一种宽波束交叉振子天线设计方法与流程

本发明属于电磁兼容与天线，更具体地，涉及一种适用于镜像综合孔径系统的具有波导同轴转换的交叉振子天线设计，这种具有较宽3db波束宽度的交叉振子天线，可以较为明显的增加镜像综合孔径的视场范围并缩小反射板的尺寸。

背景技术：

1、随着星载微波辐射计系统发展，原有的实孔径体制和综合孔径体制都难以在静止轨道达到中小尺度监测所需的空间分辨率，镜像综合孔径微波辐射成像系统的提出，提高了空间分辨率，但存在视场范围较小和反射板尺寸过大的问题，为了解决当前的问题，对镜像综合孔径单元天线的波束宽度提出了较高要求。

2、镜像综合孔径通过在天线阵列旁边添加反射板，其信号接收过程可以等效为在真实天线关于反射板对称的位置放置镜像天线，真实天线和镜像天线同时接收场景的辐射信号。因此直射信号和反射信号都在天线主波束范围内，天线的波束宽度越宽，可以接收反射信号的范围越大，从而可以缩小镜像综合孔径反射板的尺寸。

3、通过对已开展宽波束天线研究进行总结，发现主要使用以下两种技术。第一种技术是缩小喇叭天线的口径，增大天线的波束宽度，数值软件的计算结果表明，保持角锥喇叭的长度不变，逐步增大角锥喇叭口径尺寸以增大口径面积，会引起波束宽度的减小，但当口径面积增大到某一特定值后，波束宽度反而会随着口径尺寸的增加而增大。第二种技术是远场的方向图叠加，由于远场方向图与天线的电流分布有关，因此可以考虑在原有天线的基础上引入新的电流，实现新电流导致的远场方向图与原天线的远场方向图叠加从而展宽3db波束宽度。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一款适用于镜像综合孔径的具有宽波束的交叉振子天线设计方法，实现良好的频带内匹配，减小镜像综合孔径反射面的尺寸，该天线不仅具有宽波束特性，而且下端采用同轴波导转换器进行馈电。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种宽波束交叉振子天线设计方法，包括：

3、设计垂直式同轴波导转换器，所述垂直式同轴波导转换器采用阶梯式的波导阻抗变换结构；

4、根据交叉振子天线的结构特点，对交叉振子天线的尺寸进行初始化设计，以与垂直式同轴波导转换器匹配，然后获得交叉振子天线的波束宽度，并进一步优化交叉振子天线的尺寸拓宽交叉振子天线的波束宽度；

5、将交叉振子天线与垂直式同轴波导转换器连接，根据交叉振子天线的输入阻抗，对垂直式同轴波导转换器外导体上采用缝隙式巴伦结构，实现交叉振子天线的阻抗匹配。

6、在一些可选的实施方案中，所述垂直式同轴波导转换器采用阶梯式的波导阻抗变换结构，通过计算交叉振子天线同轴部分的特性阻抗和矩形波导的等效特性阻抗，根据切比雪夫型λ/4阶梯阻抗变换器计算垂直式同轴波导转换器的节数。

7、在一些可选的实施方案中，由计算垂直式同轴波导转换器的节数n，其中，r为同轴部分特性阻抗和矩形波导等效特性阻抗之比，γmax为带内允许的最大反射系数，wθ为相对带宽，int为向下取整。

8、在一些可选的实施方案中，由同轴波导转换器的节数，根据各波导支节的等效特性阻抗计算得到同轴波导转换器尺寸，其中，支节顺序从左到右，最右边为wr15国际标准波导，通过传输系数优化设计各个阶梯尺寸数值，包括各个阶梯的波导内长、波导内宽和波导长度，以及外导体壁厚，同轴内导体长于外导体。

9、在一些可选的实施方案中，所述交叉振子天线的尺寸包括厚度、长度和宽度，其中振子厚度为了馈电，需要和同轴波导转换器的壁厚保持一致，通过hfss15对交叉振子天线的长度和宽度进行优化设计，使交叉振子天线的3db波束宽度最大化，并调节缝隙结构参数进行阻抗匹配。

10、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

11、1.天线具有宽波束特性，同轴馈电端采用缝隙式巴伦结构调节阻抗匹配。

12、2.具有小型化的特点，下端采用同轴波导转换器进行馈电，实现了与现有的镜像综合孔径系统契合。

技术特征：

1.一种宽波束交叉振子天线设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述垂直式同轴波导转换器采用阶梯式的波导阻抗变换结构，通过计算交叉振子天线同轴部分的特性阻抗和矩形波导的等效特性阻抗，根据切比雪夫型λ/4阶梯阻抗变换器计算垂直式同轴波导转换器的节数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由计算垂直式同轴波导转换器的节数n，其中，r为同轴部分特性阻抗和矩形波导等效特性阻抗之比，γmax为带内允许的最大反射系数，wθ为相对带宽，int为向下取整。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由同轴波导转换器的节数，根据各波导支节的等效特性阻抗计算得到同轴波导转换器尺寸，其中，支节顺序从左到右，最右边为wr15国际标准波导，通过传输系数优化设计各个阶梯尺寸数值，包括各个阶梯的波导内长、波导内宽和波导长度，以及外导体壁厚，同轴内导体长于外导体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述交叉振子天线的尺寸包括厚度、长度和宽度，其中振子厚度为了馈电，需要和同轴波导转换器的壁厚保持一致，通过hfss15对交叉振子天线的长度和宽度进行优化设计，使交叉振子天线的3db波束宽度最大化，并调节缝隙结构参数进行阻抗匹配。

技术总结
本发明公开了一种宽波束交叉振子天线设计方法，属于电磁兼容与天线技术领域，包括：设计采用阶梯式的波导阻抗变换结构的垂直式同轴波导转换器；根据交叉振子天线的结构特点，对交叉振子天线的尺寸进行设计，以与垂直式同轴波导转换器匹配，然后获得交叉振子天线的波束宽度，并优化交叉振子天线的尺寸拓宽交叉振子天线的波束宽度；将交叉振子天线与垂直式同轴波导转换器连接，根据交叉振子天线的输入阻抗，对垂直式同轴波导转换器外导体上采用缝隙式巴伦结构，实现交叉振子天线的阻抗匹配。通过本发明可以实现良好的频带内匹配，减小镜像综合孔径反射面的尺寸，该天线不仅具有宽波束特性，而且下端采用同轴波导转换器进行馈电。

技术研发人员：刘丰,姚志亚,倪超,王馨怡,郭子亮
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12