CN102037610B - 用于高功率的具有多级混合波束形成网络的双极化天线 - Google Patents

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Abstract

一种用于高功率的具有多级混合波束形成网络的双极化天线。本发明涉及一种用于高功率天线系统的具有多级配电网络的混合波束形成网络，包括：矩形波导到方同轴线的过渡单元、方同轴到方同轴线的过渡单元、方同轴到微带的过渡单元和微带馈入网络。一种带有多层印刷天线的双极化赋形波束天线包括：第一层，具有C-法兰夹、T-法兰夹和平法兰；第二层，用于将输入提供通过两个波导WR159；第三层，具有用于容纳1×4的盖板；第四层，具有1×4左内导体(4a)和1×4右内导体；第五层，通过提供每侧上的两个与下一对不对称的四个不对称1×8区段，该第五层具有用于1×32方同轴线的两个壳体；第六层，形成用于从所述第五层形成的1×64壳体的盖板底部；和形成微带馈入网络贴片层的馈入网络微带线、下贴片层、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层和上贴片层。

Description

用于高功率的具有多级混合波束形成网络的双极化天线
技术领域
本发明涉及微波通信并进一步涉及波束形成网络的设计。
背景技术
微带贴片辐射器上的双极化天线被提供有多级高功率混合波束形成网络(BFN)。BFN是这种天线系统的核心，这是由于其不仅为所需的辐射提供必需的激励而且还将高功率电平降到微带馈线所能容忍的电平。对于空中和星载应用而言，BFN的关键要求是宽带操作、高精度功率分配(powerdivision)(典型地0.5db幅度和5.0°相位)、高功率能力和可靠技术。
对能够以高功率且紧凑的方式操作的配电网络的需求是需要的。由此开发出新型的多级共同配电网络能够将功率有效地从波导耦合到主级方同轴网络然后耦合到次级方同轴网络并最终从方同轴耦合到微带网络。此配电网络在高功率操作尤其在SAR应用中需要的波束形成网络中获得广泛应用。波束形成网络是波导、方同轴线和微带线的组合以满足高功率需求。赋形通过开发新方向图综合技术来提供用于得到使其能够实现的具有优化电流锥度比和互耦的无波动方向图。
本发明已致力于开发波导和方同轴线的独特的配电网络组合，使其作为用于高功率空中SAR应用的可行辐射振子选件的多级印刷微带天线是可行的。这将利于增加带宽、低插入损耗同时提高交叉极化。
由中空波导制成的波束形成网络从功率控制(power handling)的观点出发是最适合的，但是从重量和紧凑性的观点出发，BFN通常不单单由波导制成。在此情况下，矩形(或更具体地，方形)同轴线在低频范围如L波段、C波段至X波段被用作传输介质。在过去被广泛使用的圆同轴线不提供为为了机械益处的平坦表面，并具有明确限定的极化平面。而且在实际中，可推测的是，至少在一些情况，对于矩形线，交叉极化比或排斥具有不期望的可替代极性的波的能力可能是较优的。矩形同轴线的损耗特性和功率使用能力与圆同轴线的损耗特性和功率使用能力相当。然而，制造具有矩形横截面的部件更经济，并且此类型的同轴线在采用大量部件的馈电系统中被主要使用以形成BFN。
特别地，从方-X到其它传输介质的不同类型的过渡设计对于最佳构造是非常重要的，并且没有公开文献给出这种设计的任何线索。因此，对矩形同轴线和波导波束形成器的各个方面开展系统性研究是绝对必要的，然后进行模拟、设计、制造和RF测试。
发明内容
本发明描述各种过渡，比如方同轴到微带的过渡被提供以匹配电抗，该过渡通过设计具有线性电阻分布特性的探针来匹配内导体中的阻抗和沟槽不连续(groove discontinuity)。新的方同轴线过渡通过为宽带匹配在内和外导体二者中提供沟槽并使其能够在高达X波带的较高频率下操作而被开发。从波导到方同轴线的功率通过开发顶部负载探针(top loaded probe)而被传输。功率还被有效地耦合到驱动印刷贴片并且然后被有效地耦合到寄生贴片辐射器，从而用于提供宽的带宽。
本发明涉及一种用于高功率天线系统的具有多级配电网络的混合波束形成网络，其包括：矩形波导到方同轴线的过渡单元，该过渡单元具有顶部负载哑铃状探针，以提供用于模式变换的电容部件，输入波导管将输入提供到垂直波导管，两个所述波导管通过LMP焊接而连接；方同轴到方同轴线的过渡单元，该过渡单元能够通过圆同轴线连接在馈入网络的两个不同层之间，所述单元具有位于内导体中的不连续沟槽，以相对于外导体或宽带匹配进行优化，所述过渡单元具有输出波导管，该输出波导管被HMP焊接到从波导延伸的曲形垂直波导管；方同轴到微带的过渡单元，该过渡单元具有位于内导体中不连续沟槽，以使其能够以不同频率工作；和用于多层印刷天线处的复杂激励的微带馈入网络，该微带馈入网络通过生成位于单位圆外的根对进行优化。
在本发明的进一步的实施例中，一种带有多层印刷天线的双极化赋形波束天线被限定为包括：第一层，该第一层具有彼此以规定距离分离布置的C-法兰夹、T-法兰夹和平法兰；第二层，该第二层用于将输入提供通过两个波导WR159；第三层，该第三层具有用于容纳1×4的盖板以支撑下一层中的1×4波导；第四层，该第四层具有1×4左内导体和1×4右内导体，两个所述导体均将1个输入分配到4个输出，该第四层在输入端包括矩形波导到方同轴的单元并在输出端包括连接到下一层的方同轴到方同轴的过渡单元；第五层，通过提供每侧上的两个与下一对不对称的四个不对称1×8区段，该第五层具有用于1×32方同轴线的两个壳体；第六层，该第六层形成用于从所述第五层形成的1×64壳体的盖板底部；和形成微带馈入网络贴片层的馈入网络微带线、下贴片层、聚甲基丙烯酰亚胺(Rohacell)泡沫层和上贴片层。
附图说明
将参照附图对本发明进行更加详细地讨论，其中：
图1描绘具有多级混合波束形成网络的双极化天线的三维视图；
图2示出硬件的细节；
图3描绘矩形波导WR159的输入段；
图4示出用于双极的1×16方同轴馈入网络的细节；
图5示出用于双极的1×4方同轴馈入网络的细节；
图6示出1×4方同轴线的内导体和各种过渡；
图7示出1×8方同轴线的内导体和各种过渡；
图8示出1×8方同轴线的不同部分；
图9示出方同轴线到微带线的过渡和方同轴线到方同轴线的过渡；
图10示出双极化天线的8×32振子微带馈入网络层和贴片层。
具体实施方式
描绘了具有多级混合波束形成网络的双极化天线的3D视图，其在天线的分解视图中被进一步限定。具有多层印刷天线(图2)的双极化赋形波束天线由各层形成。其具有第一层，该第一层具有彼此以规定距离分离放置的C-法兰夹(flange clamp)(1a)、T-法兰夹(1b)和平法兰(1c)。第二层将输入提供通过两个波导WR159(2a、2b)，该输入随后通过网络散布。图3中给出波导的细节图。第三层具有用于容纳1×4(3a)的盖板以支撑下一层中的1×4波导，壳体单元被限定在图5中，图5示出形成层的顶部壳体。第四层具有1×4左内导体(4a)和1×4右内导体(4b)，两个导体均将1个输入分配到4个输出(图7)，该层在输入端处具有矩形波导到方同轴的单元并在输出端处具有连接到下一层的方同轴到方同轴的过渡单元。第五层具有用于1×32(5a、5b和图5)方同轴线的两个壳体。这通过每侧上有两个的四个1×8区段而被提供。区段对与彼此相反的下一对是不对称的，从而形成32个输出。第六层形成用于从第五层形成的1×64壳体的盖板底部(6)。最后三层形成微带馈入网络贴片层(图11)，其包括馈入网络微带线(7)、下贴片层(8)、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层(9)和上贴片层(10)。
用于高功率天线系统具有多级配电网络的混合波束形成网络包括以下过渡单元。
波导到方同轴线的过渡
该过渡将功率从波导耦合到方同轴线。矩形波导中的主模是TE10而在方同轴线中是TEM模式。模式变换通过顶部加载探针执行，以给出所需的电容部件。哑铃状的探针用于耦合该过渡。该过渡示出在图6中。矩形波导到方同轴线的过渡单元具有输入波导管(4c)，其将输入提供到垂直波导管(4d)，两个波导管通过LMP焊接而连接。
方同轴到方同轴线的过渡
该过渡将连接方同轴线(SCL)中的馈入网络的两个不同层。圆同轴线用于连接该两个层。回波损耗和插入损耗的性能通过优化内导体的沟槽不连续(groove discontinuity)以及内导体相对于外导体的端部位置来获得。图9中给出了示意图。方同轴到方同轴线的过渡单元能够通过圆同轴线连接在馈入网络的两个不同层之间，所述单元在内导体中具有不连续沟槽，以相对于外导体或宽带匹配进行优化，过渡单元具有输出波导管(4b)，该输出波导管(4b)被HMP焊接到从波导延伸的曲形垂直波导管。
方同轴线到微带线的过渡
从方同轴线到微带线的过渡对于所需的阻抗匹配是最为重要的。单个过渡不能为所有的频率范围工作。为了获得良好的回波损耗和功率耦合，方同轴线的形状在过渡位置处通过提供沟槽不连续而被改进。这些内导体形状中的不同的不连续导致过渡在不同频率范围中工作。该过渡示出在图9中。方同轴到微带的过渡单元被提供以匹配电抗并使其能够以不同频率工作，该过渡单元具有带线性电阻分布特性的探针以匹配内导体中的阻抗和不连续沟槽。
微带馈入网络
此馈入网络已被设计以获得由零扰动法计算出的所需的幅度和相位。通过对位于单位圆外的所有根生成根对来进行优化。馈入网络是导致较小的相散的共同型(corporate type)，并因此提供较大的5.0％的带宽。此馈入网络示出在图10中。多层印刷天线处用于复杂激励的微带馈入网络通过生成位于单位圆外的根对来优化。
主要特征
●天线通过使用混合配电网络利用高功率多级波导到方同轴线、方同轴线到微带。
●用于双极化操作的混合高配电网络由H平面功率分配器、方同轴共同线馈入网络(square coaxial corporate line feed network)和微带共同型馈入网络组成。
●阶梯分配在方同轴共同线馈入网络中给出，以得到所需抑制的旁瓣电平。在微带贴片天线的八个输入端口处的复杂电流激励通过微带配电网络获得。
●多层EMCP辐射器已被选择用于所需的宽的带宽、低交叉极性和低插入损耗。
应用
●高功率混合配电网络能够用作在空中和星载应用中使用的高功率天线系统的波束形成网络。
●通过将高功率混合配电系统馈入到多层印刷天线，其已被用在DMSAR(使用合成孔径雷达的灾害管理)项目的星载应用中。传统印刷天
线不能控制高功率。
DMSAR天线的技术规范
Figure BPA00001213153800061
测量结果
  参数   H-端口   V-端口
  返回损耗带宽   225MHz   225MHz
  峰值增益   26.5dB   26.4dB
  交叉极性   -20.0dB   -19.0dB
  旁瓣电平   -16.0dB   -16.0dB

Claims (2)

1.一种用于高功率天线系统的具有多级配电网络的混合波束形成网络，包括：
矩形波导到方同轴线的过渡单元，该过渡单元具有顶部负载哑铃状探针，以提供用于模式变换的电容部件，输入波导管(4c)将输入提供到垂直波导管(4d)，两个所述波导管通过LMP焊接而连接；
方同轴线到方同轴线的过渡单元，该过渡单元能够通过圆同轴线连接在馈入网络的两个不同层之间，所述单元具有位于内导体中的不连续沟槽，以相对于外导体进行优化和/或匹配电抗并能够使天线系统以不同频率工作，所述过渡单元具有输出波导管(4b)，该输出波导管(4b)被HMP焊接到从波导延伸的曲形垂直波导管；
方同轴线到微带的过渡单元，该过渡单元具有带线性电阻分布特性的探针以匹配阻抗；和
用于多层印刷天线处的复杂激励的微带馈入网络，以获得所需的幅度和相位。
2.一种带有多层印刷天线的双极化赋形波束天线，包括：
第一层，该第一层具有彼此以规定距离分离放置的C-法兰夹(1a)、T-法兰夹(1b)和平法兰(1c)；
第二层，该第二层用于将输入提供通过两个波导WR159(2a、2b)，所述输入随后通过多级波束形成网络被分配；
第三层，该第三层具有用于容纳并支撑下一层中的1×4波导的盖板；
第四层，该第四层具有1×4左内导体(4a)和1×4右内导体(4b)，两个所述导体均将1个输入分配到4个输出，该第四层在输入端包括矩形波导到方同轴线的过渡单元并在输出端包括连接到下一层的方同轴线到方同轴线的过渡单元；
第五层，该第五层具有用于1×32(5a、5b)方同轴线的两个壳体，从而两对1×8区段被提供为不对称并彼此相对；
第六层，该第六层形成用于从所述第五层形成的1×64壳体的盖板底部(6)；和
形成微带馈入网络贴片层的馈入网络微带线(7)、下贴片层(8)、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层(9)和上贴片层(10)。
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