[发明专利]一种基于圆波导TM0n模的毫米波锥状波束天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是一种基于圆波导TM_0n模的毫米波锥状波束天线。

背景技术

锥状波束天线(Conical Beam Antenna)是一类波瓣图和极化方向径向对称的天线，它在孔径的法线方向上没有辐射，最大辐射方向在与法线成一定倾角的锥面上。一方面锥状波束在电子系统中有许多应用，例如在高性能无线局域网(HIPERLAN)中，要求采用倾角为60°的锥状波束；在地面车辆和卫星的通信中要求采用30°～70°的锥状波束；在移动通信中要求采用不同频率对应不同倾角的锥状波束。

另一方面，锥状波束在军用导航系统和导弹探测系统中也有许多应用，例如无线电引信系统和导航系统中，弹丸在飞行过程中要探测来自与飞行方向成一定角度的空间范围内的目标。

综上所述，锥状波束天线无论是在无线通信系统中还是军用探测和导航系统中都是必不可少的器件。因此，研究高性能的锥状波束天线具有很强的实用价值。

现有文献报道了锥状波束天线的结构：

文献1（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）中利用圆波导的高次模TM₀₃模实现最大辐射方向角为50°毫米波锥状波束天线，但是该天线是采用同轴探针馈电损耗大，且天线的增益为8.1dB；

文献2（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）中利用四个L型贴片天线组成方环型结构来实现锥状波束天线，天线的尺寸比较大且结构比较复杂，并且实现的锥状波束天线方向图不具有全向性；

文献3（Jae Hee Kim and Wee Sang Park，Sectoral Conical Beam Former for a2*2Array Antenna,IEEE antennas and wireless propagation letters,2009,8:712-715）中利用2*2四个圆形贴片来实现锥状波束天线，虽然能实现锥状波束天线但是此天线馈电网络比较复杂，而且尺寸也比较大。

综上所述，（1）文献1中设计的锥状波束天线的馈电方式采用的同轴探针馈电，在毫米波波段该馈电方式不便于测试，且损耗比较大；（2）文献2中设计的锥状波束天线的方向图不具有圆周对称性，且天线的增益比较低；（3）文献3中设计的锥状波束天线馈电网络比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种尺寸小、增益高、辐射方向图圆周对称的基于圆波导TM_0n模的毫米波锥状波束天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于圆波导TM_0n模的毫米波锥状波束天线，包括依次同轴固定的矩形波导、铝块、第二金属圆波导、第一金属圆波导和聚四氟乙烯介质顶板；其中第二金属圆波导、第一金属圆波导的材料相同，第一金属圆波导呈喇叭状且沿着从第二金属圆波导至聚四氟乙烯介质顶板方向半径递增；所述铝块将矩形波导和第二金属圆波导隔开，铝块的轴心设有圆柱孔，且圆柱孔中填满聚四氟乙烯，探针从聚四氟乙烯的轴心穿过，圆柱孔、探针和聚四氟乙烯形成同轴线；聚四氟乙烯介质顶板上设置有通孔，且聚四氟乙烯介质顶板固定于第一金属圆波导的开路终端；矩形波导的宽边上设置有一个调节螺钉，用来调节矩形波导到同轴线的阻抗匹配。

本发明技术方案的原理是：圆波导TM_0n模是一个旋转对称性模而且相位为反相，利用该模式做辐射器，既可以保证方向图的旋转对称，也可以保证在口径面的法线方向上辐射比较小，因此利用圆波导TM_0n模的旋转对称特性，可以实现锥状波束天线；通过级联两阶不同半径的圆波导，增加了不连续性，从而在实现锥状波束天线的同时可以抑制其它TM_0m模式产生的副瓣电平。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：