CN106129597A - 开口波导、天线子阵、平板天线阵列及平板天线 - Google Patents

Abstract

为解决现有平板天线厚度较厚、重量较重等问题，本发明提出了一种新型的开口波导，内腔壁采用垂直壁设计，并结合多个台阶结构和干扰凸起结构，有效的实现阻抗变换和阻抗匹配；在此基础上，提出了具有该开口波导结构的天线子阵和平板天线阵列，并在波导信号传输通道中采用多个缓变台阶结构及缓变台阶构成的反射结构，有效的实现阻抗变换和阻抗匹配，拓宽频带带宽，且对加工精度要求更低，制造成本更低；此外，本发明还提出了一种带有极化调整的平板天线，包括具有前述结构的平板天线阵列和极化调整装置，极化调整装置包括公共口直接相连的极化合成器和取极化器，取极化器可沿轴线旋转，通过极少量的微波无源器件实现双极化收发共用。

Description

开口波导、天线子阵、平板天线阵列及平板天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种改进的开口波导及具该结构的天线子阵、平板天线阵列及带有极化调整的平板天线。

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和卫星通信，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、透镜天线和相控阵天线等。在高速移动载体上要保证通信质量，不仅仅要求天线有很高的增益，同时要求系统有极高的对星速度和对星精度。反射面天线的主要缺点是体积和重量较大，高速移动状态下风阻很大、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；相对而言，平板天线具备剖面低、口面效率高、对星速度快的优势，特别适合在动中通中使用。

现有平板天线的开口波导大多采用喇叭结构，喇叭天线的特征是有内收的倾斜面，为了保证喇叭天线的增益和带宽，天线单元必需采用坡度较缓的倾斜面来实现其与空气的阻抗匹配，从而导致天线的剖面高度比较大，厚度较厚，天线的重量也比较重。另外，喇叭天线辐射端口尺寸较大，导致其辐射波瓣图的副瓣较差。

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需要旋转整个天线面板，或者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。

发明内容

为此，本发明提出一种新型的开口波导、天线子阵、平板天线阵列及对应的带有极化调 整的平板天线，大大减小现有平板天线的厚度，减轻其重量，同时还能保证天线的增益和带宽，并能实现电磁波极化方向自动调整。具体发明内容如下：

首先，本发明提出了一种具有新型结构的开口波导。

开口波导包括波导开口、第一极化选择腔和第二极化选择腔、第一极化连接口和第二极化连接口；波导开口用于接收和发射极化信号，第一极化选择腔和第二极化用于极化选择馈电，第一极化连接口位于第一极化选择腔的一侧壁上，连接第一极化选择腔和信号传输通道，第二极化连接口位于第二极化选择腔的一侧壁上，连接第二极化选择腔和信号传输通道；从上至下依次连接，内径逐渐缩小，并在开口波导的开口面与第一极化连接口之间及第一极化连接口与第二极化连接口之间各形成一层台阶结构，用于平滑波导开口与外部空气的阻抗匹配；垂直壁的设计还能有效减小其开口波导的厚度。

进一步，波导开口、第一极化选择腔和第二极化选择腔的横截面呈圆形、轴对称多边形、或与轴对称多边形对应带有倒角的形状；且各横截面的形状不要求一致。

进一步，在第一极化选择腔和/或第二极化选择腔的内腔壁内径至少可以有两种，且从上往下逐渐减小，从而形成至少一层用于平滑匹配开口波导与外部空气间阻抗的台阶结构。以台阶结构为界线的相邻内腔壁的横截面的形状至少有一种，可以是圆形、轴对称多边形、或与轴对称多边形对应带有倒角的形状。

进一步，第一极化选择腔和第二极化选择腔分别为水平极化选择腔和垂直极化选择腔，或分别为垂直极化选择腔和水平极化选择腔。

进一步，为拓宽频带，在与水平极化连接口对应的水平极化选择腔内腔壁上至少设有一个用于拓宽频带的干扰凸起；这种干扰凸起可设计成边脊结构，其横截面可以是梯形、三角形、半圆形、弧形，还可以带状凸起或其它结构。

进一步，第二极化选择腔内腔壁的横截面形状可设计成比较规整的形状，优选为倒角矩形。这相对于带有45°倾斜反射边结构的极化选择腔具有更宽的带宽，且加工工艺更简单和生产成本更低。

进一步，波导开口的开口优选亚波长口径。

其次，本发明还提出一种基于具有上述特征的开口波导的天线子阵。

天线子阵包括偶数个具有上述任一项特征的开口波导单元，及与开口波导连接的第一信号传输通道和第二信号传输通道；各信号传输通道至少包括一个一分二功率分配网络，其三叉口部位的左右支路上包括至少一对对称的缓变台阶，用于实现波导阻抗的变换和阻抗匹配。

再次，本发明还提出具有上述特征的天线子阵的平板天线阵列。

平板天线阵列包括具有上述任意一种特征的天线子阵至少一个，分别连接第一信号传输 通道和第二信号传输通道的第一信号传输主通道和第二信号传输主通道，以及分别位于第一信号传输主通道和第二信号传输主通道末端的第一极化信号总馈电端口和第二极化信号总馈电端口；第一极化信号总馈电端口和第二极化信号总馈电端口与后端电路连接，主传输通道包括多级一分二功率分配网络。信号传输主通道中的一分二功率分配网络的三叉口部位的左右支路上包括至少一对对称的缓变台阶。

进一步，信号传输主通道中的一分二功率分配网络呈“T”字形、“工”字形、“Y”字形结构。其中，“T”字形结构的一分二功率分配网络的顶部中间部分平滑且无凸起，并在左右支路上包括至少一对对称的缓变台阶。这相比现有技术中采用尖锐凸起部分的一分二功率分配网络，能效的阻抗变换和阻抗匹配，并具有更宽的腔壁，更通畅的传输通道和更简单的加工工艺。

进一步，信号传输主通道中的主传输通道的直角部位采用由至少一个由缓变台阶形成的反射结构。本发明的这种反射面设计方法与传统的在直角弯处采用45°反射面相比，具有更宽的带宽和更通畅的传输通道。

最后，本发明提出了一种带有极化调整的平板天线。

带有极化调整的平板天线，包括具有上述任一项特征的平板天线阵列和位于平板天线阵列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和取极化器，极化合成器和取极化器分别设有一个公共口和两路极化连接口，极化合成器和取极化器通过公共口直接相连，取极化器可沿轴线旋转；极化合成器的两路极化连接口分别与平板天线阵列的第一极化信号总馈电端口和第二极化信号总馈电端口连接；取极化器的两路极化连接口至少有一路与后端射频电路连接。

进一步，极化调整装置还包括位于极化合成器和取极化器的公共口之间的波导管，波导管的形状为圆形或中心对称多边形；波导管与取极化器连接。

进一步，带有极化调整的平板天线还包括与波导管连接的转动装置，用于驱动波导管和取极化器旋转。

进一步，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；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。

有益效果：

本发明具备主要优点如下：

1)本发明中的天线开口波导采用垂直壁设计，与传统的喇叭形的开口波导相比厚度更薄，重量更轻，且副瓣参数性能较好；对应的，采用该开口波导结构的天线阵列、平板天线也具有更薄的厚度，更轻的重量，从而也提高了使用的范围和便利性。

2)本发明中天线开口波导及与其对应的天线子阵、天线阵列和平板天线中的内腔壁的内径逐渐缩小，有效地平滑阻抗；结合多个台阶结构，进一步有效的实现阻抗变换和阻抗匹配。

3)本发明中天线开口波导内采用的干扰凸起结构，及第二选择腔的带有倒角形状的矩形横截面均能有效的拓宽频带带宽，且制作工艺也较为简单。

4)本发明中天线阵列和平板天线中的传输通道中采用缓变台阶结构及直角处台阶反射结构的设计，使波导功分网络具有更宽的腔壁，更通畅的传输通道和更简单的加工工艺；不仅能效的阻抗变换和阻抗匹配，还能拓宽频带带宽，且对加工精度要求更低，制造成本也更低。

5)本发明中平板天线的极化调整仅需极少量的微波无源器件就可以实现双极化收发，相比传统的机械极化调整手段更自动完成，并且结构简单易操作；相比传统的电路极化调整手段相比可同时实现收发共用。

6)采用本发明中带有极化调整的平板天线可以避免旋转天线面板或在面板内加装极化栅，极化调整方法控制简单、可靠，仅需要旋转转动装置即可实现极化调整，制造成本很低，且易于批量化。

7)采用本发明中带有极化调整的平板天线在极化调整上性能更优异，其极化隔离度设计值增益可达40dB，已加工的样机实测值增益达30dB以上。

附图说明

图1带有极化调整的平板天线的原理框图

图2开口波导立体图

图3开口波导结构剖面图

图4具有四个开口波导结构的天线子阵的分解图

图5天线子阵第二层的侧视图

图6天线子阵第二层的背面侧视图

图7天线子阵第二层的背面平视图

图8天线子阵第三层的俯视图

图9天线子阵第三层的侧视图

图10天线子阵第三层的背视图

图11天线子阵第四层的正面侧视图

图12天线子阵第四层的背面侧视图

图13天线子阵第四层的背视图

图14天线子阵第五层的俯视图

图15天线子阵第五层的侧视图

图16平板天线阵列的侧视图

图17平板天线阵列第一层的侧视图

图18平板天线阵列第二层的俯视图

图19平板天线阵列第二层的背面侧视图

图20平板天线阵列第二层的后视图

图21平板天线阵列第三层的俯视图

图22平板天线阵列第三层的侧视图

图23平板天线阵列第三层的后视图

图24平板天线阵列第四层的俯视图

图25平板天线阵列第四层的背面侧视图

图26平板天线阵列第四层的后视

图27平板天线阵列第五层的俯视图

图28平板天线阵列第五层的侧视图；

图29带有极化调整的平板天线结构示意图

图30平板天线阵列背面结构示意图

图31极化合成OMT和取极化OMT结构示意图

图32本发明实施方式中一典型频点方向图

图33本发明实施方式中整个频段内主极化和交叉极化对比情况

具体实施方式

结合说明书附图1-33对本发明的具体实例作进一步详细具体说明。

图1是本发明一种带有极化调整的平板天线的优选实施例的原理框图。其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由至少1个双极化天线单元构成，具体数量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，分别定义为垂直极化和水平极化。

如图2所示，本实施例的开口波导11采用波导结构，本质上可将其看为正交模式耦合器(Ortho-Mode Transducer，OMT)，辐射口为正交模式耦合器的波导开口，可以传输两路正交线极化信号；波导开口的口径优选亚波长口径。

结合如图2至图15所示，开口波导具体包括波导开口111、第一极化选择腔2101和第二极化选择腔2201、第一极化连接口2102和第二极化连接口2202；波导开口111用于接收和发射极化信号，第一极化选择腔2101和第二极化用于极化选择馈电，第一极化连接口2102位于第一极化选择腔2101的一侧壁上，连接第一极化选择腔2101和信号传输通道，第二极化连接口2202位于第二极化选择腔2201的一侧壁上，连接第二极化选择腔2201和信号传输通道；波导开口111、第一极化选择腔2101和第二极化选择腔2201从上至下依次连接，各内腔壁呈垂直设计，无倾斜部分，如本实施例中的金属垂直壁121，且各内腔壁内径逐渐缩小；在波导开口111与第一极化选择腔2101之间有一层台阶结构131，在第一极化选择腔2101和第二极化选择腔2201之间有一层台阶结构2140，本实施例中，台阶结构131的形状与波导开口111形状近似一致，均为带有倒角的正方形，台阶结构2140的形状是带有倒角的矩形。

传统的采用喇叭结构开口波导的平板卫星天线一方面厚度较厚，重量较重；另一方面因为喇叭天线辐射端口尺寸较大，导致其辐射波瓣图的副瓣较差，本发明提出新型垂直壁结构的开口波导能较好的解决此问题。

当然，根据需求，波导开口、第一极化选择腔和第二极化选择腔的横截面的形状本身可以不一致，可以是圆形、轴对称多边形、或与轴对称多边形对应带有倒角的形状等。

在第一极化选择腔和/或第二极化选择腔的内腔壁内径至少可以有两种，且从上往下逐渐减小，从而形成至少一层用于平滑匹配开口波导与外部空气间阻抗的台阶结构，即在一个选择腔里自身就可以形成多个台阶结构，进一步优化阻抗匹配，也能使的天线板更薄。对应的，第一极化选择腔和/或第二极化选择腔的内腔壁横截面的形状至少有一种，可以是圆形、轴对称多边形、或与轴对称多边形对应带有倒角的形状等。

优选的，本实施例中第一极化选择腔2101为水平极化选择腔2101，第二极化选择腔2202 为垂直极化选择腔2202；其中，波导开口111和水平的横截面采用的是带有倒角的正方形，垂直极化选择腔内腔壁的横截面形状采用比较规整的带有倒角的矩形，这种设计具有更简单的加工工艺和更低的生产成本。

为进一步拓宽频带，在与水平极化连接口对应的水平极化选择腔内腔壁上至少设有一个用于拓宽频带的干扰凸起。这种干扰凸起还可设计成边脊结构，其横截面可以是梯形、三角形、半圆形、弧形等，还可以设计成带状结构或其它。如图2所示，本实施中的第一极化选择腔2101内的设计了两个干扰凸起，横截面为梯形的边脊凸起结构2110和带状凸起结构2150。

图4是本发明具体实施例中的天线子阵的分解图。本实施例中天线子阵由四个开口波导单元构成，包含第一层100、第二层210、第三层211、第四层220和第五层221。

第一层100的开口波导11是对称的正方形，因此能够接收或发射双极化电磁波。第一层100的腔壁是垂直壁121，在开口下方一定距离处设有带有倒角的正方形台阶结构131，这里需要指出的是该台阶结构还可以是圆形、八边形等其他形状，141是开口波导11的内开口。

图5至图7分别是图4中第二层210的俯视图，背面侧视图和背面平视图；图8至图10分别是图4中第三层211的俯视图，侧视图和背视图。

第二层210与第三层211合在一起形成水平极化选择腔2101、水平极化信号通道口2102和四个天线单元的水平极化信号波导通道。两个相邻开口波导的水平极化信号通过波导通道2103和波导通道2104汇集于波导通道2105，形成一分二波导功分结构。天线子阵的另外两个相邻单元的水平极化信号通过该一分二波导功分结构的镜像波导通道与前两个天线单元的信号汇集于“工”字形一分二波导功分结构2106，并通过波导通道2107汇集于上一层网络。

图9显示在第三层211的水平极化信号通道口2102对面有一个梯形的脊2110，主要起拓宽频带的作用。

图11至图13分别是图4中第四层220的俯视图、背面侧视图和背面平视图，图14至图15分别是图4中第五层221的俯视图和侧视图。第四层220与第五层221合在一起形成垂直极化选择腔2201、垂直极化信号通道口2202和四个开口波导单元的垂直极化信号波导通道。两个相邻天线单元的垂直极化信号通过波导通道2103和波导通道2104汇集于波导通道2105，形成一分二波导功分结构。天线子阵的另外两个相邻单元的垂直极化信号通过该一分二波导功分结构的镜像波导通道与前两个天线单元的信号汇集于“T”字形一分二波导功分结构2206，并通过波导通道2207汇集于上一层网络。

值得指出的是，本发明中天线单元的垂直极化选择腔2201是比较规整的矩形结构，相比于带有45°倾斜反射边结构的垂直极化选择腔，本发明中的垂直极化选择腔具有更宽的带宽， 更简单的加工工艺和更低的生产成本。

下面结合平板天线阵列进一步解释双极化电磁波信号的传输过程。

图16是本发明中平板天线面板的一个具体实例，该天线面板包含16个天线子阵，共64个开口波导天线单元。图17是该面板的第一层1，图18是该面板的第二层21的俯视图，图19是第二层21的背面侧视图，图20是第二层21的后视图。图21至图23分别是图16第三层的俯视图、侧视图和后视图；第一层1的背面与第二层的上平面结合在一起，构成整个天线面板的第一部分；第二层背面与第三层的上平面压合在一起形成水平极化选择空腔和水平极化信号传输通道。

下面就图20说明水平极化信号在第二、三层压合而成的波导网络中的传输过程。首先从天线阵列左上角第一个天线子阵开始，该天线子阵左上角第一个开口波导天线单元在接收到双极化电磁信号后，在极化选择腔2101内经过水平极化选择后进入水平极化信号通道口2102，然后通过波导2103进入第一级一分二波导功分网络2105，下方相邻天线单元的水平极化信号通过波导2104也进入第一级一分二波导功分网络2105，并与之前的信号进行叠加混合；叠加后的水平极化信号沿着波导进入“工”字形的第二级一分二波导功分网络2106；同理，该天线子阵右侧的两个天线单元也将筛选出的水平极化信号汇入该“工”字形功分网络2106，并与左侧通道2105进入的水平极化信号进行混合叠加；叠加后的水平极化信号沿着波导2107进入“T”字形第三级一分二波导功分网络2109；同理，该天线子阵下侧的四单元天线子阵也将筛选出的水平极化信号通过波导2108汇入该“T”字形功分网络2109，并与上侧通道2107进入的水平极化信号进行混合叠加；叠加后的水平极化信号沿着波导2110进入“T”字形第四级一分二波导功分网络2111；同理，该天线子阵右侧的两个天线子阵也将筛选出的水平极化信号通过波导2112汇入该“T”字形功分网络2111，并与左侧通道2110进入的水平极化信号进行混合叠加；叠加后的水平极化信号沿着波导2113进入“T”字形第五级一分二波导功分网络2115；同理，以波导通道2116中轴线为中心线的下侧四个天线子阵也将筛选出的水平极化信号通过波导2114汇入该“T”字形功分网络2115，并与上侧通道2113进入的水平极化信号进行混合叠加；叠加后的水平极化信号沿着波导2116行进，在经过直角弯2117和波导2118后汇入“T”字形第六级一分二波导功分网络2120；同理，以波导通道2121中轴线为中心线的下侧八个天线子阵也将筛选出的水平极化信号通过波导2119汇入该“T”字形功分网络2120，并与上侧通道2118进入的水平极化信号进行混合叠加；叠加后的水平极化信号沿着波导2121进入水平极化总馈电端口2130。

图24至图26分别是天线面板第四层22的俯视图、背面侧视图和后视图。图27至图28分别是第五层的俯视图和侧视图。第四层22的背面与第五层的上平面压合在一起，形成垂直 极化选择空腔和垂直极化信号传输通道。

下面就图26说明垂直极化信号在第四、五层压合而成的波导网络中的传输过程。首先从天线面板左上角第一个天线子阵开始，该天线子阵左上角第一个开口波导天线单元在接收到双极化电磁信号后，在极化选择腔2201内经过垂直极化选择后进入垂直极化信号通道口2202，然后通过波导2203进入“T”字形第一级一分二波导功分网络2205；同理，右侧相邻天线单元的垂直极化信号通过波导2204也汇入该“T”字形功分网络2205，并与之前的信号进行叠加混合；叠加后的垂直极化信号沿着波导进入“Y”字形的第二级一分二波导功分网络2206；同理，该天线子阵下侧的两个天线单元也将筛选出的垂直极化信号汇入该“Y”字形功分网络2206，并与上侧通道2205进入的垂直极化信号进行混合叠加；叠加后的垂直极化信号沿着波导2207进入“T”字形第三级一分二波导功分网络2209；同理，该天线子阵右侧的四单元天线子阵也将筛选出的垂直极化信号通过波导2208汇入该“T”字形功分网络2209，并与左侧通道2207进入的垂直极化信号进行混合叠加；叠加后的垂直极化信号沿着波导2210进入“T”字形第四级一分二波导功分网络2212；同理，该天线子阵下侧的两个天线子阵也将筛选出的垂直极化信号通过波导2211汇入该“T”字形功分网络2212，并与上侧通道2210进入的垂直极化信号进行混合叠加；叠加后的垂直极化信号沿着波导2213行进，在经过直角弯2214和波导2215后进入“T”字形第五级一分二波导功分网络2117；同理，以波导通道2218中轴线为中心线的下侧四个天线子阵也将筛选出的垂直极化信号通过波导2216汇入该“T”字形功分网络2217，并与上侧通道2215进入的垂直极化信号进行混合叠加；叠加后的垂直极化信号沿着波导2218行进，在经过直角弯2219和波导2220后汇入“T”字形第六级一分二波导功分网络2222；同理，以波导通道2223中轴线为中心线的下侧八个天线子阵也将筛选出的垂直极化信号通过波导2221汇入该“T”字形功分网络2222，并与上侧通道2220进入的垂直极化信号进行混合叠加；叠加后的垂直极化信号沿着波导2223进入垂直极化总馈电端口2230。

本发明中水平极化信号和垂直极化信号波导功分网络主要是“T”字形一分二功分网络，主干通道中“T”字形波导的顶部不含凸起部分，由两个较长台阶实现波导阻抗变换和阻抗匹配，例如水平极化信号通道中第六级一分二波导功分网络2120和垂直极化信号通道中第六级一分二波导功分网络2222和第五级一分二波导功分网络2217。相比于具有尖锐凸起部分的一分二波导功分网络，本发明中的波导功分网络具有更宽的腔壁，更通畅的传输通道和更简单的加工工艺。

本发明中垂直极化信号传输主通道在直角弯2219及其镜像位置处采用了具有两个台阶的反射面，与传统直角弯处采用45°反射面相比，本发明公布的反射面设计方法具有更宽的 带宽和更通畅的传输通道。该反射面可采用至少一个台阶结构，优选两个台阶或者更多个台阶。

下面结合图1、图29、图30和图31与具体实例对本发明所公开的极化调整方法作进一步详细说明。

图29中信号传输通道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2102与水平极化信号传输通道21连接，垂直极化馈电口2202和垂直极化信号传输通道22连接。双极化天线单元11的波导开口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2102和垂直极化馈电口2202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。

结合图1、图29、图30和图31，天线阵面的背面设有水平极化信号总馈电端口2130和垂直极化信号总馈电端口2230，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总馈电端口2130，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总馈电端口2230。水平极化信号总馈电端口2130与极化合成器3的第一路极化连接口31相连，垂直极化信号总馈电端口2230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中的双箭头表示电场方向。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、29、30、31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2102和垂直极化馈电口2202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总馈电端口2130，进入极化合成器3的第一路极化连接口31，垂直极化信号经垂直极化信号传输通道22最终汇聚于垂直极化信号总馈电端口2230，进入极化合成器3的第二路极化连接口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波导开口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波导开口111传输至极化合成器公共口33的插损一致、而相位差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，(使取极化器与极化合成器的电极化方向相同，接收信号最强)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。

在另一实施例中，极化合成器3和取极化器5可直接连接，合成的信号直接经极化合成器3的公共口33送至取极化器5的公共口53，实现相应的功能，无需设置波导管4。

在上述实施例中，极化调整装置可选择由伺服电机控制的转动装置自动或直接手动调整，带动取极化器旋转，使得取极化器中所能传播的电磁波能量最大。

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E_h和垂直极化分量E_v，双极化天线单元11接收到的水平极化分量E_h经位于单元下面水平极化馈电口2102送至水平极化信号传输通道21，最终汇总到水平极化信号总馈电端口2130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E_v经单元下的垂直极化馈电口2202送至垂直极化信号传输通道22，最终汇总到垂直极化信号总馈电端口2230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波导开口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进入水平极化信号总馈电端口2130和垂直极化信号总馈电端口2230，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波导开口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E_h和垂直极化分量E_v，E_h和E_v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E_h经水平极化信号传输通道21汇聚到水平极化信号总馈电端口2130，同时垂直极化分量E_v也在垂直极化信号总馈电端口2230汇聚。

水平极化信号总馈电端口2130和垂直极化信号传输通道2230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E_1v和E_1h两路分量，E₂可以分解为E_2v和E_2h分量，其中E_1h和E_2h分量最终汇聚至水平极化信号总馈电端口2130，E_1v和E_2v分量最终汇聚至垂直极化信号总馈电端口2230。

水平极化信号总馈电端口2130和垂直极化信号总馈电端口2230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，E_1v和E_1h重新合成得到E₁，E_2v和E_2h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，极化器5的另一路极化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E_R和E_L，和单圆极化接收类似，E_R可以分解为E_Rv和E_Rh两路分量，E_Rv和E_Rh幅度相等相位相差90°(或-90°)，E_L可以分解为E_Lv和E_Lh分量，E_Lv和E_lh幅度相等相位相差-90°(或90°)。其中E_Rh和E_Lh分量最终汇聚至水平极化信号总馈电端口2130，E_Rv和E_Lv分量最终汇聚至垂直极化信号总馈电端口2230。

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，E_Rv和E_Rh的幅度相等、相位补偿一致，合成为一线极化E₁；而E_Lv和E_Lh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10一样，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32和33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32所示，在整个频段内的主极化、交叉极化频响曲线如图33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有限实施方式，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 (15)

1.一种开口波导，其特征在于：包括波导开口、第一极化选择腔和第二极化选择腔、第一极化连接口和第二极化连接口；波导开口用于接收和发射极化信号，第一极化选择腔和第二极化用于极化选择馈电，第一极化连接口位于第一极化选择腔的一侧壁上并连接第一极化选择腔和信号传输通道，第二极化连接口位于第二极化选择腔的一侧壁上并连接第二极化选择腔和信号传输通道；所述波导开口、第一极化选择腔和第二极化选择腔的内腔壁均呈垂直设计，从上至下依次连接，内径逐渐缩小并在开口波导的开口面与第一极化连接口之间及第一极化连接口与第二极化连接口之间各形成一层台阶结构。

2.根据权利要求1所述的开口波导，其特征在于：所述波导开口、第一极化选择腔和第二极化选择腔的内腔壁横截面呈圆形、轴对称多边形、或与轴对称多边形对应带有倒角的形状，且各横截面的形状不要求一致。

3.根据权利要求1所述的开口波导，其特征在于：在所述第一极化选择腔和/或第二极化选择腔的内腔壁内径至少可以有两种，且从上往下逐渐减小，形成至少一层用于平滑匹配开口波导与外部空气间阻抗的台阶结构。

4.根据权利要求3所述的开口波导，其特征在于：以所述台阶结构为界线的相邻内腔壁的横截面的形状至少有一种，可以是圆形、轴对称多边形、或与轴对称多边形对应带有倒角的形状。

5.根据权利要求1所述的开口波导，其特征在于：所述第一极化选择腔和第二极化选择腔分别为水平极化选择腔和垂直极化选择腔，或分别为垂直极化选择腔和水平极化选择腔。

6.根据权利要求5所述的开口波导，其特征在于：在所述水平极化选择腔内与水平极化连接口对应的腔壁上至少设有一个用于拓宽频带的干扰凸起。

7.根据权利要求6所述的开口波导，其特征在于：所述干扰凸起为带状凸起结构或边脊结构。

8.根据权利要求1所述的开口波导，其特征在于：所述的第二极化选择腔的内腔壁的横截面形状为倒角矩形。

9.根据权利要求1所述的开口波导，其特征在于：所述波导开口的开口为亚波长口径。

10.一种天线子阵，其特征在于：包括偶数个如权利要求1至9任一项所述的开口波导单元，及与开口波导连接的第一信号传输通道和第二信号传输通道；所述各信号传输通道至少包括一个一分二功率分配网络，一分二功率分配网络的三叉口部位的左右支路上包括至少一对对称的缓变台阶。

11.一种平板天线阵列，其特征在于：包括至少一个如权利要求10所述的天线子阵，分别连接第一信号传输通道和第二信号传输通道的第一信号传输主通道和第二信号传输主通道，以及分别位于第一信号传输主通道和第二信号传输主通道末端的第一极化信号总馈电端口和第二极化信号总馈电端口；所述第一极化信号总馈电端口和第二极化信号总馈电端口与后端电路连接，所述信号传输通道和主传输通道包括多级一分二功率分配网络，其三叉口部位的左右支路上包括一对对称的缓变台阶。

12.根据权利要求11所述的平板天线阵列，其特征在于：信号传输主通道中的主传输通道的直角部位采用由至少一个缓变台阶形成的反射结构。

13.一种带有极化调整的平板天线，其特征在于：包括如权利要求11至12任一项所述的平板天线阵列和位于平板天线阵列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和取极化器，极化合成器和取极化器分别设有一个公共口和两路极化连接口，极化合成器和取极化器通过公共口直接相连，取极化器可沿轴线旋转；所述极化合成器的两路极化连接口分别与平板天线阵列的第一极化信号总馈电端口和第二极化信号总馈电端口连接，所述取极化器的两路极化连接口至少有一路与后端射频电路连接。

14.根据权利要求13所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述极化调整装置还包括位于极化合成器和取极化器的公共口之间的波导管，波导管与取极化器连接，其形状为圆形或中心对称多边形。

15.根据权利要求14所述的带有极化调整的平板天线，其特征在于：所述带有极化调整的平板天线还包括与波导管连接的转动装置，用于驱动波导管和取极化器旋转。