CN103022727A - 低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线 - Google Patents

低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线 Download PDF

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本发明公开了一种低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，包括倾斜错位排列的双线极化天线单元、扁波导双通道馈电网络、扁波导双通道小型化双工器，波导过渡、小型化TR组件、小型化印制板功分网络。所述的相控阵天线的单元为双线极化波导辐射器，排列方式为三角形倾斜后错排列，实现了较低的天线高度。本发明利用水平极化与垂直极化共用同一孔径的方法，提高天线的孔径利用效率，水平极化与垂直极化均采用扁波导馈电方式，减小了馈电网络的损耗，具有很高天线效率。双极化信号经过天线单元、馈电网络以及双工器后，经由TR组件里的极化调整模块进行极化调整，并由俯仰面网络进行合成，完成射频信号的收发功能。

Description

低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线
技术领域
本发明设计涉及的技术领域包括通信、电子对抗、雷达、遥感等，具有相当的应用背景。本发明特别适用于低剖面卫星移动通信、雷达以及其他系统中的双极化一维有源相控阵天线。
背景技术
目前在通信系统中使用的动中通天线有以下几种形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。
1、传统的反射面和赋形反射面天线，这类天线采用的是机械跟踪模式，跟踪速度慢，在载体的高速运动中，指向误差大，且反射面体积和重量大，安装不方便，无法用作相控阵天线。
2、介质透镜天线，也常采用采用馈源机械扫描的方式，其弱点同样是跟踪速度慢，体积较大，其剖面受限于介质球的的高度，而且馈源和介质球的插损大，阵列控制实现较难。
3、平面阵列天线，其扫描方式也采用机械式，口径效率较低，增益不高，不易实现较大带宽，跟踪速度较慢。
4、两维相控阵天线，其扫描方式为电子波束扫描，扫描速度快，但口径效率较低，成本高、增益在两维扫描时损失大。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处，提供一种高效率、低损耗、低剖面的双线极化动中通收发共用一维有源相控阵天线，既避免了抛物面天线、介质透镜天线和平板阵列天线剖面高、跟踪速度慢的缺点，又避免了两维相扫天线在高低仰角扫描时增益损失大的缺点，本发明可实现在电子扫描范围为图1所示的俯仰面区域，从大地仰角的15度至70度，系统的G/T值均大于10.9dB/K，而方位面实现360度机械扫描方式，该发明具有剖面低、成本低、口径效率高，扫描损失低等优点。
本发明所采用的技术方案为：
低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，包括双极化天线单元1、方位面馈电网络2、双工器3、小型化T/R组件4、射频电缆5和俯仰面微带功分网络6，双极化天线单元1依次通过方位面馈电网络2、双工器3、小型化T/R组件4、射频电缆5和俯仰面微带功分网络6进行连接，其特征在于：双极化天线单元1辐射口面的中心轴线与水平面呈20°至40°的向上夹角，多个双极化天线单元1在每一行上按照统一高度进行排列，相邻两行双极化天线单元1的辐射口面外壁相接，上面一行的双极化天线单元1辐射口面沿下面一行的双极化天线单元1口面的上侧壁向下方位移一定距离。
其中，双极化天线单元1包括辐射口面1-3、主波导1-4、垂直极化波导1-2和水平极化波导1-1；主波导1-4的上端与辐射口面1-3相连，主波导1-4的下端与垂直极化波导1-2相连；水平极化波导1-1通过设置在主波导1-4侧壁的耦合缝隙与主波导1-4相连通。
其中，方位面馈电网络2为扁波导双通道方位面馈电网络，扁波导内腔分为上下两层，两层之间为金属化隔板，上层为水平极化通道的功分网络，下层为垂直极化通道的功分网络。
其中，双工器3为扁波导双通道的双工器，扁波导内腔分为上下两层，每一层实现一路极化信号的频率双工，其中上层为水平极化通道，下层为垂直极化通道。
其中，小型化T/R组件4包括小型化接收组件4-1和小型化发射组件4-2；其中小型化接收组件4-1的输入端口15为上下两层扁波导端口，上层为水平极化信号端口，下层为垂直极化信号端口，其输出端口14为一路SMA接头的射频信号接口；其中小型化发射组件4-2的输入端口18为一路SMA接头的射频信号接口，其输出端口17分为上下两层扁波导端口，上层为水平极化信号端口，下层为垂直极化信号端口。
其中，辐射口面1-3的尺寸为0.75至0.93倍波长，主波导1-4的截面尺寸为0.55至0.65倍波长；垂直极化通道1-2和水平极化通道1-1馈电端口宽边尺寸为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸0.15至0.2倍波长。
其中，扁波导双通道的方位面馈电网络2为实现两个极化馈电的H-T双层波导槽洗结构，每一层均为1:N的波导功分器；双通道总口的宽边尺寸均为0.63至0.78倍波长；窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长，上层水平极化通道的分口12的馈电端口宽边尺寸均为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长，下层垂直极化通道的分口13的馈电端口宽边尺寸为0.55至0.65倍波长，窄边尺寸0.15至0.2倍波长；方位面馈电网络2的厚度为0.47至0.56倍的波长。
其中，扁波导双通道的小型化双工器3收发通道的总口和分口厚度均为0.47至0.56倍的波长，长度均为10.2至12.3倍的波长。
其中，小型化T/R组件中接收组件的输入端口15的尺寸，其宽边均为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长；小型化T/R组件中发射组件的输入端口17的尺寸，其宽边均为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明的阵列天线在俯仰方向采用相控阵形式，可进行从地面仰角15到70度的较大范围电扫描，满足通信天线扫描范围的要求，在扫描范围内增益损失低。
2、本发明所采用的馈电网络和双工器均采用双通道的扁波导形式，能够有效的降低天线阵面的高度，同时具备插损小、信号隔离度高的优点，可以满足收发信号的高度隔离。
3、本发明所采用的天线排布方式为每一行的天线单元向后方和上方倾斜错位的排布方式，这样既实现了阵面的低剖面要求，又能满足天线阵面在低仰角的性能要求，可实现在低仰角较高的G/T值。
4、本发明中的天线单元可以采用单体加工、也可以采用一行天线整体加工，一致安装的方式，实现简单，材料可以选取纯金属材料，如铝、铜等，或者采用塑料成型镀金属的形式以减轻重量。
本发明的相控阵天线实现了空间中的一维相控阵扫描，在不影响结构安装的情况下，单元的排布可以尽可能的紧凑，以实现较大的扫描范围；方位面馈电网络和双工器以及有源器件部分采用双H面波导走线，可以一体加工，并能实现良好的匹配和较小的插入损耗。
附图说明
图1是本发明相控阵天线的扫描示意图。
图2是本发明相控阵天线的侧视图。
图3是本发明相控阵天线的俯视图。
图4是本发明相控阵天线单元的侧视图。
图5是本发明相控阵天线单元排布的侧视图。
图6是本发明方位面馈电网络与双工器之间的接口示意图。
图7是本发明方位面馈电网络三视图。
图8是本发明所用双工器的外形示意图。
图9是本发明所用接收组件的外形示意图。
图10是本发明所用发射组件的外形示意图。
图11是本发明所用俯仰面馈电网络的外形示意图。
具体实施方式
参照图1至图11，本发明的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，包括倾斜错位排列的双极化天线单元1、扁波导双通道的方位面馈电网络2、扁波导双通道的小型化双工器3、小型化T/R组件4，射频电缆5以及俯仰面微带功分网络6等，如图2和图3所示的设备组成。
天线阵列由M×N个倾斜错位排列的双极化天线单元1(以下简称单元1)组成，M和N为自然数，实施例中，M为8，N为16。双极化天线单元1的辐射口1-3尺寸为0.75至0.93倍波长，波导体1-4的截面尺寸为0.55至0.65倍波长；垂直极化通道1-2端口宽边尺寸为0.55至0.65倍波长，窄边尺寸为0.15至0.2倍波长；单元1中水平极化通道1-2端口宽边尺寸为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸为0.15至0.2倍波长。阵列天线单元1的主体与水平面成α角度的倾斜放置，如图4，每相邻行的双极化天线单元1的位置关系为向上方与向后方错位排列，如图5所示；在水平面上，呈三角形排列方式。
扁波导双通道的方位面馈电网络2为实现两个极化馈电的H-T双层波导槽洗结构，双总口的宽边尺寸均为0.63至0.78倍波长；窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长。上下两层分别实现1:N信号等功分，其中扁波导双通道的方位面馈电网络2的信号分口12，13(图7(a))分别与双极化天线单元1的水平极化通道1-1和垂直极化通道1-2相连接，扁波导双通道的方位面馈电网络2的信号总口11(图7(b))含有两个通道，分别为通道8和通道9(图6，图7(c))，与扁波导双通道的小型化双工器3的总口3-1相连接。接口形式如图6所示。
扁波导双通道的小型化双工器3为H-T双层波导槽洗结构，信号总口3-1与扁波导双通道的方位面馈电网络2的总口11相连接；接收信号分口3-2与小型化TR组件4-1的端口15相连接，发射信号分口3-3与小型化TR组件4-2的端口17相连接，接口形式如图6所示。
小型化T/R组件4由小型化接收组件4-1和小型化发射组件4-2组成。其中小型化接收组件4-1的端口15与扁波导双通道小型化双工器3接收端信号分口3-2相连，端口14连接电缆5；小型化发射组件4-2的端口17与扁波导双通道小型化双工器3的发射信号端口3-3相连，端口18与电缆5相连，
射频电缆5为普通稳相射频电缆，其长度可按照小型化T/R组件4和俯仰面微带功分网络6之间的位置关系进行选取，接头均为SMA。
俯仰面微带功分网络6分为接收俯仰面功分网络6-1和发射俯仰面功分网络6-2组成，接收俯仰面功分网络6-1分口与射频电缆5相连，总口20连接接收机等设备；发射俯仰面功分网络6-2总口22与发射机等向量，分口21与射频电缆5相连。
本发明是系统集成性内容，为天线单元按照倾斜错开排列的一维有源相控阵天线系统，天线单元的新颖排布保证了天线系统的低剖面要求。其中双极化天线单元1的实施可以采用分体加工的方式，亦可开磨具整体加工或者分段加工，运用在焊接、拼装的方式均可；扁波导双通道的方位面馈电网络2采用双层铣洗的方式，辅以数控刀削的技术手段可以进行双面加工，外加两侧盖板的方式完成其装配方式；扁波导双通道的小型化双工器3也可以采用双层铣洗的方式，辅以数控刀削的技术手段可以进行双面加工，外加两侧盖板的方式完成其装配方式；小型化T/R组件4可以采用双层波导走线，集成封装的方式，内含低噪放、功放、移相器、极化调整电路等子模块；射频电缆5为普通稳相射频电缆，需保证两端连接关系与长度、稳相性能、插损、驻波比等即可；俯仰面微带功分网络6可以采用印制板雕刻腐蚀的方式进行加工，技术成熟、可靠性高。
上述阐明的低剖面一维相控阵天线，首先在不需要相控的方向上进行网络合成，合成后在经过双工器、有源组件，即可以再进一步进行端口合成，可以保证在一维方向上进行电子波束扫描，降低了机械性能的要求。
工作原理
按照该发明的内容，阐述其工作原理。
当发射信号时，发射机产生一路射频信号(信号1和信号2)，经过端口22进入俯仰面微带功分网络6-2，该功分网络对信号进行1:N功率分配，并分别进入每一路通道，到达端口21，经射频电缆5后进入每一个小型化发射组件4-2，在4-2中经过极化调整模块，产生两路信号，并分别经过移相器、功放等有源器件后，进行信号放大，由端口17进入每一路的扁波导双通道的小型化双工器3的发射双通道端口3-3，由信号总口3-1进入扁波导双通道的方位面馈电网络2的总口11，经内部功分网络后，产生每一路的射频信号，进入到分口12，由分口12分别进入所连接的双极化天线单元，其中，一路垂直极化信号经过主波导端1-4，到达辐射端口1-3，其极化形式依然为垂直极化，另外一路垂直极化信号经过水平极化通道1-1，有缝隙耦合至主波导端1-4，形成水平极化信号，到达辐射端口1-3；最后由每个单元将双极化信号辐射出去，在空间完成发射双极化信号的功率合成。
当接收信号时，空间来的两种线极化方式的信号经过如图4所示的双极化天线单元1的辐射口1-3，进入主波导1-4，其中水平极化信号经过缝隙耦合至水平极化波导通道1-1，信号转化为垂直极化；其中垂直极化信号由主波导1-4逐步进行阻抗变化后传输至垂直极化波导通道1-2，双路极化信号分别通过扁波导双通道的方位面馈电网络2的分口12后，在内部进行信号合成，分别达到其总口11，并由双工器进行收发信号频率的分离，其接收频段的信号由扁波导双通道的小型化双工器3的接收双通道端口3-2进入小型化TR组件4的接收组件4-1，信号由接收组件的有源器件进行信号放大、移相以及极化调整后，两路信号合二为一，由端口14输出，。经由普通稳相射频电缆5进入俯仰面微带功分网络6-1的分口19，再进行信号总合成，整个阵面系统的合成信号由端口20进入接收机设备等。

Claims (9)

1.低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，包括双极化天线单元(1)、方位面馈电网络(2)、双工器(3)、小型化T/R组件(4)、射频电缆(5)和俯仰面微带功分网络(6)，双极化天线单元(1)依次通过方位面馈电网络(2)、双工器(3)、小型化T/R组件(4)、射频电缆(5)和俯仰面微带功分网络(6)进行连接，其特征在于：双极化天线单元(1)辐射口面的中心轴线与水平面呈20°至40°的向上夹角，多个双极化天线单元(1)在每一行上按照统一高度进行排列，相邻两行双极化天线单元(1)的辐射口面外壁相接，上面一行的双极化天线单元(1)辐射口面沿下面一行的双极化天线单元(1)口面的上侧壁向下方位移一定距离。
2.根据权利要求1所述的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，其特征在于：所述的双极化天线单元(1)包括辐射口面(1-3)、主波导(1-4)、垂直极化波导(1-2)和水平极化波导(1-1)；主波导(1-4)的上端与辐射口面(1-3)相连，主波导(1-4)的下端与垂直极化波导(1-2)相连；水平极化波导(1-1)通过设置在主波导(1-4)侧壁的耦合缝隙与主波导(1-4)相连通。
3.根据权利要求1或2所述的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，其特征在于：所述的方位面馈电网络(2)为扁波导双通道方位面馈电网络，扁波导内腔分为上下两层，两层之间为金属化隔板，上层为水平极化通道的功分网络，下层为垂直极化通道的功分网络。
4.根据权利要求3所述的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，其特征在于：双工器(3)为扁波导双通道的双工器，扁波导内腔分为上下两层，每一层实现一路极化信号的频率双工，其中上层为水平极化通道，下层为垂直极化通道。
5.根据权利要求4所述的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，其特征在于：所述的小型化T/R组件(4)包括小型化接收组件(4-1)和小型化发射组件(4-2)；其中小型化接收组件(4-1)的输入端口(15)为上下两层扁波导端口，上层为水平极化信号端口，下层为垂直极化信号端口，其输出端口(14)为一路SMA接头的射频信号接口；其中小型化发射组件(4-2)的输入端口(18)为一路SMA接头的射频信号接口，其输出端口(17)分为上下两层扁波导端口，上层为水平极化信号端口，下层为垂直极化信号端口。
6.根据权利要求2所述的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，其特征在于：辐射口面(1-3)的尺寸为0.75至0.93倍波长，主波导(1-4)的截面尺寸为0.55至0.65倍波长；垂直极化通道(1-2)和水平极化通道(1-1)馈电端口宽边尺寸为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸0.15至0.2倍波长。
7.根据权利要求2所述的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，其特征在于：所述的扁波导双通道的方位面馈电网络(2)为实现两个极化馈电的H-T双层波导槽洗结构，每一层均为1:N的波导功分器；双通道总口的宽边尺寸均为0.63至0.78倍波长；窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长，上层水平极化通道的分口(12)的馈电端口宽边尺寸均为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长，下层垂直极化通道的分口(13)的馈电端口宽边尺寸为0.55至0.65倍波长，窄边尺寸0.15至0.2倍波长；方位面馈电网络(2)的厚度为0.47至0.56倍的波长。
8.根据权利要求3所述的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，其特征在于：所述的扁波导双通道的小型化双工器(3)收发通道的总口和分口厚度均为0.47至0.56倍的波长，长度均为10.2至12.3倍的波长。
9.根据权利要求4所述的低剖面动中通收发共用一维有源相控阵天线，其特征在于：所述的小型化T/R组件中接收组件的输入端口(15)的尺寸，其宽边均为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长；所述的小型化T/R组件中发射组件的输入端口(17)的尺寸，其宽边均为0.63至0.78倍波长，窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长。
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