本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于矩波導(dǎo)饋電產(chǎn)生空心波瓣輻射特性的天線。

背景技術(shù)：

空心波束天線是指波瓣圖在徑向?qū)ΨQ，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(zhuǎn)對(duì)稱、覆蓋角度寬、全向性等優(yōu)勢(shì)，這種波瓣結(jié)構(gòu)十分適合于防撞雷達(dá)、自動(dòng)追蹤和遙感系統(tǒng)。尤其在引信系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)過程中需要探測(cè)與其運(yùn)動(dòng)切線方向成一定角度空間范圍的目標(biāo)。特別是對(duì)于本身運(yùn)動(dòng)過程中僅作微旋甚至不旋的載體。在上述環(huán)境中，經(jīng)常采用空心波束天線。

在空心波束的實(shí)現(xiàn)上，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道了空心波束天線的結(jié)構(gòu)：

文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(huán)形對(duì)稱，導(dǎo)致方向圖全向性效果不佳。

文獻(xiàn)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(dǎo)高次模輻射，但是以同軸探針饋電限制了前端饋源設(shè)計(jì)，同時(shí)不同口徑圓波導(dǎo)間需要設(shè)計(jì)匹配段，駐波比由匹配段實(shí)際尺寸決定，因此此設(shè)計(jì)對(duì)加工精度的要求較高。

文獻(xiàn)3（一種基于圓波導(dǎo)TM0n模的毫米波錐狀波束天線，專利申請(qǐng)?zhí)朇N201310328312.0）同樣使用圓波導(dǎo)高次模輻射，該專利是以螺釘深度調(diào)節(jié)匹配，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，天線口介質(zhì)缺乏支撐，在高過載環(huán)境下易發(fā)生形變，從而影響實(shí)際性能。

由上可知，現(xiàn)有的空心波束天線基于圓錐喇叭輻射，縮小了在輻射方向法向平面的占用空間，直接以矩波導(dǎo)饋電，相對(duì)于同軸線饋電駐波比更優(yōu)，以波導(dǎo)平滑過渡代替口徑不連續(xù)的匹配段設(shè)計(jì)，降低了對(duì)加工精度的要求，減少可分離部件數(shù)量并以喇叭內(nèi)腔面支撐介質(zhì)材料，從而提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于矩波導(dǎo)饋電的毫米波空心波束天線。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于矩波導(dǎo)饋電的毫米波空心波束天線，包括矩形波導(dǎo)連接段、矩形-圓波導(dǎo)過渡段、同軸截止段、圓錐喇叭、金屬芯和錐形介質(zhì)；

所述矩形波導(dǎo)連接段、矩形-圓波導(dǎo)過渡段、同軸截止段和圓錐喇叭依次連接，其中矩形波導(dǎo)連接段、矩形-圓波導(dǎo)過渡段和同軸截止段均為腔體結(jié)構(gòu)，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(dǎo)連接段為矩波導(dǎo)，矩形-圓波導(dǎo)過渡段內(nèi)腔的一個(gè)端口為矩形口另一個(gè)端口為圓形口，兩個(gè)端口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(nèi)填充錐形介質(zhì)，金屬芯位于空心波束天線的中軸線上并在矩形波導(dǎo)連接段內(nèi)向矩波導(dǎo)寬邊呈九十度彎折，該彎折端固定在矩形波導(dǎo)連接段的內(nèi)腔寬邊側(cè)壁中心。

優(yōu)選的，金屬芯的端部與圓錐喇叭的天線口面平齊。

優(yōu)選的，錐形介質(zhì)嵌于圓錐喇叭內(nèi)腔，中軸開有通孔，金屬芯位于通孔中。

優(yōu)選的，介質(zhì)的材料為聚四氟乙烯。

優(yōu)選的，同軸截止段內(nèi)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(dǎo)行波波長(zhǎng)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）本發(fā)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占用空間。2）饋電口設(shè)計(jì)為與矩波導(dǎo)同型，矩波導(dǎo)相對(duì)于同軸線饋電反射系數(shù)更低。3）以波導(dǎo)平滑過渡代替口徑不連續(xù)的匹配段設(shè)計(jì)，降低了對(duì)加工精度的要求。4）本發(fā)明在整體結(jié)構(gòu)上可分離部件數(shù)量少，并以喇叭內(nèi)腔面支撐介質(zhì)材料，從而提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于矩波導(dǎo)饋電的毫米波空心波束天線的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

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

圖3為天線仿真二維波瓣圖。

圖4為天線饋電口反射系數(shù)曲線。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種基于矩波導(dǎo)饋電的毫米波空心波束天線，包括矩形波導(dǎo)連接段1、矩形-圓波導(dǎo)過渡段2、同軸截止段3、圓錐喇叭4、金屬芯5和錐形介質(zhì)6，

所述矩形波導(dǎo)連接段1、矩形-圓波導(dǎo)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(dǎo)連接段1、矩形-圓波導(dǎo)過渡段2和同軸截止段3均為腔體結(jié)構(gòu)，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(dǎo)連接段1為矩波導(dǎo)，矩形-圓波導(dǎo)過渡段2內(nèi)腔的一個(gè)端口為矩形口另一個(gè)端口為圓形口，兩個(gè)端口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(nèi)填充錐形介質(zhì)6，金屬芯5位于空心波束天線的中軸線上并在矩形波導(dǎo)連接段1內(nèi)向矩波導(dǎo)寬邊呈九十度彎折，該彎折端固定在矩形波導(dǎo)連接段1的內(nèi)腔寬邊側(cè)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(zhì)6嵌于圓錐喇叭4內(nèi)腔，中軸開有通孔，金屬芯5位于通孔中。

介質(zhì)6的材料為聚四氟乙烯。

同軸截止段3內(nèi)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(dǎo)行波波長(zhǎng)。

下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述：

本發(fā)明的一種基于矩波導(dǎo)饋電的毫米波空心波束天線，包括矩形波導(dǎo)連接段、矩形-圓波導(dǎo)過渡段、同軸截止段、圓錐喇叭、金屬芯、錐形介質(zhì)，矩形波導(dǎo)連接段一側(cè)可以由矩形波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)饋電，另一側(cè)與矩形-圓波導(dǎo)過渡段相連，此段結(jié)構(gòu)用于導(dǎo)通矩形波導(dǎo)下的TE₁₀模式導(dǎo)行波。矩形-圓波導(dǎo)過渡段一側(cè)端口為矩形端口與矩形波導(dǎo)連接段相連，中間以直線平滑過渡，另一側(cè)為圓形端口與同軸截止段相連，在無內(nèi)插導(dǎo)體芯時(shí)等效于一個(gè)矩波導(dǎo)轉(zhuǎn)圓波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換器，在插入導(dǎo)體芯后構(gòu)成異形同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

同軸截止段為特定尺寸的同軸波導(dǎo)，一側(cè)與矩形-圓波導(dǎo)過渡段相連，另一側(cè)與圓錐喇叭相連，口徑與兩相鄰連接段相等，用于截止高次模，導(dǎo)通穩(wěn)定的TEM模導(dǎo)行波。同軸截止段內(nèi)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(cè)與同軸截止段直接相連，將接收到的TEM模式導(dǎo)行波，通過另一側(cè)的開方面輻射到自由空間。金屬芯位于空心波束天線的中軸線上并在矩形波導(dǎo)連接段內(nèi)向矩波導(dǎo)寬邊呈九十度彎折，該彎折端固定在矩形波導(dǎo)連接段的內(nèi)腔寬邊側(cè)壁中心，另一端與圓錐喇叭天線口面平齊。

錐形介質(zhì)的材料選擇相對(duì)介電常數(shù)略大于空氣的電磁波可透射材料，以喇叭內(nèi)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(shí)在喇叭口面構(gòu)成介質(zhì)-空氣邊界，可以增加波束增益最高點(diǎn)外傾角度。

整體結(jié)構(gòu)可分為模式轉(zhuǎn)換部分和輻射部分，在模式轉(zhuǎn)換部分金屬芯一端于矩形波導(dǎo)連接段處彎折，插入內(nèi)腔側(cè)壁并固定，與內(nèi)插金屬芯共同構(gòu)成導(dǎo)行波模式過渡結(jié)構(gòu)，在同軸截止段與圓柱腔體共同構(gòu)成同軸波導(dǎo)，內(nèi)外半徑由截止波長(zhǎng)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(dǎo)連接段、矩形-圓波導(dǎo)過渡段、同軸截止段、圓錐喇叭四段一體制作成形，不需要螺絲等機(jī)械固定結(jié)構(gòu)。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

實(shí)施例

結(jié)合圖1，一種基于矩波導(dǎo)饋電的毫米波空心波束天線，包括矩形波導(dǎo)連接段1、矩形-圓波導(dǎo)過渡段2、同軸截止段3、圓錐喇叭4、金屬芯5、錐形介質(zhì)6。

通過矩形波導(dǎo)連接段1饋電，此處以中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)BJ320標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)（3.56mm*7.12mm）為例，長(zhǎng)度1.6mm，饋電模式為矩形波導(dǎo)下的TE10模，其電場(chǎng)分布如圖2-(1)所示。

矩形波導(dǎo)下的TE10模經(jīng)由矩形-圓波導(dǎo)過渡段2，長(zhǎng)度10mm，將導(dǎo)行波傳輸入同軸截止段3；

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

以聚四氟乙烯（相對(duì)介電常數(shù)2.1）的錐形介質(zhì)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(dá)到全向性，最大增益點(diǎn)傾角達(dá)到

35°，符合空心波束特性。

通過適當(dāng)增加矩形-圓波導(dǎo)過渡段2高度，保留錐形介質(zhì)6下方錐角，都可以改變天線匹配程度，降低部分反射，使得反射系數(shù)得到優(yōu)化，以35GHz工作頻率為例，其頻域曲線如圖4所示，反射系數(shù)低于-40dB，帶寬大于1GHz。

由上可知，此空心波束天線的波瓣圖在徑向?qū)ΨQ，輻射增益最大方向與軸線成一定夾角，具有環(huán)形對(duì)稱、覆蓋角度寬、全向性等優(yōu)勢(shì)。在輻射方向法向僅占用12mm半徑的圓形空間，總長(zhǎng)度33.1mm。