一种双圆极化馈源天线的制作方法

本实用新型涉及馈源天线技术领域，特别是涉及一种双圆极化馈源天线。

背景技术：

随着4G移动通信技术的成熟和移动通信系统的不断发展，低频段频谱资源极度紧缺，同时无线业务的爆发式增长又带来对超高速无线传输速率的巨大需求。在毫米波和太赫兹频段，目前仍然存在大量的空闲频谱资源，这些频谱资源使得提供数十吉比特，甚至上百吉比特的无线通信速率成为可能。

然而，对于毫米波和太赫兹频段，自由空间路径损耗和大气衰减大大增加，为了克服这些损耗，必须使用高增益的天线。在卫星通信中广泛应用的反射面天线因其成熟的设计方法和高增益宽频带特性，成为毫米波和太赫兹通信中高增益天线的较好选择。在使用高增益天线的同时，为了提高数据传输速率，采用极化复用是一种行之有效的技术，其利用不同极化波的正交特性，将数据分成两路，通过两种正交的极化波发射出去，使得两路数据在同一频域和时域并行传输，在不增加使用频谱的同时大大提高了数据传输速率。而由于圆极化波具有抗多径、无需发射端接收端对齐的优势，因此，采用正交的左旋和右旋圆极化波进行极化复用的方式也被应用于无线通信中。

目前，通常采用双圆极化馈源天线，配合一个反射面来实现正交圆极化复用的高增益天线。其中，双圆极化馈源天线通常采用方形喇叭或圆口径波特喇叭来发射圆极化波。但是方形喇叭和圆口径波特喇叭均不容易实现较低的回波损耗，会影响馈源天线的隔离度。而且，方形喇叭还会造成馈源天线的旁瓣较高。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于提供一种双圆极化馈源天线，以提高馈源天线的隔离度，并降低馈源天线的旁瓣。具体技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种双圆极化馈源天线，包括：依次相接的矩形波导转换段、圆极化器、矩-圆过渡波导和馈源喇叭；所述馈源喇叭为光壁喇叭；

所述馈源喇叭包括第一腔体、第二腔体和第三腔体；

所述第一腔体为圆柱形腔体，所述第一腔体的一端与所述矩-圆过渡波导相接，所述第一腔体的另一端与所述第二腔体相接；

所述第二腔体为具有预设轮廓的喇叭形腔体，所述第二腔体的小口径端与所述第一腔体相接，所述第二腔体的大口径端与所述第三腔体相接；

所述第三腔体为具有预设张角的圆台腔体，所述第三腔体的顶端与所述第二腔体相接，所述第三腔体的底端为所述光壁喇叭的大口径端。

可选地，所述具有预设轮廓的喇叭形腔体的轮廓满足以下条件：

y＝sin^2.5(x)

其中，x为点X到所述第二腔体的轴线上的预设原点O的距离，所述点X为所述第二腔体的轴线上的任一点，y为所述第二腔体中，包含所述点X且与所述第二腔体的轴线垂直的截面的半径。

可选地，所述矩-圆过渡波导为三节八边形矩-圆过渡波导。

可选地，所述三节八边形矩-圆过渡波导包括：

依次相接的第一矩-圆过渡波导、第二矩-圆过渡波导和第三矩-圆过渡波导，所述第一矩-圆过渡波导和所述第二矩-圆过渡波导的腔体为八边形直棱柱腔体，所述第三矩-圆过渡波导的腔体为正八变形直棱柱腔体；

所述第一矩-圆过渡波导还与所述圆极化器相接，所述第三矩-圆过渡波导还与所述第一腔体相接。

可选地，所述第三矩-圆过渡波导的腔体的截面的中心点，到该截面任一边的垂线长度为：大于或等于所述第一腔体的截面的半径。

可选地，所述圆极化器与所述第一矩-圆过渡波导相接的一端的端口为正方形，所述第一矩-圆过渡波导的腔体与所述圆极化器相接的一端的端口为：将所述正方形的四个角去除后形成的八边形。

可选地，所述圆极化器的具有一个端口的一端与所述矩-圆过渡波导相接，所述圆极化器的具有两个端口的一端与所述矩形波导转换段相接。

可选地，所述矩形波导转换段包括：第四腔体和第五腔体；

所述第四腔体的一端的端口和所述第五腔体的一端的端口均设置在天线本体内部，用于与所述圆极化器相接；

所述第四腔体的另一端的端口位于天线本体上、与所述馈源喇叭的大口径端垂直的第一平面上，所述第五腔体的另一端的端口位于天线本体上、与所述馈源喇叭的大口径端垂直的第二平面上；其中，所述第一平面与所述第二平面平行。

可选地，第一中心点和第二中心点的连线与所述天线的轴线垂直，所述第一中心点为所述第四腔体的另一端的端口的中心点，所述第二中心点为所述第五腔体的另一端的端口的中心点。

可选地，所述第四腔体的另一端的端口和所述第五腔体的另一端的端口均为标准矩形波导WR-10端口。

本实用新型实施例提供的方案，在双圆极化馈源天线中使用包括依次相连的圆柱形腔体、喇叭形腔体和圆台腔体的光壁喇叭，也就是，该光壁喇叭的轮廓由若干不同角度的折线组成，这样可以在结构上提供更多的自由度来调整双圆极化馈源天线的整体性能，使得双圆极化馈源天线容易实现较低的回波损耗，可以提高双圆极化馈源天线的隔离度。而且该光壁喇叭采用了圆口径，使得双圆极化馈源天线的旁瓣较低。

当然，实施本实用新型的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线的结构示意图；

图2为图1所示实施例中馈源喇叭的结构示意图；

图3a为图1所示实施例中矩-圆过渡波导的结构示意图；

图3b为图3a所示实施例中三节八边形矩-圆过渡波导的截面示意图；

图4为图1所示实施例中圆极化器的结构示意图；

图5为图1所示实施例中矩形波导转换段的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线在工作频段内的回波损耗的变化示意图，以及所发射的左旋圆极化波和右旋圆极化波的轴比变化示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线所发射的左旋圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图；

图8为本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线所发射的右旋圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种双圆极化馈源天线。

参见图1，本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线，包括：依次相接的矩形波导转换段1、圆极化器2、矩-圆过渡波导3和馈源喇叭4；其中，馈源喇叭4为光壁喇叭；

馈源喇叭4包括第一腔体41、第二腔体42和第三腔体43(参见图2)；

第一腔体41为圆柱形腔体，第一腔体41的一端与矩-圆过渡波导3相接，第一腔体41的另一端与第二腔体42相接；

第二腔体42为具有预设轮廓的喇叭形腔体，第二腔体42的小口径端与第一腔体41相接，第二腔体42的大口径端与第三腔体43相接；

第三腔体43为具有预设张角的圆台腔体，第三腔体43的顶端与第二腔体42相接，第三腔体43的底端为光壁喇叭的大口径端。

本领域技术人员可以理解的是，双圆极化馈源天线的天线本体内部连续开设有多个空腔，该多个空腔即为依次相接的矩形波导转换段1、圆极化器2、矩-圆过渡波导3和馈源喇叭4，矩形波导转换段1、圆极化器2、矩-圆过渡波导3和馈源喇叭4的腔体壁与天线本体的各个侧壁之间属于实心结构。具体的，如图1所示，上述双圆极化馈源天线可以是具有空心区域的长方体，该空心区域是由矩形波导转换段1、圆极化器2、矩-圆过渡波导3和馈源喇叭4各自的腔体连接后所形成的连通的空心区域。需要说明的是，在具体应用中，双圆极化馈源天线的材料可以是铜镀金或铝镀金。具体的，可以在双圆极化馈源天线的与空气接触的各个外表面和内表面均镀金。当然，根据实际需要，双圆极化馈源天线的材料也可以是其他类型的材料，本实用新型实施例对此并不限定。

在图2中，从左侧数第一个圆形到第二个圆形为第三腔体43，第二个圆形到第三个圆形为第二腔体42，第三个圆形到第四个圆形为第一腔体41。包括了第一腔体41、第二腔体42和第三腔体43的光壁喇叭具有特定的轮廓。

可选地，具有预设轮廓的喇叭形腔体的轮廓满足以下条件：

y＝sin^2.5(x)

其中，x为点X到第二腔体42的轴线上的预设原点O的距离，点X为第二腔体42的轴线上的任一点，y为第二腔体42中，包含点X且与第二腔体42的轴线垂直的截面的半径。

具体的，预设原点O可以位于第二腔体42的轴线上在第二腔体42的左侧或右侧的位置。

本实用新型实施例中，上述圆台腔体的预设张角可以是通过实际需要或经验来确定。而且在实际的设计过程中，圆台腔体、喇叭形腔体以及圆柱形腔体的长度和各自的截面的尺寸也可以根据实际需要或经验来确定。具体的，在设计双圆极化馈源天线时，可以根据对该双圆极化馈源天线的增益和回波损耗的设计要求，确定光壁喇叭的大口径端的直径。再根据光壁喇叭的大口径端的直径，确定圆台腔体的预设张角。光壁喇叭的大口径端的直径越大，和/或圆台腔体的长度越短，则圆台腔体的张角越大，反之，则圆台腔体的张角越小。示例性地，圆台腔体的张角的范围为0°～90°，具体张角值可以根据实际需要进行调整。通过设计上述具有特定轮廓的光壁喇叭，可以使得双圆极化馈源天线具有低旁瓣、宽频带、良好的隔离度以及辐射方向图对称等有益效果。下文中将详细介绍以上述有益效果。

可选地，矩-圆过渡波导3可以为三节八边形矩-圆过渡波导。

参见图3a，给出了将图1中的矩-圆过渡波导3，即三节八边形矩-圆过渡波导放大后的结构示意图。三节八边形矩-圆过渡波导包括：

依次相接的第一矩-圆过渡波导31、第二矩-圆过渡波导32和第三矩-圆过渡波导33，第一矩-圆过渡波导31和第二矩-圆过渡波导32的腔体为八边形直棱柱腔体，第三矩-圆过渡波导33的腔体为正八变形直棱柱腔体；

第一矩-圆过渡波导31还与圆极化器2相接，第三矩-圆过渡波导33还与第一腔体41相接。

本实用新型实施例中，圆极化器2的输出端口为正方形。第一腔体41的截面为圆形。所以，为了使电磁波能够在圆极化器2的方形波导和馈源喇叭4的圆形波导之间传播，在圆极化器2和馈源喇叭4之间连接了三节八边形矩-圆过渡波导。上述三节八边形矩-圆过渡波导由于是由依次连接的三节矩-圆过渡波导组成的，其中，第二矩-圆过渡波导32作为第一矩-圆过渡波导31和第三矩-圆过渡波导33的过渡波导，因而可以使得整个双圆极化馈源天线的结构较为紧凑，体积较小。

可选地，第三矩-圆过渡波导33的腔体的截面的中心点，到该截面任一边的垂线长度为：大于或等于第一腔体41的截面的半径。

具体的，第一腔体41的截面为圆形，第三矩-圆过渡波导33的腔体的截面为正八边形，本实施新型实施例中，设计第三矩-圆过渡波导33的腔体的截面的中心点，到该截面任一边的垂线长度大于或等于第一腔体41的截面的半径，可以降低电磁波从三节八边形矩-圆过渡波导传播到馈源喇叭4的回波损耗。

可选地，圆极化器2与第一矩-圆过渡波导31相接的一端的端口为正方形，第一矩-圆过渡波导31的腔体与圆极化器2相接的一端的端口为：将正方形的四个角去除后形成的八边形。

具体的，为了降低电磁波在圆极化器2和三节八边形矩-圆过渡波导之间传播的回波损耗，可以设计将上述正方形的四个角去除后形成的八边形作为第一矩-圆过渡波导31的腔体的截面的形状。参见图3a，所去除的四个角的面积相对正方形的面积可以非常小，也就是说，第一矩-圆过渡波导31的腔体的截面可以是与正方形较为接近的八边形。

在图3a中，给出的是在正方形的边长小于第一腔体41的截面的直径的情况下，三节八边形矩-圆过渡波导的一种结构形式。在其他实施例中，正方形的边长也可以大于或等于第一腔体41的截面的直径，并且第二矩-圆过渡波导32作为第一矩-圆过渡波导31和第三矩-圆过渡波导33的过渡波导。

为了更直观地体现图3a中第一至第三矩-圆过渡波导31-33的截面的形状和大小关系，参见图3b，给出了图3a所示实施例中三节八边形矩-圆过渡波导的截面示意图。在图3b中，410为第一腔体41的截面轮廓，230为上述正方形，即圆极化器的端口23(参见图4)的截面轮廓，310为第一矩-圆过渡波导31的截面轮廓，320为第二矩-圆过渡波导32的截面轮廓，330为第三矩-圆过渡波导33的截面轮廓。

从图3b中可以看出，410为一圆形轮廓，230为一正方形轮廓，310为将230的四个角去除后形成的八边形轮廓，320为从310到330过渡的八边形轮廓，330为一正八边形轮廓。230的边长小于410的直径，且330的中心点到任一边的垂线长度大于410的半径。所以，第二矩-圆过渡波导32实现了第一矩-圆过渡波导31到第三矩-圆过渡波导33的过渡。

可选地，参见图4，给出了将图1中圆极化器2放大后的结构示意图。而且图4是为了清晰的体现出圆极化器2的腔体结构所给出的结构示意图，图1中的圆极化器2的腔体结构即为该结构，但腔体壁与天线本体的外壁的距离不同。圆极化器2的具有一个端口23的一端与矩-圆过渡波导3相接，圆极化器2的具有两个端口21和22的一端与矩形波导转换段1相接。

具体的，圆极化器2采用了阶梯隔板式的结构，这种结构的圆极化器属于现有技术，在此不进行赘述。当线极化波馈入圆极化器2的端口21，经过圆极化器的隔断板20后，可以形成左旋圆极化波，该左旋圆极化波从圆极化器2的端口23输出。当线极化波馈入圆极化器2的端口22，经过圆极化器的隔断板20后，可以形成右旋圆极化波，该右旋圆极化波从圆极化器2的端口23输出。由于左旋圆极化波和右旋圆极化波正交，因而左旋圆极化波和右旋圆极化波可以在同一频域和时域内并行传输。

可选地，参见图5和图1，图5给出了将图1中矩形波导转换段1放大后的结构示意图。矩形波导转换段1包括：第四腔体101和第五腔体102；

第四腔体101的一端的端口13和第五腔体102的一端的端口14均设置在天线本体内部，用于与圆极化器2相接；

第四腔体101的另一端的端口11位于天线本体上、与馈源喇叭的大口径端垂直的第一平面a上，第五腔体102的另一端的端口12位于天线本体上、与馈源喇叭的大口径端垂直的第二平面b上；其中，第一平面a与第二平面b平行。

第四腔体101的一端的端口13与圆极化器2的端口21相接，第五腔体102的一端的端口14与圆极化器2的端口22相接。第四腔体101的另一端的端口11与第四腔体101的一端的端口13之间的连通腔体，可以在线极化波输入第四腔体101的另一端的端口11后，对线极化波进行转换方向和阻抗匹配。第五腔体102的另一端的端口12与第五腔体102的一端的端口14之间的连通腔体，可以在线极化波输入第五腔体102的另一端的端口12后，对线极化波进行转换方向和阻抗匹配。

具体的，上述转换方向是指：转换线极化波的传播方向。

可选地，第一中心点和第二中心点的连线与所述天线的轴线垂直，第一中心点为第四腔体101的另一端的端口11的中心点，第二中心点为第五腔体102的另一端的端口12的中心点。

可选地，第四腔体101的另一端的端口11和第五腔体102的另一端的端口12均为标准WR(Waveguide，Rectangular，矩形波导)-10端口。

具体的，在实际应用中，双圆极化馈源天线可以与其他部件通过标准的波导法兰盘进行连接，因而可以将第四腔体101的另一端的端口11和第五腔体102的另一端的端口12均设置为标准WR-10矩形波导端口。并且，通过该标准WR-10矩形波导端口，可以输入TE(Transverse electric，横向电场)10模式的线极化波。

下面对本实用新型实施例所提供的一种双圆极化馈源天线的各个部分的功能进行介绍。

矩形波导转换段1用于：在第一线极化波输入第四腔体101的另一端的端口11后，对第一线极化波转换方向和阻抗匹配，通过第四腔体101的一端的端口13将第一线极化波馈入圆极化器2的端口21；以及在第二线极化波输入第五腔体102的另一端的端口12后，对第二线极化波转换方向和阻抗匹配，通过第五腔体102的一端的端口14将第二线极化波馈入圆极化器2的端口22；

圆极化器2用于：在第一线极化波馈入端口21后，产生左旋圆极化波，并将左旋圆极化波通过端口23馈入三节八边形矩-圆过渡波导的第一矩-圆过渡波导31；以及在第二线极化波馈入端口22后，产生右旋圆极化波，并将右旋圆极化波通过端口23馈入三节八边形矩-圆过渡波导的第一矩-圆过渡波导31；

三节八边形矩-圆过渡波导用于：在左旋圆极化波馈入第一矩-圆过渡波导31后，将左旋圆极化波通过第二矩-圆过渡波导32馈入第三矩-圆过渡波导33，第三矩-圆过渡波导33将左旋圆极化波馈入第一腔体41；以及在右旋圆极化波馈入第一矩-圆过渡波导31后，将右旋圆极化波通过第二矩-圆过渡波导32馈入第三矩-圆过渡波导33，第三矩-圆过渡波导33将右旋圆极化波馈入第一腔体41；

光壁喇叭用于：在左旋圆极化波馈入第一腔体41后，将左旋圆极化波通过第三腔体43的大口径端发射至自由空间；以及在右旋圆极化波馈入第一腔体41后后，将右旋圆极化波通过第三腔体43的大口径端发射至自由空间。

以上给出了将线极化波输入矩形波导转换段1，从光壁喇叭输出左旋圆极化波和右旋圆极化波的示例。在其他实施例中，还可以将左旋圆极化波和右旋圆极化波输入光壁喇叭，从矩形波导转换段1输出线极化波。具体细节与输入线极化波-输出左旋圆极化波和右旋圆极化波的过程相反。通常，将输入线极化波-输出左旋圆极化波和右旋圆极化波的过程称为发射过程，将输入左旋圆极化波和右旋圆极化波-输出线极化波的过程成为反射过程。

本实用新型实施例提供的方案，在双圆极化馈源天线中使用包括依次相连的圆柱形腔体、喇叭形腔体和圆台腔体的光壁喇叭，也就是，该光壁喇叭的轮廓由若干不同角度的折线组成，这样可以在结构上提供更多的自由度来调整双圆极化馈源天线的整体性能，使得双圆极化馈源天线容易实现较低的回波损耗，可以提高双圆极化馈源天线的隔离度。而且该光壁喇叭采用了圆口径，使得双圆极化馈源天线的旁瓣较低。

下面通过一个具体示例，对本实用新型实施例提供的双圆极化馈源天线的有益效果进行说明。

本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线可工作于W频段，具体的，可以用于毫米波和太赫兹频段的通信。

参见图6，给出了本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线在工作频段内的回波损耗的变化示意图，以及所发射的左旋圆极化波和右旋圆极化波的轴比变化示意图。

在图6中，横轴表示双圆极化馈源天线的频率，左侧纵轴表示轴比(Axial Ratio，AR)，右侧纵轴表示回波损耗。两条折线分别表示左旋圆极化波(LHCP，Left Hand Circular Polarization)的轴比和右旋圆极化波(RHCP，Right Hand Circular Polarization)的轴比，两条折线上的虚线圆圈及箭头表示：两条折线对应的纵轴为左侧纵轴。黑色实曲线表示双圆极化馈源天线的反射过程的回波损耗(|S11|)。黑色虚曲线表示双圆极化馈源天线的发射过程的回波损耗(|S21|))。黑色实曲线和黑色虚曲线上的虚线圆圈及箭头表示：黑色实曲线和黑色虚曲线对应的纵轴为右侧纵轴。

从图6中可以看出，在频率为75-95GHz的频带内，双圆极化馈源天线所发射的左旋圆极化波的轴比和右旋圆极化波轴比均在2dB以内，说明左旋圆极化波和右旋圆极化波在发射端和接收端之间的极化损失较低。双圆极化馈源天线的发射过程和反射过程的回波损耗均在-10dB以内。说明双圆极化馈源天线在可以在宽频带内实现较低的回波损耗，较低的回波损耗可以产生良好的隔离度。

参见图7，给出了本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线所发射的左旋圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图。

在图7中，横轴表示辐射角度，纵轴表示天线增益。在图7中，给出了中心频率为85GHz的左旋圆极化波在0°、45°和90°平面的主极化方向图，以及在45°平面的交叉极化方向图。Phi表示平面角度。

从图7中可以看出，左旋圆极化波的主瓣与副瓣相差近30dBi，所以旁瓣较低。而且在45°平面的交叉极化方向，即右旋方向，右旋圆极化波的主瓣与左旋圆极化波的主瓣的差值非常大，说明交叉极化效果非常好。而且左旋圆极化波的主极化方向图是旋转对称的。

参见图8，给出了本实用新型实施例提供的一种双圆极化馈源天线所发射的右旋圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图。

在图8中，横轴表示辐射角度，纵轴表示天线增益。在图8中，给出了中心频率为85GHz的右旋圆极化波在0°、45°和90°平面的主极化方向图，以及在45°平面的交叉极化方向图。Phi表示平面角度。

从图8中可以看出，右旋圆极化波的主瓣与副瓣相差近20dBi，所以旁瓣较低。而且在45°平面的交叉极化方向，即左旋方向，左旋圆极化波的主瓣与右旋圆极化波的主瓣的差值非常大，说明交叉极化效果非常好。而且右旋圆极化波的主极化方向图是旋转对称的。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。