、八个通路输出信号相位分别为为90°、112.5°、135°、157.5°，经过相位调整的信号从调相器3输出后进入扭波导4，扭波导4将信号的极化方向改变90°后输出给h面矩形喇叭天线5，h面矩形喇叭天线5将信号辐射到空间中。由于八个h面矩形喇叭天线5辐射出的电磁波功率大小相同、相邻相位差为22.5°，因此这些电磁波在空间中的矢量叠加形成具有轨道角动量的电磁涡旋，如图11所述，该电磁波的波前是连续变化的，相当于能在短时间内实现二维角度空间连续采样，故在照射目标时，相当于传统平面波从连续的多个角度入射目标，从而实现了目标特性空间分集的能力，提高了目标识别的性能。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。