一种高功率容量的圆极化喇叭天线

本发明涉及天线，特别涉及一种高功率容量的圆极化喇叭天线。

背景技术：

1、近年来，随着天线技术的不断发展，高功率天线引起了人们的关注，此类天线在通信、雷达、电子对抗、目标识别等领域有着非常广泛的应用。一般情况下，为了使天线具有较高的功率容量，最常采用的方案为在天线设计中使用波导结构，例如：喇叭天线等，这是因为波导结构在众多传输线类型中功率容量最高，因此是此类天线设计的首选。除此之外，研究[1]表明，在同样采用波导结构的情况之下，不同的天线所能承受的最大功率也会有所不同，而制约功率上限的因素主要是插入波导内部的一些结构，例如：膜片、调谐柱、脊结构等，这些结构往往会使得波导内部产生不连续性(结构突变)进而影响功率容量。与此同时，在这些结构较为锐利的地方会产生电场聚集，例如：结构边缘等，当输入功率过高时，这些地方会首先崩坏，换言之，这些地方即为功率薄弱点。

2、另一方面，在考虑波导结构的功率容量问题时，需要针对不同的工作模式进行讨论，因为在不同模式下，波导内部的场分布也会有所不同，如果需要在波导内部引入内插结构，则应尽量避开电场较强的区域。矩形波导是一种非常常见的波导结构，一般情况下绝大多数的应用都采用te10模式，因此，本技术主要针对te10模式的矩形波导进行讨论。

3、相较于线极化的喇叭天线，圆极化喇叭天线通常更难实现高功率的设计，这是因为在圆极化喇叭中往往需要加入极化转换结构来将馈入的线极化波转换为圆极化波，而这些结构的引入势必会产生如前文所述的结构不连续性。与此同时，由于极化转换结构的本质一般为对波导内的电磁波产生扰动，进而形成等幅度且相位差为90度的正交电场模式，从而实现圆极化辐射，而在这一过程中，极化转换结构往往需要深入至电场最强的波导中轴线区域(te10模式)，以此来达到足够的扰动程度，这样就会使内插结构位于强场强范围内。基于这两点原因，圆极化喇叭天线的功率容量上限往往都受到极大的限制。目前，常见的圆极化喇叭天线方案包括采用阶梯状膜片[2]、螺旋脊[3]、单槽极化器[4]等,这些设计虽然可以有效地实现圆极化辐射，但是都可能因为内插极化器的引入而导致功率容量的下降。

4、[1]s.bhardwaj and j.l.volakis,“hexagonal waveguide based circularlypolarized horn antennas for sub-mm-wave/terahertz band,”ieee transactions onantennas and propagation,vol.66,no.7,pp.3366-3374,jul.2018.

5、[2]c.shu,j.wang,s.hu,y.yao,and j.yu,“a wideband dual-circular-polarization horn antenna for mmwave wireless communications,”ieee antennasand wireless propagation letters,vol.18,no.9,pp.1726-1730,sep.2019.

6、[3]k.lu,k.w.leung,and n.yang,“3-d-printed circularly polarizedtwisted-ridge horn antenna,”ieee transactions on antennas and propagation,vol.69,no.3,pp.1746-1750,mar.2021.

7、[4]n.luo,x.yu,g.mishra,and s.k.sharma,“a millimeter-wave(v-band)dual-circular-polarized horn antenna based on an inbuilt monogroove polarizer,”ieee antennas and wireless propagation letters,vol.19,no.11,pp.1933-1937,nov.2020.

技术实现思路

1、为了至少解决现有技术存在的问题之一，本发明提出了一种高功率容量的圆极化喇叭天线。基于背景技术中所提到的高功率喇叭天线的设计考量，本发明中摒弃了传统的内插极化器结构，通过两个级联的正交模式分离器和移相器来实现圆极化辐射。同时，所述正交模式分离器和移相器的实现是通过改变波导内壁的形状来完成的，这样可以有效避免结构对于中轴线附近强电场区域的扰动。另外，所述正交模式分离器和移相器在结构上分别采用了线性渐变和椭圆渐变这两种平缓结构，这样可以有效避免在波导内部出现功率薄弱点。相较于传统的圆极化喇叭天线，本发明具有功率容量高的优势。

2、为了实现本发明目的，本发明提供的一种高功率容量的圆极化喇叭天线，包括馈电波导、正交模式分离器和移相器，

3、所述正交模式分离器的一端与所述馈电波导连接，另一端与所述移相器连接，且所述正交模式分离器为内壁沿z轴线性渐变的波导结构；

4、所述移相器沿x轴相对的两个内壁以椭圆函数的方式向内部变形，沿y轴相对的两个内壁不发生变形，其中，所述沿x轴相对的两个内壁满足以下函数关系：

5、

6、0<x<l

7、

8、式中，x和z为坐标变量，lr为椭圆函数的短轴值，即内壁沿x轴的最大值,lant为移相器的高度。

9、对本发明的进一步改进，还包括同轴接头，所述同轴接头用于给所述天线馈电。

10、对本发明的进一步改进，所述馈电波导为矩形波导。

11、对本发明的进一步改进，所述正交模式分离器与所述移相器连接端的截面和正交模式分离器与馈电波导连接端的截面关于z轴呈45度夹角。

12、对本发明的进一步改进，所述移相器为变形的矩形波导结构。

13、对本发明的进一步改进，所述移相器为简并模波导。

14、对本发明的进一步改进，所述正交模式分离器与所述馈电波导连接侧的截面与所述馈电波导的截面大小相同，且为矩形截面，所述正交模式分离器与所述移相器连接侧的截面与所述移相器的截面大小相同，且为正方形截面。

15、对本发明的进一步改进，磁波首先在所述馈电波导中被激励，工作模式为te10模。

16、对本发明的进一步改进，电磁波传播至所述正交模式分离器后，入射电场ein会被分解为两个等幅同相位且极化方式正交的电场模式eout1和eout2。

17、对本发明的进一步改进，两种电场模式eout1和eout2经过移相器后，两种模式之间的相位差会达到90度，进而产生圆极化辐射。

18、与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：

19、(1)本发明提出的一种高功率容量的圆极化喇叭天线，该天线无需引入内插结构，只通过改变波导内壁来分别实现正交模式分离以及模式间的90度相位差，进而实现圆极化功能。

20、(2)本发明提出的一种高功率容量的圆极化喇叭天线，整个天线结构中主要采用了线性渐变和椭圆渐变，二者均为平缓结构，能够最大程度地降低波导内部的不连续性。与此同时，波导内的工作模式主要为te10模，其最大电场主要集中在波导的中轴线区域，而该天线的结构变形均位于波导壁上，因此避免了由于结构变形而引起的功率容量下降。基于以上原因，本发明可以有效实现高功率容量的目的。