一种圆极化波导缝隙天线及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种天线，尤其涉及的是一种圆极化波导缝隙天线及其设计方法。
【背景技术】
[0002]近些年来，随着卫星通讯的广泛应用，接收卫星广播通讯的天线系统得到了快速的发展。诸如用于直播卫星(DBS)通讯系统，需要低轮廓、高效率的天线系统，以提高系统的G/T值(G为天线系统的增益；!~为天线系统的噪声温度)，来增加天线与卫星通讯的数据率。并且，天线的有效孔径受天线扫描体积的限制，对于给定的扫描体积，低轮廓天线可以得到最大的系统增益，从而提高整个系统的G/T值。
[0003]波导缝隙天线阵由于其高效、易于幅相控制、加工简单等因素得以大量应用，特别是雷达系统。波导缝隙天线阵有行波阵和驻波阵(谐振阵)两种，波导行波阵带宽较宽、有频扫特性。但其效率较低，适合做大型平面阵列；驻波阵效率高、带宽较窄，适合做小型平面阵列。
[0004]对于接收卫星直播通讯的天线系统来说，一般安装在飞机上或汽车顶部，因此这些天线系统都具有很好的机动性，从而对于这些天线的要求也就比较高。比如:小型化、低轮廓、低损耗、高增益等。为了减少天线系统的高度，天线一般设计为平面阵列天线，因此波导缝隙天线阵得到了很好的应用。
[0005]商业卫星通讯系统中，卫星接收和发射的信号都是圆极化波，这样无论雷达和卫星成什么夹角，都不会引起交叉极化分量。也就是说卫星接收和发射圆极化波，不会引起极化的失配从而引起数据传输的效率的降低。
[0006]美国现有矩形波导宽边中心开“X”缝隙的漏波天线和低损耗低轮廓双极化波导月牙缝隙天线阵，但这两种圆极化天线都是波导行波天线，存在工作宽带内波束指向色散、效率低等问题。
[0007]现有的脊波导宽边横向直缝隙天线、脊波导倾斜缝隙对天线、宽带双L形波导窄边缝隙天线阵和一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线中，各天线均为脊波导单线极化天线。
[0008]在现有的技术中，张洪涛，汪伟提出的一种圆极化波导驻波天线(专利号CN200910185457.3，主分类号H01Q13/10，申请日20091113)，其包含了馈电波导和开口波导两层结构，结构上较为复杂，天线厚度较厚，并且圆极化带宽较窄。汪伟，齐美清，张洪涛等提出的一种圆极化天线(专利号CN201310454644.3，主分类号H01Q13/22，申请日20130929)，在“凹”形波导管上开设辐射缝隙，实现圆极化的工作方式，该圆极化天线在X波段以下具有较好的圆极化特性，且也易于工程化，但在X波段以上，这种圆极化天线受加工因素的影响，很难实现工程化。
[0009]现有技术中的天线，要么为线极化工作；要么存在波束指向色散；要么结构复杂，工作带宽较窄；要么受工程化影响，不适宜工作在高频段，无法满足日益发展的雷达和通信系统需求。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于提供一种具有良好的宽频带特征，结构简单，便于单独组成大型平面阵的圆极化波导缝隙天线及其设计方法，用以解决现有技术中的天线，要么为线极化工作；要么存在波束指向色散；要么结构复杂，工作带宽较窄；要么受工程化影响，不适宜工作在高频段，无法满足日益发展的雷达和通信系统需求的问题。
[0011]本发明是通过以下技术方案实现的:一种圆极化波导缝隙天线，其包括金属波导管(I)，金属波导管⑴的横截面呈“凸”形:定义金属波导管⑴上凸起部分为凸台(11)，定义金属波导管(I)上位于凸台(11)两侧的缩进部分均为肩臂(12);金属波导管(I)为空管，且其一端为所述天线的输入口，其相对的另一端设置为封闭短路或接匹配负载；凸台
[11]上且沿金属波导管(I)的延伸方向上开设有多个直缝隙(2)，每个直缝隙(2)平行于金属波导管⑴的延伸方向而呈直线形；每个肩臂(12)上且沿金属波导管⑴的延伸方向上开设有多对倾斜缝隙组，每对倾斜缝隙组包括呈八字形的倾斜缝隙(3)，每对倾斜缝隙组自凸台(11)的侧壁向外发散而倾斜于凸台(11)。
[0012]作为上述方案的进一步改进，多个直缝隙(2)排列成相互平行的两组直缝隙组，两组直缝隙组位于凸台(11)中心线的两侧。再进一步地，每组直缝隙组上的多个直缝隙
(2)等间距设置，肩臂(12)上相邻两个倾斜缝隙(3)中心之间的距离与凸台(11)上相邻两个直缝隙(2)中心之间的距离相同。
[0013]再进一步地，两组直缝隙组成中心对称，两个肩臂(12)上的多对倾斜缝隙组以凸台(11)的中心线成轴对称。
[0014]作为上述方案的进一步改进，所有直缝隙(2)的中心与所有倾斜缝隙(3)的中心位于金属波导管(I)的同一横截面内。
[0015]作为上述方案的进一步改进，每个倾斜缝隙(3)自凸台(11)的侧壁向外发散至肩臂(12)的侧壁上，使相应侧壁出现豁口。
[0016]本发明还提供一种上述任意圆极化波导缝隙天线的设计方法，所述设计方法包括:根据频率范围、结构限制的空间范围和最低频率下的主模传输要求确定金属波导管
(I)的截面尺寸；根据截面尺寸确定金属波导管(I)上直缝隙(2)和倾斜缝隙(3)的设置参数；根据所述截面尺寸和所述设置参数制造所述圆极化波导缝隙天线。
[0017]作为上述方案的进一步改进，金属波导管(I)截面尺寸的确定包括:金属波导管
(I)的底面宽度a小于O^aci，其中，Aci是工作中心频率自由空间波长，所述底面指金属波导管⑴上与凸台(11)相背的侧面；金属波导管⑴的上面宽度b小于0.35A。，所述上面宽度指凸台(11)的宽度；金属波导管(I)的两侧肩膀波导壁的高度ah小于0.5 λ ^，所述两侧肩膀波导壁指两个肩臂(11);金属波导管(I)的头部高度bh为0.25 λ ^，所述头部高度指凸台(11)的高度。
[0018]再进一步地，直缝隙(2)的设置参数包括:直缝隙(2)的长度Ls由下式确定:LS =0.45 λ。;直缝隙⑵的宽度Ws由下式确定:0.1 λ 0^ffs^ 0.125 λ。。
[0019]优选地，倾斜缝隙(3)的设置参数包括:倾斜缝隙(3)与金属波导管⑴的延伸方向之间的倾斜锐角为Θ，倾斜缝隙(3)在相应肩臂(12)上的长度为LI，倾斜缝隙(3)在肩臂(12)上的深度为L2，Θ、L1、L2满足以下式子:0°〈 Θ〈90。，L2彡ah，LI = (a_b)/(2*cos θ )，L1+L2 为 0.45 λ0Ο
[0020]本发明通过在凸形中空的金属波导管上设置直缝隙和倾斜缝隙，构造了具备优点的圆极化波导缝隙天线，该天线结构简单且工作效率较高，解决了现有技术中天线，要么为线极化工作；要么存在波束指向色散；要么结构复杂，工作带宽较窄；要么受工程化影响，不适宜工作在高频段，无法满足日益发展的通信和雷达系统需求的问题。
【附图说明】
[0021]图1为本发明圆极化波导缝隙天线的立体示意图；
[0022]图2为图1中圆极化波导缝隙天线的横截面示意图；
[0023]图3为本发明圆极化波导缝隙天线的俯视图；
[0024]图4为图3中沿剖线A-A的剖视图；
[0025]图5为图3中沿剖线B-B的剖视图；
[0026]图6为本发明优四个单元天线的结构示意图；
[0027]图7为本发明四个单元天线的中心频率轴比曲线；
[0028]图8为本发明四个单元天线的轴比-频率曲线；
[0029]图9为本发明四个单元天线的中心频率方向图曲线；
[0030]图10为本发明8X8单元的圆极化波导缝隙驻波天线阵结构示意图；
[0031]图11为本发明8X8单元的圆极化波导缝隙行波天线阵结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施