rtklib天线相位中心_毫米波领域常用波导天线解密

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Demystifiying Popular Waveguide Antennas for mmWave Applications

Peter McNeil&＃xff0c;Pasternack&＃xff0c;美国加利福尼亚州尔湾市

过去&＃xff0c;鲜有人使用宽广的毫米波频谱。如今&＃xff0c;新的毫米波应用层出不穷、如火如荼&＃xff1a;针对最新WiGig标准(802.11ad)的60GHz ISM波段&＃xff1b;新近分配的多个5G毫米波频率&＃xff1b;用于更高容量卫星以及包括77~79GHz汽车雷达在内的多种新雷达应用的Ka及以上波段空间应答器。虽然多种此类应用采用平面天线结构&＃xff0c;但波导天线对系统的表征至关重要&＃xff0c;而且应用于包括雷达、点对点通信在内的多种用途。关于此类天线的理论目前已有大量的文献&＃xff0c;本文为概述文章&＃xff0c;旨在为针对各种应用的范围选择提供帮助。

角反射天线

角反射天线的工作原理在于以导电片反射入射电磁波&＃xff0c;并使得反射波的方向与入射波平行且极化方向与入射波相同。如此&＃xff0c;使得信号传输无需使用传输链路(如混频器、本地振荡器、放大器、滤波器、转换器)中常用的电源或任何其他元器件&＃xff0c;从而切实降低雷达或通信系统的成本。

角反射天线可分为二面和三面两种结构。在二面结构(图1)中&＃xff0c;以相互垂直的两个高反射率反射面使信号朝反射源的方向折返&＃xff0c;从而增大雷达截面积(RCS)。三面角反射天线结构的原理与此类似&＃xff0c;但含有三个彼此垂直设置的反射面&＃xff0c;从而理论上能够接收来自任何方向的入射波&＃xff0c;并使反射波朝反射源的方向折返。

角反射天线尤其适用于点对点海事导航&＃xff0c;其中&＃xff0c;不同船舶通过以位置上精密设置的反射天线进行问询&＃xff0c;可以精确判定各自的相对位置&＃xff0c;这一方式也称单站散射¹。由于角反射天线的几何结构较为简单&＃xff0c;所以易于确定其后向散射截面积。因此&＃xff0c;角反射天线能够在较宽的入射波角度范围内保持较大的RCS。表1所示为尺寸相对于信号波长较大的一些物体在处于谐振区内时的RCS粗略表示形式。其中&＃xff0c;各RCS粗略表示形式为物体有效增益与其物理面积的乘积²。例如&＃xff0c;边长为6英寸(15厘米)的三面角反射天线在30GHz(λ&＃61;10mm)下的RCS约为22m²。

孔径天线

由于孔径天线能够设置为与飞机或航天器的外壳齐平&＃xff0c;因此尤其适用于航空航天领域。此类天线可使得无线电与传输线路或波导逐渐过渡至自由空间&＃xff0c;并同时实现天线孔与波导之间以及天线孔与自由空间之间的阻抗匹配。表2所示为一些常用波导孔径天线的增益和波束宽度。

对于需要高增益和高方向性的雷达和毫米波应用而言&＃xff0c;喇叭天线是一种广受欢迎的选择。此类天线为锥形结构&＃xff0c;一端具有大的开孔&＃xff0c;另一端为与天线馈源相连的波导法兰。喇叭天线分为角锥喇叭天线、扇形喇叭天线、圆锥喇叭天线、标量(指数)喇叭天线、波纹喇叭天线、增益喇叭天线、馈电喇叭天线等。其中&＃xff0c;喇叭用作将波导模引导至自由空间&＃xff0c;而且其轴向长度和孔径可以调节&＃xff0c;以实现最佳的增益和方向性。

通过求得满足喇叭导电壁处基阶模与高阶模边界条件的麦克斯韦方程组的解&＃xff0c;可以确定电磁场。其中&＃xff0c;由于沿馈源中心轴线的长度与距喇叭边缘的长度之间的差异(图2)会导致相位误差&＃xff0c;因此在应用波导孔径天线理论的同时&＃xff0c;需要对喇叭进行单独考虑。如图所示&＃xff0c;随着主模场线从平面波阵面转变为弯曲波阵面&＃xff0c;该弯曲波阵面与理想的平面波阵面之间的路径差导致产生相位差(即相位误差)&＃xff0c;该相位差必须通过数学方法加以解决⁴。目前&＃xff0c;针对各种喇叭天线&＃xff0c;人们已开发

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