一种波束赋形双圆极化天线的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种波束赋形双圆极化天线。

背景技术：

在卫星通信系统中，为对特定区域进行有效覆盖，减少邻区干扰和提高效率，通常要求天线的波束具有特殊形状，一般情况下通过赋形技术控制天线的辐射特性来满足这种要求。实现赋形的天线通常有反射面天线、阵列天线、喇叭天线等。反射面天线和阵列天线成本较高，实现起来难度较大，而喇叭天线具有成本低、尺寸小的优点，适用于对天线尺寸要求苛刻的卫星通信中。

而且，随着通信系统对容量和抗干扰能力要求的不断提升，在频谱资源如此紧张的今天，极化复用技术是提高频谱利用率的一种既实用又经济的方法。同时，由于圆极化天线能消除由电离层法拉第旋转效应引起的电磁波极化畸变效应，因此，具有赋形功能的双圆极化天线就成为卫星通信系统中的一种较佳选择。但是，现有的双圆极化天线结构复杂，且不易调试。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种波束赋形双圆极化天线，以解决现有的双圆极化天线结构复杂、且不易调试的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种波束赋形双圆极化天线，包括从下到上依次设置的正交模耦合器、矩形波导、喇叭天线、介质罩和金属赋形环：

所述正交模耦合器包括圆形波导腔体、金属膜片、侧向矩形端口和矩圆变换段，所述侧向矩形端口与所述圆形波导腔体连通并位于所述圆形波导腔体的外侧；所述金属膜片对着所述侧向矩形端口立设于所述圆形波导腔体内并位于其下段，将所述圆形波导腔体的下段空间分为二等分；所述矩圆变换段连通在所述圆形波导腔体的下端并将所述圆形波导腔体的下端圆形端口沿着轴线向下逐渐过渡为矩形端口；

所述矩形波导绕着所述圆形波导腔体的轴线顺时针或逆时针旋转后连通设置在所述圆形波导腔体上；

所述喇叭天线的小口径端为矩形端口，大口径端为圆形端口，所述喇叭天线的小口径端连通设置在所述矩形波导上；

所述介质罩罩设在所述喇叭天线的大口径端，所述金属赋形环刻蚀在所述介质罩的顶端面上；

工作时，从所述正交模耦合器下端的轴向矩形端口和侧向矩形端口馈入的两种正交线极化波，经所述矩形波导形成圆极化波并馈入所述喇叭天线，所述喇叭天线将所述圆极化波辐射入自由空间，所述金属赋形环对所述喇叭天线的辐射方向图进行赋形。

较佳的，所述矩形波导绕着所述圆形波导腔体的轴线顺时针或逆时针旋转的角度不大于90°。

较佳的，所述金属膜片为矩形，所述金属膜片嵌设在所述圆形波导腔体的下段，并位于所述圆形波导腔体的轴线上。

较佳的，所述金属膜片从下段的矩形状逐渐过渡为上段的锥形状，所述金属膜片嵌设在所述圆形波导腔体的下段，并位于所述圆形波导腔体的轴线上。

较佳的，所述圆形波导腔体的上端外壁环向设置第一圆台，所述矩形波导的下端口套设在所述圆形波导腔体的上端口上并与所述第一圆台固定连接。

较佳的，所述喇叭天线的上端外壁环形设置第二圆台；

所述介质罩为上端有顶、下端无底的圆柱形罩体结构，所述介质罩的下端口套设在所述喇叭天线的上端口上并与所述第二圆台固定连接。

较佳的，所述圆形波导腔体与标准圆形波导c120的形状相同。

较佳的，所述侧向矩形端口与标准矩形波导bj100的形状相同。

较佳的，所述矩形波导与标准矩形波导bj100的形状相同。

较佳的，所述金属赋形环为环状金属线条。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

在本发明中，从正交模耦合器下端的轴向矩形端口和侧向矩形端口馈入的两种正交线极化波，经矩形波导形成圆极化波并馈入所述喇叭天线，喇叭天线将所述圆极化波辐射入自由空间，金属赋形环对喇叭天线的辐射方向图进行赋形，本发明结构简单，易调试(调试传统的隔板式极化器需要在其波导壁上插入多个销钉，通过调整销钉的插入深度来改善其圆极化性能，而本发明只需要旋转矩形波导就可以改善天线的轴比，获得较好的圆极化性能)。

附图说明

图1为本发明优选实施例所述的一种波束赋形双圆极化天线的装配图；

图2为本发明优选实施例所述的一种波束赋形双圆极化天线的拆分图；

图3为本发明优选实施例所述的通过优化金属赋形环的尺寸和距离喇叭天线口面的距离，获得类似“门”型的平顶方向图；

图4为本发明优选实施例所述的经由正交模耦合器轴向矩形端口辐射的右旋圆极化波主极化和交叉极化方向图；

图5为本发明优选实施例所述的右旋圆极化波的轴比图；

图6本发明优选实施例所述的经由正交模耦合器的侧向矩形端口辐射的左旋圆极化波主极化和交叉极化方向图；

图7为本发明优选实施例所述的左旋圆极化波的轴比图。

具体实施方式

以下结合附图，举一具体实施例加以详细说明。

请参考图1和图2，一种波束赋形双圆极化天线，包括从下到上依次设置的正交模耦合器1、矩形波导2、喇叭天线3、介质罩4和金属赋形环5：

所述正交模耦合器1包括圆形波导腔体101、金属膜片102、侧向矩形端口103和矩圆变换段104，所述圆形波导腔体101的侧面开槽，所述侧向矩形端口103连通设置在此槽的外侧，此侧向矩形端口103为水平的矩形端口。

所述金属膜片102对着所述侧向矩形端口103立设于所述圆形波导腔体101内并位于其下段，所述金属膜片102将所述圆形波导腔体101的下段空间分为二等分。

作为一种实施例，所述金属膜片102为矩形，所述金属膜片102嵌设在所述圆形波导腔体101的下段，并位于所述圆形波导腔体101的轴线上。

作为另外一种实施例，所述金属膜片102的下段为矩形，上段为锥形，所述金属膜片102嵌设在所述圆形波导腔体101的下段，所述金属膜片102从下段的矩形状逐渐过渡为上段的锥形状并位于所述圆形波导腔体101的轴线上。

金属膜片102具有两个作用，一是将轴向馈入的线极化波先分离后合并，二是将其与侧壁波导馈入的正交极化波进行隔离，提高极化隔离度。

所述矩圆变换段104同轴连通在所述圆形波导腔体101的下端并将所述圆形波导腔体101的下端圆形端口沿着轴线向下且向外逐渐过渡为矩形端口，即矩圆变换段104的上端为圆形端口，此圆形端口与圆形波导腔体101的下端圆形端口的内径大小相同，矩圆变换段104的下端为矩形端口。

所述矩形波导2绕着所述圆形波导腔体101的轴线顺时针或逆时针旋转一定角度后连通设置在所述圆形波导腔体101上；本发明对所述矩形波导2绕着所述圆形波导腔体101的轴线顺时针或逆时针旋转的角度不做限制，本实施例优选此旋转角度不大于90°。在本发明中，矩形波导2以矩形波导2的四条边分别与矩圆变换段104的矩形端口的四条边分别对应且平行时为基准进行旋转。

所述矩形波导2的旋转方向决定正交模耦合器1的两个矩形端口(矩圆变换段104下端的矩形端口和侧向矩形端口103)发射/接收电磁波的极化：若矩形波导2绕正交模耦合器1轴向顺时针旋转，那么，经由轴向矩形端口(矩圆变换段104下端的矩形端口)馈入的电磁波经由喇叭天线3向自由空间辐射右旋圆极化波，经由侧向矩形端口103馈入的电磁波向自由空间辐射左旋圆极化波。反之，则经轴向端口(矩圆变换段104下端的矩形端口)辐射左旋圆极化波、经侧向端口辐射右旋圆极化波。

所述圆形波导腔体101的上端外壁环向设置第一圆台1011，所述矩形波导2的下端口套设在所述圆形波导腔体101的上端口上并与所述第一圆台1011固定连接。

喇叭天线3是一种矩圆渐变张角圆口径天线，所述喇叭天线3的小口径端为矩形端口，大口径端为圆形端口，所述喇叭天线3的小口径端连通设置在所述矩形波导2上。

所述介质罩4罩设在所述喇叭天线3的大口径端，所述喇叭天线3的上端外壁环形设置第二圆台301；所述介质罩4为上端有顶、下端无底的圆柱形罩体结构，所述介质罩4的下端口套设在所述喇叭天线3的上端口上并与所述第二圆台301固定连接。

所述金属赋形环5刻蚀在所述介质罩4的顶端面上，所述金属赋形环5为环状金属线条。

介质罩4用于支撑赋形环。赋形环受喇叭天线3辐射电磁波的照射，表面感应出环形电流，反作用于喇叭天线3辐射方向图，起到调节方向图形状的作用。

在本实施例中，正交模耦合器1、矩形波导2、喇叭天线3的制成材料为铝合金，牌号3a21，通过机加工和真空钎焊工艺将三者固定连接在一起。介质罩4的材料为聚酰亚胺。

在本发明中，通过旋转矩形波导2调试好以后，再将固定矩形波导2的上下两端分别与正交模耦合器1和喇叭天线3固定。

工作时，从所述正交模耦合器1下端的轴向矩形端口和侧向矩形端口103馈入的两种正交线极化波，经所述矩形波导2形成圆极化波并馈入所述喇叭天线3，所述喇叭天线3将所述圆极化波辐射入自由空间，所述金属赋形环5对所述喇叭天线3的辐射方向图进行赋形，即形成的双圆极化波经由喇叭天线3照射到介质罩4支撑的金属赋形环5上，与金属赋形环5感应电流辐射的电磁波相互作用后，形成某种波束形状的方向图。

在本发明中，喇叭天线3的输出端口的圆形口径可根据增益的需求进行调整。

在本发明中，正交模耦合器1是一种三端口波导器件，功能是将轴向矩形端口(垂直极化，即矩圆变换段104下端的矩形端口)、侧向矩形端口103(水平极化，即圆形波导腔体101侧面的侧向矩形端口103)馈入的两种线极化电磁波导行入公共端口(即与矩形波导2连接的圆形波导腔体101的上端圆形端口)；矩形波导2起到圆极化器的作用，矩形波导2绕圆形波导腔体101轴线旋转一定角度，将正交模耦合器1公共端口馈入的单一线极化波(垂直极化或水平极化)分解为两种极化正交、传播常数不同的线极化波，沿矩形波导2传播一端距离后，满足幅度相等、相位相差90°的条件，形成圆极化波(左旋极化或右旋极化)馈入喇叭天线3；喇叭天线3是一种矩圆渐变张角圆口径天线，功能是将矩形波导2馈入的圆极化波辐射入自由空间，其圆形口径的尺寸用来调整通信系统对天线增益的需求；介质罩4支撑的金属赋形环5的功能是对喇叭天线3的辐射方向图进行赋形，通过优化赋形环的尺寸、距离喇叭天线3口面的距离等参数(通过调整赋形环的直径和线宽以及距离喇叭天线3口面高度，能对喇叭天线3的波束形状产生不同的影响)，可实现平顶或马鞍型等波束赋形。

在本实施例中，请参考图1，所述圆形波导腔体101优选为与标准圆形波导c120的形状相同，所述侧向矩形端口103和所述矩形波导2均优选为与标准矩形波导2bj100的形状相同，金属膜片102的厚度为0.5mm，形状从下段的矩形状逐渐过渡为上段的锥形状。矩形波导2绕正交模耦合器1轴线顺时针旋转45°，长宽比为1.5，高度35mm。此时，由矩圆变换段104馈入的能量向自由空间辐射右旋圆极化波，由侧向矩形端口103馈入的能量向自由空间辐射左旋圆极化波。

请参考图3，通过优化金属赋形环5的尺寸和距离喇叭天线3口面的距离，可以获得类似“门”型的平顶方向图，其中，虚线为无金属赋形环5的天线方向图，实线为有金属赋形环5的天线方向图；

图4所示为经由正交模耦合器1轴向矩形端口辐射的右旋圆极化波主极化和交叉极化方向图；

图5所示为右旋圆极化波的轴比图；

图6所示为经由正交模耦合器1的侧向矩形端口103辐射的左旋圆极化波主极化和交叉极化方向图；

图7所示为左旋圆极化波的轴比图。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。