一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线制造技术

本发明专利技术提供了一种基于矩波导馈电的空心波束天线，包括矩形波导连接段，可连接矩形波导馈电结构；矩形-圆波导过渡段，构成矩形波导和圆波导之间的几何过渡；同轴截止段，实现高次模截止与导行波模式转换；圆锥喇叭，用于将导行波辐射到自由空间；金属芯，用于与圆形腔体构成同轴结构；锥形介质，用于金属芯上端固定以及波束角度调整；本发明专利技术利用波导过渡结构和截止结构，将矩形波导的TE10模式导行波转化为同轴波导的TEM模式导行波，以TEM模式导行波对圆锥喇叭天线馈电，形成空心的波瓣方向辐射特性，结构简单易加工，实现了体积小型化、高过载承受力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及天线
，特别是一种基于矩波导馈电产生空心波瓣辐射特性的天线。
技术介绍
空心波束天线是指波瓣图在径向对称，辐射增益最大方向与轴线成一定夹角的一类天线。这类天线辐射方向具有旋转对称、覆盖角度宽、全向性等优势，这种波瓣结构十分适合于防撞雷达、自动追踪和遥感系统。尤其在引信系统中，运动过程中需要探测与其运动切线方向成一定角度空间范围的目标。特别是对于本身运动过程中仅作微旋甚至不旋的载体。在上述环境中，经常采用空心波束天线。在空心波束的实现上，现有文献报道了空心波束天线的结构：文献1（J.-S.RowandM.-C.Chan,ReconfigurableCircularly-PolarizedPatchAntennaWithConicalBeam,IEEETransactionsonantennaandpropagation,2010,58,(8):2753-2757）使用贴片天线结构实现空心波束，但是由于波束形状及增益受辐射单元布阵影响，因此天线在辐射方向法向的尺寸难以控制，且布阵无法做到环形对称，导致方向图全向性效果不佳。文献2（S.-S.Qi,W.Wu,andD.-G.fang,Threesectionscircularwaveguideapertureantennawithconicalbeam,IEEEProgressInElectromagneticsResearchLetters,2011,22:147-154）使用圆波导高次模辐射，但是以同轴探针馈电限制了前端馈源设计，同时不同口径圆波导间需要设计匹配段，驻波比由匹配段实际尺寸决定，因此此设计对加工精度的要求较高。文献3（一种基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线，专利申请号CN201310328312.0）同样使用圆波导高次模辐射，该专利是以螺钉深度调节匹配，结构较复杂，天线口介质缺乏支撑，在高过载环境下易发生形变，从而影响实际性能。由上可知，现有的空心波束天线基于圆锥喇叭辐射，缩小了在辐射方向法向平面的占用空间，直接以矩波导馈电，相对于同轴线馈电驻波比更优，以波导平滑过渡代替口径不连续的匹配段设计，降低了对加工精度的要求，减少可分离部件数量并以喇叭内腔面支撑介质材料，从而提高整体结构强度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，包括矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段、同轴截止段、圆锥喇叭、金属芯和锥形介质；所述矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段、同轴截止段和圆锥喇叭依次连接，其中矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段和同轴截止段均为腔体结构，三者的中轴线相重合，圆锥喇叭的形状为圆锥形，其中轴线与同轴截止段的中轴线重合；所述矩形波导连接段为矩波导，矩形-圆波导过渡段内腔的一个端口为矩形口另一个端口为圆形口，两个端口之间以直线平滑过渡，同轴截止段为圆柱形腔体，圆锥喇叭内填充锥形介质，金属芯位于空心波束天线的中轴线上并在矩形波导连接段内向矩波导宽边呈九十度弯折，该弯折端固定在矩形波导连接段的内腔宽边侧壁中心。优选的，金属芯的端部与圆锥喇叭的天线口面平齐。优选的，锥形介质嵌于圆锥喇叭内腔，中轴开有通孔，金属芯位于通孔中。优选的，介质的材料为聚四氟乙烯。优选的，同轴截止段内腔的半径b与金属芯的半径a满足下式：(a+b)π<λ其中λ为导行波波长。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1）本专利技术利用圆锥喇叭辐射代替了微带阵列，缩小了在辐射方向法向平面的占用空间。2）馈电口设计为与矩波导同型，矩波导相对于同轴线馈电反射系数更低。3）以波导平滑过渡代替口径不连续的匹配段设计，降低了对加工精度的要求。4）本专利技术在整体结构上可分离部件数量少，并以喇叭内腔面支撑介质材料，从而提高整体结构强度。下面结合说明书附图对本专利技术做进一步描述。附图说明图1为本专利技术基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线的机械结构图。图2为天线内腔各段电场分布示意图，其中图(1)为矩形波导连接段内电场分布，图（2）为同轴截止段内电场分布，图（3）为天线口面电场分布。图3为天线仿真二维波瓣图。图4为天线馈电口反射系数曲线。具体实施方式结合图1，本专利技术的一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，包括矩形波导连接段1、矩形-圆波导过渡段2、同轴截止段3、圆锥喇叭4、金属芯5和锥形介质6，所述矩形波导连接段1、矩形-圆波导过渡段2、同轴截止段3和圆锥喇叭4依次连接，其中矩形波导连接段1、矩形-圆波导过渡段2和同轴截止段3均为腔体结构，三者的中轴线相重合，圆锥喇叭4的形状为圆锥形，其中轴线与同轴截止段3的中轴线重合；所述矩形波导连接段1为矩波导，矩形-圆波导过渡段2内腔的一个端口为矩形口另一个端口为圆形口，两个端口之间以直线平滑过渡，同轴截止段3为圆柱形腔体，圆锥喇叭4内填充锥形介质6，金属芯5位于空心波束天线的中轴线上并在矩形波导连接段1内向矩波导宽边呈九十度弯折，该弯折端固定在矩形波导连接段1的内腔宽边侧壁中心。金属芯5的端部与圆锥喇叭4的天线口面平齐。锥形介质6嵌于圆锥喇叭4内腔，中轴开有通孔，金属芯5位于通孔中。介质6的材料为聚四氟乙烯。同轴截止段3内腔的半径b与金属芯5的半径a满足下式：(a+b)π<λ其中λ为导行波波长。下面进行更详细的描述：本专利技术的一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，包括矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段、同轴截止段、圆锥喇叭、金属芯、锥形介质，矩形波导连接段一侧可以由矩形波导馈电结构馈电，另一侧与矩形-圆波导过渡段相连，此段结构用于导通矩形波导下的TE10模式导行波。矩形-圆波导过渡段一侧端口为矩形端口与矩形波导连接段相连，中间以直线平滑过渡，另一侧为圆形端口与同轴截止段相连，在无内插导体芯时等效于一个矩波导转圆波导的模式转换器，在插入导体芯后构成异形同轴波导结构。同轴截止段为特定尺寸的同轴波导，一侧与矩形-圆波导过渡段相连，另一侧与圆锥喇叭相连，口径与两相邻连接段相等，用于截止高次模，导通稳定的TEM模导行波。同轴截止段内腔的半径b与金属芯的半径a，在单模传输条件由以下公式确定：(a+b)π<λ圆锥喇叭作为辐射口面，一侧与同轴截止段直接相连，将接收到的TEM模式导行波，通过另一侧的开方面辐射到自由空间。金属芯位于空心波束天线的中轴线上并在矩形波导连接段内向矩波导宽边呈九十度弯折，该弯折端固定在矩形波导连接段的内腔宽边侧壁中心，另一端与圆锥喇叭天线口面平齐。锥形介质的材料选择相对介电常数略大于空气的电磁波可透射材料，以喇叭内腔尺寸做外轮廓，中轴打通与金属芯半径相等的通孔，供金属芯贯穿插入。同时在喇叭口面构成介质-空气边界，可以增加波束增益最高点外倾角度。整体结构可分为模式转换部分和辐射部分，在模式转换部分金属芯一端于矩形波导连接段处弯折，插入内腔侧壁并固定，与内插金属芯共同构成导行波模式过渡结构，在同轴截止段与圆柱腔体共同构成同轴波导，内外半径由截止波长确定。在辐射部分金属芯另一端延伸至圆锥喇叭，与天线口面平齐；矩形波导连接段、矩形-圆波导过渡段、同轴截止段、圆锥喇叭四段一体制作成形，不需要螺丝等机械固定结构。下面结合实施例对本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，其特征在于，包括矩形波导连接段[1]、矩形‑圆波导过渡段[2]、同轴截止段[3]、圆锥喇叭[4]、金属芯[5]和锥形介质[6]，所述矩形波导连接段[1]、矩形‑圆波导过渡段[2]、同轴截止段[3]和圆锥喇叭[4]依次连接，其中矩形波导连接段[1]、矩形‑圆波导过渡段[2]和同轴截止段[3]均为腔体结构，三者的中轴线相重合，圆锥喇叭[4]的形状为圆锥形，其中轴线与同轴截止段[3]的中轴线重合；所述矩形波导连接段[1]为矩波导，矩形‑圆波导过渡段[2]内腔的一个端口为矩形口另一个端口为圆形口，两个端口之间以直线平滑过渡，同轴截止段[3]为圆柱形腔体，圆锥喇叭[4]内填充锥形介质[6]，金属芯[5]位于空心波束天线的中轴线上并在矩形波导连接段[1]内向矩波导宽边呈九十度弯折，该弯折端固定在矩形波导连接段[1]的内腔宽边侧壁中心。

【技术特征摘要】
1.一种基于矩波导馈电的毫米波空心波束天线，其特征在于，包括矩形波导连接段[1]、矩形-圆波导过渡段[2]、同轴截止段[3]、圆锥喇叭[4]、金属芯[5]和锥形介质[6]，所述矩形波导连接段[1]、矩形-圆波导过渡段[2]、同轴截止段[3]和圆锥喇叭[4]依次连接，其中矩形波导连接段[1]、矩形-圆波导过渡段[2]和同轴截止段[3]均为腔体结构，三者的中轴线相重合，圆锥喇叭[4]的形状为圆锥形，其中轴线与同轴截止段[3]的中轴线重合；所述矩形波导连接段[1]为矩波导，矩形-圆波导过渡段[2]内腔的一个端口为矩形口另一个端口为圆形口，两个端口之间以直线平滑过渡，同轴截止段[3]为圆柱形腔体，圆锥喇叭[4]内填充锥形介质[6]，金属芯[5]位于空心波束天线的中...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖泽龙，王亚涛，许建中，高雯，逯暄，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32