[发明专利]一种毫米波宽带圆极化辐射器及其设计方法

说明书

本发明公开了一种毫米波宽带圆极化辐射器及其设计方法，所述圆极化辐射器包括多层渐变金属台阶、波导腔金属底座以及金属腔壁，所述金属腔壁与波导腔金属底座连接形成一面开口的波导空气腔，所述波导空气腔内斜对角分布一对多层渐变金属台阶，波导腔金属底座的中轴线上开有一条矩形激励缝隙，从波导空气腔的开口方向上向下看，所述多层渐变金属台阶与矩形激励缝隙平行；本发明的优点在于：能够在毫米波频段实现圆极化辐射器的宽带特性。

技术领域

本发明涉及圆极化天线技术领域，更具体涉及一种毫米波宽带圆极化辐射器及其设计方法。

背景技术

随着现代无线通讯技术的发展，频谱资源越来越紧张。在广泛使用的微波频段低端，电磁干扰也越来越严重，因此人们将目光投向频率更高的毫米波，甚至太赫兹频段。毫米波处于微波频段的高端，与远红外频段相接，具有丰富的频谱资源。另外由于毫米波的高频特点，毫米波器件相对于低频微波器件来说，具有尺寸小、重量轻的特点。因为这些优点，毫米波技术被广泛应用于通讯、雷达、成像、遥感等领域。

圆极化天线是一种辐射圆极化电磁波的天线，相比于线极化天线，主要有以下三方面的优点：(1)圆极化天线能降低多径效应导致的时延扩散，降低码间串扰，降低误码率，提高通信质量；(2)圆极化天线能够减少电离层引起的法拉第旋转效应。如果采用线性极化信号，法拉第旋转效应会导致显著的信号损失(约3dB或者更多)。然而圆极化天线不受这一问题的影响；(3)圆极化天线的发射天线和接收天线之间不需要严格的定向。任意极化波都可以用圆极化天线来接收，圆极化天线的辐射波也可以用任意极化天线接收。因此圆极化技术可以减少极化失配导致的极化损耗，同时在安装天线的时候，收发天线之间的相对位置可以更加灵活。这些优点使得圆极化天线对许多无线系统非常有吸引力，被广泛应用于卫星、空间探测器和弹道导弹的空间遥测应用中。

金属波导具有导体损耗和介质损耗小、功率容量大、结构简单、力学强度高、易于加工等优点，适用于毫米波圆极化天线及阵列。波导缝隙天线具有低剖面、高辐射效率和高增益的特点，并且由于波导缝隙天线对天线口径内场的幅度分布容易控制，易实现低副瓣。目前实现波导缝隙天线辐射圆极化波的方法有两种：一、在波导宽边或者窄边刻蚀各种形式的缝隙，通过不同形式的缝隙组合耦合辐射出正交电场，再控制正交分量的相位形成90度相差，在远场形成圆极化波。在波导壁上刻蚀各种形式缝隙组合的方式对加工精度的要求很高，特别在毫米波频段，微小的误差就会致使天线性能急剧恶化，工程实施风险有待评估。二、在波导辐射缝隙上加载圆极化辐射器，将缝隙耦合的线极化波扭转为圆极化波辐射。因此，对于加载圆极化辐射器的波导缝隙天线，其圆极化带宽与圆极化辐射器的性能有很大关系，如通常使用的在缝隙上加载切角贴片圆极化辐射器，轴比带宽受微带贴片的限制，仅有3.3％；又如在缝隙上加载脊波导圆极化辐射器，其轴比带宽为3.8％；还有在缝隙上加载改进后的背腔式十字缝圆极化辐射器，轴比带宽也仅为5.8％。圆极化辐射器的窄带特性严重限制了天线的应用范围以及平台性能，尤其在毫米波频段对圆极化辐射器的宽带化设计是目前天线设计的难点。

中国专利申请号CN201510722960.3，公开了一种多层辐射装置，包括：一高频电路板，具有一上部和一下部；一微带辐射体，集成在该高频电路板的顶面表层；一叠层波导结构，集成在该高频电路板的上部，其与该微带辐射体相连；一间隙波导结构，集成在该高频电路板的下部，其与该叠层波导结构级联，其具有开口于该高频电路板的底面的一空气腔；一金属板，设置在该间隙波导结构的空气腔的开口处；以及一空气波导，装设在该金属板的底侧。该专利申请增益较高，并且体积较小，易于集成。但是该专利申请不能在毫米波频段实现圆极化辐射器的宽带化设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术难以在毫米波频段对圆极化辐射器进行宽带设计。