本發(fā)明屬于毫米波天線設計和制造的技術領域，特別涉及一種寬帶、高效率、雙圓極化毫米波平板波導陣列天線。

背景技術：

雙極化天線在頻分復用系統(tǒng)中被廣泛使用，而圓極化天線則具有抗多徑，極化匹配容易等特點，因此在新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中(如Ka頻段衛(wèi)星通信)，雙圓極化的工作方式被廣泛使用；在毫米波頻率上，大氣衰減嚴重，因此需要使用高增益天線來保證有效作用距離，陣列合成是實現(xiàn)高增益的一個重要途徑；基于上述原因，高性能的雙圓極化陣列天線是目前天線研究領域的一個熱點，具有重要的應用價值。

目前，僅有少量的雙圓極化陣列天線被公開發(fā)表，而且存在工作頻率較低、天線效率不高的問題。文獻“A.Garcia-Aguilar,J.M.Inclan-Alonso,L.Vigil-Herrero,J.M.Fernandez-Gonzalez,and M.Sierra-Perez,“Low-profile dual circularly polarized antenna array for satel lite communications in the X band,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.60,no.5,pp.2276-2284,May 2012.”中提出了一種工作在X頻段的雙圓極化陣列天線，采用多層PCB工藝加工，輻射單元為雙層微帶貼片，每一個輻射單元連接兩個正交排列的金屬化饋電過孔，金屬化過孔再連接到分支線耦合器，形成左旋圓極化和右旋圓極化，通過微帶線饋電網(wǎng)絡最終合成一個12×12元雙圓極化陣列天線，該天線相對工作帶寬為14.7％，但由于介質(zhì)損耗的原因，天線效率較低，并且隨著陣列規(guī)模的進一步擴展，天線效率將急劇下降。

文獻“D.Kim,M.Zhang,J.Hirokawa,and M.Ando,“Design and fabrication of a du al-polarization waveguide slot array antenna with high isolation,”IEEE Transactions on Ante nnas and Propagation,vol.62,no.6,pp.3019-3027,Jun.2014.”中提出了一種全波導結構的雙極化陣列天線，采用分子擴散焊工藝加工，實現(xiàn)了雙線極化的陣列構成，該天線輻射單元為十字槽，縫隙耦合饋電，天線工作帶寬為11％；這種全波導陣列天線由于沒有介質(zhì)損耗，總效率很高，整個頻段內(nèi)大于70％，然而文章并沒有給出圓極化的合成方式和預估性能。

綜上，高性能的雙圓極化陣列天線鮮見于公開文獻，尤其是針對毫米波應用的設計，原因在于實現(xiàn)難度大，兼顧寬頻帶、低軸比、高隔離、高效率的設計是當前學術界的一個巨大挑戰(zhàn)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種寬帶雙圓極化平板波導陣列天線，用于實現(xiàn)寬帶、高效率、高增益雙圓極化毫米波平板波導陣列天線。本發(fā)明采用的技術方案為：

一種寬帶雙圓極化平板波導陣列天線，包括從上往下依次層疊的輻射口徑1、諧振腔2、饋電方波導3、圓極化器4、雙極化饋電網(wǎng)絡5和標準波導接口過渡6，所述輻射口徑1為波導口徑陣列，由若干個呈陣列排布的2×2元子陣列11構成；所述諧振腔2由從上往下依次層疊的方脊波導諧振腔21、第一方波導諧振腔22和第二方波導諧振腔23構成，所述方脊波導諧振腔21與2×2元子陣列11對應設置；所述圓極化器4由階梯狀金屬膜片41以中心加載的方式插入到方波導42中形成；雙極化饋電網(wǎng)絡5由左旋圓極化饋電網(wǎng)絡51和右旋圓極化饋電網(wǎng)絡52組成，分別引出左旋圓極化接口和右旋圓極化接口；所述標準波導接口過渡6包括兩個輸出端口61、62，分別對應左旋圓極化接口和右旋圓極化接口。

進一步的，所述第一方波導諧振腔22尺寸大于第二方波導諧振腔23、且與第二方波導諧振腔23共同構成一個階梯過渡結構，在饋電方波導3和脊波導諧振腔21之間完成阻抗匹配。

進一步的，所述左旋圓極化饋電網(wǎng)絡51和右旋圓極化饋電網(wǎng)絡52的拓撲結構相同，基本組成單元為由兩個E面波導功分器5111和一個H面波導功分器5112組成的一分四路功分器511，多個一分四路功分器511級聯(lián)構成左旋圓極化饋電網(wǎng)絡51和右旋圓極化饋電網(wǎng)絡52。

進一步的，所述2×2元子陣列由4個方形波導輻射口111以2×2陣列排布構成，每個方形波導輻射口111的尺寸相同、且相鄰間距相同，所述方形波導輻射口111的邊長大于λ_l/2、小于λ_h，λ_l和λ_h分別為最低工作頻率和最高工作頻率在自由空間中的波長。

本發(fā)明中，2×2元子陣列之間的間距可以用來優(yōu)化端口隔離度和改善特定角度上的副瓣電平。諧振腔2是饋電方波導3對2×2元子陣列11的饋電結構，兩個不同尺寸的方波導諧振腔22和23形成一個階梯過渡結構，在饋電方波導3和脊波導諧振腔21之間完成阻抗匹配；電磁波經(jīng)過諧振腔2完成漸變的模式轉換，實現(xiàn)了對2×2元子陣列11的功率分配，并將諧振腔內(nèi)激勵出來的大部分高次模轉換成主模，在輻射口徑1的口徑面上形成較為均勻的電場分布，從而提高了天線口徑效率。圓極化器4采用隔板移相器的形式，該移相器在合成圓極化的同時，自動形成一個天然的兩路功分器，而且結構形式簡單，便于加工和集成。左旋圓極化饋電網(wǎng)絡51和右旋圓極化饋電網(wǎng)絡52的拓撲結構相同，基本組成單元是一個一分四路功分器511，511由兩個E面波導功分器5111和一個H面波導功分器5112組成，通過級聯(lián)多個511可以將天線陣列拓展到更大規(guī)模；考慮結構布局的方便，雙極化饋電網(wǎng)絡5的波導尺寸可以不必與標準矩形波導尺寸相同，利用波導接口過渡6，可以在饋電網(wǎng)絡5和標準波導接口之間形成寬帶阻抗匹配。本發(fā)明陣列天線可以分成數(shù)個部件分別加工，每個部件可采用CNC工藝加工，然后通過螺栓和定位銷釘裝配在一起，也可以采用注塑工藝或3D打印工藝來整體加工成型。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、陣列天線的增益由輻射單元的增益和陣因子決定，在陣列規(guī)模一定條件下，使用大尺寸的輻射單元能夠?qū)崿F(xiàn)更高的陣列增益，但大尺寸的輻射單元意味著更大尺寸的饋電諧振腔，從而會產(chǎn)生更多難以控制的高次模式。本發(fā)明采用一種由兩個階梯過渡型方波導諧振腔和一個脊波導諧振腔構成的多階混合諧振腔，對2×2元基本子陣列饋電；通過這樣一個類似于阻抗變換器的結構，實現(xiàn)了漸近的模式變換，將較大諧振腔內(nèi)激勵的大部分高次模在輻射口徑處轉換為主模，從而實現(xiàn)了寬帶響應和較高的口徑效率。

2、圓極化器集成在波導陣列天線中，圓極化波束從2×2元陣列開始形成，在此規(guī)模以上的拓展陣列的圓極化性能幾乎不會惡化，軸比和隔離性能相當穩(wěn)定。

3、雙極化饋電網(wǎng)絡采用一種立交橋式的拓撲布局，具有緊湊的結構形式，并聯(lián)饋電方式使得子陣列的寬帶特性得到最大限度的保持。

4、2×2元子陣列之間的間距作為一個自由度，被用于優(yōu)化端口隔離度和降低特定角度上的副瓣電平，該設計能夠在不增加額外設備和功耗的情況下改善天線的性能。

綜上，本發(fā)明驗證的16×16元雙圓極化平板波導陣列天線具有左旋圓極化和右旋圓極化兩個端口，每個端口均實現(xiàn)了16％的工作帶寬，帶內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB，圓極化軸比小于3dB；左旋圓極化帶內(nèi)增益為31.4dBic～32.7dBic，右旋圓極化帶內(nèi)增益為31.8dBic～32.8dBic，兩個極化的總效率均大于60％，端口隔離大于13dB；所設計的雙圓極化陣列天線實現(xiàn)了高增益、高效率，并具有寬頻帶特性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的寬帶雙圓極化平板波導陣列天線的三維結構示意圖。

圖2是本發(fā)明的寬帶雙圓極化平板波導陣列天線的2×2元基本子陣列組成圖。

圖3是本發(fā)明的寬帶雙圓極化平板波導陣列天線的4×4元天線組陣圖。

圖4是本發(fā)明的寬帶雙圓極化平板波導陣列天線的16×16元饋電網(wǎng)絡排布圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。

本實施例提供一種16×16元寬帶雙圓極化平板波導陣列天線，其結構如圖1～4所示，包括從上往下依次層疊的輻射口徑1、諧振腔2、饋電方波導3、圓極化器4、雙極化饋電網(wǎng)絡5和標準波導接口過渡6；

如圖1所示，所述輻射口徑1為波導口徑陣列，由若干個呈陣列排布的2×2元子陣列11構成，所述2×2元子陣列由4個方形波導輻射口111以2×2陣列排布構成，每個方形波導輻射口111的尺寸相同、且相鄰間距相同，所述方形波導輻射口111的邊長大于λ_l/2、小于λ_h，λ_l和λ_h分別為最低工作頻率和最高工作頻率在自由空間中的波長；

如圖2所示，每個2×2元子陣列11均對應一個諧振腔2，諧振腔2作為饋電方波導3對2×2元子陣列11的饋電結構，述諧振腔2由從上往下依次層疊的方脊波導諧振腔21、第一方波導諧振腔22和第二方波導諧振腔23構成，所述方脊波導諧振腔21與2×2元子陣列11對應設置，第一方波導諧振腔22尺寸大于第二方波導諧振腔23、且與第二方波導諧振腔23共同構成一個階梯過渡結構，在饋電方波導3和脊波導諧振腔21之間完成阻抗匹配；所述圓極化器4由階梯狀金屬膜片41以中心加載的方式插入到方波導42中形成；

如圖3、圖4所示，雙極化饋電網(wǎng)絡5由左旋圓極化饋電網(wǎng)絡51和右旋圓極化饋電網(wǎng)絡52組成，分別引出左旋圓極化接口和右旋圓極化接口；所述左旋圓極化饋電網(wǎng)絡51和右旋圓極化饋電網(wǎng)絡52的拓撲結構相同，基本組成單元為由兩個E面波導功分器5111和一個H面波導功分器5112組成的一分四路功分器511，多個一分四路功分器511級聯(lián)構成左旋圓極化饋電網(wǎng)絡51和右旋圓極化饋電網(wǎng)絡52；本實施例中，由4個2×2元子陣列組成的4×4元陣列分別對應有4個右旋圓極化端口和4個左旋圓極化端口，分別采用一個一分四路功分器引出，如圖3所示；以此類推，則由16個4×4元陣列組成的16×16元寬帶雙圓極化平板波導陣列天線的左旋圓極化饋電網(wǎng)絡51和右旋圓極化饋電網(wǎng)絡52分別由5個一分四路功分器構成，如圖4所示；標準波導接口過渡6包括兩個輸出端口61、62，分別對應左旋圓極化接口和右旋圓極化接口。

上述16×16元寬帶雙圓極化平板波導陣列天線的具體設計為：其中心頻率為30GHz，利用Ansys HFSS中進行電磁全波仿真和優(yōu)化。輻射口徑1由64個2×2元子陣列11構成，厚度為2.8mm，相鄰子陣列之間的間距為16.4mm，組成子陣列11的方波導輻射口111邊長為6.5mm，相鄰單元間距為7.7mm；脊波導諧振腔21的厚度為2.4mm，邊長14.4mm，脊長4mm，脊寬2.4mm；方波導諧振腔22的厚度為2.3mm，邊長14.4mm；方波導諧振腔23的厚度為1mm，邊長12.6mm；饋電方波導3的邊長為6.2mm；圓極化器4的形式為隔板移相器，階梯狀膜片41由五級隔板組成，尺寸分別為3.37mm×0.47mm，3.1mm×1.68mm，3mm×2.7mm，0.98mm×4.27mm，6.5mm×6.2mm，方波導42的邊長與饋電方波導3相同；在集成了雙極化饋電網(wǎng)絡5和波導接口6后，天線從上到下拆分為8片部件，每個部件均采用CNC工藝加工，然后通過螺栓和定位銷釘裝配在一起。測試結果顯示，16×16元雙圓極化平板波導陣列天線的兩個端口均實現(xiàn)了16％的工作帶寬，帶內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB，圓極化軸比小于3dB。左旋圓極化帶內(nèi)增益為31.4dBi～32.7dBi，右旋圓極化帶內(nèi)增益為31.8dBi～32.8dBi。兩個極化的總效率均大于60％。端口隔離大于13dB。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。