圆极化高指向周期刻槽平板天线制造技术

本发明专利技术公开了一种圆极化高指向周期刻槽平板天线。在圆柱金属波导同一截面侧壁分别插入一个相互垂直的线极化探针馈源，构成相位相差90度的两个圆柱波导TE11模式；其一端封闭，作为反射面，另一端作为出射端口；在与圆柱金属波导的出射端口外圆柱面上相连半径数倍于波长大小的、圆形的二维周期刻槽金属平板，二维周期刻槽金属平板向外的侧面上刻有同轴分布、等间距的环状金属凹槽，将圆柱金属波导出射端的圆极化电磁波导出到整个二维周期刻槽金属平板上，形成同相谐振，完成圆柱金属波导到自由空间的阻抗匹配，实现高指向圆极化辐射。本发明专利技术波束指向性好，辐射效率高，具有良好的圆极化特性，剖面低，固化在搭载物表面时不影响其流体设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高指向周期刻槽平板天线，尤其是涉及一种利用圆柱金属波导馈源的 圆极化高指向周期刻槽平板天线。
技术介绍
周期刻槽平板天线的辐射结构由刻有周期环状凹槽的圆形金属平板组成。周期刻 槽平板天线具有很好的波束方向性，且具有极低的剖面，因而在高指向天线领域获得了广 泛的研究与应用。周期刻槽平板天线的辐射结构设计来源于基于表面等离子体原理的双面刻有周 期环状凹槽、中心为亚波长小孔的金属平板对空间波束的透过增强效应研究。研究发现该 结构不仅可以对特定频率的入射波产生透射增强，还可以产生良好的波束准直效应形成高 指向出射。前者主要在于入射面的周期环状凹槽结构将能量耦合到小孔中产生透射增强效 应，使出射能量远大于单一小孔结构的理论衍射能量，后者则是由于出射面的周期环状凹 槽结构散射的表面波与小孔中的波同相位干涉相长。通过进一步研究，利用矩形波导作为馈源代替空间波源，并利用单面刻有周期环 状凹槽、中心为亚波长缝隙的金属平板作为波导的出射端，设计出了线极化的高指向周期 刻槽平板天线。由于实际应用中尤其是通讯领域里常需用到圆极化的高指向天线，因而有必要改 变以往利用矩形波导作为周期刻槽平板天线馈源的方式，提出新的可供圆极化应用的高指 向天线。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种圆极化高指向周期刻槽平板天线。通过圆柱金属波导 激励圆极化波，采用在与波导出射端口相连周期刻槽金属平板辐射结构，将波导出射端的 圆极化电磁波导出到整个刻槽金属面上，形成同相谐振，完成波导到自由空间的阻抗匹配， 实现高指向圆极化辐射。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是在圆柱金属波导同一截面侧壁分别插入一个相互垂直的线极化探针馈源，构成激励出 相互垂直且相位相差90度的两个圆柱波导TEll模式；圆柱金属波导的一端封闭，作为反射 面，另一端作为出射端口 ；在与圆柱金属波导的出射端口外圆柱面上相连半径数倍于波长 大小的、圆形的二维周期刻槽金属平板，二维周期刻槽金属平板向外的侧面上刻有同轴分 布、等间距的环状金属凹槽，将圆柱金属波导出射端的圆极化电磁波导出到整个二维周期 刻槽金属平板上，形成同相谐振，完成圆柱金属波导到自由空间的阻抗匹配，实现高指向圆 极化辐射；构成圆极化高指向周期刻槽平板天线。所述的半径数倍于波长大小的、圆形的二维周期刻槽金属平板，其倍数为 (51°飞6°)/所需的天线半功率波束宽度。3所述的环状金属凹槽，其凹槽宽度为2/3波长，凹槽深度为1/5波长，相邻凹槽的 间隔为1/4波长。本专利技术具有的有益的效果是该天线波束指向性好，采用全金属结构，无介质损耗，总体损耗小，辐射效率高，可应用 于IGHz至IOOGHz波段。具有良好的圆极化特性，且可根据需要调整探针馈源相位差实现 任意极化输出。辐射端为二维周期刻槽平板结构，剖面低，固化在搭载物表面时可不影响其 流体设计，且结构简单、牢固，便于加工、不易损坏。附图说明图1是本专利技术的结构示意图。图2是图1的A-A剖面图。图3是图1的B向向视图。图4是χ向探针馈源激励的TEll模式。图5是y向探针馈源激励的TEll模式。图6是周期刻槽金属平板结构的表面等离子体工作原理图。图中1、圆柱金属波导，2、线极化探针馈源，3、二维周期刻槽金属平板，4、圆柱金 属波导反射面，5、同轴分布、等间距的环状金属凹槽。具体实施例方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1、图2、图3所示，本专利技术在圆柱金属波导1同一截面侧壁分别插入一个相互 垂直的线极化探针馈源2，构成激励出相互垂直且相位相差90度的两个圆柱波导TEll模 式；圆柱金属波导1的一端封闭，作为反射面，另一端作为出射端口 ；在与圆柱金属波导1 的出射端口外圆柱面上相连半径数倍于波长大小的、圆形的二维周期刻槽金属平板3，二维 周期刻槽金属平板3向外的侧面上刻有同轴分布、等间距的环状金属凹槽5，将圆柱金属波 导1出射端的圆极化电磁波导出到整个二维周期刻槽金属平板3上，形成同相谐振，完成圆 柱金属波导1到自由空间的阻抗匹配，实现高指向圆极化辐射；构成圆极化高指向周期刻 槽平板天线。所述的半径数倍于波长大小的、圆形的二维周期刻槽金属平板3，其倍数为 (51°飞6°)/所需的天线半功率波束宽度。所述的环状金属凹槽5，其凹槽宽度为2/3波长，凹槽深度为1/5波长，相邻凹槽的 间隔为1/4波长。为了制造这种圆极化的高指向周期刻槽平板天线，采用圆柱金属波导作为天线辐 射结构馈源，波导内径为2/3波长。通过在圆柱金属波导同一截面侧壁插入的相互垂直的 两个线极化探针馈源，激励出相互垂直且相位相差90度的两个圆柱波导TEll模式，实现电 磁波在波导中成圆极化传播；波导一端封闭，作为反射面，另一端作为出射端口。该圆柱金属波导激励的两个圆柱波导TEll模式在横截面内的电磁场分布如图4、 图5所示。电场的主要极化方向与探针的方向相同。通过在两探针馈源上加入相位相差90 度的激励信号，可在圆柱金属波导中激励出圆极化波。通过在圆柱金属波导出射端添加匹配端口，优化馈源探针长度及其与圆柱金属波 导反射面和出射端口的距离，得到最佳的S参数。优化后各部分的尺寸为波导探针长1/5 波长，探针插入面距波导反射面1/3波长，距波导出射端口 1波长。在与波导出射端口相连的半径数倍于波长大小的圆形金属平板上刻同轴分布、等 间距的环状金属凹槽，将波导出射端的圆极化电磁波导出到整个刻槽金属平板上，形成同 相谐振，完成波导到自由空间的阻抗匹配，实现高指向圆极化辐射。周期刻槽金属平板结构的表面等离子体工作原理如图6所示。电磁波由周期刻槽 金属平板结构中心的圆柱金属波导出射端口馈入，并发生衍射，部分能量散射到自由空间， 部分能量转化为表面波在周期刻槽金属平板结构表面传播。表面波沿金属表面传播至金属 凹槽时部分反射、部分透射，其余部分散射到自由空间。通过控制周期刻槽金属平板结构的 尺寸，使各凹槽实现同相散射，叠加后即可实现波束高指向辐射。固定上述优化完成的圆柱金属波导结构，优化周期刻槽金属平板结构中的凹槽宽 度、深度和凹槽间隔，得到最佳的S参数。优化后各部分的尺寸为凹槽宽度为2/3波长，凹 槽深度为1/5波长，凹槽间隔为1/4波长。圆形周期刻槽金属平板的直径数倍于波长，直径大小可根据天线高指向特性的需 要进行调整，该圆极化高指向周期刻槽平板天线的主瓣宽度与圆形周期刻槽金属平板的直 径成反比，直径越大，天线的指向性越好。该圆极化高指向周期刻槽平板天线可应用于IGHz至IOOGHz波段，各部分尺寸根 据工作波长不同而等比例缩放，并通过细微调整即可完成设计。工作在5GHz时，该天线 优化后的各部分结构尺寸为波导内径40mm，波导探针长12mm，探针插入面距波导反射面 22mm，距波导出射端口 60mm，凹槽宽度38mm，凹槽深度12mm，凹槽间隔15mm。当工作在5GHz的圆极化高指向周期刻槽平板天线的圆形周期刻槽金属平板上共 有4个同心环状金属凹槽时，圆形周期刻槽金属平板的直径为494mm。此时天线的辐射效 率为0.9127，总效率为0.8257，方向性为17. 74dBi，相位中心为(-0. 1732mm, 0. 1466mm)与 圆形周期刻槽金属平板的中心基本重合，x-z平面波束宽度9. 4度本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．　一种圆极化高指向周期刻槽平板天线，其特征在于：在圆柱金属波导（１）同一截面侧壁分别插入一个相互垂直的线极化探针馈源（２），构成激励出相互垂直且相位相差９０度的两个圆柱波导ＴＥ１１模式；圆柱金属波导（１）的一端封闭，作为反射面，另一端作为出射端口；在与圆柱金属波导（１）的出射端口外圆柱面上相连半径数倍于波长大小的、圆形的二维周期刻槽金属平板（３），二维周期刻槽金属平板（３）向外的侧面上刻有同轴分布、等间距的环状金属凹槽（５），将圆柱金属波导（１）出射端的圆极化电磁波导出到整个二维周期刻槽金属平板（３）上，形成同相谐振，完成圆柱金属波导（１）到自由空间的阻抗匹配，实现高指向圆极化辐射；构成圆极化高指向周期刻槽平板天线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王志宇，吕波，皇甫江涛，冉立新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86