一种圆极化波导缝隙天线及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种天线及其设计方法，尤其涉及一种圆极化波导缝隙天线及其设计方法。
【背景技术】
[0002]近些年来，随着卫星通讯的广泛应用，接收卫星广播通讯的天线系统得到了快速的发展，诸如用于直播卫星(DBS)通讯系统，需要低轮廓、高效率的天线系统，以提高系统的G/T值(G为天线系统的增益;T为天线系统的噪声温度)，来增加天线与卫星通讯的数据率；并且，天线的有效孔径受天线扫描体积的限制，对于给定的扫描体积，低轮廓天线可以得到最大的系统增益，从而提高整个系统的G/T值。
[0003]波导缝隙天线阵由于其高效、易于幅相控制、加工简单等因素得以大量应用，特别是雷达系统。波导缝隙天线阵有行波阵和驻波阵(谐振阵)两种，波导行波阵带宽较宽、有频扫特性，但其效率较低，适合做大型平面阵列;驻波阵效率高、带宽较窄，适合做小型平面阵列。
[0004]对于接收卫星直播通讯的天线系统来说，一般安装在飞机上或汽车顶部，因此这些天线系统都具有很好的机动性，从而对于这些天线的要求也就比较高，比如:小型化、低轮廓、低损耗、高增益等。为了减少天线系统的高度，天线一般设计为平面阵列天线，因此波导缝隙天线阵得到了很好的应用。
[0005]商业卫星通讯系统中，卫星接收和发射的信号都是圆极化波，这样无论雷达和卫星成什么夹角，都不会引起交叉极化分量。也就是说卫星接收和发射圆极化波，不会引起极化的失配从而引起数据传输的效率的降低。
[0006]美国现有矩形波导宽边中心开“X”缝隙的漏波天线和低损耗低轮廓双极化波导月牙缝隙天线阵，但这两种圆极化天线都是波导行波天线，存在工作宽带内波束指向色散、效率低等问题。
[0007]现有的脊波导宽边横向直缝隙天线(张洪涛，汪伟，齐美清，专利号2 O I 11 O 3 5 6 6 I 6.9 )、脊波导倾斜缝隙对天线(汪伟，张洪涛，齐美清等，专利号:2 O O 9 I O I 8 4 9 6 2.6 )、宽带双L形波导窄边缝隙天线阵(汪伟，金剑等，专利号:200720042499.8 )和一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线(金剑，汪伟等，专利号:200620169079.1)中，各天线均为脊波导单线极化天线。
[0008]现有技术中还有一种圆极化波导驻波天线(张洪涛，汪伟，专利号:200910185457.3)，其包含了馈电波导和开口波导两层结构，结构上较为复杂，天线厚度较厚，并且圆极化带宽较窄。
[0009]现有技术中还有一种圆极化天线(汪伟，齐美清，张洪涛等，专利号:201310454644.3)，其采用单脊波导中开设两种辐射缝隙:倾斜缝隙对和纵向直缝隙，从而形成圆极化天线，但是这种圆极化天线由于受现实加工工艺的限制，该种圆极化天线在毫米波段很难加工实现。现有技术中的天线结构较为复杂、且工作效率较低，无法满足日益发展的军事化要求。
【发明内容】
[0010]本发明旨在提供一种具有良好的宽频带特征，结构简单，便于单独组成大型平面阵的圆极化波导缝隙天线及其设计方法，用以解决现有技术中天线结构较为复杂、且工作效率较低，无法满足日益发展的通信和雷达系统需求的问题。
[0011]本发明的解决方案是:一种圆极化波导缝隙天线，其包括金属波导管，金属波导管的管壁上开设有若干纵向直缝隙、和若干纵向直缝隙相对应且均为对称倾斜缝隙的若干成对的横向直缝隙；若干纵向直缝隙相互平行且沿平行于金属波导管的延伸方向设置，若干成对的横向直缝隙相互平行且沿垂直于金属波导管的延伸方向设置;金属波导管为中空金属波导管，且在沿金属波导管延伸方向的同一侧面上设有平行的两排靠背波导壁，同排上的靠背波导壁间隔设置;每个靠背波导壁上开设有一对横向直缝隙，每对横向直缝隙切割入靠背波导壁两侧的波导壁;在同排的靠背波导壁上，相邻两个靠背波导壁之间开设有一个纵向直缝隙，两排纵向直缝隙偏离金属波导管的中心线；同排上的纵向直缝隙与成对的横向直缝隙间隔设置，两排之间的纵向直缝隙与成对的横向直缝隙也间隔设置;两排纵向直缝隙的中心和相应一对的横向直缝隙的中心处于金属波导管呈“L”的形同一横截面内。
[0012]作为上述方案的进一步改进，两排靠背波导壁之间也交错设置，使在具有靠背波导壁的位置，金属波导管的横截面呈“L”形。
[0013]进一步地，金属波导管满足以下条件:
[0014]金属波导管的底面波导壁的宽度(a)小于0.7波长；
[0015]靠背波导壁的宽度(b)小于0.35波长；
[0016]金属波导管的底面波导壁的高度(ah)小于0.5波长；
[0017]靠背波导壁的高度(bh)为0.25波长。
[0018]作为上述方案的进一步改进，金属波导管的一端为天线输入口，另一端设置为封闭短路或接匹配负载。
[0019]作为上述方案的进一步改进，金属波导管上的若干纵向直缝隙等间距设置，若干成对的横向直缝隙等间距设置，且相邻两对横向直缝隙的间隔长度与相邻两个纵向直缝隙的间隔长度相同。
[0020]作为上述方案的进一步改进，金属波导管的材料为金属材料，或为表面镀金属的复合材料。
[0021]本发明还提供一种圆极化波导缝隙天线的设计方法，用于设计上述任意圆极化波导缝隙天线，其包括以下步骤:
[0022]根据频率范围、结构限制的空间范围和最低频率下的主模传输要求确定金属波导管的截面尺寸；
[0023]根据截面尺寸确定金属波导管上纵向直缝隙和横向直缝隙的设置参数；
[0024]根据所述截面尺寸和所述设置参数制造圆极化波导缝隙天线。
[0025]作为上述方案的进一步改进，根据频率范围、结构限制的空间范围和最低频率下的主模传输要求确定金属波导管的截面尺寸包括:
[0026]金属波导管的底面波导壁的宽度(a)小于0.7波长；
[0027]靠背波导壁的宽度(b)小于0.35波长；
[0028]金属波导管的底面波导壁的高度(ah)小于0.5波长；
[0029]靠背波导壁的高度(bh)为0.25波长。
[0030]进一步地，根据截面尺寸确定金属波导管上纵向直缝隙的设置参数包括:
[0031]纵向直缝隙的长度Ls由下式确定:Ls = 0.45λ0;
[0032]纵向直缝隙的宽度Ws由下式确定:0.Uh K 0.125λ0。
[0033]进一步地，根据截面尺寸确定金属波导管上横向直缝隙的设置参数包括:
[0034]在对称倾斜缝隙中:L2 < bh，LI =b+2*t，缝隙尺寸总长度Ll+L2*2为0.45λ0，其中，位于上L形波导靠背波导壁顶面上的缝隙长度为LI，位于L形波导靠背波导壁两侧金属壁的长为L2。
[0035]本发明在金属波导管上设置了纵向直缝隙和横向直缝隙，通过在L形中空的金属波导管上设置纵向直缝隙和横向直缝隙，构造了具备优点的圆极化波导缝隙天线，该天线结构简单且工作效率较高，解决了现有技术中天线结构较为复杂、且工作效率较低，无法满足日益发展的通信和雷达系统需求的问题。
【附图说明】
[0036]图1为本发明圆极化波导缝隙天线的结构示意图；
[0037]图2为图1中圆极化波导缝隙天线的“L”形波导管横截面图；
[0038]图3为图1中圆极化波导缝隙天线的俯视图；
[0039]图4为图3中圆极化波导缝隙天线沿剖线A-A的剖视图；
[0040]图5为图3中圆极化波导缝隙天线沿剖线B-B的剖视图；
[0041]图6为本发明四个单元天线的