結構一體化圓極化饋源的製作方法

2023-09-21 21:39:55

本發明屬於天線技術領域，涉及結構一體化設計、輻射圓極化信號的饋源，具體涉及一種結構一體化圓極化饋源，通過結構一體化設計，實現圓極化信號輻射。

背景技術：

在高增益相控陣天線中，天線陣面由大量相同設計的饋源排列組成。通信天線為了消除線極化對準誤差造成的損耗，一般採用圓極化工作模式，饋源需具備圓極化輻射能力。由於饋源數量大，為了降低加工成本，必須採用簡單可靠的加工工藝，實現批量化生產。

按實現方式，饋源可以分為微帶、振子、螺旋、波導縫隙、喇叭等形式。為了降低饋源損耗、提高口面效率、減小單元互耦效應、確保高可靠性，一般採用喇叭饋源形式。

饋源需採用波導圓極化器提供圓極化信號。波導圓極化器有金屬隔片、周期膜片、周期容性銷釘等實現方式，其中金屬隔片、周期膜片的結構複雜、尺寸精度要求高，一般採用線切割、電火花等加工工藝，加工難度大、時間長、代價高。周期容性銷釘一般需要手工調節，不利於批量生產，性能一致性差。

因此，現有技術中，圓極化饋源無法成批量生產，並且加工工藝相對複雜，另外，由於圓極化器結構複雜、加工難度大，圓極化器的加工速度非常慢。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提出了一種結構一體化圓極化饋源，可以適應對於圓極化饋源要求批量生產、加工工藝簡單的應用場合，並且採用一體化加工工藝，實現圓極化器的快速加工，解決了圓極化器結構複雜、加工難度大的問題。

本發明提供了一種結構一體化圓極化饋源，通過結構一體化設計，實現圓極化信號輻射。該結構一體化圓極化饋源包括：輸入波導，作為微波信號的輸入埠，並且為標準矩形的波導法蘭盤；阻抗變換段，將輸入波導與圓極化段的圓波導連接起來；圓極化段，其中的圓極化器與輸入電場呈45°角度關係，從而將輸入的線極化場變換為圓極化場；以及喇叭輻射器，用於將圓極化信號傳播到外部空間。

具體地，輸入波導用於經由其矩形波導口輸入微波信號以及傳輸波導基模電磁場。阻抗變換段包括：四分之一波長單節阻抗變換器，用於執行阻抗匹配，從而使矩形波導與圓極化 段的圓波導相連。

在本發明中，輸入波導的電場方向與圓極化段的圓極化器呈45°角度關係，從而輸入電場被分解為以下兩個分量：與圓極化器平行的分量；以及與圓極化器垂直的分量，其中，兩個分量等幅等相。

相應地，圓極化段的圓極化器使與圓極化器平行的分量相位延後90°而幅度不變，從而形成圓極化場。

優選地，圓極化器是採用薄壁衝壓工藝加工的，從而在實現圓極化的同時實現結構加強。喇叭輻射器用於從圓波導變換到原型輻射口徑，從而實現圓極化信號的空間輻射。

輸入波導、阻抗變換段、圓極化段、和喇叭輻射器為結構一體化設計。

因此，採用本發明的結構一體化圓極化饋源，實現了圓極化輻射，各部分為結構一體化設計，加工工藝容易實現，可靠性高，可用於陣列天線饋源單元的批量生產。

附圖說明

圖1為本發明的結構一體化圓極化饋源的外形示意圖；

圖2為結構一體化圓極化饋源中的輸入波導和阻抗變換段的結構示意圖；以及

圖3為結構一體化圓極化饋源的剖面示意圖。

具體實施方式

應了解，本發明的結構一體化圓極化饋源，由輸入波導、阻抗變換段、圓極化段、喇叭輻射器組成，微波信號輸入埠為標準矩形波導，經阻抗變換段與圓極化段的圓波導連接，圓極化段的圓極化器與輸入電場呈45°角度關係，將輸入的線極化場變換為圓極化場，圓極化信號經喇叭輻射器傳播到外部空間。各部分為結構一體化設計，加工工藝容易實現，可靠性高，可用於陣列天線饋源單元的批量生產。

其中，輸入波導為標準矩形波導法蘭盤，傳輸波導基模電磁場。阻抗變換段為四分之一波長單節阻抗變換器，實現矩形波導與圓波導之間的過渡，避免因口徑變化引起的信號反射。

圓極化段的圓極化器基於周期膜片原理，採用平滑移相曲面代替周期膜片的移相功能，從而改善了圓極化器的加工工藝。由輸入波導、阻抗變換段輸入的電場與圓極化器的移相曲面呈45°角度關係，輸入電場可分解為與圓極化器平行、與圓極化器垂直的2個分量，2個分量等幅等相。經過圓極化器後，與垂直分量相比，平行分量相位延後90°，幅度不變，從而形成圓極化場。

喇叭輻射器從圓波導變換到圓形輻射口徑，實現圓極化信號的空間輻射。

下面結合附圖1-3及具體實施方式對本發明進行詳細說明。

如圖1所示，本發明結構一體化圓極化饋源包括輸入波導1、阻抗變換段2、圓極化段3、喇叭輻射器4。因此，該饋源實現了圓極化信號輻射，各部分為結構一體化設計，加工工藝容易實現，無需連接裝配，無需性能調節。

其中，輸入波導1的橫截面尺寸為標準矩形波導尺寸，傳輸TE10基模電磁場，長度不小於四分之一波導波長。

阻抗變換段2為四分之一波長單節阻抗變換器，長度約為四分之一波導波長，其特徵阻抗Z滿足式中Z1為輸入波導1的特徵阻抗，Z2為圓極化段3的圓波導特徵阻抗。

圓極化段3的橫截面為圓波導，應允許傳播TM01基模電磁場，而抑制高次模傳播，圓波導直徑d應為0.764λ//＜d＜0.971λL，式中λ//為工作頻段中最高頻點f//的波長λL為工作頻段中最低頻點fL的波長c為光速。

可見，由輸入波導1的矩形波導口輸入的微波信號，由阻抗變換段2的四分之一波長單節阻抗變換器實現阻抗匹配，與圓極化段3的圓波導相連。

在本發明中，輸入波導1的電場方向與圓極化段3的圓極化器呈45°角度關係，輸入電場可分解為與圓極化器平行、與圓極化器垂直的2個分量，2個分量等幅等相。經過圓極化器後，與垂直分量相比，平行分量相位延後90°，幅度不變，從而形成圓極化場。

如圖2所示，圓極化段3的圓極化器為對稱的2段平滑移相曲面，移相曲面的軸向切面與輸入波導1、阻抗變換段2的對稱面呈45°夾角。從輸入波導1、阻抗變換段2輸入的線極化場可分解為2個等幅等相的正交場分量E1、E2，E1與圓極化器軸向切面平行，E2與圓極化器軸向切面垂直。

在電磁場傳播過程中，與E2相比，E1在移相曲面的作用下發生相位延遲，最終實現E1、E2的相位差90°、幅度相等，從而形成圓極化場(如圖3所示)。

圓極化段3的移相曲面在軸向切面上的投影為餘弦曲線，其伸入圓波導內的深度S為式中A為伸入最大深度，L為移相曲面的軸向長度，x為軸向距離變量。移相曲面在與軸正交的切面上的投影為圓形的一部分，其直徑為M。A、L、M為相關的配合係數，共同實現相位延遲量。為了實現良好匹配，可以取0.1d≤A≤0.15d，通過仿真確定L、M的值。

喇叭輻射器4的輻射口直徑D根據所需要的饋源增益G確定，式中λ為工作波長，η為口面效率。通過仿真確定輻射器長度，從而獲得良好匹配。

本發明的圓極化器採用薄壁衝壓工藝加工，在實現圓極化的同時，可以實現結構加強效果。

綜上所述，通過本發明，實現了圓極化輻射，各部分為結構一體化設計，加工工藝容易實現，可靠性高，可用於陣列天線饋源單元的批量生產。

對本發明的各組成部件、位置關係及連接方式在不改變其功能的情況下，進行的等效變換或替代，也落入本發明的保護範圍。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。