CN102064380A - 波导平板阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种波导平板阵列天线，它具有宽带，高效率馈电的特点。它由矩形开口波导11做辐射单元，4个为1组构成子阵，呈2×2矩形排列，由矩形腔体21为它们提供宽带等幅同相馈电，为保证电磁波在其间高效传输，在每个矩形开口波导11与矩形腔体21交接处设置匹配阶梯13、23。矩形腔体21中心有一矩形窗口22与下一层馈电网络相联。为保证信号畅通，在与每个矩形窗口22相联的馈电网络转角处均布置一个三角形匹配块42。馈电网络采用多级并联的E-T构成，以保证天线有足够的带宽。通过加装圆极化罩实现圆极化波收发能力。本发明相比于现有平板天线有更宽的带宽，更大的馈电效率。

Description

波导平板阵列天线
技术领域
本发明涉及一种波导平板阵列天线，它同时具有工作频带宽、效率高的优点。加装圆极化罩1后还可实现圆极化接收与发射特性。
背景技术
在通信、雷达等系统中天线增益及带宽都是非常重要的指标。微带平板天线一般由微带、带状线等形成馈电网络，辐射单元通常选择微带贴片、缝隙等，构成的平板天线由于含有介质材料，当频率升高时(特别是X～Ka波段)，馈电损耗增加很快，严重影响增益。波导裂缝阵主要有驻波阵和行波阵两大类，它们和微带等采用印刷工艺的天线相比，制做成本高。通常需要焊接工艺，不易大批量生产。同时，驻波阵的带宽受子阵大小限制，一般不超过10％，行波阵带宽虽可大于10％，其波束指向随频率变化，波束宽度相应变大，增益下降。在点对点通信等固定安装条件下不能满足系统使用要求。同时阵列末端吸收负载的存在将天线效率进一步降低。因此在宽带、高效率要求的系统中，这两类平板天线都无法同时满足系统要求。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足之处，提供一种相比于上述现有技术更好的平板天线方案，它能同时实现驻波带宽大、增益高的目的。
本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种波导平板阵列天线，包括一个辐射层10、矩形激励腔体层20、波导E-T馈电网络上层30和波导E-T馈电网络下层40。其特征在于：
1)所述的波导E-T馈电网络上层30和波导E-T馈电网络下层40构成并馈波导馈电网络确保驻波带宽足够大；
2)所述的波导E-T馈电网络上层30和波导E-T馈电网络下层40构成的并馈波导馈电网络是一个E面波导馈电网络，可在波导正中剖开做成两部分，因为此剖面不会引起波导内电场分布改变，所以可以采取螺钉装配，避免了复杂的焊接工艺；
3)所述的辐射层10、矩形激励腔体层20、波导E-T馈电网络上层30和波导E-T馈电网络下层40完全采用金属(或表面镀涂金属的塑料制品)及空气构成天线，使电磁波完全不通过有耗介质，提升效率，从而得到高增益；
4)所述的辐射层10、矩形激励腔体层20、波导E-T馈电网络上层30和波导E-T馈电网络下层40将整个天线分成多个2×2子阵，有效地拓展驻波带宽；
5)所述的矩形激励腔体层20采用矩形激励腔体对称激励上述子阵中各辐射单元拓展驻波带宽；
6)所述的辐射层10由成矩形阵列排列的具有匹配措施的矩形开口波导作为天线阵列的辐射单元，以克服缝隙、贴片等谐振结构作辐射单元时固有的驻波带宽较窄的缺点；
7)在所述的辐射层10之上加装圆极化罩实现圆极化波接收与发射能力。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
天线工作带宽大、增益高。子阵技术使得馈电网络级数减小到在一层平面上也能布置，显著缩小天线厚度。矩形激励腔体的对称性保证子阵各辐射单元到馈电端口物理尺寸相同，从而实现宽带等相位馈电。具有高通特性的矩形开口波导作辐射单元，在矩形开口波导与激励腔体之间的匹配块使腔体内对称同相分布的电磁能量高效地传输到矩形开口波导中并辐射到自由空间。以上3点设计使得本发明与以往的平板天线相比工作带宽更宽。整个设计中没有出现介质材料，保证效率得到尽可能的提高，减小了馈电损耗。矩形激励腔体的对称性保证了子阵技术得以应用，最大程度地减少馈电网络层数，从而缩短了馈电口到每个辐射单元的路径长度，相应地减小了损耗，提高天线增益。
附图说明
本发明的具体结构由以下的实施及其附图给出。
图1是天线从斜上方观察时的分解构造示意图
图2是天线从斜下方观察时的分解构造示意图
图3是子阵分解构造示意图
图4是子阵分解构造示意图(第二种匹配组合)
图5是天线加装圆极化罩示意图
图6是子阵在阵面上旋转90°的布局图
图7是10.7GHz方位面方向图
图8是11.7GHz方位面方向图
图9是12.7GHz方位面方向图
图10是天线驻波比图
附图中：1.圆极化罩、2.上层电路板、3.下层电路板、10.辐射层、11.矩形开口波导、12.扼流槽、13.匹配阶梯、20.矩形激励腔体层、21.矩形腔体、22.矩形窗口、23.匹配阶梯、24.匹配阶梯、30.波导E-T馈电网络上层、31.波导段、32.三角形匹配块、33.矩形匹配块、40.波导E-T馈电网络下层、41.终端、42.三角形匹配块、43.矩形匹配块、44.输入输出波导口
具体实施方式
如图1、2所示天线由四层结构组成，分别是辐射层10、矩形激励腔体层20、波导E-T馈电网络上层30、波导E-T馈电网络下层40。这四层结构按顺序重叠在一起构成平板天线，位于波导E-T馈电网络下层40中部的输入输出波导口44是信号的最终输入输出口。
辐射层10上若干矩形开口波导11完成射频信号从电路到自由空间的转换。与各种形状的微带贴片(矩形、圆形、椭圆形等)、振子、缝隙等工作于谐振特性的辐射单元相比，矩形开口波导11具有高通特征，因此工作带宽很大。矩形开口波导11作为辐射单元，为保证不出现栅瓣，两两间距小于最高工作频率对应自由空间波长的0.9倍。若干扼流槽12用于抑制矩形开口波导11在E面上的互耦，同时还具有减重的功能。
矩形激励腔体层20上部与辐射层10相接。其上有若干个矩形腔体21，每个矩形腔体21都为四个矩形开口波导11提供TE10模激励。这四个矩形开口波导11组成一个2×2子阵，整个辐射阵面由多个子阵在平面上按矩形阵列方式排列组成。
如图3所示，子阵内四个矩形开口波导11位于矩形腔体21的四个角上，呈对称分布，以实现宽带等幅同相的激励。匹配阶梯13、23被设置在矩形腔体21与矩形开口波导11的联接处，完成阻抗转换，保证电磁信号可以近似无反射地通过。第二种匹配阶梯组合(图4)13、24同样可以达到此目的。矩形窗口22位于矩形腔体21底面的正中，它将矩形腔体21内的信号汇聚起来并传递给馈电网络。信号由矩形窗口22通过波导段31传递给终端41，矩形窗口22起到馈电网络终端负载的作用。
如图1、2所示，波导E-T馈电网络上层30与波导E-T馈电网络下层40合起来形成波导E-T馈电网络，它们的联接面正好位于所形成的矩形波导长边的中心线上。在馈电网络的最后一级E-T的每个终端41有一个三角形匹配块42，它实现终端41与波导段31的匹配。这两部分实现电磁信号在所述的波导E-T馈电网络和矩形激励腔体层20之间流通。每个终端41都对应一个2×2子阵，为其馈电，它与对应子阵的输入输出端口——矩形窗口22通过波导段31相联。矩形匹配块33、43保证波导E-T馈电网络的每一级E-T具有很小的电压驻波比。波导E-T馈电网络下层40中部的输入输出波导口44是信号的最终输入输出口，它通过三角形匹配块32实现良好的阻抗匹配。
如图5所示，由两块印制有导电短线的上层电路板2、下层电路板3间隔一定距离平行安装在一起组成圆极化罩1。将圆极化罩1间隔一定距离安装在天线的辐射层10之上就可接收与发射特定旋向的圆极化波(如中星9号发射的左旋圆极化信号)。将圆极化罩旋转180°使上层电路板2在下，下层电路板3在上，间隔上述同样距离安装在天线的辐射层10之上就可接收与发射和上述情况旋向相反的圆极化波(右旋圆极化信号)。
如图6所示，作为天线辐射单元的矩形开口波导11与图1中所示的情形相比旋转了90°。这种单元布局可以接收与发射相对于图1所示天线正交线极化方式的电磁波信号。
由于天线采取了辐射单元对称的子阵、带匹配阶梯的矩形开口波导做辐射单元等宽带措施，整个天线的驻波带宽及增益带宽得到了大幅度的提高。图10为天线在10.5GHz～12.7GHz的驻波比，在2.2GHz的带宽内驻波比都小于2.5。表1列出了主要指标与频率的关系，可观察到在2GHz带宽(10.7GHz～12.7GHz，相对带宽17％)内驻波比均小于1.8。
表1主要指标
Figure BSA00000318442600041

Claims (8)

1.一种波导平板阵列天线包括一个辐射层(10)、矩形激励腔体层(20)、波导E-T馈电网络上层(30)和波导E-T馈电网络下层(40)，辐射层(10)由若干矩形开口波导(11)、扼流槽(12)及匹配阶梯(13)构成，矩形激励腔体层(20)由若干矩形腔体(21)、矩形窗口(22)及匹配阶梯(23)构成，波导E-T馈电网络上层(30)和波导E-T馈电网络下层(40)由若干波导段(31)、终端(41)、三角形匹配块(42)、矩形匹配块(33，43)、一个三角形匹配块(32)及一个输入输出波导口(44)构成。
2.如权利要求1所述的波导平板阵列天线的辐射层(10)，其特征在于，由若干组，每组4个所述的矩形开口波导(11)构成矩形排列的子阵以实现宽带辐射。
3.如权利要求1所述的波导平板阵列天线的辐射层(10)，其特征在于，由所述的扼流槽(12)抑制两个相邻的矩形开口波导(11)间的E面互耦。
4.如权利要求1所述的波导平板阵列天线的矩形激励腔体层(20)，其特征在于，所述的矩形腔体(21)为子阵内的4个矩形开口波导(11)提供对称的宽带同相等幅馈电。
5.如权利要求1所述的波导平板阵列天线，其特征在于，设置在所述的矩形腔体(21)与矩形开口波导(11)联接处的匹配阶梯组合(13，23)或(13，24)为子阵内的4个矩形开口波导(11)提供阻抗匹配。
6.如权利要求1所述的波导平板阵列天线，其特征在于，所述的矩形腔体(21)内的矩形窗口(22)聚焦子阵的能量并成为馈电网络的终端负载。
7.如权利要求1所述的波导平板阵列天线，其特征在于，所述的波导E-T馈电网络的最后一级E-T的每个终端(41)的一个三角形匹配块(42)、波导段(31)及矩形窗口(22)共同实现对矩形腔体(21)的馈电。
8.如权利要求1所述的波导平板阵列天线，其特征在于，将圆极化罩(1)平行地间隔一定距离加装在距辐射层(10)的上部实现圆极化波信号收发功能。
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