CN105161852A - 带有极化调整的平板天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有极化调整的平板天线，属于卫星通信领域。包括连接在天线辐射系统和后端射频电路之间的极化调整装置；极化调整装置包括极化合成器、波导管和取极化器，极化合成器和取极化器均设有两路极化连接口和一公共口，极化合成器的公共口和取极化器的公共口之间连接波导管，取极化器可沿波导管轴线旋转；天线辐射系统包括两路极化信号传输通道，极化合成器的两路极化连接口分别与两路极化信号传输通道连接；取极化器的两路极化连接口中至少一路极化连接口与后端射频电路连接。通过结构的调整，仅采用了极少量的微波无源器件，实现了极化调整，拓展了平板天线的使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种平板天线，具体讲是一种可实现自动调整极化的平板天线，属于卫星通信领域。
背景技术
卫星通信具有传输距离远、覆盖范围广、受干扰小等优点，随着全球信息化的高速发展，越来越多的信息通过卫星进行传输，在移动载体上随时随地与卫星通信，已成为军民两用应急通信、实时通信的迫切需求。
车载（船载或机载）卫星移动通信系统通常又称为“动中通”，动中通的核心技术之一就是天线技术，动中通的天线形式包括反射面天线、平板天线和相控阵天线。在高速移动载体上要保证通信质量，不仅仅要求天线具有很高的增益，同时要求系统有极高的对星速度和对星精度。反射面天线的致命缺点是体积大、重量重，在高速移动状态下阻力大、对星速度慢；相控阵天线的缺点是收发难以共用、电扫描有增益损失、制造及维护成本高，限制了其应用范围；相对而言，平板天线具备剖面低、口面效率高的优势，特别适合在动中通中使用。平板天线通常包括一块或多块平面辐射板及波束形成网络，每块板上有若干辐射单元，波束形成网络包括波导、微带、悬置带线等不同方式来实现。
平板天线根据任意极化波可由两个正交的线极化波合成的理论，通过控制两个正交线极化波的幅度和相位，可以获得任意极化的合成波，因此传统的通过机械旋转馈电波导方式不再适用于平板天线，如何实现自动极化调整是该类天线的核心技术之一。通常电视直播卫星和通信广播卫星都工作在双线极化或双圆极化状态，而目前的平板阵列天线大多工作在单线极化或单圆极化状态，为实现双极化接收往往通过旋转天线结构或者采用两个天线分别收发两路极化信号，这两种方法要么结构复杂、不能实现双极化同时兼容，要么天线制造成本高、等效口面效率低。
刘英等在无线电工程2012年7期发表的文章“卫星通信天线自动极化调整技术”介绍了一种采用衰减器、移相器等搭建电路通过控制正交线极化幅度比例实现极化自动调整，但是该技术由于元器件的插损等原因使得自动极化调整不适用于发射状态。
2014年10月29号，中国发明专利CN103022691B，公开了一种新型“动中通”低轮廓平板天线系统，包括天线辐射系统、射频极化系统、天线终端机械驱动系统、卫星指向、捕获、跟踪系统及室内单元，其实现了双频、双极化、双工的工作模式，但其接收极化器采用电子极化，依然不能和发射极化器共用。
此外，Raysat公司的E7000型动中通天线采用了机械极化调整方式，可以实现收发双工，但是其只适用于单极化工作状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现的技术缺陷，提供一种可以实现自动调整极化的平板天线。
为了解决上述技术问题，本发明提供的带有极化调整的平板天线，包括设置于天线辐射系统和后端射频电路之间的极化调整装置；所述极化调整装置包括极化合成器、波导管和取极化器，所述极化合成器和取极化器均设有两路极化连接口和一公共口，所述极化合成器的公共口和取极化器的公共口之间连接波导管，所述取极化器可沿波导管轴线旋转；所述天线辐射系统包括两路极化信号传输通道，所述极化合成器的两路极化连接口分别与两路极化信号传输通道连接；所述取极化器的两路极化连接口中至少一路极化连接口与后端射频电路连接。
本发明中，所述两路极化信号传输通道为水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道。
本发明中，所述天线辐射系统包括多个可传输双线极化信号的天线单元，所述天线单元包括公共口、水平极化连接口和垂直极化连接口，所述水平极化连接口和垂直极化连接口分别与对应的水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道连接。
本发明中，所述极化合成器采用正交模式耦合器实现，两路极化口传输的极化分量相互正交；当天线工作于接收状态时进行极化合成；当天线工作于发射状态时，进行极化分解。
本发明中，所述取极化器采用正交模式耦合器实现；当平板天线工作于单极化模式时，取极化器的任一路极化连接口和后端射频电路相连；当平板天线工作于双极化模式时，取极化器的两路极化连接口均与后端射频电路相连。
本发明中，所述平板天线可将来波信号分解为两路正交的线极化信号并传输；在接收状态下来波信号在天线辐射单元处被分解，在发射状态下发射信号在极化合成器处被分解；
所述平板天线可将已分解的两路极化信号重新合成复原；在接收状态下两路极化信号在极化合成器的公共口合成并复原，在发射状态下两路极化信号在天线单元的公共口处合成并复原。
本发明中，所述平板天线工作于线极化状态时，两路极化信号从天线单元的公共口到极化合成器的公共口的插损和相移一致；所述天线工作于圆极化状态时，两路极化信号从天线单元的公共口到极化合成器的公共口的插损一致、相移相差90°。
本发明中，所述波导管为圆形。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）、本发明中通过结构的调整，采用了极少量的微波无源器件，实现了双极化收发，提高了平板天线的使用范围；（2）、本发明结构简单紧凑，操控方便，仅需要转动取极化器即可实现极化调整，制造成本很低，且易于批量化；（3）、本发明的自动极化调整性能优异，其极化隔离度设计值可达40dB，已加工的样机实测值达30dB以上；（4）、取极化器中至少一路极化连接口上连接双工器或开关，即可平板天线的双工收发，进一步扩大平板天线的使用范围。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明实施方式的结构示意图；
图3是本发明实施方式中辐射单元的结构示意图；
图4是本发明天线阵面背面结构示意图；
图5是本发明中极化合成器和取极化器结构示意图，(a)为极化合成器结构示意图，(b)为取极化器结构示意图；
图6是本发明实施方式中某典型频点方向图；
图7是本发明实施方式中整个频段内主极化和交叉极化对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1至5所示，本发明带有极化调整的平板天线，包括双极化天线阵列1、信号传输通道2、极化合成器3、波导管4、取极化器5。双极化天线阵列1由N个双极化天线单元11构成，N为大于1的自然数，取决于不同系统的指标要求，双极化天线阵列1可以实现正交线极化的收发，定义这两路极化分别为垂直极化和水平极化。双极化天线单元11本质上是一个正交模式耦合器（Ortho-ModeTransducer，OMT），其辐射口为正交模式耦合器的公共口111，公共口111可以传输两路正交线极化信号，公共口111的形状通常为方形、圆形、正八边形或其带有倒角的上述结构，在本实施例中采用方形。双极化天线单元11分别设有水平极化馈电口112和垂直极化馈电口113，水平极化馈电口112和垂直极化馈电口113连接信号传输通道2。和双极化天线单元辐射口111相似，所述波导管4可以传输两路正交线极化信号，通常采用圆形波导，也可使用方形、正八边形或带有倒角的上述异形波导。
信号传输通道2包括位于上层的水平极化信号传输通道21和位于下层的垂直极化信号传输通道22，其中所有双极化天线单元11的水平极化馈电口112与水平极化信号传输通道21连接，垂直极化馈电口113和垂直极化信号传输通道22连接。双极化天线单元11的公共口111中传输的水平线极化信号和垂直极化信号分别经水平极化馈电口112和垂直极化馈电口113送至水平极化信号传输通道21和垂直极化信号传输通道22。需要说明的是，本发明中分为两层的信号传输通道2，其可以根据需要作不同设计，即上层网络设计为垂直极化信号传输通道22、下层网络设计为水平极化信号传输通道21，只要和双极化天线单元11的上下层极化方式对应即可。此外，信号传输通道2的实现方式也包括波导、微带线、悬置带线等不同形式。
如图1、4和5所示，天线阵面的背面设有水平极化信号传输通道总口211和垂直极化信号传输通道总口221，水平极化信号经水平极化信号传输通道21最终汇聚于水平极化信号传输通道总口211，垂直极化信号经垂直极化信号传输通道22最终汇聚垂直极化信号传输通道总口221。水平极化信号传输通道总口211与极化合成器3的第一路极化连接口31相连，垂直极化信号传输通道总口221与极化合成器3的第二路极化连接口32相连；极化合成器3采用正交模式耦合器实现，两路极化连接口传输的极化分量相互正交，极化合成器3固定在天线阵面的背面，极化合成器3设有公共口33。取极化器5固定在天线阵面的背面，取极化器5设有第一路极化连接口51、第二路极化连接口52和公共口53。取极化器5的公共口53与极化合成器3的公共口33之间连接波导管4。取极化器5的公共口53外周采用轴承套接旋转装置6，旋转装置6可驱动取极化器5沿波导管4的轴线旋转，旋转装置6采用现有技术中常见的驱动装置，通常由电机带动通过同步带、齿轮、蜗轮蜗杆或其它传动装置来实现，在此不展开赘述。取极化器5采用正交模式耦合器实现，取极化器5的第一路极化连接口51和第二路极化连接口52与后端射频电路相连接。需要说明的是，在单极化模式时第一路极化连接口51或第二路极化连接口52中仅需要任意一路极化连接口与后端射频电路相连接；在双极化模式时，则两路极化连接口均与后端射频电路相连接。
图3至图5中的箭头表示电场方向。本发明中，平板天线在接收状态下极化合成器3上的第一路极化连接口31和第二路极化连接口32作为信号输入口，取极化器5上的第一路极化连接口51和第二路极化连接口52作为信号输出口；在发射状态下，则相反，极化合成器3上的第一路极化连接口31和第二路极化连接口32作为信号输出口，取极化器5上的第一路极化连接口51和第二路极化连接口52作为信号输入口。
如图1所示，接收时，水平极化信号和垂直极化信号经双极化天线单元11的水平极化馈电口112和垂直极化馈电口113分别送至水平极化信号传输通道21和垂直极化信号传输通道22，水平线极化信号经水平极化信号传输通道21最终汇聚于水平极化信号传输通道总口211进入化合成器3第一路极化连接口31，垂直极化信号经垂直极化信号传输通道22最终汇聚于水平极化信号传输通道总口221进入极化合成器3第二路极化连接口32，然后在在极化合成器的公共口33重新合成。如果需要传输线极化信号，需要将合理设计水平极化信号传输通道21和垂直极化信号传输通道22，令两路极化信号从双极化天线单元的公共口111传输至极化合成器的公共口33的插损和相移一致，则自由空间信号在极化合成器的公共口33复原；如果需要传输圆极化信号，需要将合理设计两路信号传输通道21和22，令两路信号从双极化天线单元公共口111传输至极化合成器公共口33的插损一致、差相90°，则圆极化信号在极化合成器公共口33合成含原圆极化信息的线极化信号。
合成的线极化信号经波导管4被送至取极化器5的公共口53，通过旋转装置6的控制，将取极化器5沿波导管4的轴线旋转，在单极化工作模式时，合成的信号会在取极化器5的任一路极化连接口51或52检出，输出到后端射频电路；在双极化工作模式时，合成的两路正交极化信号会分别在取极化器的第一路极化连接口51和第二路极化连接口52分别检出，输出到后端射频电路。发射时，过程相反。
以下结合具体实施例对本发明的工作过程进行详细说明。
实施例1单线极化信号接收
来波方向为单线极化E，极化方向任意，该线极化波可以按双极化辐射单元两路极化方向分解为两路同相线极化分量，分别为水平极化分量Eh和垂直极化分量Ev，双极化天线单元11接收到的水平极化分量Eh经位于单元下面水平极化馈电口112送至水平极化信号传输通道21，最终汇总到水平极化信号传输通道总口211并传送至极化合成器3，同样双极化天线单元11接收到的垂直极化分量Ev经单元下的垂直极化馈电口113送至垂直极化信号传输通道22，最终汇总到垂直极化信号传输通道总口221并传送至极化合成器3。
通过合理设计信号传输通道，使得从双极化天线单元公共口111到极化合成器公共口33的两路极化分量的插损和相位一致，这样在极化合成器的公共口33，两路极化分量重新合成，自由空间信号得到复原。复原后的信号经波导管4送至取极化器5的公共口，通过转动装置6旋转，将复原后的信号检出，经取极化器5的任一路极化连接口51或52传送至后端射频电路，完成信号的接收。
实施例2单线极化信号发射
和单线极化接收过程相反，此后端射频电路提供的发射信号经取极化器5的某一路极化连接口51或52送至其公共口53，经波导管4送至极化合成器3的公共口，此时极化合成器3起到极化分解的作用，发射信号分解为两路正交的线极化信号分别经极化合成器3的两路极化连接口32和33进入水平极化信号传输通道总口211和垂直极化信号传输通道总口221，经极化信号传输通道分配送至双极化天线单元11，并在各双极化天线单元公共口111面处重新合成，从而完成信号的发射。
实施例3单圆极化信号接收
来波方向为单圆极化波E，极化旋向任意，和单线极化接收类似，该圆极化波可以分解为水平极化分量Eh和垂直极化分量Ev，Eh和Ev两路极化分量幅度相等，相位相差90°，所有双极化天线单元11接收到的水平极化分量Eh经水平极化信号传输通道21汇聚到水平极化信号传输通道总口211，同时垂直极化分量Ev也在垂直极化信号传输通道总口221汇聚。
水平极化信号传输通道总口211和垂直极化信号传输通道221总口分别和极化合成器的第一路极化连接口31和第二路极化连接口32相连，通过合理设计信号传输通道，使得从双极化天线单元11公共口面到极化合成器公共口面的插损一致、相位相差90°（用来补偿单元口面分解的两路分量相差），这样在极化合成器的公共口33两路极化同相叠加，合成为线极化信号，经波导管4送至取极化器5的公共口53，通过转动装置6旋转，将合成后的信号检出，经取极化器5的某一路极化连接口51或52送至后端射频电路，完成信号的接收。
实施例4单圆极化信号发射
由于收发天线的互易性，单圆极化发射是其接收的逆过程，这里不再赘述。需要指出的是，发射状态时，极化合成器3起着极化分解的作用，而双极化天线单元11起着极化合成的作用。
实施例5双线极化接收
假定来波为两路正交线极化信号E1和E2，和单线极化接收类似，E1可以分解为E1v和E1h两路分量，E2可以分解为E2v和E2h分量，其中E1h和E2h分量最终汇聚至水平极化信号传输通道总口211，E1v和E2v分量最终汇聚至垂直极化信号传输通道总口221。
水平极化信号传输通道总口211和垂直极化信号传输通道总口221分别和极化合成器的第一路极化连接口31和第二路极化连接口32相连，通过合理设计信号传输通道，使得从单元辐射口面到极化合成器公共口面的插损和相位一致，这样在极化合成器的公共口33，E1v和E1h重新合成得到E1，E2v和E2h重新合成得到E2，在波导管4中E1和E2分量保持正交。通过转动装置6旋转取极化器5，将E1检出送至取极化器5的某一路极化连接口51或52，由于器的特性另一路极化E2同时被检出，被送至取极化器的另一路极化连接口52或51，然后传送至后端射频电路，这样完成了双线极化信号的接收。
实施例6双线极化信号发射
由于收发天线的互易性，双线极化发射是其接收的逆过程，这里不再赘述。
实施例7双圆极化信号接收
假定来波为两路旋向相反的圆极化信号ER和EL，和单圆极化接收类似，ER可以分解为ERv和ERh两路分量，ERv和ERh幅度相等相位相差90°（或-90°），EL可以分解为ELv和ELh分量，ELv和Elh幅度相等相位相差-90°（或90°）。其中ERh和ELh分量最终汇聚至水平极化信号传输通道总口211，ERv和ELv分量最终汇聚至垂直极化信号传输通道总口221。
通过合理设计信号传输通道，使得从单元辐射口面到极化合成器公共口面的插损一致、相位相差90°（用于补偿单元口面分解的两路分量相差），这样在极化合成器的公共口33，ERv和ERh的幅度相等、相位补偿一致，合成为一线极化E1；而ELv和ELh的幅度相等、相位补偿一致，合成为一线极化E2，且E1和E2正交。E1和E2经波导管4送至取极化器的公共口53，至此和双线极化信号接收一样，通过转动装置6旋转，合成信号E1和E2分别被同时检出，经取极化器5的第一路极化连接口51和第二路52送至后端射频电路送，完成双圆极化信号的接收。
实施例8双圆极化发射
由于收发天线的互易性，双线极化发射是其接收的逆过程，这里不再赘述。
实施例9单线极化收发双工
该实施例的信号收发过程分别和实施例1、2相对应，具体极化调整过程不再赘述。区别是当天线收发频段不同即收发双工为频分模式时，在取极化器的某路极化连接口连接双工器，完成信号的收发；当天线收发双工为时分模式时，在取极化器5的某一路极化连接口51或52连接开关，完成信号的收发。
实施例10双线极化收发双工
该实施例的信号收发过程分别和实施例5、6相对应，具体极化调整过程不再赘述。当天线收发双工模式为频分模式时，在取极化器5的两路极化连接口51和52上均连接双工器，实现信号的收发共用；当天线收发双工模式为时分模式时，在取极化器的两极化连接口51和52均连接开关，通过开关切换实现收发双工。
实施例11单圆极化收发双工
该实施例的信号收发过程分别和实施例3、4相对应，具体极化调整过程不再赘述。和实施例9一样，只需根据天线双工模式在取极化器5的某一路极化连接口51或52上连接双工器或开关即可。
实施例12双圆极化收发双工
该实施例的信号收发过程分别和实施例7、8相对应，具体极化调整过程不再赘述。和实施例9一样，只需根据天线双工模式在取极化器5的某路极化连接口51和52分别连接双工器或开关即可。
需要指出的是，以上实施例描述中当系统收发线极化信号时，设计信号传输通道让两路极化信号达极化合成器公共口33的插损和相位相等；当系统收发圆极化信号时，设计信号传输通道让两路极化信号达极化合成器公共口33的插损相等、相位相差90°，这均为理想条件，当信号传输通道性能设计不理想时，在极化合成器的公共口合成的极化不再为理想线极化而是椭圆极化，这时对后端系统的影响是交叉极化电平有所提升，但是在满足不同系统指标要求的前提下该自动极化调整方案依然适用。
如图6和7所示，本实施例的带有极化调整的平板天线工作于Ku波段，其典型频点处的主极化和交叉极化方向图如图6所示，在整个频段内的主极化、交叉极化频响曲线如图7所示，可见在整个工作频段内其交叉极化电平可控制在30dB以内，充分验证了本发明带有极化调整的平板天线的有效性和可靠性。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种带有极化调整的平板天线，其特征在于：包括设置于天线辐射系统和后端射频电路之间的极化调整装置；所述极化调整装置包括极化合成器、波导管和取极化器，所述极化合成器和取极化器均设有两路极化连接口和一公共口，所述极化合成器的公共口和取极化器的公共口之间连接波导管，所述取极化器可沿波导管轴线旋转；所述天线辐射系统包括两路极化信号传输通道，所述极化合成器的两路极化连接口分别与两路极化信号传输通道连接；所述取极化器的两路极化连接口中至少一路极化连接口与后端射频电路连接。
2.根据权利要求1所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述两路极化信号传输通道为水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道。
3.根据权利要求2所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述天线辐射系统包括多个可传输双线极化信号的天线单元，所述天线单元包括公共口、水平极化连接口和垂直极化连接口，所述水平极化连接口和垂直极化连接口分别与对应的水平极化信号传输通道和垂直极化信号传输通道连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述极化合成器采用正交模式耦合器实现，两路极化口传输的极化分量相互正交；当天线工作于接收状态时，进行极化合成；当天线工作于发射状态时，进行极化分解。
5.根据权利要求4所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述取极化器采用正交模式耦合器实现；当平板天线工作于单极化模式时，取极化器的任一路极化连接口和后端射频电路相连；当平板天线工作于双极化模式时，取极化器的两路极化连接口均与后端射频电路相连。
6.根据权利要求5所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述平板天线可将来波信号分解为两路正交的线极化信号并传输；在接收状态下来波信号在天线辐射单元处被分解，在发射状态下发射信号在极化合成器处被分解；
所述平板天线可将已分解的两路极化信号重新合成复原；在接收状态下两路极化信号在极化合成器的公共口合成并复原，在发射状态下两路极化信号在天线单元的公共口处合成并复原。
7.根据权利要求6所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述平板天线工作于线极化状态时，两路极化信号从天线单元的公共口到极化合成器的公共口的插损和相移一致；所述天线工作于圆极化状态时，两路极化信号从天线单元的公共口到极化合成器的公共口的插损一致、相移相差90°。
8.根据权利要求1至3任一项所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述平板天线可将来波信号分解为两路正交的线极化信号并传输；在接收状态下来波信号在天线辐射单元处被分解，在发射状态下发射信号在极化合成器处被分解；
所述平板天线可将已分解的两路极化信号重新合成复原；在接收状态下两路极化信号在极化合成器的公共口合成并复原，在发射状态下两路极化信号在天线单元的公共口处合成并复原。
9.根据权利要求1至3任一项所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述平板天线工作于线极化状态时，两路极化信号从天线单元的公共口到极化合成器的公共口的插损和相移一致；所述天线工作于圆极化状态时，两路极化信号从天线单元的公共口到极化合成器的公共口的插损一致、相移相差90°。
10.根据权利要求1至3任一项所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述波导管为圆形。
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