CN105655720A

CN105655720A - 抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线

Info

Publication number: CN105655720A
Application number: CN201510902291.8A
Authority: CN
Inventors: 杨雪霞; 狄陆祺; 于洪斌; 黄季甫
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2016-06-08

Abstract

本发明涉及一种抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线。辐射单元为阶梯式可变倾角连续切向枝节槽（VICTS），馈电网络包括串联馈电结构和抛物反射面馈电网络。电磁波经抛物反射面式馈电网络反射成为平面波，耦合到上层串联馈电网络，最终通过VICTS向自由空间辐射。通过平行板波导上下层之间的相对旋转实现波束扫描。本发明覆盖卫星通信ku波段，天线工作频率为10.2GHz-14.8GHz，阻抗带宽达到36.8%。在13GHz的频点上，具有25.7dBi的增益。天线扫描角范围0°至56°，相比传统动中通系统天线，馈电简单、易实现波束扫描，动态响应快、平板状，将使本发明具有很大的工程应用前景。

Description

抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线

技术领域

本发明涉及一种抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线,是一种Ku波段可扫描VICTS（VariableInclinationContinuousTransverseStub可变倾角连续切向枝节）平板天线。属于卫星通信波段内“动中通”天线领域中的天线范畴。

背景技术

随着卫星通信技术和自动控制技术的不断发展，在移动载体上实现与卫星的实时通信需求越来越旺盛，从而使得卫星通信天线系统也不断进步。根据接收方式的不同分为静止的卫星地面站通信系统（“静中通”）和移动中的卫星地面站通信系统（“动中通”）。“静中通”是在固定地点自动寻星的卫星移动天线系统。汽车等移动载体行驶到需要进行通信的地点后启动载体上的卫星通信平台实现对星通信。这种系统跟普通卫星通信地球站类似。“动中通”是指在载体运动过程中仍能够保证与地球同步卫星实现双向通信的平台，可以随时随地实现与卫星的通信。所以，动中通天线技术研究和产品研发成为当前卫星通信技术领域研究的热点之一。在卫星通信系统中，地面卫星接收天线多采用电气性能优越的抛物面天线。但这类天线体积过大，严重影响载体的机动性。尤其是军用卫星通信车辆需要很高的机动性和隐蔽性，抛物面天线技术已到瓶颈。未来的国内军用、民用通信市场迫切需要一种能同时满足高隐蔽性、高可靠、快速跟踪、灵活安装、生产成本低的新型天线。

CTS（ContinuousTransverseStub连续切向枝节）天线最早是美国休斯航空公司于20世纪90年代提出，天线的形式为平板波导上连续开贯通的横向缝隙实现辐射。VICTS天线是可变倾角的CTS天线，相比传统“动中通”天线具有简单的平面结构，造价低。传统抛物面天线馈电结构为相控阵结构，天线形式为抛物面天线，体积过大，较为复杂。VICTS天线采用一维馈电网络技术，简单易实现。此外，VICTS天线易于实现波束扫描的特性，能够满足“动中通”系统实时对星的要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线。该天线工作频带宽，增益高，波束扫描范围大，可用作“动中通”卫星通信系统的发射与接收天线。该天线为线极化天线。

为达到上述目的，本发明的构思是：

（1）天线馈电结构采用串联馈电结构、信号配置层抛物面馈电结构、辐射层抛物面馈电结构和过渡连接结构。串联馈电网络包括上下两层金属板组成的平行板波导、矩形树池慢波结构和阻抗匹配凹槽；信号配置层抛物面馈电结构包括H面喇叭、上下两层矩形金属板和抛物面形金属板；辐射层抛物面馈电结构包括上下两层圆弧形金属板；过渡连接结构包括两片抛物面形装金属片。天线工作带宽由H面喇叭的半功率波束宽度、抛物面的直径与焦距、过渡连接结构的宽度、高度与位置决定，合理调节这些参数可以使馈电网络具有宽带特性。H面喇叭位于抛物面焦点处。天线从H面喇叭馈源馈电，发出的球面波经过抛物面反射后成为平面波，通过过渡连接结构耦合，进入串联馈电网络。

（2）天线辐射单元采用阶梯式可变倾角连续切向枝节槽VICTS。串联馈电网络的平行板波导的高度和阶梯式可变倾角切向枝节槽的宽度和高度决定了天线的工作频率。采用阶梯式可变倾角切向枝节槽和阻抗匹配枝节使工作频带更宽。每个阶梯式可变倾角切向枝节槽之间的距离为一个波导波长，保证同相辐射。阶梯式可变倾角切向枝节槽之间的距离还要满足自由空间中组阵的要求。为了同时满足上述两个条件，需要在平行板波导之间加入矩形梳慢波结构，减小波导波长，降低方向图旁瓣。

（3）串联馈电网络的平行板波导的高度采用渐变结构，保证每个阶梯式可变倾角切向枝节单元辐射相同的能量。

（4）矩形梳齿慢波结构采用渐变结构，使得天线获得较好的阻抗匹配。

（5）串联馈电网络的平行板波导由上下两层金属板构成，通过两层之间的旋转关节实现相对旋转，进而实现波束扫描。平行板波导采用圆盘形，易于实现相对旋转。通过上层相对于下层的机械转动来改变入射到阶梯式可变倾角切向枝节的相位，上层和下层之间的旋转角度与入射到第一层中的切向枝节辐射单元的相位有一定的函数关系，这一相位决定了组成切向枝节阵列后波束扫描的角度。通过第一层相对于第二层的机械转动的角度来控制天线H面的扫描角度，而通过整体位置相对旋转角度来控制天线E面的扫描角度。

（6）天线工作频率不同，辐射方向也不同。工作频率变化时，对应的波导波长不同，而阶梯式可变倾角切向枝节单元之间的距离是不变的。工作频率变化会导致阶梯式可变倾角切向枝节单元之间的相位差产生变化，使得天线辐射方向发生变化。

（7）天线分为辐射单元和馈电网络两部分。辐射单元为阶梯式可变倾角连续切向枝节槽（VICTS），馈电网络包括串联馈电结构、信号配置层抛物面馈电结构、辐射层抛物面馈电结构和过渡连接结构。天线分为三层，上层为串联馈电网络、VICTS辐射单元和辐射层抛物面馈电结构，中层为过渡连接结构，下层为信号配置层抛物面馈电结构。天线上层的VICTS辐射单元由8单元阶梯式可变倾角切向枝节槽构成，阶梯式切向节槽之间为阻抗匹配凹槽。VICTS辐射单元和阻抗匹配凹槽位于串联馈电网络中平行板波导的上层。矩形梳齿慢波结构位于平行板波导的下层。中层的过渡连接结构包括两片抛物面形状的金属片。天线下层的H面喇叭发射的球面波经抛物反射面波导反射成为平面波，通过过渡连接结构，将平面波耦合到上层串联馈电网络中，经过VICTS辐射单元向自由空间辐射。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线，包括辐射单元和馈电网络，其特征在于：结构上分为上、中、下三层结构：上层结构包括：串联馈电结构：由上下两层圆盘状金属板构成，上层圆盘状金属板上有平行排列的阻抗匹配凹槽，下层圆盘状金属板上有平行排列的矩形梳齿状凸条，上下两层圆盘状金属板之间的圆心处由一个旋转关节连接而使上下两层圆盘状金属板能相对转动；上下两层圆盘状金属板之间填充的是空气层；位于上层圆盘状金属板上有VICTS辐射单元，它是平行排列位于所述阻抗匹配凹槽之间的阶梯式可变倾角连续切向枝节槽；辐射层抛物面馈电结构：由上下两层圆弧形金属板构成，上下两片圆弧形金属板的一端分别与串联馈电结构的上下两层圆盘状金属板相连，而另一端与一个抛物面形金属板相连构成半封闭结构；下层结构包括上下两层矩形金属板、一个喇叭形壳体和一个抛物面形金属板，喇叭形壳体位于抛物面形金属板的焦点处而与上下两层矩形金属板的一端相连，上下两层矩形金属板的另一端与抛物面形金属板相连成半封闭结构，上下两层矩形金属板之间为空气层；中层结构为上下层结构之间的过渡连接结构，包括两片抛物面形状金属片，该两片抛物面形状金属片连接上层结构中的下层圆弧形金属板和下层结构中的上层矩形金属板，所述圆弧形金属板和矩形金属板上开有抛物面形的开槽，该开槽位于两片抛物面形状金属片之间，两片抛物面形状金属片之间为填充空气层；所述辐射单元为阶梯式可变倾角连续切向节槽，即VICTS辐射单元，所述馈电网络包括串联馈电结构、信号配置层抛物面馈电结构、辐射层抛物面馈电结构和过渡连接结构，所述信号配置层抛物面馈电结构包括喇叭形壳体、上下两层矩形金属板和抛物面形金属板；天线由喇叭形壳体馈电，电磁波经过信号配置层抛物面馈电结构变成平面波，经过连接结构耦合到辐射层抛物面馈电结构，为串联馈电结构提供所需线源，最终通过VICTS辐射单元对外辐射。

所述矩形梳齿慢波结构为渐变结构，使天线阻抗匹配更好。

所述阶梯式可变倾角连续切向枝节槽为8单元切向枝节组成天线阵列，综合考虑矩形梳慢波结构对匹配的影响和自由空间天线组阵的要求，单元间距为0.8λ_12.5GHz。

所述阻抗匹配枝节位凹槽位于阶梯式可变倾角切向枝节槽之间，调整匹配凹槽的宽度和高度使天线频带更宽。

所述串联馈电网络和VICTS辐射单元通过上下两层圆盘状金属板的相对机械转动来控制天线H面的扫描角度，而通过整体位置相对旋转角度来控制天线E面的扫描角度。

所述平行板波导之间填充的介质为空气。

所述H面喇叭中的矩形波导采用标准矩形波导BJ120。

所述的串联馈电网络外层、抛物反射面馈电网络外层和过渡馈电网络的外层需要是导电性较好的金属材料，如金、银或铜。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

（1）传统“动中通”系统的天线为抛物面天线，体积大，馈电结构复杂，波束扫描通过全方位机械转动实现，不易控制，动态响应慢。本发明采用平面结构的串联馈电VICTS天线，只需一维机械扫描就能实现方位角和仰角的全方位扫描，易于控制，动态响应快，馈电端口为标准矩形波导口，简单易实现。

（2）本发明采用抛物反射面波导和串联馈电网络结合的形式，利用了抛物反射面形成平面波的特性，为VICTS天线提供了所需的线源。

（3）本发明在串联馈电网络的平行板波导之间加入矩形梳齿慢波结构，有效降低了天线方向图的旁瓣。

（4）本发明采用了阶梯式可变倾角切向枝节槽和阻抗匹配凹槽使天线的频带更宽。

附图说明

图1是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线的分解立体视图。

图2是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线的整体立体视图。

图3是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线整体俯视图。

图4是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线整体侧视图。

图5是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线整体透视图。

图6是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线中串联馈电网络和VICTS辐射单元的俯视图。

图7是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线中串联馈电网络和VICTS辐射单元的侧视图。

图8是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线中串联馈电网络和VICTS辐射单元的透视图。

图9是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线中抛物反射面馈电网络的俯视图。

图10是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线中抛物反射面馈电网络的侧视图。

图11是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线中抛物反射面馈电网络的透视图。

图12是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线的S参数图。

图13是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线工作在13GHz时E面和H面辐射方向图。

图14是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线工作在不同频率时的方向图。

图15是本发明抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线工作在13GHz时的波束扫描方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

实施例一：

1.参见图1至图11，本抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线，包括辐射单元和馈电网络，其特征在于：结构上分为上、中、下三层结构：

1)上层结构包括：

①串联馈电结构（1）：由上下两层圆盘状金属板（5、6）构成，上层圆盘状金属板（5）上有平行排列的阻抗匹配凹槽（3），下层圆盘状金属板（6）上有平行排列的矩形梳齿状凸条（4），上下两层圆盘状金属板（5、6）之间的圆心处由一个旋转关节（14）连接而使上下两层圆盘状金属板（5、6）能相对转动；上下两层圆盘状金属板（5、6）之间填充的是空气层（7）；

②位于上层圆盘状金属板（5）上有VICTS辐射单元（2），它是平行排列位于所述阻抗匹配凹槽（3）之间的阶梯式可变倾角连续切向枝节槽；

③辐射层抛物面馈电结构（18）：由上下两层圆弧形金属板（16、17）构成，上下两片圆弧形金属板（16、17）的一端分别与串联馈电结构（1）的上下两层圆盘状金属板（5、6）相连，而另一端与一个抛物面形金属板（15）相连构成半封闭结构；

2)下层结构包括上下两层矩形金属板（10、9）、一个喇叭形壳体（8）和一个抛物面形金属板（12），喇叭形壳体（8）位于抛物面形金属板（12）的焦点处而与上下两层矩形金属板（10、9）的一端相连，上下两层矩形金属板（10、9）的另一端与抛物面形金属板（12）相连成半封闭结构，上下两层矩形金属板（10、9）之间为空气层；

3)中层结构为上下层结构之间的过渡连接结构（13），包括两片抛物面形状金属片（19），该两片抛物面形状金属片（19）连接上层结构中的下层圆弧形金属板（17）和下层结构中的上层矩形金属板（10），所述圆弧形金属板（17）和矩形金属板（10）上开有抛物面形的开槽，该开槽位于两片抛物面形状金属片（19）之间，两片抛物面形状金属片（19）之间为填充空气层；所述辐射单元为阶梯式可变倾角连续切向节槽，即VICTS辐射单元（2），所述馈电网络包括串联馈电结构（1）、信号配置层抛物面馈电结构（11）、辐射层抛物面馈电结构（18）和过渡连接结构（13），所述信号配置层抛物面馈电结构（11）包括喇叭形壳体（8）、上下两层矩形金属板（10、9）和抛物面形金属板（12）；天线由喇叭形壳体（8）馈电，电磁波经过信号配置层抛物面馈电结构（11）变成平面波，经过连接结构（13）耦合到辐射层抛物面馈电结构，为串联馈电结构（1）提供所需线源，最终通过VICTS辐射单元（2）对外辐射。

实施例二：

参见图1至图11，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下。天线共分上、中、下三层。上层串联馈电网络和VICTS辐射单元如图6、7、8所示，串联馈电网络（1）的高度和阶梯式可变倾角切向枝节槽（2）的宽度决定了天线的工作频率，调整阻抗匹配凹槽（3）的高度和宽度，阶梯式可变倾角切向枝节槽各级阶梯的宽度可以展宽天线工作带宽。串联馈电网络（1）采用高度渐变的结构保证每个阶梯式可变倾角切向枝节槽（2）辐射相同的能量，也保证了大部分能量都从辐射单元中辐射出去。

矩形梳齿慢波结构（4）采用梳高渐变的结构，减小了方向图的旁瓣，同时也使天线阻抗匹配更好。

上层的过渡馈电网络和下层的抛物反射面馈电网络如图9、10、11所示，H面喇叭馈源（8）的馈电端口采用标准波导BJ120。调整H面喇叭的半功率波束宽度、抛物反射面的直径和焦距，使H面喇叭与抛物反射面匹配。H面喇叭（8）中心位于抛物反射面（12）的焦点处。过渡连接结构（13）的宽度和高度决定馈电网络的匹配。

实施例三：

参见图1至图11，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下。上层串联馈电网络和VICTS辐射单元如图6、7、8所示。图7中黑色部分为金属，白色部分为空气，阶梯式可变倾角切向枝节槽（2）为串联馈电网络（1）中上层金属板（5）开槽得到。阻抗匹配凹槽（3）为串联馈电网络（1）中上层金属板（5）开槽得到。下层金属板（6）为厚度渐变结构。实现平行板波导高度渐变的结构。

图10显示了天线的S参数仿真结果，从图中可看出天线工作频率为10.2GHz-14.8GHz，S₁₁≤-10dB的阻抗带宽达到36.8%。

图11显示了天线工作在13GHz时的辐射方向图仿真结果。从图中可以看出在13GHz的中心频点上，天线具有25.7dBi的增益，旁瓣电平比为-12.3dB，前后比为28.7dB。

图12显示了天线方向图随频率变化图，从图中可看出，11GHz时增益23.3dB，扫描角13°，12GHz时增益24.9dB，扫描角6°，13GHz时增益25.7dB，扫描角0°，14GHz时增益24.7dB，扫描角8°。

图13显示了天线方向图随串联馈电VICTS阵列上下平行板之间相对旋转角ψ的变化图，从图中可以看出，天线扫描角范围为0°至56°，当旋转角ψ=0时，天线增益25.7dB，扫描角0°，当旋转角ψ=10°时，天线增益24.6dB，扫描角12°当旋转角ψ=20°时，天线增益23.6dB，扫描角24°当旋转角ψ=30°时，天线增益21.2dB，扫描角39°当旋转角ψ=40°时，天线增益18dB，扫描角56°。

Claims

1.一种抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线，包括辐射单元和馈电网络，其特征在于：结构上分为上、中、下三层结构：

1)上层结构包括：

2.根据权利要求1所述的抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线，其特征在于：所述馈电网络和串联馈电结构（1）结合的形式，利用了抛物反射面形成平面波的特性，为VICTS天线阵列提供了所需的线源。

3.根据权利要求1所述的抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线，其特征在于：所述矩形梳慢波结构（4）有效降低了天线方向图的旁瓣。

4.根据权利要求1所述的抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线，其特征在于：阶梯式切向节槽和阻抗匹配凹槽（3）使天线的工作频带更宽。

5.根据权利要求1所述的抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线，其特征在于：其中的串联馈电网络的上下圆盘状金属板（5、6）之间的相对旋转实现波束扫描，通过上下两层的机械转动角度来控制天线H面的扫描角度，通过整体位置的相对旋转角度来控制天线E面的扫描角度。