CN102255138A - 圆极化波导平板阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆极化波导平板阵列天线，它具有天线效率高、制作成本低廉的优点。它在由波导馈电网络激励的矩形开口波导31阵列构成的宽带线极化波导平板阵列天线2上安装圆极化器1实现优良的圆极化波接收与发射能力。所述及的圆极化器1在XY平面上的尺寸与辐射层30完全相同，它由完全相同的两层用导电油墨丝印有斜“十”字图案11的介质薄膜10与ABS材料制作的介质隔框20构成。本发明相比于现有圆极化平板天线有圆极化带宽大、成本低、馈电损耗小的特点。

Description

圆极化波导平板阵列天线

技术领域

本发明涉及一种圆极化波导平板阵列天线，它具有天线效率高、制作成本低廉的优点。

背景技术

在卫星电视、通信等系统中天线增益与成本是非常重要的指标。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。而且在需要大批量生产的直播卫星电视接收天线应用中，居高不下的微波板材成本及蚀刻加工费用决定了微带天线在这种产品中很难得到应用。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，制做成本更高。通常需要焊接工艺，不易大批量生产。因此上述两类常见平板天线无法制作低成本、高效率的卫星直播电视接收天线。由波导馈电网络激励的矩形开口波导阵列可构成一种宽带线极化天线，在其上加装圆极化罩可得到良好的圆极化性能，但是当天线波束较宽时需要圆极化罩的尺寸大于天线阵面。

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圆极化平板天线方案，它能同时实现天线效率高、制作成本低廉的目的。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种圆极化波导平板阵列天线，包括完全相同的两层用导电油墨丝印有斜“十”字图案11的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)介质薄膜10、ABS材料制作的开有若干窗口21的介质隔框20、一个辐射层30、矩形激励腔体层40、波导E-T馈电网络上层50和波导E-T馈电网络下层60。其特征在于：

1)所述的辐射层30、矩形激励腔体层40、波导E-T馈电网络上层50和波导E-T馈电网络下层60构成波导平板阵列天线2；

2)所述的辐射层30、矩形激励腔体层40、波导E-T馈电网络上层50和波导E-T馈电网络下层60完全采用表面镀涂金属的塑料制品及空气制作波导平板阵列天线2，使电磁波完全不通过有耗介质，提升效率，从而得到高增益，同时制作成本低廉；

3)在所述的辐射层30之上安装有圆极化器1，它由完全相同的两层用导电油墨丝印有斜“十”字图案11的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)介质薄膜10(一般取厚度0.2mm)中间夹一层ABS材料制作的开有若干窗口21的介质隔框20构成。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

天线制作成本低廉、增益高且工作于圆极化。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。辐射层、矩形激励腔体层、波导E-T馈电网络上层和波导E-T馈电网络下层完全采用表面镀涂金属的塑料制品制作，便于大批量生产及实现极低的成本。完全相同的两层用导电油墨丝印有斜“十”字图案的厚0.2mm的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)介质薄膜与ABS材料制作的介质隔框构成的圆极化器实现圆极化波接收与发射能力，它同样具有极低的加工成本。所述及的圆极化器在XY平面上的尺寸与辐射层完全相同。以上3点设计使得本发明与以往的圆极化平板天线相比减小了馈电损耗、降低了产品制作成本。

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是天线组装在一起的斜视图

图4是天线组装在一起的端视图

图5是天线工作于右旋圆极化时的斜“十”字图案

图6是天线工作于左旋圆极化时的斜“十”字图案

图7是斜“十”字图案上电场分量示意

图8是轴比/频率关系曲线

图9是增益/频率关系曲线

附图中：1.圆极化器、2.波导平板阵列天线、10.介质薄膜、11.斜“十”字图案、20.介质隔框、21.窗口、30.辐射层、31.矩形开口波导、32.扼流槽、33.匹配阶梯、40.矩形激励腔体层、41.矩形窗口、42.矩形腔体、43.匹配阶梯、50.波导E-T馈电网络上层、51.波导段、60.波导E-T馈电网络下层、61.终端、62.输入输出波导口

具体实施方式

如图1、2所示天线由七层结构组成，按顺序分别是介质薄膜10、介质隔框20、介质薄膜10、辐射层30、矩形激励腔体层40、波导E-T馈电网络上层50、波导E-T馈电网络下层60。前三层形成圆极化器1，后四层形成波导平板阵列天线2，圆极化器1叠在波导平板阵列天线2之上构成圆极化波导平板阵列天线，位于波导E-T馈电网络下层60中部的输入输出波导口62是信号的最终输入输出口。图3、4示出了上述七层结构装配在一起后形成的圆极化波导平板阵列天线。

介质薄膜10通过在厚0.2mm(或其它厚度)的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或其它介质材料上用导电油墨丝印斜“十”字图案11制成。斜“十”字图案11的两条相互正交的直线段长度不等，当线极化波的电场方向与这两条直线段成45度时可以在两条正交直线段上感应出电流，电流的幅度及相位和直线段长度有关。当两直线段长度之比在1附近时，两直线段上的幅度比也较接近1，相位却可以有明显差异。调整两直线段长度比，能够得到接近90度的感应电流相位差，同时感应电流幅度比却接近1，于是就实现了线极化波到圆极化波的转换。如图7所示，当矩形开口波导31上的线极化入射波E_i照射到斜“十”字图案11上时，在斜“十”字图案11的两个线段上将分别激励起E_L(长线段上的场分量)与Es(短线段上的场分量)。长线段上场分量的相位滞后于短线段，因此如图5所示的方向工作于右旋圆极化，图6为左旋圆极化。

介质隔框20由ABS板材制作，其上开有若干窗口21，厚度约为0.25λc(中心工作波长)。一层介质薄膜10在线极化波的激励下会向膜的两面辐射，会严重影响驻波比。两层介质薄膜10中间夹一层介质隔框20的结构能够极大地改善驻波比，构成一个性能良好的圆极化器。这是由于间隔0.25λc的两层介质薄膜10的反射波相位差180度，两个反射波正好被抵消。

辐射层30、矩形激励腔体层40、波导E-T馈电网络上层50、波导E-T馈电网络下层60构成工作于线极化波的波导平板阵列天线，它激励上述由两层介质薄膜10中间夹一层介质隔框20构成的圆极化器实现线极化波到圆极化波的转换。

辐射层30由若干矩形开口波导31、匹配阶梯33和扼流槽32构成。每个矩形开口波导31内有一个匹配阶梯33。矩形开口波导31作为辐射单元，为保证不出现栅瓣，两两间距d必须小于最高工作频率对应自由空间波长λmin，一般取d＝0.9λmin。若干扼流槽32用于抑制矩形开口波导31在E面上的互耦，同时还具有减重的功能。

矩形激励腔体层40上部与辐射层30相接。其上有若干个矩形腔体41，每个矩形腔体41都为四个矩形开口波导31提供TE10模激励。这四个矩形开口波导31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1、2所示，波导E-T馈电网络上层50与波导E-T馈电网络下层60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。每个终端61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41通过波导段51相联。波导E-T馈电网络下层60中部的输入输出波导口62是信号的最终输入输出口。

如图5、6所示，斜“十”字图案11的长短线段的方向决定了圆极化波导平板阵列天线能够辐射或接收圆极化波的旋向。图5为右旋，图6为左旋。

图7为天线在11GHz～12.5GHz的圆极化轴比，在1.4GHz的带宽内轴比都小于6dB，具有很大的轴比带宽。图8为天线在11GHz～12.5GHz的增益，在1.5GHz的带宽内都大于27dBi，可见天线有很高的效率。

Claims (5)

1.一种圆极化波导平板阵列天线，包括完全相同的两层用导电油墨丝印有斜“十”字图案(11)的介质薄膜(10)、介质材料制作的开有若干窗口(21)的介质隔框(20)、一个辐射层(30)、矩形激励腔体层(40)、波导E-T馈电网络上层(50)和波导E-T馈电网络下层(60)构成。

2.如权利要求1所述的圆极化波导平板阵列天线的介质薄膜(10)其特征在于，由导电油墨丝印有大量斜“十”字图案(11)制成，每层介质薄膜(10)上的斜“十”字图案(11)的数量与矩形开口波导(31)相等，且上层介质薄膜(10)上的每个斜“十”字图案(11)的中心与其下矩形开口波导(31)的中心及下层介质薄膜(10)上的对应斜“十”字图案(11)的中心在XY平面的投影上重合。

3.如权利要求1所述的斜“十”字图案(11)其特征在于，由两个正交的直线段构成，两个直线段的长度不等，任一线段的方向与窗口(21)或者矩形开口波导(31)的任一边交45度。

4.如权利要求1所述的介质隔框(20)，其特征在于，由介质材料制作，其上开有若干窗口(21)，每个窗口(21)对应一个矩形开口波导(31)、上层介质薄膜(10)上的一个斜“十”字图案(11)、下层介质薄膜(10)上的一个斜“十”字图案(11)。

5.如权利要求1所述的介质薄膜(10)、介质隔框(20)，其特征在于，两层介质薄膜(10)中间夹一个介质隔框(20)构成圆极化器(1)。 

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