一種圓極化波導(dǎo)縫隙天線及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天線及其設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種圓極化波導(dǎo)縫隙天線及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來(lái)，隨著衛(wèi)星通訊的廣泛應(yīng)用，接收衛(wèi)星廣播通訊的天線系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，諸如用于直播衛(wèi)星(DBS)通訊系統(tǒng)，需要低輪廓、高效率的天線系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的G/T值(G為天線系統(tǒng)的增益;T為天線系統(tǒng)的噪聲溫度)，來(lái)增加天線與衛(wèi)星通訊的數(shù)據(jù)率；并且，天線的有效孔徑受天線掃描體積的限制，對(duì)于給定的掃描體積，低輪廓天線可以得到最大的系統(tǒng)增益，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的G/T值。
[0003]波導(dǎo)縫隙天線陣由于其高效、易于幅相控制、加工簡(jiǎn)單等因素得以大量應(yīng)用，特別是雷達(dá)系統(tǒng)。波導(dǎo)縫隙天線陣有行波陣和駐波陣(諧振陣)兩種，波導(dǎo)行波陣帶寬較寬、有頻掃特性，但其效率較低，適合做大型平面陣列;駐波陣效率高、帶寬較窄，適合做小型平面陣列。
[0004]對(duì)于接收衛(wèi)星直播通訊的天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般安裝在飛機(jī)上或汽車頂部，因此這些天線系統(tǒng)都具有很好的機(jī)動(dòng)性，從而對(duì)于這些天線的要求也就比較高，比如:小型化、低輪廓、低損耗、高增益等。為了減少天線系統(tǒng)的高度，天線一般設(shè)計(jì)為平面陣列天線，因此波導(dǎo)縫隙天線陣得到了很好的應(yīng)用。
[0005]商業(yè)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)中，衛(wèi)星接收和發(fā)射的信號(hào)都是圓極化波，這樣無(wú)論雷達(dá)和衛(wèi)星成什么夾角，都不會(huì)引起交叉極化分量。也就是說(shuō)衛(wèi)星接收和發(fā)射圓極化波，不會(huì)引起極化的失配從而引起數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实慕档汀?br>[0006]美國(guó)現(xiàn)有矩形波導(dǎo)寬邊中心開(kāi)“X”縫隙的漏波天線和低損耗低輪廓雙極化波導(dǎo)月牙縫隙天線陣，但這兩種圓極化天線都是波導(dǎo)行波天線，存在工作寬帶內(nèi)波束指向色散、效率低等問(wèn)題。
[0007]現(xiàn)有的脊波導(dǎo)寬邊橫向直縫隙天線(張洪濤，汪偉，齊美清，專利號(hào)2 O I 11 O 3 5 6 6 I 6.9 )、脊波導(dǎo)傾斜縫隙對(duì)天線(汪偉，張洪濤，齊美清等，專利號(hào):2 O O 9 I O I 8 4 9 6 2.6 )、寬帶雙L形波導(dǎo)窄邊縫隙天線陣(汪偉，金劍等，專利號(hào):200720042499.8 )和一種寬帶單脊波導(dǎo)寬邊縱縫駐波天線(金劍，汪偉等，專利號(hào):200620169079.1)中，各天線均為脊波導(dǎo)單線極化天線。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)中還有一種圓極化波導(dǎo)駐波天線(張洪濤，汪偉，專利號(hào):200910185457.3)，其包含了饋電波導(dǎo)和開(kāi)口波導(dǎo)兩層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，天線厚度較厚，并且圓極化帶寬較窄。
[0009]現(xiàn)有技術(shù)中還有一種圓極化天線(汪偉，齊美清，張洪濤等，專利號(hào):201310454644.3)，其采用單脊波導(dǎo)中開(kāi)設(shè)兩種輻射縫隙:傾斜縫隙對(duì)和縱向直縫隙，從而形成圓極化天線，但是這種圓極化天線由于受現(xiàn)實(shí)加工工藝的限制，該種圓極化天線在毫米波段很難加工實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)中的天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、且工作效率較低，無(wú)法滿足日益發(fā)展的軍事化要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在提供一種具有良好的寬頻帶特征，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于單獨(dú)組成大型平面陣的圓極化波導(dǎo)縫隙天線及其設(shè)計(jì)方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、且工作效率較低，無(wú)法滿足日益發(fā)展的通信和雷達(dá)系統(tǒng)需求的問(wèn)題。
[0011]本發(fā)明的解決方案是:一種圓極化波導(dǎo)縫隙天線，其包括金屬波導(dǎo)管，金屬波導(dǎo)管的管壁上開(kāi)設(shè)有若干縱向直縫隙、和若干縱向直縫隙相對(duì)應(yīng)且均為對(duì)稱傾斜縫隙的若干成對(duì)的橫向直縫隙；若干縱向直縫隙相互平行且沿平行于金屬波導(dǎo)管的延伸方向設(shè)置，若干成對(duì)的橫向直縫隙相互平行且沿垂直于金屬波導(dǎo)管的延伸方向設(shè)置;金屬波導(dǎo)管為中空金屬波導(dǎo)管，且在沿金屬波導(dǎo)管延伸方向的同一側(cè)面上設(shè)有平行的兩排靠背波導(dǎo)壁，同排上的靠背波導(dǎo)壁間隔設(shè)置;每個(gè)靠背波導(dǎo)壁上開(kāi)設(shè)有一對(duì)橫向直縫隙，每對(duì)橫向直縫隙切割入靠背波導(dǎo)壁兩側(cè)的波導(dǎo)壁;在同排的靠背波導(dǎo)壁上，相鄰兩個(gè)靠背波導(dǎo)壁之間開(kāi)設(shè)有一個(gè)縱向直縫隙，兩排縱向直縫隙偏離金屬波導(dǎo)管的中心線；同排上的縱向直縫隙與成對(duì)的橫向直縫隙間隔設(shè)置，兩排之間的縱向直縫隙與成對(duì)的橫向直縫隙也間隔設(shè)置;兩排縱向直縫隙的中心和相應(yīng)一對(duì)的橫向直縫隙的中心處于金屬波導(dǎo)管呈“L”的形同一橫截面內(nèi)。
[0012]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，兩排靠背波導(dǎo)壁之間也交錯(cuò)設(shè)置，使在具有靠背波導(dǎo)壁的位置，金屬波導(dǎo)管的橫截面呈“L”形。
[0013]進(jìn)一步地，金屬波導(dǎo)管滿足以下條件:
[0014]金屬波導(dǎo)管的底面波導(dǎo)壁的寬度(a)小于0.7波長(zhǎng)；
[0015]靠背波導(dǎo)壁的寬度(b)小于0.35波長(zhǎng)；
[0016]金屬波導(dǎo)管的底面波導(dǎo)壁的高度(ah)小于0.5波長(zhǎng)；
[0017]靠背波導(dǎo)壁的高度(bh)為0.25波長(zhǎng)。
[0018]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，金屬波導(dǎo)管的一端為天線輸入口，另一端設(shè)置為封閉短路或接匹配負(fù)載。
[0019]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，金屬波導(dǎo)管上的若干縱向直縫隙等間距設(shè)置，若干成對(duì)的橫向直縫隙等間距設(shè)置，且相鄰兩對(duì)橫向直縫隙的間隔長(zhǎng)度與相鄰兩個(gè)縱向直縫隙的間隔長(zhǎng)度相同。
[0020]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，金屬波導(dǎo)管的材料為金屬材料，或?yàn)楸砻驽兘饘俚膹?fù)合材料。
[0021]本發(fā)明還提供一種圓極化波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計(jì)方法，用于設(shè)計(jì)上述任意圓極化波導(dǎo)縫隙天線，其包括以下步驟:
[0022]根據(jù)頻率范圍、結(jié)構(gòu)限制的空間范圍和最低頻率下的主模傳輸要求確定金屬波導(dǎo)管的截面尺寸；
[0023]根據(jù)截面尺寸確定金屬波導(dǎo)管上縱向直縫隙和橫向直縫隙的設(shè)置參數(shù)；
[0024]根據(jù)所述截面尺寸和所述設(shè)置參數(shù)制造圓極化波導(dǎo)縫隙天線。
[0025]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，根據(jù)頻率范圍、結(jié)構(gòu)限制的空間范圍和最低頻率下的主模傳輸要求確定金屬波導(dǎo)管的截面尺寸包括:
[0026]金屬波導(dǎo)管的底面波導(dǎo)壁的寬度(a)小于0.7波長(zhǎng)；
[0027]靠背波導(dǎo)壁的寬度(b)小于0.35波長(zhǎng)；
[0028]金屬波導(dǎo)管的底面波導(dǎo)壁的高度(ah)小于0.5波長(zhǎng)；
[0029]靠背波導(dǎo)壁的高度(bh)為0.25波長(zhǎng)。
[0030]進(jìn)一步地，根據(jù)截面尺寸確定金屬波導(dǎo)管上縱向直縫隙的設(shè)置參數(shù)包括:
[0031]縱向直縫隙的長(zhǎng)度Ls由下式確定:Ls = 0.45λ0;
[0032]縱向直縫隙的寬度Ws由下式確定:0.Uh K 0.125λ0。
[0033]進(jìn)一步地，根據(jù)截面尺寸確定金屬波導(dǎo)管上橫向直縫隙的設(shè)置參數(shù)包括:
[0034]在對(duì)稱傾斜縫隙中:L2 < bh，LI =b+2*t，縫隙尺寸總長(zhǎng)度Ll+L2*2為0.45λ0，其中，位于上L形波導(dǎo)靠背波導(dǎo)壁頂面上的縫隙長(zhǎng)度為L(zhǎng)I，位于L形波導(dǎo)靠背波導(dǎo)壁兩側(cè)金屬壁的長(zhǎng)為L(zhǎng)2。
[0035]本發(fā)明在金屬波導(dǎo)管上設(shè)置了縱向直縫隙和橫向直縫隙，通過(guò)在L形中空的金屬波導(dǎo)管上設(shè)置縱向直縫隙和橫向直縫隙，構(gòu)造了具備優(yōu)點(diǎn)的圓極化波導(dǎo)縫隙天線，該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且工作效率較高，解決了現(xiàn)有技術(shù)中天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、且工作效率較低，無(wú)法滿足日益發(fā)展的通信和雷達(dá)系統(tǒng)需求的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1為本發(fā)明圓極化波導(dǎo)縫隙天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2為圖1中圓極化波導(dǎo)縫隙天線的“L”形波導(dǎo)管橫截面圖；
[0038]圖3為圖1中圓極化波導(dǎo)縫隙天線的俯視圖；
[0039]圖4為圖3中圓極化波導(dǎo)縫隙天線沿剖線A-A的剖視圖；
[0040]圖5為圖3中圓極化波導(dǎo)縫隙天線沿剖線B-B的剖視圖；
[0041]圖6為本發(fā)明四個(gè)單元天線的