一種基於矩波導饋電的毫米波空心波束天線的製作方法

2023-05-24 11:13:31

本發明涉及天線技術領域，特別是一種基於矩波導饋電產生空心波瓣輻射特性的天線。

背景技術：

空心波束天線是指波瓣圖在徑向對稱，輻射增益最大方向與軸線成一定夾角的一類天線。這類天線輻射方向具有旋轉對稱、覆蓋角度寬、全向性等優勢，這種波瓣結構十分適合於防撞雷達、自動追蹤和遙感系統。尤其在引信系統中，運動過程中需要探測與其運動切線方向成一定角度空間範圍的目標。特別是對於本身運動過程中僅作微旋甚至不旋的載體。在上述環境中，經常採用空心波束天線。

在空心波束的實現上，現有文獻報導了空心波束天線的結構：

文獻1（J.-S.Row and M.-C.Chan,Reconfigurable Circularly-Polarized Patch Antenna With Conical Beam,IEEE Transactions on antenna and propagation,2010,58,(8):2753-2757）使用貼片天線結構實現空心波束，但是由于波束形狀及增益受輻射單元布陣影響，因此天線在輻射方向法向的尺寸難以控制，且布陣無法做到環形對稱，導致方向圖全向性效果不佳。

文獻2（S.-S.Qi,W.Wu,and D.-G.fang,Three sections circular waveguide aperture antenna with conical beam,IEEE Progress In Electromagnetics Research Letters,2011,22:147-154）使用圓波導高次模輻射，但是以同軸探針饋電限制了前端饋源設計，同時不同口徑圓波導間需要設計匹配段，駐波比由匹配段實際尺寸決定，因此此設計對加工精度的要求較高。

文獻3（一種基於圓波導TM0n模的毫米波錐狀波束天線，專利申請號CN201310328312.0）同樣使用圓波導高次模輻射，該專利是以螺釘深度調節匹配，結構較複雜，天線口介質缺乏支撐，在高過載環境下易發生形變，從而影響實際性能。

由上可知，現有的空心波束天線基於圓錐喇叭輻射，縮小了在輻射方向法向平面的佔用空間，直接以矩波導饋電，相對於同軸線饋電駐波比更優，以波導平滑過渡代替口徑不連續的匹配段設計，降低了對加工精度的要求，減少可分離部件數量並以喇叭內腔面支撐介質材料，從而提高整體結構強度。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於矩波導饋電的毫米波空心波束天線。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基於矩波導饋電的毫米波空心波束天線，包括矩形波導連接段、矩形-圓波導過渡段、同軸截止段、圓錐喇叭、金屬芯和錐形介質；

所述矩形波導連接段、矩形-圓波導過渡段、同軸截止段和圓錐喇叭依次連接，其中矩形波導連接段、矩形-圓波導過渡段和同軸截止段均為腔體結構，三者的中軸線相重合，圓錐喇叭的形狀為圓錐形，其中軸線與同軸截止段的中軸線重合；所述矩形波導連接段為矩波導，矩形-圓波導過渡段內腔的一個埠為矩形口另一個埠為圓形口，兩個埠之間以直線平滑過渡，同軸截止段為圓柱形腔體，圓錐喇叭內填充錐形介質，金屬芯位於空心波束天線的中軸線上並在矩形波導連接段內向矩波導寬邊呈九十度彎折，該彎折端固定在矩形波導連接段的內腔寬邊側壁中心。

優選的，金屬芯的端部與圓錐喇叭的天線口面平齊。

優選的，錐形介質嵌於圓錐喇叭內腔，中軸開有通孔，金屬芯位於通孔中。

優選的，介質的材料為聚四氟乙烯。

優選的，同軸截止段內腔的半徑b與金屬芯的半徑a滿足下式：

(a+b)π<λ

其中λ為導行波波長。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：1）本發明利用圓錐喇叭輻射代替了微帶陣列，縮小了在輻射方向法向平面的佔用空間。2）饋電口設計為與矩波導同型，矩波導相對於同軸線饋電反射係數更低。3）以波導平滑過渡代替口徑不連續的匹配段設計，降低了對加工精度的要求。4）本發明在整體結構上可分離部件數量少，並以喇叭內腔面支撐介質材料，從而提高整體結構強度。

下面結合說明書附圖對本發明做進一步描述。

附圖說明

圖1為本發明基於矩波導饋電的毫米波空心波束天線的機械結構圖。

圖2為天線內腔各段電場分布示意圖，其中圖(1)為矩形波導連接段內電場分布，圖（2）為同軸截止段內電場分布，圖（3）為天線口面電場分布。

圖3為天線仿真二維波瓣圖。

圖4為天線饋電口反射係數曲線。

具體實施方式

結合圖1，本發明的一種基於矩波導饋電的毫米波空心波束天線，包括矩形波導連接段1、矩形-圓波導過渡段2、同軸截止段3、圓錐喇叭4、金屬芯5和錐形介質6，

所述矩形波導連接段1、矩形-圓波導過渡段2、同軸截止段3和圓錐喇叭4依次連接，其中矩形波導連接段1、矩形-圓波導過渡段2和同軸截止段3均為腔體結構，三者的中軸線相重合，圓錐喇叭4的形狀為圓錐形，其中軸線與同軸截止段3的中軸線重合；所述矩形波導連接段1為矩波導，矩形-圓波導過渡段2內腔的一個埠為矩形口另一個埠為圓形口，兩個埠之間以直線平滑過渡，同軸截止段3為圓柱形腔體，圓錐喇叭4內填充錐形介質6，金屬芯5位於空心波束天線的中軸線上並在矩形波導連接段1內向矩波導寬邊呈九十度彎折，該彎折端固定在矩形波導連接段1的內腔寬邊側壁中心。

金屬芯5的端部與圓錐喇叭4的天線口面平齊。

錐形介質6嵌於圓錐喇叭4內腔，中軸開有通孔，金屬芯5位於通孔中。

介質6的材料為聚四氟乙烯。

同軸截止段3內腔的半徑b與金屬芯5的半徑a滿足下式：

(a+b)π<λ

其中λ為導行波波長。

下面進行更詳細的描述：

本發明的一種基於矩波導饋電的毫米波空心波束天線，包括矩形波導連接段、矩形-圓波導過渡段、同軸截止段、圓錐喇叭、金屬芯、錐形介質，矩形波導連接段一側可以由矩形波導饋電結構饋電，另一側與矩形-圓波導過渡段相連，此段結構用於導通矩形波導下的TE10模式導行波。矩形-圓波導過渡段一側埠為矩形埠與矩形波導連接段相連，中間以直線平滑過渡，另一側為圓形埠與同軸截止段相連，在無內插導體芯時等效於一個矩波導轉圓波導的模式轉換器，在插入導體芯後構成異形同軸波導結構。

同軸截止段為特定尺寸的同軸波導，一側與矩形-圓波導過渡段相連，另一側與圓錐喇叭相連，口徑與兩相鄰連接段相等，用於截止高次模，導通穩定的TEM模導行波。同軸截止段內腔的半徑b與金屬芯的半徑a，在單模傳輸條件由以下公式確定：

(a+b)π<λ

圓錐喇叭作為輻射口面，一側與同軸截止段直接相連，將接收到的TEM模式導行波，通過另一側的開方面輻射到自由空間。金屬芯位於空心波束天線的中軸線上並在矩形波導連接段內向矩波導寬邊呈九十度彎折，該彎折端固定在矩形波導連接段的內腔寬邊側壁中心，另一端與圓錐喇叭天線口面平齊。

錐形介質的材料選擇相對介電常數略大於空氣的電磁波可透射材料，以喇叭內腔尺寸做外輪廓，中軸打通與金屬芯半徑相等的通孔，供金屬芯貫穿插入。同時在喇叭口面構成介質-空氣邊界，可以增加波束增益最高點外傾角度。

整體結構可分為模式轉換部分和輻射部分，在模式轉換部分金屬芯一端於矩形波導連接段處彎折，插入內腔側壁並固定，與內插金屬芯共同構成導行波模式過渡結構，在同軸截止段與圓柱腔體共同構成同軸波導，內外半徑由截止波長確定。在輻射部分金屬芯另一端延伸至圓錐喇叭，與天線口面平齊；矩形波導連接段、矩形-圓波導過渡段、同軸截止段、圓錐喇叭四段一體製作成形，不需要螺絲等機械固定結構。

下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述。

實施例

結合圖1，一種基於矩波導饋電的毫米波空心波束天線，包括矩形波導連接段1、矩形-圓波導過渡段2、同軸截止段3、圓錐喇叭4、金屬芯5、錐形介質6。

通過矩形波導連接段1饋電，此處以中國國家標準BJ320標準波導（3.56mm*7.12mm）為例，長度1.6mm，饋電模式為矩形波導下的TE10模，其電場分布如圖2-(1)所示。

矩形波導下的TE10模經由矩形-圓波導過渡段2，長度10mm，將導行波傳輸入同軸截止段3；

矩形-圓波導過渡段2輸入的導行波經由同軸截止段3，a=0.5mm，b=1.7mm，長度2.5mm模式變換為穩定的TEM模，通過圓錐喇叭4輻射到自由空間，喇叭4長度為19mm，開放口面半徑為12mm，電場分布分別如圖2-(2)和2-(3)所示；

以聚四氟乙烯（相對介電常數2.1）的錐形介質6口面水平（曲率為0）為例，二維波瓣圖如圖3所示，可見其觀察角0°和90°處波瓣勻稱，達到全向性，最大增益點傾角達到

35°，符合空心波束特性。

通過適當增加矩形-圓波導過渡段2高度，保留錐形介質6下方錐角，都可以改變天線匹配程度，降低部分反射，使得反射係數得到優化，以35GHz工作頻率為例，其頻域曲線如圖4所示，反射係數低於-40dB，帶寬大於1GHz。

由上可知，此空心波束天線的波瓣圖在徑向對稱，輻射增益最大方向與軸線成一定夾角，具有環形對稱、覆蓋角度寬、全向性等優勢。在輻射方向法向僅佔用12mm半徑的圓形空間，總長度33.1mm。