本发明公开了一种波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，该天线包括单层微波介质板、若干组矩形缝隙对、以及引入容性分量的同轴馈电探针；其中，若干组矩形缝隙对围绕单层微波介质基板的中心点O呈螺旋式排布，引入容性分量的同轴馈电探针位于点O处；每组缝隙对由两条相互垂直且之间存在间隙的矩形缝隙构成，其耦合因子通过改变矩形的长宽进行调节；同轴馈电探针通过在介质板上蚀刻环形缝隙引入容性分量。本发明实现了高增益的圆极化天线阵列，且其圆极化形式以及波束偏角方向和大小均可以灵活调节，天线整体结构简单、加工方便、成本低廉。
1.一种波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，其特征在于，包括单层微波介质基板(1)、若干组矩形缝隙对(2)、以及一个引入容性分量的同轴馈电探针；其中，若干组矩形缝隙对(2)围绕单层微波介质基板(1)的中心点O呈螺旋式排布，引入容性分量的同轴馈电探针位于所述中心点O处；
所述每组矩形缝隙对(2)由两个尺寸相同、相互垂直的矩形缝隙构成，且两个矩形缝隙之间存在间隙，其耦合因子通过改变矩形的长宽进行调节；所述引入容性分量的同轴馈电探针包括短路同轴馈电探针(3)和引入容性分量的环形缝隙(4)，短路同轴馈电探针(3)位于中心点O处且贯穿单层微波介质基板(1)，环形缝隙(4)以中心点O为圆心，环绕短路同轴馈电探针(3)且位于单层微波介质基板(1)的上表面；
若干组矩形缝隙对(2)围绕单层微波介质基板(1)的中心点O螺旋式排布中，视每一圈矩形缝隙对(2)为一个子阵；将每一个子阵在垂直于天线初始辐射方向的某一方向上进行平移即可实现天线的波束偏角方向可调；其中，天线初始辐射方向为天线的轴向方向；
通过改变每个子阵平移的距离实现天线的波束偏角大小可调，具体为：
以中心点O为起始，沿螺旋式排布的径向方向对子阵依次编号为1,2,…,N，N为子阵的数目，根据所需的波束偏角大小θ0获取第n个子阵的渐进相位θ(n)为：θ(n)＝nkd sinθ0
式中，k为波数，θ0为波束偏角大小，d为阵元间距即缝隙对的径向距离，且其数值上为波导波长λg；
根据渐进相位确定每个子阵平移的距离，则第n个子阵平移距离Δd(n)为：
2.根据权利要求1所述的波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，其特征在于，从所述螺旋式排布的起始矩形缝隙对(2)开始直至倒数第二圈的矩形缝隙对(2)的尺寸呈递增趋势变化，以获得均匀口径分布；最外圈的所有矩形缝隙对(2)的尺寸一致，且每一组矩形缝隙对(2)的归一化辐射能量大于阈值p，p的取值为0＜p＜1。
3.根据权利要求2所述的波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，其特征在于，所述p＝0.9。
4.根据权利要求2所述的波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，其特征在于，该天线的圆极化形式可调，具体通过改变若干组矩形缝隙对(2)围绕单层微波介质基板(1)的中心点O螺旋式排布的方向实现天线的圆极化形式可调。
5.根据权利要求4所述的波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，其特征在于，所述若干组矩形缝隙对(2)围绕单层微波介质基板(1)的中心点O呈顺时针螺旋式排布，波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的圆极化形式为左旋圆极化；
或者，若干组矩形缝隙对(2)围绕单层微波介质基板(1)的中心点O呈逆时针螺旋式排布，波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的圆极化形式为右旋圆极化。
6.根据权利要求1所述的波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，其特征在于，该天线通过调整环形缝隙(4)的内径和外径大小引入容性分量，实现馈电端口的阻抗匹配。
7.根据权利要求1所述的波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，其特征在于，所述单层微波介质基板(1)采用Rogers RT 5880商用板材。
一种波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线
技术领域
[0001] 本发明属于天线技术领域，特别是一种波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线。
背景技术
[0002] 天线作为辐射和接收电磁波的设备，连接了自由空间和导行波，在通信、雷达、导航和广播等无线电设备中发挥着重要的作用。天线性能的好坏直接决定了无线通信设备的信号传输优劣。随着无线通信的快速发展，天线在军事及民用领域得到了更为广泛的应用，所要求的天线的性能也日益多样。目前现代电子信息技术发展迅速，作为无线电通信中的重要一环，天线得到了越来越多的重视，理论日益成熟，方法更加多样，拥有更为广阔的前景。
[0003] 随着通信探测、遥测遥感等技术的发展，面对各种天气情况及地理需求，天线对于极化的要求越来越高。圆极化天线具有许多线极化天线所没有的优点。圆极化具有旋向正交性；可以消除极化畸变；可以接受任意极化的电磁波，同时也可以被任意极化天线接收；旋向逆转性带来的抗雨雾干扰能力；能够抑制多径反射。正是由于圆极化波的这些优势，圆极化天线目前广泛应用于复杂环境下远距离辐射且要求高精度的领域，如电子侦察与干扰，雷达探测，卫星通信与导航等。
[0004] 径向线阵列天线是一种常见的高增益阵列天线的实现形式，分为径向线缝隙阵列天线和径向线探针馈电阵列天线两种类型。自从径向线天线被提出以后，由于其馈电和辐射的高效特性，目前已广泛的被应用于卫星接收、通信广播和空间探测等领域。相比于径向线探针馈电天线，径向线缝隙天线在高增益领域拥有加工简便，成本低廉的优势。但是，现有的圆极化径向线缝隙天线的辐射方向通常在天线的轴向方向，而在目前的一些应用领域，如探测制导、电子侦察等，往往要求天线的辐射波束具有一定的偏角。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、成本低的波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，包括单层微波介质基板、若干组矩形缝隙对、以及一个引入容性分量的同轴馈电探针；其中，若干组矩形缝隙对围绕单层微波介质基板的中心点O呈螺旋式排布，引入容性分量的同轴馈电探针位于所述中心点O处；
[0007] 所述每组矩形缝隙对由两个尺寸相同、相互垂直的矩形缝隙构成，两个矩形缝隙之间存在间隙，其耦合因子通过改变矩形的长宽进行调节；所述引入容性分量的同轴馈电探针包括短路同轴馈电探针和引入容性分量的环形缝隙，短路同轴馈电探针位于中心点O处且贯穿单层微波介质基板，环形缝隙以中心点O为圆心，环绕短路同轴馈电探针且位于单层微波介质基板的上表面。
[0008] 从所述螺旋式排布的起始矩形缝隙对开始直至倒数第二圈的矩形缝隙对的尺寸呈递增趋势变化，以获得均匀口径分布；最外圈的所有矩形缝隙对的尺寸一致，且每一组矩形缝隙对的归一化辐射能量大于阈值p，p的取值为0＜p＜1。
[0009] 进一步地，该天线的圆极化形式、波束偏角方向及大小均可调，具体如下：
[0010] 该天线的圆极化形式可调，具体通过改变若干组矩形缝隙对围绕单层微波介质基板的中心点O螺旋式排布的方向实现天线的圆极化形式可调。
[0011] 该天线的波束偏角方向可调，具体为：
[0012] 若干组矩形缝隙对围绕单层微波介质基板的中心点O螺旋式排布中，视每一圈矩形缝隙对为一个子阵；将每一个子阵在垂直于天线初始辐射方向的某一方向上进行平移即可实现天线的波束偏角方向可调；其中，天线初始辐射方向为天线的轴向方向。
[0013] 该天线的波束偏角大小可调，具体为：
[0014] 通过改变每个子阵平移的距离实现天线的波束偏角大小可调，具体为：
[0015] 以中心点O为起始，沿螺旋式排布的径向方向对子阵依次编号为1,2,…,N，N为子阵的数目，根据所需的波束偏角大小θ0获取第n个子阵的渐进相位θ(n)为：
[0016] θ(n)＝nkdsinθ0
[0017] 式中，k为波数，θ0为波束偏角大小，d为阵元间距即缝隙对的径向距离，数值上为波导波长λg；
[0018] 根据渐进相位确定每个子阵平移的距离，则第n个子阵平移距离Δd(n)为：
[0019]
[0020] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过从螺旋式分布的起始矩形缝隙对开始直至倒数第二圈的矩形缝隙对的尺寸呈递增趋势变化，获得均匀口径分布，进而能够实现高增益；2)本发明在单层介质板上实现，剖面低；3)本发明在馈电端口引入适当的容性分量，在抵消短路探针引起的感性分量的同时，不会对径向波导的主模TEM模的场分布造成干扰，实现馈电端口的阻抗匹配，易加工；4)本发明通过调节每一圈缝隙对平移的方向和大小即可实现不同方向和大小的波束偏角，设计灵活；5)本发明在单层介质板上蚀刻矩形缝隙即可实现波束倾斜的高增益的圆极化径向线缝隙天线阵列，结构简单，加工方便，成本低。
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0022] 图1为本发明波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的结构示意图。
[0023] 图2为本发明波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线实现波束倾斜的原理示意图。
[0024] 图3为本发明实施例中波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的S11参数示意图。
[0025] 图4为本发明实施例中波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线35GHz的增益方向曲线图。
[0026] 图5为本发明实施例中波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的轴比曲线图。
[0027] 图6为本发明实施例中波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的增益随频率变化曲线图。
具体实施方式
[0028] 结合图1，本发明波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线，包括单层微波介质基板1、若干组矩形缝隙对2、以及一个引入容性分量的同轴馈电探针；其中，若干组矩形缝隙对2围绕单层微波介质基板1的中心点O呈螺旋式排布，引入容性分量的同轴馈电探针位于中心点O处；
[0029] 每组矩形缝隙对2由两个尺寸相同、相互垂直的矩形缝隙构成，两个矩形缝隙之间存在间隙，其耦合因子通过改变矩形的长宽进行调节；引入容性分量的同轴馈电探针包括短路同轴馈电探针3和引入容性分量的环形缝隙4，短路同轴馈电探针3位于中心点O处且贯穿单层微波介质基板1，环形缝隙4以中心点O为圆心，环绕短路同轴馈电探针3且位于单层微波介质基板1的上表面。
[0030] 进一步地，从螺旋式排布的起始矩形缝隙对2开始直至倒数第二圈的矩形缝隙对2的尺寸呈递增趋势变化，以获得均匀口径分布；最外圈的所有矩形缝隙对2的尺寸一致且每一组矩形缝隙对2的归一化辐射能量大于阈值p，以减小反射波，提高效率，其中p的取值为0＜p＜1。
[0031] 示例性优选地，p＝0.9。
[0032] 进一步地，该天线的圆极化形式可调，具体通过改变若干组矩形缝隙对2围绕单层微波介质基板1的中心点O螺旋式排布的方向实现天线的圆极化形式可调。
[0033] 示例性地，若干组矩形缝隙对2围绕单层微波介质基板1的中心点O呈顺时针螺旋式排布，波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的圆极化形式为左旋圆极化；
[0034] 或者示例性地，若干组矩形缝隙对2围绕单层微波介质基板1的中心点O呈逆时针螺旋式排布，波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的圆极化形式为右旋圆极化。
[0035] 进一步地，该天线的波束偏角方向可调，结合图2，具体为：
[0036] 若干组矩形缝隙对2围绕单层微波介质基板1的中心点O螺旋式排布中，视每一圈矩形缝隙对2为一个子阵；将每一个子阵在垂直于天线初始辐射方向的某一方向上进行平移即可实现天线的波束偏角方向可调；其中，天线初始辐射方向为天线的轴向方向。
[0037] 进一步地，该天线的波束偏角大小可调，具体为：
[0038] 通过改变每个子阵平移的距离实现天线的波束偏角大小可调，具体为：
[0039] 以中心点O为起始，沿螺旋式排布的径向方向对子阵依次编号为1,2,…N，N为子阵的数目，根据所需的波束偏角大小θ0获取第n个子阵的渐进相位θ(n)为：
[0040] θ(n)＝nkdsinθ0
[0041] 式中，k为波数，θ0为波束偏角大小，d为阵元间距即缝隙对的径向距离，数值上为波导波长λg；
[0042] 根据渐进相位确定每个子阵平移的距离，则第n个子阵平移距离Δd(n)为：
[0043]
[0044] 进一步地，该天线通过调整环形缝隙4的内径和外径大小引入容性分量，实现馈电端口的阻抗匹配，在此过程中，抵消短路探针引起的感性分量的同时，不会对径向波导的主模TEM模的场分布造成干扰。
[0045] 示例性地，单层微波介质基板1采用Rogers RT 5880商用板材。
[0046] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
[0047] 实施例
[0048] 本实施例中，选定的天线阵列中包括737组矩形缝隙对单元，工作频率为35GHz。737组矩形缝隙对的耦合因子由其不同的长宽来控制，每组缝隙对由两条相互垂直的矩形缝隙构成，围绕单层微波介质基板中心点O呈近似顺时针螺旋线排布，辐射左旋圆极化波；1个引入容性分量的同轴馈电探针位于中心点O处，包括一个短路同轴馈电探针和一个以中心点O为圆心的环形缝隙。
[0049] 737组矩形缝隙对的尺寸不尽相同，从靠近点O的缝隙开始，前594组缝隙对的尺寸在一定规律下成递增变化，通过口径面上不同尺寸的缝隙获得近似均匀口径分布，以此获得高增益；后143组缝隙对的尺寸一致且保证每组缝隙对的归一化辐射能量大于0.9，减小反射波，提高效率。
[0050] 737组矩形缝隙的位置排布在初始基本螺旋线的基础上，对不同缝隙各自辐射相位的影响进行修正，将每个缝隙的位置在径向上进行微调；结合图2，通过对每近似一圈的缝隙对在垂直于天线初始辐射方向的某一方向进行平移，获得渐进相位差，实现波束倾斜。将近似一圈的缝隙对看作是一个子阵，天线初始辐射方向为z轴方向，本实施例中为了在y轴方向上获得3°的波束偏角，则第n个子阵在y轴方向上的平移距离为Δd(n)＝n×0.23mm。
[0051] 通过在短路同轴馈电探针的周围蚀刻一个环形缝隙来引入容性分量，调整环形缝隙的内径为1.2mm，外径为1.6mm，达到阻抗匹配。
[0052] 本实施例中天线口径为150mm，前594组缝隙对的宽度为0.3mm，长度范围为2-2.91mm，后143组缝隙对的宽度为0.4mm，长度为3.28mm。天线介质板采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.57mm的Rogers RT 5880商用板材。
[0053] 结合图3，为本发明实施例波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的S11参数曲线图，可知天线在33-37GHz的带宽内均实现了良好的阻抗匹配。
[0054] 结合图4，为本发明实施例波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的在35GHz的增益方向图曲线图，可知天线在y轴方向的波束偏角为3°，左旋圆极化增益为32.5dBic。
[0055] 结合图5，为本发明实施例波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的轴比曲线图，可知天线在33-37GHz的带宽内均保持着良好的圆极化特性。
[0056] 结合图6，为本发明实施例波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线的增益随频率变化曲线图，可知天线的3dB增益带宽为34.2-36.5GHz。
[0057] 由上可知，本实施例波束倾斜的高增益圆极化径向线缝隙天线不仅在单层介质板上实现了高增益的圆极化辐射，而且在y轴方向上获得了3°的波束偏角。
[0058] 综上，本发明圆极化径向线缝隙天线具有高增益，且其圆极化形式以及波束偏角方向和大小均可以灵活调节，天线整体结构简单、加工方便、成本低廉。
