CN104901001A - 脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线。所述脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线包括两个并列排列的脊波导偏置缝谐振阵天线单元、均布在微带板外侧面上的两块以上的正金属贴片和两块以上的负金属贴片，两块以上的正金属贴片的中心与第一辐射波导上的两条以上的辐射缝隙一一对应，两块以上的负金属贴片的中心与第二辐射波导上的两条以上的辐射缝隙一一对应，正金属贴片和负金属贴片均为耦合微带振子，实现天线双极化。本发明采用同一种脊波导结构，实现双极化，剖面低；通过工字形耦合缝直接耦合馈电，实现天线及馈线一体化设计。并且以本发明所述天线为单元可以任意组成大型平面阵列。

Description

脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线

技术领域

本发明属于平板天线技术领域，具体涉及一种脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线。

背景技术

阵列天线广泛应用于机载、舰载、车载等移动通信领域，相比于反射面天线来说，阵列天线可以便利实现低剖面，效率更高。在制造工艺获得进一步发展的今天，阵列天线的价格已经大大下降，但相比反射面天线还是偏高，特别是实现双极化的平板天线的价格更高。目前，已有的解决办法有类似于动中通领域的喇叭阵天线，全波导结构，带宽宽，效率高，双极化斜波束波导缝隙阵列天线，采用两种不同结构的缝隙行波阵交叉排列，实现双极化，且波束倾斜45°，可以实现更低的剖面。国外Raysat和KVH分别有一款双极化阵列天线用于Ku频段卫星电视接收，都采用的是微带贴片型式，为早期的产品，制作成本要高一个量级。本发明还是立足于低成本制作，全波导网络结构，以保证天线的效率。其主要特点是采用相同的脊波导偏置缝实现双极化，这就避免了出现需要切割到宽边的缝隙，不需要两个极化的缝隙上下分开布置。偏置直缝也属于最容易加工的缝隙，极化纯度较高。在卫星电视应用的场合，根据天线的增益要求，脊波导谐振阵无需分段，可以在两层脊波导内实现阵列的合成，这样双极化天线的厚度加上微带振子也只有16mm，相对喇叭阵的厚度是50.9mm。这种形式也可以采用塑料模具成型，表面金属化，最后天线的重量可以大大降低。厚度和重量的降低对系统结构伺服设计都有很重要的意义。

地球同步卫星上的信号多采用线极化传送方式，既有水平极化也有垂直极化，由于赤道上空的卫星经纬度与接收地经纬度一般并不相同，所以卫星发出的水平或垂直极化波到达接收地后极化方向会发生变化，双极化天线要实现极化跟踪，既可以是双线极化，也可以是双圆极化，但其两个极化的波束指向必须基本一致，这样才能保证两个极化接收的幅度基本一致，可以通过后端的电路实现极化跟踪。

发明内容

为突破现有波导缝隙双极化天线的局限性，本发明提出一种结构形式简单、剖面低、适用于移动卫星通信终端的平板天线。

脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线包括两个脊波导偏置缝谐振阵天线单元，所述的脊波导偏置缝谐振阵天线单元由工字形耦合缝连接的辐射波导和馈电波导组成，所述辐射波导和馈电波导均为单脊波导；所述辐射波导的两端封闭，辐射波导上均布设有两条以上的偏置的辐射缝隙，偏置的辐射缝隙的辐射强度与偏置量有关，不偏置的缝隙不辐射。工字形耦合缝位于相邻两条辐射缝隙的对称中心，选择越靠近辐射脊波导的中心，谐振阵的带宽越宽。

所述辐射波导和馈电波导均为单脊波导；所述馈电波导的长度小于辐射波导的长度, 且一端封闭；

所述两个脊波导偏置缝谐振阵天线单元并列排列；其中两个辐射波导分别为第一辐射波导1和第二辐射波导2，对应平行位于一侧；两个馈电波导分别为第一馈电波导9和第二馈电波导10，对应平行位于另一侧；第一辐射波导1和第二辐射波导2在长度方向相互错开，使二者上的辐射缝隙相互错开；与辐射缝隙对应的两个辐射波导上方设有微带板5，两个辐射波导和微带板5之间设有间隙；微带板5的外侧面上均布设有两块以上的正45°角的正金属贴片6和两块以上的负45°角的负金属贴片7；

所述正金属贴片6是以波导中心线为基准顺时针转45°角；所述负金属贴片7是以波导中心线为基准逆时针转45°角；两块以上的正金属贴片6的中心与第一辐射波导1上的两条以上的辐射缝隙一一对应，两块以上的负金属贴片7的中心与第二辐射波导2上的两条以上的辐射缝隙一一对应，正金属贴片6和负金属贴片7均为耦合微带振子，实现天线双极化。

所述正金属贴片或负金属贴片均为矩形金属贴片。

所述两个辐射波导和微带板5之间的间隙为2～４mm。

两个并列排列脊波导偏置缝谐振阵天线单元的馈电波导的封闭端方向相反。

以所述脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线为天线单元，由两个以上的天线单元并列排列组成脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线阵；相邻天线单元的第一馈电波导9的馈电端通过馈电网络连接着第一出口波导13，相邻天线单元的第二馈电波导10的馈电端通过馈电网络连接着第二出口波导14。

所述馈电网络包括一个以上的T形功分器11和一根以上的脊波导构成；同种极化的馈电波导通过T形功分器11合成在一起。

相邻两根脊波导之间通过耦合缝连接形成两层以上的馈电网络；所述T形功分器11的输出端通过一层脊波导将网络过渡到另一层脊波导，最终同一种极化的两层以上的馈电网络只有一个合成端口。

两个脊波导谐振阵天线单元在辐射波导方向错开一段距离，以避免金属贴片的相互干涉。

两个并列排列的脊波导偏置缝谐振阵天线单元的辐射波导的总宽度小于一个波长，因此可以保证阵列天线不出现栅瓣。

目前喇叭阵的单元间距在22-23mm之间。波导缝隙之间的间距由选择的脊波导的波导波长决定，目前的间距是19.5mm（缝隙之间），波导单元之间的间距为20mm（波导之间壁厚2mm），这样若要达到原来16*8单元的口径（367mm*174.4mm），波导需要18根，缝隙需要9个。而9个缝谐振阵如果不分段，带宽很难达到1GHz。相对而言，车载卫星电视接收天线希望更小的高度，因此垂直面采用6个缝，其宽度为117mm，为保持原有的增益，天线长度要达到547mm，波导之间的间距可以扩大到22.8mm，波导数目24根。也可以采用12根波导，273.6mm*234mm。可以根据实际情况来选择，例如16根波导，长度364.8mm，增益下降约1.8dB。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明两种极化采用同一种脊波导偏置缝谐振阵天线单元，辐射缝隙均布在辐射波导宽边上，辐射波导和馈电波导均采用脊波导结构；与传统双极化波导缝隙天线采用两种不同偏置缝形式（一种波导宽边偏置缝隙，另一种波导窄边偏置缝，两种波导存在高度差）相比，结构简单，可以实现更低的剖面；

2.本发明通过工字形耦合缝直接耦合馈电，全波导结构实现天线及馈线一体化设计；

3.以所述脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线为单元，可以任意组成大型平面阵列。根据阵列的规模和带宽的要求，可以将脊波导偏置缝谐振阵天线单元的辐射波导分段，为避免与旁边线阵的干涉，馈电网络可以通过耦合缝分层，分层规模由辐射波导分段的数量决定。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1俯视图；

图3为脊波导偏置缝谐振阵天线单元结构示意图；

图4为脊波导偏置缝谐振阵天线单元馈电结构示意图；

图5为由两个天线单元组阵示意图；

图6为图5的后视示意图；

图7为由两个以上天线单元线阵组阵示意图；

图8为图7的后视示意图；

图9为馈电网络结构示意图；

图10为本发明双极化天线驻波；

图11本发明双极化天线极化隔离；

图12为本发明双极化天线+45°极化方向图；

图13为本发明双极化天线-45°极化方向图。

 上图中序号：第一辐射波导1、第二辐射波导2、第一辐射缝隙3、第二辐射缝隙4、微带板5、正金属贴片6、负金属贴片7、工字形耦合缝8、第一馈电波导9、第二馈电波导10、T形功分器11、功分耦合缝12、第一出口波导13、第二出口波导14。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

参见图1和图2，脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线，包括两个并列排列的脊波导偏置缝谐振阵天线单元；参见图3和图4，由第一辐射波导1和第一馈电波导9通过工字形耦合缝8连接组成一个单元，第一辐射波导1的宽边上均布设有六条偏置的第一辐射缝隙3；由第二辐射波导2和第二馈电波导10通过工字形耦合缝8连接组成另一个单元，第二辐射波导2的宽边上均布设有六条偏置的第二辐射缝隙4。第一辐射缝隙3和第二辐射缝隙4的宽度、长度、偏离辐射波导中心线的距离相同，偏置的辐射缝隙的辐射强度与偏置量有关，不偏置的缝隙不辐射。工字形耦合缝8位于相邻两条辐射缝隙的对称中心，选择越靠近辐射脊波导的中心，谐振阵的带宽越宽。第一辐射波导1和第二辐射波导2均为单脊波导，且两端封闭，对应平行位于一侧；第一馈电波导9和第二馈电波导10均为单脊波导，且一端封闭，对应平行位于另一侧；第一馈电波导9的封闭端和第二馈电波导10的封闭端方向相反。第一馈电波导9的长度小于第一辐射波导1的长度, 第二馈电波导10的长度小于第二辐射波导2的长度。

第一辐射波导1和第二辐射波导2在长度方向相互错开，使二者上的辐射缝隙相互错开。与辐射缝隙对应的第一辐射波导1和第二辐射波导2的上方设有微带板5，微带板5和第一辐射波导1、第二辐射波导2之间设有间隙，间隙为3.1mm。微带板5的外侧面上均布设有六块正45°角的正金属贴片6和六块负45°角的负金属贴片7；

正金属贴片6是以波导中心线为基准顺时针转45°角，负金属贴片7是以波导中心线为基准逆时针转45°角，正金属贴片6或负金属贴片7均为矩形金属贴片。六块正金属贴片6的中心与第一辐射波导1上的六条第一辐射缝隙3一一对应，六块负金属贴片7的中心与第二辐射波导2上的六条第二辐射缝隙4一一对应，正金属贴片6和负金属贴片7均为耦合微带振子，实现天线双极化。

脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线的工作原理说明如下：

具有第一辐射波导1、第一辐射缝隙3、工字形耦合缝8和第一馈电波导9的脊波导偏置缝谐振阵天线单元和正金属贴片6实现+45°极化；有具有第二辐射波导2、第二辐射缝隙4、工字形耦合缝8和第二馈电波导10的脊波导偏置缝谐振阵天线单元和负金属贴片7实现所述-45°极化。

为便于多个双极化天线组成大型平面阵列时，馈电网络的合理布局，本实施例1中第一馈电波导9和第二馈电波导10的出口方向不在同一个方向。

本实施例1的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线工作在Ku频段，中心频率12.2GHz。频带内实现驻波均小于1.5，见图10。频带内两种极化隔离良好，如图11。图12为本实施例1中心频率处+45°极化方向图，图13为本实施例1中心频率处-45°极化方向图，极化纯度良好。

实施例2

以两个脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线单元并列排列组成的6×2单元双极化天线平面阵。

参见图5和图6，以实施例1中的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线为天线单元，由两个天线单元并列排列组成脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线阵；相邻天线单元的第一馈电波导9的馈电端通过馈电网络连接着第一出口波导13，相邻天线单元的第二馈电波导10的馈电端通过馈电网络连接着第二出口波导14。

由图6可见，馈电网络包括两个T形功分器11和两根脊波导；同种极化的馈电波导通过T形功分器11合成在一起。

两个+45°极化天线单元的第一馈电波导9通过馈电网络到达第一出口波导13，两个-45°极化天线单元的第二馈电波导10通过馈电网络到达第二出口波导14，组成双极化阵列。两种极化的馈电网络均由T形功分器11和脊波导组成，且位于同一个平面内，使得天线布局紧凑。其中T形功分器11是在脊波导H面T形头的一侧加入感性膜片，控制功分比，结构简单。

实施例3

以八个脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线单元并列排列组成的6×8单元双极化天线平面阵。

参见图7、图8和图9，由八个天线单元并列排列组成脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线阵；由图8和图9可见，馈电网络为三层，相邻两根脊波导之间通过功分耦合缝12连接形成两层的馈电网络；所述T形功分器11的输出端通过一层脊波导将网络过渡到另一层脊波导，最终同一种极化的三层馈电网络只有一个合成端口。

所述阵列天线馈电网络包括四个T形功分器11和两层脊波导；同种极化的馈电波导通过T形功分器11合成在一起，T形功分器11的输出端通过一层脊波导将网络过渡到另一层脊波导，为了使得馈电网络均布置在阵列的下方，本实施例采用了两层脊波导，将馈电网络布置成三层，最终同一种极化的三层馈电网络合成为一个端口。两种极化的出口位置在其两侧，一个在左，一个在右。两种极化阵列的合成网络相同。合成网络的出口可以是脊波导结构，也可以根据需要，通过脊波导转矩形波导结构。

整个馈电网络布置在大型平面阵下方，两种极化的出口位置在其两侧，一个在左，一个在右。两种极化阵列的合成网络结构相同。

实施例1、实施例2和实施例3所述双极化天线工作在Ku波段，辐射波导优选尺寸为宽边8mm，窄边5mm                                                ，金属脊高度3.8mm，金属脊宽度2mm。

Claims (7)

1.脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线，包括两个脊波导偏置缝谐振阵天线单元，所述的脊波导偏置缝谐振阵天线单元由工字形耦合缝连接的辐射波导和馈电波导组成，所述辐射波导和馈电波导均为单脊波导；所述辐射波导的两端封闭，辐射波导上均布设有两条以上的偏置的辐射缝隙，其特征在于：

所述辐射波导和馈电波导均为单脊波导；所述馈电波导的长度小于辐射波导的长度, 且一端封闭；

所述两个脊波导偏置缝谐振阵天线单元并列排列；其中两个辐射波导分别为第一辐射波导（1）和第二辐射波导（2），对应平行位于一侧；两个馈电波导分别为第一馈电波导（9）和第二馈电波导（10），对应平行位于另一侧；第一辐射波导（1）和第二辐射波导（2）在长度方向相互错开，使二者上的辐射缝隙相互错开；与辐射缝隙对应的两个辐射波导上方设有微带板（5），两个辐射波导和微带板（5）之间设有间隙；微带板（5）的外侧面上均布设有两块以上的正45°角的正金属贴片（6）和两块以上的负45°角的负金属贴片（7）；

所述正金属贴片（6）是以波导中心线为基准顺时针转45°角；所述负金属贴片（7）是以波导中心线为基准逆时针转45°角；两块以上的正金属贴片（6）的中心与第一辐射波导（1）上的两条以上的辐射缝隙一一对应，两块以上的负金属贴片（7）的中心与第二辐射波导（2）上的两条以上的辐射缝隙一一对应，正金属贴片（6）和负金属贴片（7）均为耦合微带振子，实现天线双极化。

2.根据权利要求1所述的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线，其特征在于：所述正金属贴片（6）或负金属贴片（7）均为矩形金属贴片。

3.根据权利要求1所述的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线，其特征在于：所述两个辐射波导和微带板（5）之间的间隙为2～４mm。

4.根据权利要求1所述的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线，其特征在于：两个并列排列脊波导偏置缝谐振阵天线单元的馈电波导的封闭端方向相反。

5.根据权利要求1所述的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线，其特征在于：以权利要求1所述的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线为天线单元，由两个以上的天线单元并列排列组成脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线阵；相邻天线单元的第一馈电波导（9）的馈电端通过馈电网络连接着第一出口波导（13），相邻天线单元的第二馈电波导（10）的馈电端通过馈电网络连接着第二出口波导（14）。

6.根据权利要求5所述的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线，其特征在于：所述馈电网络包括一个以上的T形功分器（11）和一根以上的脊波导构成；同种极化的馈电波导通过T形功分器（11）合成在一起。

7.根据权利要求6所述的脊波导偏置缝耦合微带振子双极化天线，其特征在于：相邻两根脊波导之间通过耦合缝连接形成两层以上的馈电网络；所述T形功分器（11）的输出端通过一层脊波导将网络过渡到另一层脊波导，最终同一种极化的两层以上的馈电网络只有一个合成端口。