CN106252879B - 一种带线馈电交叉十字缝双圆极化线阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带线馈电交叉十字缝双圆极化线阵，所述线阵包括金属腔和第一金属导带，所述第一金属导带位于所述金属腔内部，所述金属腔具有金属腔上盖板和金属腔下底板，所述第一金属导带与所述金属腔下底板平行放置，所述第一金属导带两端向下弯曲并穿过所述金属腔下底板，分别作为左旋馈电口和右旋馈电口，所述金属腔上盖板上均匀开设有两个以上的交叉十字缝，所述金属腔上盖板的上方设置有微带板，所述微带板与所述交叉十字缝对应的一侧表面上设置有两个以上的金属贴片，所述金属贴片和所述交叉十字缝一一对应设置,任一所述金属贴片的几何中心在第一金属导带所在平面的垂直投影为中心投影，所述第一金属导带的轴线方向偏离所述中心投影。

Description

一种带线馈电交叉十字缝双圆极化线阵

技术领域

本发明涉及相控阵列天线技术领域，具体涉及一种带线馈电交叉十字缝双圆极化线阵。

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，为满足移动载体对风阻的要求，要求阵列天线低剖面、小型化。低剖面平板天线实现形式有斜波束平板阵列和相控阵天线两种，且都获得了广泛应用，各有优点。相控阵天线分一维电扫和两维电扫，前者成本相对低廉，在移动卫星电视领域，特别是在对天线增益要求较高时，一维电扫形式的价格优势更加明显。这个时候组成相控阵的线阵单元就显得特别重要。

地球上空的同步卫星信号传送方式大多为线极化，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，不仅可以是双线极化，而且可以是双圆极化。目前的相控阵天线单元大多数不能实现双圆极化，能实现双圆极化的相控阵天线有两种形式，一种是微带形式，另一种是脊波导结构。微带天线在Ku频段的损耗较大，所以要么产品的规模较小，天线增益不高，要么采用混合馈电形式，后面几级合成网络采用波导结构。脊波导形式的天线需要两种圆极化波导交替放置。上述两种结构形式的天线结构复杂、成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能实现双圆极化的带线馈电交叉十字缝双圆极化线阵，该线阵结构简单、成本低。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种带线馈电交叉十字缝双圆极化线阵，所述线阵包括金属腔和等宽度的第一金属导带，所述第一金属导带位于所述金属腔内部，所述金属腔具有金属腔上盖板和金属腔下底板，所述第一金属导带与所述金属腔下底板平行放置，所述第一金属导带两端向下弯曲并穿过所述金属腔下底板，分别作为左旋馈电口和右旋馈电口，所述金属腔上盖板上均匀开设有两个以上的交叉十字缝，所述金属腔上盖板的上方设置有微带板，所述微带板与所述交叉十字缝对应的一侧表面上设置有两个以上的金属贴片，所述金属贴片和所述交叉十字缝一一对应设置，任一所述金属贴片的几何中心在第一金属导带所在平面的垂直投影为中心投影，所述第一金属导带的轴线方向偏离所述中心投影。

由上述技术方案可知，所述第一金属导带位于所述金属腔内部，形成带线传输线结构，从带线传输线的两端都可以馈电，其中左旋馈电口可以实现左旋圆极化，右旋馈电口可以实现右旋圆极化，从而实现了双圆极化。采用单带线进行馈电，两端分别实现两种圆极化，结构简单，降低了成本。

优选的，所述交叉十字缝的两个缝隙呈正、负45度方向垂直交叉放置。

优选的，所述交叉十字缝的几何中心与金属贴片的几何中心重合。

优选的，所述金属腔内还设有另一与所述第一金属导带平行的第二金属导带，所述第二金属导带与所述第一金属导带位于同一平面内，所述第二金属导带位于所述中心投影的另一侧，且所述第一金属导带和第二金属导带关于中心投影对称，所述第二金属导带两端亦向下弯曲并穿过所述金属腔下底板，分别作为左旋馈电口和右旋馈电口，所述第二金属导带的左旋馈电口和第一金属导带的右旋馈电口位于同一侧。

优选的，所述金属腔内还设有两个以上介质支撑块，两个以上所述介质支撑块固定于金属腔上盖板上，与金属腔下底板留有缝隙，并包裹住所述第一金属导带和所述第二金属导带。

优选的，所述第一金属导带由两个以上长度相等的第一短金属导带拼接而成，所述第二金属导带由两个以上长度相等的第二短金属导带拼接而成，所述第一短金属导带与所述第二短金属导带的长度亦相等，每一个所述第一短金属导带和所述第二短金属导带均有第一端和第二端，所述第一短金属导带的第一端和所述第二短金属导带的第二端位于同一侧，所述第一端作为左旋馈电口，所述第二端作为右旋馈电口。

优选的，所述线阵还包括低噪声放大器，所述第一端和第二端均与所述低噪声放大器的微带线相连。

优选的，两个以上所述交叉十字缝之间等间距排列，两个以上所述金属贴片之间等间距排列。

优选的，所述金属贴片为方形。

优选的，所述金属腔为空气腔。

本发明具有如下优点：(1)本发明采用等宽度带线形成行波阵，在线阵的两端获得两个正交的圆极化，结构简单、成本低廉。

(2)一方面为了提高天线的效率，在Ku频段采用空气带线的形式。另一方面为了克服行波阵波束指向在频带内的变化对卫星跟踪的影响，本发明采用双带线结构，利用介质支撑块实现慢波结构，既满足中心频率指向法线方向的要求，又实现空气带线降低损耗的要求。对称两端等幅馈电实现幅度分布的均匀性，同时克服波束指向偏离的问题。故本发明所述线阵采用的双馈电线使得指向角指向法线方向，有效保证天线在频带内的指向角不变。

(3)当带宽要求与线阵规模相矛盾时，通过将线阵分段展宽带宽的方法来解决。金属导带向下弯曲，保持相同结构，在弯角处修正补偿，薄片转换成针结构，穿过金属腔下底板，实现与LNA微带线的直接连接，故使得整个线阵的馈电效率非常高。通过在馈电端一体化结合LNA，使得天线的噪声系数得到很好改善，简化了合成网络的设计，实现效率的最大化，降低噪声系数。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中第一金属导带和左、右旋馈电口的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例中第一金属导带、第二金属导带和金属腔的结构示意图；

图3是本发明的一个实施例中第一金属导带、第二金属导带和介质支撑块的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例去掉微带板和金属腔上盖板的结构示意图；

图5是本发明的一个实施例的结构示意图；

图6是本发明的一个实施例的天线驻波图；

图7是本发明的一个实施例的天线右旋极化方向图；

图8是本发明的一个实施例的天线左旋极化方向图。

附图中标记符号的含义：

1-微带板 2-金属贴片 3-交叉十字缝 4-介质支撑块

5-第一金属导带/第二金属导带 6-金属腔

7-左旋馈电口 8-右旋馈电口

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的带线馈电交叉十字缝3双圆极化线阵包括金属腔6和等宽度的第一金属导带5，所述第一金属导带5位于所述金属腔6内部，所述金属腔6具有金属腔6上盖板和金属腔6下底板，所述第一金属导带5与所述金属腔6下底板平行放置，所述第一金属导带5两端向下弯曲并穿过所述金属腔6下底板，分别作为左旋馈电口7和右旋馈电口8，所述金属腔6上盖板上均匀开设有两个以上的交叉十字缝3，所述金属腔6上盖板的上方设置有微带板1，所述微带板1的与所述交叉十字缝3对应的一侧表面上设置有两个以上的金属贴片2，所述金属贴片2和所述交叉十字缝3一一对应设置，任一所述金属贴片2的几何中心在第一金属导带5所在平面的垂直投影为中心投影，所述第一金属导带5的轴线方向偏离所述中心投影。所述金属导带与左旋馈电口7和右旋馈电口8的关系请参照图1，其中5表示所述金属导带，7为左旋馈电口，8为右旋馈电口。

所述第一金属导带5位于所述金属腔6内部，即第一金属导带5位于空气腔内，形成带线传输线结构，从带线传输线的两端都可以馈电，其中左旋馈电口7可以实现左旋圆极化，右旋馈电口8可以实现右旋圆极化，从而实现了双圆极化。该实施例采用第一金属导带5形成行波阵，可在线阵的两侧获得两个圆极化，结构简单、易于实现、成本低。

所述中心投影偏离所述金属导带的方向以及距离决定了圆极化的旋向以及圆极化轴比；正是因为这个特点，若金属导带的其中一端馈电为左旋圆极化，则另外一端馈电为右旋圆极化。

优选的，所述金属腔6上盖板平行于金属腔6下底板，此时所述第一金属导带5同样平行于所述金属腔6上盖板。优选的，所述金属腔6为空气腔。

优选的，在本发明线阵的某些优选实施例中，所述交叉十字缝3的两个缝隙呈正、负45度方向垂直交叉放置。即两个缝隙之间垂直交叉，但是每个缝隙的长度方向偏离金属腔6长度方向的角度为±45°。

进一步的，在本发明线阵的其他优选实施例中，所述交叉十字缝3的几何中心与金属贴片2的几何中心重合。

进一步的，在本发明线阵的其他优选实施例中，两个以上所述交叉十字缝3之间等间距排列，两个以上所述金属贴片2之间等间距排列。即所述交叉十字缝3与金属贴片2沿着带线传输线方向等间距排列，所述交叉十字缝3和金属贴片2等间距排列可以降低结构设计和加工难度。可选的，所述金属贴片2为方形。

在实际应用中，金属导带采用等宽度的金属导带。圆极化线阵是行波阵，方形金属贴片2的尺寸与频带内的辐射效率相关，可根据线阵的规模，即单元数来选择方形贴片的尺寸。

优选的，在本发明线阵的其他优选实施例中，所述金属腔6内还设有另一与所述第一金属导带5平行的第二金属导带，所述第二金属导带与所述第一金属导带5位于同一平面内，所述第二金属导带位于所述中心投影的另一侧，且所述第一金属导带5和第二金属导带关于中心投影对称，所述第二金属导带两端亦向下弯曲并穿过所述金属腔6下底板，分别作为左旋馈电口7和右旋馈电口8，所述第二金属导带的左旋馈电口7和第一金属导带5的右旋馈电口8位于同一侧。即所述第一金属导带5和第二金属导带的轴线方向均偏离金属贴片2的几何中心，且两个金属导带对应分布于金属贴片2的几何中心的两侧。两条金属导带沿金属贴片2轴线呈镜像关系，且沿传输方向相互平行。当所述交叉十字缝3的几何中心与金属贴片2的几何中心重合时，此中心投影也是交叉十字缝3的几何中心在第一金属导带5所在平面的垂直投影。请参照图2，其中3表示所述交叉十字缝，第一金属导带5的右旋馈电口8和第二金属导带的左旋馈电口7位于同一侧。

第一金属导带5与第二金属导带的同一侧的端部馈电辐射正交的圆极化，第一金属导带5与第二金属导带的不相同一侧的端部馈电辐射相同的圆极化。因为中心投影偏离所述金属导带的方向以及距离决定了圆极化的旋向以及圆极化轴比。因此在第一金属导带5和第二金属导带沿中心投影对称分布的位置关系下，正是由于第一金属导带5和第二金属导带二者偏离中心投影的方向相反，因此两个金属导带的处于同一方向的馈电端的旋向也相反。

因为行波阵的幅度分布前高后低，两个位于不同侧的端口等幅馈电，可以使得线阵的幅度分布更均匀，当然因为两根金属导带之间存在耦合，因此对交叉极化有一些影响。在实际应用中，可以选择在工作带宽的中心频率，端口馈电线阵的方向图指向为法线方向，两侧的端口同时馈电，使得线阵的合成增益较高。不同侧馈电可以保证合成波束的指向在频带内不发生变化，以此可以克服行波阵波束指向在频带内的变化对卫星跟踪的影响。

优选的，在本发明线阵的其他优选实施例中，所述金属腔6内还设有两个以上的介质支撑块4，两个以上所述介质支撑块4固定于金属腔6上盖板上，与金属腔6下底板留有缝隙，并包裹住所述第一金属导带5和所述第二金属导带。

请参照图3，所述第一金属导带5和第二金属导带上间隔一段距离放置介质支撑块4，一方面使介质支撑块4固定于金属腔6中，另一方面，金属导带被介质支撑块4包裹，相当于慢波结构，可以在天线单元间距即金属贴片2的间距小于一个波长的前提下，通过宽度不变的直的金属导带而实现信号的传输距离在两个天线单元间恰好是一个工作波长。从而保证行波阵的波束指向为线阵的法线方向，同时避免出现栅瓣。

优选的，在本发明的其他优选实施例中，所述第一金属导带5由两个以上长度相等的第一短金属导带拼接而成，所述第二金属导带由两个以上长度相等的第二短金属导带拼接而成，所述第一短金属导带与所述第二短金属导带的长度亦相等，每一个所述第一短金属导带和所述第二短金属导带均有第一端和第二端，所述第一短金属导带的第一端和所述第二短金属导带的第二端位于同一侧，所述第一端作为左旋馈电口7，所述第二端作为右旋馈电口8。

请一并参照图4、图5，当线阵规模较大而带宽要求也较高时，可以将线阵分成若干段。在本实施例中，将线阵分为两段。即第一金属导带5由两段长度相等的第一短金属导带拼接而成，第二金属导带由两段长度相等的第二短金属导带拼接而成，所述第一短金属导带与所述第二短金属导带的长度亦相等。具体应用中，相应地金属腔6也分成两个单独的腔体，即金属腔6中设置有将腔体分成两小腔体的横板。即保证短金属导带与金属腔6两个侧壁距离遵循原有的带线结构要求。

不同侧馈电可以保证合成波束的指向在频带内不发生变化，但很显然其带宽也受到限制，其合成增益决定于边频波束指向的偏离大小以及线阵自身的波束宽度，两者共同决定了不同侧波束的交点电平的大小。将线阵分成两个部分，独立的部分线阵的波束宽度增加了一倍，可以忍受的波束指向的偏离增加，因此线阵带宽也相应增加。

线阵分成两个部分后，第一金属导带5和第二金属导带也各自分成两个短金属导带，即处于左侧金属小腔体内的上方的第一短金属导带，处于左侧金属小腔体内的下方的第二短金属导带，以及处于右侧金属小腔体内的上方的第一短金属导带，处于右侧金属小腔体内的下方的第二短金属导带；由此第一金属导带5和第二金属导带均有四个端口，共八个端口，其中四个馈电端口辐射左旋圆极化，另外四个馈电端口辐射右旋圆极化，端口分布如图5所示，处于左侧金属小腔体内的上方的第一短金属导带的右端口和处于左侧金属小腔体内的下方的第二短金属导带左端口为左旋馈电口7，处于左侧金属小腔体内的上方的第一短金属导带的左端口和处于左侧金属小腔体内的下方的第二短金属导带右端口为右旋馈电口8；处于右侧金属小腔体内的上方的第一短金属导带的右端口和处于右侧金属小腔体内的下方的第二短金属导带左端口为左旋馈电口7，处于右侧金属小腔体内的上方的第一短金属导带的左端口和处于右侧金属小腔体内的下方的第二短金属导带右端口为右旋馈电口8；所述第一短金属导带和第二短金属导带的各个端口同时馈电，左旋馈电口7辐射左旋圆极化信号，右旋馈电口8辐射右旋圆极化信号。

请参照图4、图5，在该实施例中，每一个短金属导带均被包裹11个介质支撑块4，22个介质支撑块4把金属导带分成24个段，每个段上方对应的设置一个交叉十字缝3和一个金属贴片2。第一金属导带5和第二金属导带沿传输方向平行，每条短金属导带的两端垂直弯曲，在末端形成圆柱状，在馈电端呈同轴形式。

优选的，在本发明的某些优选实施例中，所述线阵还包括低噪声放大器，所述第一端和第二端均与所述低噪声放大器的微带线相连。即图5所示的八个端口均与所述低噪声放大器的微带线相连。

为保证天线的效率，可以将LNA低噪声放大器与线阵组合在一起，第一金属导带5和第二金属导带向下弯曲，变为圆针，可直接穿过金属腔6下底板后与LNA的微带线焊接，带线向下弯曲后，其带线结构不变，在弯角处进行补偿匹配。以此可以实现效率的最大化，降低噪声系数。

如图6所示为本发明实施例的带线馈电交叉十字缝3双圆极化线阵驻波；

如图7所示为本发明实施例的带线馈电交叉十字缝3双圆极化线阵右旋极化方向图；

如图8所示为本发明实施例的带线馈电交叉十字缝3双圆极化线阵左旋极化方向图。

Claims (10)

1.一种带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述线阵包括金属腔(6)和等宽度的第一金属导带(5)，所述第一金属导带(5)位于所述金属腔(6)内部，所述金属腔(6)具有金属腔(6)上盖板和金属腔(6)下底板，所述第一金属导带(5)与所述金属腔(6)下底板平行放置，所述第一金属导带(5)两端向下弯曲并穿过所述金属腔(6)下底板，分别作为第一金属导带(5)的左旋馈电口和第一金属导带(5)的右旋馈电口，所述金属腔(6)上盖板上均匀开设有两个以上的交叉十字缝(3)，所述金属腔(6)上盖板的上方设置有微带板(1)，所述微带板(1)与所述交叉十字缝(3)对应的一侧表面上设置有两个以上的金属贴片(2)，所述金属贴片(2)和所述交叉十字缝(3)一一对应设置，任一所述金属贴片(2)的几何中心在第一金属导带(5)所在平面的垂直投影为中心投影，所述第一金属导带(5)的轴线方向偏离所述中心投影。

2.根据权利要求1所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述交叉十字缝(3)的两个缝隙呈正、负45度方向垂直交叉放置。

3.根据权利要求1所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述交叉十字缝(3)的几何中心与金属贴片(2)的几何中心重合。

4.根据权利要求1至3的任意一项所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述金属腔(6)内还设有另一与所述第一金属导带(5)平行的第二金属导带，所述第二金属导带与所述第一金属导带(5)位于同一平面内，所述第二金属导带位于所述中心投影的另一侧，且所述第一金属导带(5)和第二金属导带关于中心投影对称，所述第二金属导带两端亦向下弯曲并穿过所金属腔(6)下底板，分别作为第二金属导带的左旋馈电口和第二金属导带的右旋馈电口，所述第二金属导带的左旋馈电口和第一金属导带(5)的右旋馈电口位于同一侧。

5.根据权利要求4所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述金属腔(6)内还设有两个以上介质支撑块(4)，两个以上所述介质支撑块(4)固定于金属腔(6)上盖板上，与金属腔(6)下底板留有缝隙，并包裹住所述第一金属导带(5)和所述第二金属导带。

6.根据权利要求4所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述第一金属导带(5)由两个以上长度相等的第一短金属导带拼接而成，所述第二金属导带由两个以上长度相等的第二短金属导带拼接而成，所述第一短金属导带与所述第二短金属导带的长度亦相等，每一个所述第一短金属导带和所述第二短金属导带均有第一端和第二端，所述第一短金属导带的第一端和所述第二短金属导带的第二端位于同一侧，所述第一短金属导带的第一端作为第一短金属导带的左旋馈电口，所述第二短金属导带的第一端作为第二短金属导带的左旋馈电口，所述第一短金属导带的第二端作为第一短金属导带的右旋馈电口，所述第二短金属导带的第二端作为第二短金属导带的右旋馈电口。

7.根据权利要求6所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述线阵还包括低噪声放大器，所述第一端和第二端均与所述低噪声放大器的微带线相连。

8.根据权利要求1所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，两个以上所述交叉十字缝(3)之间等间距排列，两个以上所述金属贴片(2)之间等间距排列。

9.根据权利要求1所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述金属贴片(2)为方形。

10.根据权利要求1所述的带线馈电交叉十字缝(3)双圆极化线阵，其特征在于，所述金属腔(6)为空气腔。

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