CN104852124A - 一种星载k波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列 - Google Patents

Abstract

本发明一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，可以将微波信号辐射向空间，也可以接收来及空间的微波信号。相控阵天线辐射阵列由多个天线单元组成，其中每个单元每个天线单元包含匹配膜片、SMP同轴馈电插座、方波导辐射器、波同转换、SMP馈电插座馈电端、阻抗匹配器及圆极化器，并采用一体化设计，天线单元之间采用了匹配膜片来调配辐射单元之间的耦合特性，以达到更理想的驻波性能和辐射特性。该天线阵结构简单可靠，具有二维±40°宽角扫描、低扫描增益掉落、优异圆极化特性的等优点。满足星载星间、星地通信对相控阵天线性能的需求。天线本身采用铝结构，在轨空间环境的原子氧腐蚀、紫外辐照等因素不会对天线性能造成影响。

Description

一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，主要应用方向为卫星星间、星低通信及测距。

背景技术

在微波天线领域，相控阵辐射阵的典型应用在有源相控阵天线以及无源天线阵上进行微波信号辐射及收集。主要特点为：信号辐射及收集、圆极化实现、支持波束扫描等。

伴随着星间、星地通信及测距的迫切需求，及星间通信的波束快速捷变要求。星载相控阵天线及其天线辐射阵列技术需求迫在眉睫。

目前现有相控阵天线辐射阵列种类较多，但都无法满足星载要求，主要有以下技术难点：

(1)现有相控阵天线辐射阵列扫描角度较小，无法满足星间、星地通信要求；

(2)现有相控阵天线辐射阵列不同扫描角增益掉落较大，在不同扫描角度工作时，其天线单元的驻波性能差，性能无法满足星载通信、测距的链路要求；

(3)现有相控阵天线辐射阵列多为线极化，但是星间、星地通信，由于卫星姿态并不是固定态，固无法采用线极化信号通信，必须要用圆极化通信，而且要求辐射阵列在工作扫描范围内具有良好的圆极化特性，以降低极化损耗，故现有相控阵天线辐射阵无法满足星载星间、星地通信要求；

(4)现有相控阵天线辐射阵列的馈电方式繁琐，辐射器、阻抗匹配器、波导同轴转换等结构较为复杂、重量较重，且需要大量的调试，无法满足星载要求；

(5)现有相控阵天线辐射阵列工作频段往往都在L/S/X/C/KU波段，无法在K波段工作。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，结构简单可靠，具有二维±40°宽角扫描、低扫描增益掉落、优异圆极化特性的等优点。满足星载星间、星地通信对相控阵天线性能的需求。

本发明解决的技术方案为：一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，包括多个完全相同的天线单元，每个天线单元为长方体，长方体中有贯通中空腔体，长方体的内壁为正方形且上部开口，阵列天线单元之间采用正三角形栅布，每个天线单元包含匹配膜片(1)、SMP同轴馈电插座(2)、方波导辐射器(3)、波同转换(4)、SMP馈电插座馈电端(5)、阻抗匹配器(6)、圆极化器(7)；SMP同轴馈电插座(2)包括底座和多个SMP插座和多个通孔，底座的一面安装有多个天线单元的SMP插座，SMP插座从底座的另一面伸出一个馈电针，每个SMP插座等间距；SMP同轴馈电插座(2)在底座的四个角开有四个通孔，用螺钉穿过通孔将多个完全相同的天线单元组成的天线阵列和SMP同轴馈电插座(2)固定连接；阻抗匹配器(6)为一短路薄片，薄片尺寸与长方体的内壁尺寸相匹配，且作为每个天线单元的底面，与SMP同轴馈电插座(2)相接触；圆极化器(7)位于贯通中空腔体中间，一端连接天线阵列的底面，另一端是自由端，圆极化器(7)的高度小于长方体中贯通中空腔体的高度；波同转换(4)固定在圆极化器(7)上靠近底面处，且与底面有一定距离，为0.7mm，波同转换(4)所在的平面与圆极化器(7)所在的平面为正交面，SMP馈电插座馈电端(5)为一盲孔，该盲孔开在波同转换(4)靠近天线单元的内壁位置，且该盲孔的孔端面对天线单元的底面，该盲孔的尺寸与馈电针相匹配；方波导辐射器(3)位于圆极化器(7)上方，天线单元内壁之间形成的腔体；匹配膜片(1)为突棱，沿长方体中的贯通中空腔体内壁延伸，平行于波同转换(4)所在的平面，匹配膜片(1)的尺寸可调，用来调整天线单元互耦，从而改变天线的辐射方向图和圆极化轴比；

该星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列工作时，微波信号从SMP同轴馈电插座(2)和SMP馈电插座馈电端(5)馈入天线单元的波同转换(4)，通过波同转换(4)将原同轴传输的TEM模微波信号转换为TE模线极化微波信号，并馈入圆极化器(7)，其中通过阻抗匹配器(6)调节天线单元的阻抗匹配性能，从而将反射的微波信号的降为最低，再通过圆极化器(7)将TE模线极化微波信号转变为圆极化微波信号，馈入方波导辐射器(3)辐射向空间，多个天线阵元的空间能量矢量合成，形成不同扫描角度的波束。其中匹配膜片(1)用来调节天线阵列的特性，使得天线阵获得较好的驻波性能和辐射特性。

圆极化器(7)包括5阶矩形隔片，从高到低分别为第一阶矩形、第二阶矩形、第三阶矩形、第四阶矩形、第五阶矩形；第一阶矩形长3.6mm，宽1.07mm；第二阶矩形尺寸：长3.85mm，宽2.27mm；第三阶矩形尺寸：长2.65mm，宽3.55mm；第四阶矩形尺寸：长1.4mm，宽5.3mm；第五阶矩形尺寸：长13.6mm，宽7.3mm，该尺寸的圆极化器在K波段中的中心工作频率形成的圆极化波法向轴比优于0.5dB。

方波导辐射器(3)、波同转换(4)、圆极化器(7)为一体化，不需要任何连接及过渡。

SMP同轴馈电插座(2)为背馈接触式馈电，即依靠馈电针和波同转换器上的盲孔，即SMP馈电插座馈电端(5)，进行接触馈电。

阻抗匹配器(6)采用波导短路式匹配，并且同圆极化器(7)、方波导辐射器(3)一体化。

天线单元(A)采用正三角形栅布，间距为0.646λ(λ为波长)。

圆极化器(7)高度为天线阵列高度的

匹配膜片(1)的高度为0.6mm，厚度为0.3mm。

波同转换(4)与底面的距离为0.7mm。

波同转换(4)包含四阶矩形台阶，从高到低分别为第一阶台阶、第二阶台阶、第三阶台阶、第四阶台阶，四个台阶的厚度都为0.9mm，长度都为1.2mm，第一阶台阶高0.42mm；第二阶台阶高0.84mm；第三阶台阶高1.84mm；第四阶台阶高2.3mm；该尺寸的波同转换在K波段所需要的工作频率内的驻波特性优于1.5。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本相控阵天线辐射阵列的每个天线单元采用正方形辐射器设计，最大限度提高了天线口面辐射效率。

(2)本相控阵天线采用了短路式阻抗匹配器、背馈式波同转换及方波导辐射器，天线截面尺寸大大减小，使得天线可以在整个二维±40°扫描角范围内工作，扫描增益掉落较小，优于2dB。

(3)本相控阵天线采用了五阶膜片式圆极化器及匹配膜片，使得辐射阵列圆极化性能优异，圆极化轴比在整个二维±40°扫描区间内优于3dB，可以最大限度降低星间、星低通信及测距的极化损耗。

(4)本相控阵天线辐射阵列的每个圆极化波导喇叭天线单元采用了辐射器、圆极化器、阻抗匹配器、波导同轴转换一体化，天线完成装配后不用再进行调试，并降低了天线的高度，天线具有高度尺寸小(3.5cm)、重量轻等优点，满足星载要求。

(5)馈电方式采用SMP插座直接馈电，馈电方式简单，容易实施、不需要调试；

(6)本相控阵天线辐射阵列每个天线单元之间采用了匹配膜片来调配辐射单元之间的耦合系数，优化了天线辐射阵列在波束扫描时候的驻波特性；

(7)本相控阵天线辐射阵列的设计使得其在K波段具有优异的电性能。

附图说明

图1为本发明的相控阵天线辐射阵列辐射部分结构立体示意图；

图2为本发明的相控阵天线辐射阵列辐射部分结构俯视示意图；

图3为本发明的相控阵天线辐射阵列辐射部分结构侧视示意图

图4为本发明的相控阵天线辐射阵列馈电部分结构俯视示意图；

图5为本发明的相控阵天线辐射阵列馈电部分结构侧视示意图；

图6为本发明中相控阵天线辐射阵列的单个天线单元结构俯视示意图；

图7为本发明中相控阵天线辐射阵列的单个天线单元结构横剖面示意图；

图8为本发明中相控阵天线辐射阵列的单个天线单元结构纵剖面示意图；

图9为本发明中相控阵天线辐射阵列的单个天线单元波同转换部分结构横剖面示意图；

图10为本发明中相控阵天线辐射阵列的单个天线单元各主要部件关系结构立体透视示意图；

图11为本发明中相控阵天线辐射阵列的单个天线电压驻波比(VSWR)仿真结果；

图12为本发明中相控阵天线辐射阵列的单个天线辐射增益方向图仿真结果；

图13为本发明中相控阵天线辐射阵列的单个天线辐射轴比方向图仿真结果；

图14为本发明中相控阵天线辐射阵列应用于相控阵天线整机中辐射幅度方向图实测结果；

图15为本发明中相控阵天线辐射阵列应用于相控阵天线整机中辐射轴比方向图实测结果。

具体实施方式

本发明的基本思路为：提供一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，每个相控阵天线辐射阵列的天线阵元的微波信号从SMP同轴馈电插座和SMP馈电插座馈电端馈入天线单元的波同转换，通过波同转换将原同轴传输的TEM模微波信号转换为TE模线极化微波信号，并馈入圆极化器，其中通过阻抗匹配器调节天线单元的阻抗匹配性能，从而将反射的微波信号的降为最低，再通过圆极化器将TE模线极化微波信号转变为圆极化微波信号，馈入方波导辐射器辐射向空间，多个天线阵元的空间能量矢量合成，形成不同扫描角度的波束。其中匹配膜片用来调节天线阵列的特性，使得天线阵获得较好的驻波性能和辐射特性。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

如图1所示，本实施例星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，包括多个完全相同的天线单元A，天线圆极化器7高度为天线阵列高度的该高度综合考虑了天线小型化和性能的坚固，若过高，要保证天线性能，则需要增加方波导辐射器3的尺寸，会增大天线尺寸，若过低，则会影响天线单元的驻波特性；

如图2所示，本实施例星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，由若干个完全相同的天线单元A组成，天线线单元A采用正三角形栅布，间距为0.646λ(λ为波长)，此间距条件下，可保证天线阵列不出现栅瓣，同时保证天线阵列增益最高。采用本实施例的相控阵天线整机的辐射方向图测试结果如图14所示，从结果可以看出相控阵天线整机在±40°扫描范围内无栅瓣。

如图3所示，本实施例星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，匹配膜片1为金属结构突棱，沿长方体中的贯通中空腔体内壁延伸，平行于波同转换4所在的平面，每个辐射单元A的之间在方波导辐射器3的波导侧壁上延伸出一定高度的匹配膜片，匹配膜片1与方波导辐射器3为一体化。匹配膜片1高度为0.6mm，厚度为0.3mm；该匹配膜片可以改善天线的辐射特性和轴比特性，本实施例天线单元的仿真结果见图12和图13，图12中纵坐标为增益(Gain)单位为dBi，横坐标为辐射角度θ(Theta)，单位为度(deg)；图13的横坐标为辐射角度θ(Theta)，纵坐标为轴比AR(dB),可以看出天线单元的辐射增益方向图在±40°范围内，具有良好的对称性，不同切面也有良好的一致性，也有良好的轴比特性，±40°范围内轴比≤3dB；

如图4、图5所示，本实施例星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，SMP同轴馈电插座2包括底座和多个SMP插座和多个通孔，底座的一面安装有多个天线单元的SMP插座，SMP插座从底座的另一面伸出一个馈电针，每个SMP插座等间距；SMP同轴馈电插座2在底座的四个角开有四个通孔，用螺钉穿过通孔将多个完全相同的天线单元组成的天线阵列和SMP同轴馈电插座2固定连接；SMP同轴馈电插座2为背馈接触式馈电，即依靠馈电针和波同转换器上的金属盲孔，即SMP馈电插座馈电端5，进行接触馈电。

如图6、图7所示，本实施例星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，方波导辐射器3、波同转换4、SMP馈电插座馈电端5、阻抗匹配器6、圆极化器7为一体化，不需要任何连接及过渡。方波导辐射器3在圆极化器7上方，天线单元内壁之间形成的腔体，内腔截面为正方形，边长7.3mm。SMP馈电插座馈电端5为盲孔，距离波同转换边缘0.4mm，该距离下驻波匹配性最好，该尺寸的波同转换在K波段所需要的工作频率内的驻波特性优于1.5。阻抗匹配器6为一短路薄片，并且同圆极化器7、方波导辐射器3一体化，薄片尺寸与长方体的内壁尺寸相匹配，且作为每个天线单元的底面，与SMP同轴馈电插座2相接触。圆极化器7位于贯通中空腔体中间，一端连接天线阵列的底面，另一端是自由端，圆极化器7的高度为天线阵列高度的由于采用了一体化设计，本实施例天线安装面以上尺寸为31mm，高度很小，有利于相控阵天线整机的轻小型化；

如图8所示，本实施例星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，圆极化器7包括5阶矩形隔片，从高到低分别为第一阶矩形、第二阶矩形、第三阶矩形、第四阶矩形、第五阶矩形；第一阶矩形长3.6mm，宽1.07mm；第二阶矩形尺寸：长3.85mm，宽2.27mm；第三阶矩形尺寸：长2.65mm，宽3.55mm；第四阶矩形尺寸：长1.4mm，宽5.3mm；第五阶矩形尺寸：长13.6mm，宽7.3mm，该尺寸的圆极化器在K波段中的中心工作频率有良好的轴比特性；本实施例天线单元的轴比仿真结果见图13，可以看出天线单元的辐射轴比方向图在±40°范围内，有良好的轴比特性，±40°范围内轴比≤3dB，法向轴比优于0.5dB；

如图9所示，本实施例星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，波同转换4包含四阶矩形台阶，从高到低分别为第一阶台阶、第二阶台阶、第三阶台阶、第四阶台阶，四个台阶的厚度都为0.9mm，长度都为1.2mm，第一阶台阶高0.42mm；第二阶台阶高0.84mm；第三阶台阶高1.84mm；第四阶台阶高2.3mm；波同转换距离内壁为1.05mm，该距离下驻波匹配性最好。采用本尺寸的波同转换的本实施例天线单元仿真结果见图11，横坐标为工作频率(Freq)，纵坐标为电压驻波比(VSWR)，从结果可以看出，在K波段所需要的工作频率f1(21GHz)至f2(22GHz)内的驻波特性优于1.5。

如图10所示，本实施例星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，波同转换4及圆极化器7位置关系位于正交面的两个不同面上。

本实施例的最终天线辐射阵列，是将如图4、图5所示的装好SMP插座的馈电部分装入图2、图3所示的辐射部分，利用螺纹紧固。

本发明的星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列应用于中、高轨道卫星相控阵天线上，极大的扩展了卫星星间通信的功能。

采用本发明的相控阵天线具备±40°波束扫描特性，并且在整个±40°波束扫描范围内，具有良好的辐射特性和轴比特性。采用本发明的相控阵天线的扫描辐射方向图如图14，轴比方向图如图15。从测试结果看出相控阵天线可以在二维±40°扫描角范围内工作，扫描增益掉落较小，优于2dB，扫描区间内轴比优于2dB。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：包括多个完全相同的天线单元，每个天线单元为长方体，长方体中有贯通中空腔体，长方体的内壁为正方形且上部开口，阵列天线单元之间采用正三角形栅布，每个天线单元包含匹配膜片(1)、SMP同轴馈电插座(2)、方波导辐射器(3)、波同转换(4)、SMP馈电插座馈电端(5)、阻抗匹配器(6)、圆极化器(7)；SMP同轴馈电插座(2)包括底座和多个SMP插座和多个通孔，底座的一面安装有多个天线单元的SMP插座，SMP插座从底座的另一面伸出一个馈电针，每个SMP插座等间距；SMP同轴馈电插座(2)在底座的四个角开有四个通孔，用螺钉穿过通孔将多个完全相同的天线单元组成的天线阵列和SMP同轴馈电插座(2)固定连接；阻抗匹配器(6)为一短路薄片，薄片尺寸与长方体的内壁尺寸相匹配，且作为每个天线单元的底面，与SMP同轴馈电插座(2)相接触；圆极化器(7)位于贯通中空腔体中间，一端连接天线阵列的底面，另一端是自由端，圆极化器(7)的高度小于长方体中贯通中空腔体的高度；波同转换(4)固定在圆极化器(7)上靠近底面处，且与底面有一定距离，波同转换(4)所在的平面与圆极化器(7)所在的平面为正交面，SMP馈电插座馈电端(5)为一盲孔，该盲孔开在波同转换(4)靠近天线单元的内壁位置，且该盲孔的孔端面对天线单元的底面，该盲孔的尺寸与馈电针相匹配；方波导辐射器(3)位于圆极化器(7)上方，天线单元内壁之间形成的腔体；匹配膜片(1)为突棱，沿长方体中的贯通中空腔体内壁延伸，平行于波同转换(4)所在的平面，匹配膜片(1)的尺寸可调，用来调整天线单元互耦，从而改变天线的辐射方向图和圆极化轴比；

该星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列工作时，微波信号从SMP同轴馈电插座(2)和SMP馈电插座馈电端(5)馈入天线单元的波同转换(4)，通过波同转换(4)将原同轴传输的TEM模微波信号转换为TE模线极化微波信号，并馈入圆极化器(7)，其中通过阻抗匹配器(6)调节天线单元的阻抗匹配性能，从而将反射的微波信号的降为最低，再通过圆极化器(7)将TE模线极化微波信号转变为圆极化微波信号，馈入方波导辐射器(3)辐射向空间，多个天线阵元的空间能量矢量合成，形成不同扫描角度的波束。

2.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：圆极化器(7)包括5阶矩形隔片，从高到低分别为第一阶矩形、第二阶矩形、第三阶矩形、第四阶矩形、第五阶矩形；第一阶矩形长3.6mm，宽1.07mm；第二阶矩形尺寸：长3.85mm，宽2.27mm；第三阶矩形尺寸：长2.65mm，宽3.55mm；第四阶矩形尺寸：长1.4mm，宽5.3mm；第五阶矩形尺寸：长13.6mm，宽7.3mm，该尺寸的圆极化器在K波段中的中心工作频率形成的圆极化波法向轴比优于0.5dB。

3.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：所述方波导辐射器(3)、波同转换(4)、圆极化器(7)为一体化，不需要任何连接及过渡。

4.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：所述SMP同轴馈电插座(2)为背馈接触式馈电，即依靠馈电针和波同转换器上的盲孔，即SMP馈电插座馈电端(5)，进行接触馈电。

5.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：所述阻抗匹配器(6)采用波导短路式匹配，并且同圆极化器(7)、方波导辐射器(3)一体化。

6.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：所述天线单元(A)采用正三角形栅布，间距为0.646λ，λ为波长。

7.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：所述圆极化器(7)高度为天线阵列高度的

8.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：所述匹配膜片(1)的高度为0.6mm，厚度为0.3mm。

9.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：所述波同转换(4)与底面的距离为0.7mm。

10.如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：波同转换(4)包含四阶矩形台阶，从高到低分别为第一阶台阶、第二阶台阶、第三阶台阶、第四阶台阶，四个台阶的厚度都为0.9mm，长度都为1.2mm，第一阶台阶高0.42mm；第二阶台阶高0.84mm；第三阶台阶高1.84mm；第四阶台阶高2.3mm；该尺寸的波同转换在K波段所需要的工作频率内的驻波特性优于1.5。