CN106356640B - 一种宽带双圆极化平板波导阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于毫米波天线设计和制造领域，提供一种宽带双圆极化平板波导阵列天线，包括从上往下依次层叠的辐射口径、谐振腔、馈电方波导、圆极化器、双极化馈电网络和标准波导接口过渡，辐射口径由若干个呈阵列排布的2×2元子阵列构成；谐振腔由从上往下依次层叠的方脊波导谐振腔、第一方波导谐振腔和第二方波导谐振腔构成；圆极化器由阶梯状金属膜片以中心加载的方式插入到方波导中形成；双极化馈电网络由左旋圆极化馈电网络和右旋圆极化馈电网络组成；标准波导接口过渡包括两个输出端口，分别对应左旋圆极化接口和右旋圆极化接口。本发明实现了高增益、高效率的宽带双圆极化毫米波平板波导阵列天线。

Description

一种宽带双圆极化平板波导阵列天线
技术领域
本发明属于毫米波天线设计和制造的技术领域，特别涉及一种宽带、高效率、双圆极化毫米波平板波导阵列天线。
背景技术
双极化天线在频分复用系统中被广泛使用，而圆极化天线则具有抗多径，极化匹配容易等特点，因此在新一代卫星通信系统中(如Ka频段卫星通信)，双圆极化的工作方式被广泛使用；在毫米波频率上，大气衰减严重，因此需要使用高增益天线来保证有效作用距离，阵列合成是实现高增益的一个重要途径；基于上述原因，高性能的双圆极化阵列天线是目前天线研究领域的一个热点，具有重要的应用价值。
目前，仅有少量的双圆极化阵列天线被公开发表，而且存在工作频率较低、天线效率不高的问题。文献“A.Garcia-Aguilar,J.M.Inclan-Alonso,L.Vigil-Herrero,J.M.Fernandez-Gonzalez,and M.Sierra-Perez,“Low-profile dual circularlypolarized antenna array for satel lite communications in the X band,”IEEETransactions on Antennas and Propagation,vol.60,no.5,pp.2276-2284,May 2012.”中提出了一种工作在X频段的双圆极化阵列天线，采用多层PCB工艺加工，辐射单元为双层微带贴片，每一个辐射单元连接两个正交排列的金属化馈电过孔，金属化过孔再连接到分支线耦合器，形成左旋圆极化和右旋圆极化，通过微带线馈电网络最终合成一个12×12元双圆极化阵列天线，该天线相对工作带宽为14.7％，但由于介质损耗的原因，天线效率较低，并且随着阵列规模的进一步扩展，天线效率将急剧下降。
文献“D.Kim,M.Zhang,J.Hirokawa,and M.Ando,“Design and fabrication of adu al-polarization waveguide slot array antenna with high isolation,”IEEETransactions on Ante nnas and Propagation,vol.62,no.6,pp.3019-3027,Jun.2014.”中提出了一种全波导结构的双极化阵列天线，采用分子扩散焊工艺加工，实现了双线极化的阵列构成，该天线辐射单元为十字槽，缝隙耦合馈电，天线工作带宽为11％；这种全波导阵列天线由于没有介质损耗，总效率很高，整个频段内大于70％，然而文章并没有给出圆极化的合成方式和预估性能。
综上，高性能的双圆极化阵列天线鲜见于公开文献，尤其是针对毫米波应用的设计，原因在于实现难度大，兼顾宽频带、低轴比、高隔离、高效率的设计是当前学术界的一个巨大挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带双圆极化平板波导阵列天线，用于实现宽带、高效率、高增益双圆极化毫米波平板波导阵列天线。本发明采用的技术方案为：
一种宽带双圆极化平板波导阵列天线，包括从上往下依次层叠的辐射口径1、谐振腔2、馈电方波导3、圆极化器4、双极化馈电网络5和标准波导接口过渡6，所述辐射口径1为波导口径阵列，由若干个呈阵列排布的2×2元子阵列11构成；所述谐振腔2由从上往下依次层叠的方脊波导谐振腔21、第一方波导谐振腔22和第二方波导谐振腔23构成，所述方脊波导谐振腔21与2×2元子阵列11对应设置；所述圆极化器4由阶梯状金属膜片41以中心加载的方式插入到方波导42中形成；双极化馈电网络5由左旋圆极化馈电网络51和右旋圆极化馈电网络52组成，分别引出左旋圆极化接口和右旋圆极化接口；所述标准波导接口过渡6包括两个输出端口61、62，分别对应左旋圆极化接口和右旋圆极化接口。
进一步的，所述第一方波导谐振腔22尺寸大于第二方波导谐振腔23、且与第二方波导谐振腔23共同构成一个阶梯过渡结构，在馈电方波导3和脊波导谐振腔21之间完成阻抗匹配。
进一步的，所述左旋圆极化馈电网络51和右旋圆极化馈电网络52的拓扑结构相同，基本组成单元为由两个E面波导功分器5111和一个H面波导功分器5112组成的一分四路功分器511，多个一分四路功分器511级联构成左旋圆极化馈电网络51和右旋圆极化馈电网络52。
进一步的，所述2×2元子阵列由4个方形波导辐射口111以2×2阵列排布构成，每个方形波导辐射口111的尺寸相同、且相邻间距相同，所述方形波导辐射口111的边长大于λl/2、小于λh，λl和λh分别为最低工作频率和最高工作频率在自由空间中的波长。
本发明中，2×2元子阵列之间的间距可以用来优化端口隔离度和改善特定角度上的副瓣电平。谐振腔2是馈电方波导3对2×2元子阵列11的馈电结构，两个不同尺寸的方波导谐振腔22和23形成一个阶梯过渡结构，在馈电方波导3和脊波导谐振腔21之间完成阻抗匹配；电磁波经过谐振腔2完成渐变的模式转换，实现了对2×2元子阵列11的功率分配，并将谐振腔内激励出来的大部分高次模转换成主模，在辐射口径1的口径面上形成较为均匀的电场分布，从而提高了天线口径效率。圆极化器4采用隔板移相器的形式，该移相器在合成圆极化的同时，自动形成一个天然的两路功分器，而且结构形式简单，便于加工和集成。左旋圆极化馈电网络51和右旋圆极化馈电网络52的拓扑结构相同，基本组成单元是一个一分四路功分器511，511由两个E面波导功分器5111和一个H面波导功分器5112组成，通过级联多个511可以将天线阵列拓展到更大规模；考虑结构布局的方便，双极化馈电网络5的波导尺寸可以不必与标准矩形波导尺寸相同，利用波导接口过渡6，可以在馈电网络5和标准波导接口之间形成宽带阻抗匹配。本发明阵列天线可以分成数个部件分别加工，每个部件可采用CNC工艺加工，然后通过螺栓和定位销钉装配在一起，也可以采用注塑工艺或3D打印工艺来整体加工成型。
本发明的有益效果在于：
1、阵列天线的增益由辐射单元的增益和阵因子决定，在阵列规模一定条件下，使用大尺寸的辐射单元能够实现更高的阵列增益，但大尺寸的辐射单元意味着更大尺寸的馈电谐振腔，从而会产生更多难以控制的高次模式。本发明采用一种由两个阶梯过渡型方波导谐振腔和一个脊波导谐振腔构成的多阶混合谐振腔，对2×2元基本子阵列馈电；通过这样一个类似于阻抗变换器的结构，实现了渐近的模式变换，将较大谐振腔内激励的大部分高次模在辐射口径处转换为主模，从而实现了宽带响应和较高的口径效率。
2、圆极化器集成在波导阵列天线中，圆极化波束从2×2元阵列开始形成，在此规模以上的拓展阵列的圆极化性能几乎不会恶化，轴比和隔离性能相当稳定。
3、双极化馈电网络采用一种立交桥式的拓扑布局，具有紧凑的结构形式，并联馈电方式使得子阵列的宽带特性得到最大限度的保持。
4、2×2元子阵列之间的间距作为一个自由度，被用于优化端口隔离度和降低特定角度上的副瓣电平，该设计能够在不增加额外设备和功耗的情况下改善天线的性能。
综上，本发明验证的16×16元双圆极化平板波导阵列天线具有左旋圆极化和右旋圆极化两个端口，每个端口均实现了16％的工作带宽，带内反射系数小于-10dB，圆极化轴比小于3dB；左旋圆极化带内增益为31.4dBic～32.7dBic，右旋圆极化带内增益为31.8dBic～32.8dBic，两个极化的总效率均大于60％，端口隔离大于13dB；所设计的双圆极化阵列天线实现了高增益、高效率，并具有宽频带特性。
附图说明
图1是本发明的宽带双圆极化平板波导阵列天线的三维结构示意图。
图2是本发明的宽带双圆极化平板波导阵列天线的2×2元基本子阵列组成图。
图3是本发明的宽带双圆极化平板波导阵列天线的4×4元天线组阵图。
图4是本发明的宽带双圆极化平板波导阵列天线的16×16元馈电网络排布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种16×16元宽带双圆极化平板波导阵列天线，其结构如图1～4所示，包括从上往下依次层叠的辐射口径1、谐振腔2、馈电方波导3、圆极化器4、双极化馈电网络5和标准波导接口过渡6；
如图1所示，所述辐射口径1为波导口径阵列，由若干个呈阵列排布的2×2元子阵列11构成，所述2×2元子阵列由4个方形波导辐射口111以2×2阵列排布构成，每个方形波导辐射口111的尺寸相同、且相邻间距相同，所述方形波导辐射口111的边长大于λl/2、小于λh，λl和λh分别为最低工作频率和最高工作频率在自由空间中的波长；
如图2所示，每个2×2元子阵列11均对应一个谐振腔2，谐振腔2作为馈电方波导3对2×2元子阵列11的馈电结构，述谐振腔2由从上往下依次层叠的方脊波导谐振腔21、第一方波导谐振腔22和第二方波导谐振腔23构成，所述方脊波导谐振腔21与2×2元子阵列11对应设置，第一方波导谐振腔22尺寸大于第二方波导谐振腔23、且与第二方波导谐振腔23共同构成一个阶梯过渡结构，在馈电方波导3和脊波导谐振腔21之间完成阻抗匹配；所述圆极化器4由阶梯状金属膜片41以中心加载的方式插入到方波导42中形成；
如图3、图4所示，双极化馈电网络5由左旋圆极化馈电网络51和右旋圆极化馈电网络52组成，分别引出左旋圆极化接口和右旋圆极化接口；所述左旋圆极化馈电网络51和右旋圆极化馈电网络52的拓扑结构相同，基本组成单元为由两个E面波导功分器5111和一个H面波导功分器5112组成的一分四路功分器511，多个一分四路功分器511级联构成左旋圆极化馈电网络51和右旋圆极化馈电网络52；本实施例中，由4个2×2元子阵列组成的4×4元阵列分别对应有4个右旋圆极化端口和4个左旋圆极化端口，分别采用一个一分四路功分器引出，如图3所示；以此类推，则由16个4×4元阵列组成的16×16元宽带双圆极化平板波导阵列天线的左旋圆极化馈电网络51和右旋圆极化馈电网络52分别由5个一分四路功分器构成，如图4所示；标准波导接口过渡6包括两个输出端口61、62，分别对应左旋圆极化接口和右旋圆极化接口。
上述16×16元宽带双圆极化平板波导阵列天线的具体设计为：其中心频率为30GHz，利用Ansys HFSS中进行电磁全波仿真和优化。辐射口径1由64个2×2元子阵列11构成，厚度为2.8mm，相邻子阵列之间的间距为16.4mm，组成子阵列11的方波导辐射口111边长为6.5mm，相邻单元间距为7.7mm；脊波导谐振腔21的厚度为2.4mm，边长14.4mm，脊长4mm，脊宽2.4mm；方波导谐振腔22的厚度为2.3mm，边长14.4mm；方波导谐振腔23的厚度为1mm，边长12.6mm；馈电方波导3的边长为6.2mm；圆极化器4的形式为隔板移相器，阶梯状膜片41由五级隔板组成，尺寸分别为3.37mm×0.47mm，3.1mm×1.68mm，3mm×2.7mm，0.98mm×4.27mm，6.5mm×6.2mm，方波导42的边长与馈电方波导3相同；在集成了双极化馈电网络5和波导接口6后，天线从上到下拆分为8片部件，每个部件均采用CNC工艺加工，然后通过螺栓和定位销钉装配在一起。测试结果显示，16×16元双圆极化平板波导阵列天线的两个端口均实现了16％的工作带宽，带内反射系数小于-10dB，圆极化轴比小于3dB。左旋圆极化带内增益为31.4dBi～32.7dBi，右旋圆极化带内增益为31.8dBi～32.8dBi。两个极化的总效率均大于60％。端口隔离大于13dB。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种宽带双圆极化平板波导阵列天线，包括从上往下依次层叠的辐射口径(1)、谐振腔(2)、馈电方波导(3)、圆极化器(4)、双极化馈电网络(5)和标准波导接口过渡(6)，所述辐射口径(1)为波导口径阵列，由若干个呈阵列排布的2×2元子阵列(11)构成；所述谐振腔(2)由从上往下依次层叠的方脊波导谐振腔(21)、第一方波导谐振腔(22)和第二方波导谐振腔(23)构成，所述方脊波导谐振腔(21)与2×2元子阵列(11)对应设置；所述圆极化器(4)由阶梯状金属膜片(41)以中心加载的方式插入到圆极化器方波导(42)中形成；双极化馈电网络(5)由左旋圆极化馈电网络(51)和右旋圆极化馈电网络(52)组成，分别引出左旋圆极化接口和右旋圆极化接口；所述标准波导接口过渡(6)包括两个输出端口(61、62)，分别对应左旋圆极化接口和右旋圆极化接口。
2.按权利要求1所述宽带双圆极化平板波导阵列天线，其特征在于，所述第一方波导谐振腔(22)尺寸大于第二方波导谐振腔(23)、且与第二方波导谐振腔(23)共同构成一个阶梯过渡结构，在馈电方波导(3)和方脊波导谐振腔(21)之间完成阻抗匹配。
3.按权利要求1所述宽带双圆极化平板波导阵列天线，其特征在于，所述左旋圆极化馈电网络(51)和右旋圆极化馈电网络(52)的拓扑结构相同，基本组成单元为由两个E面波导功分器(5111)和一个H面波导功分器(5112)组成的一分四路功分器(511)，多个一分四路功分器(511)级联构成左旋圆极化馈电网络(51)或右旋圆极化馈电网络(52)。
4.按权利要求1所述宽带双圆极化平板波导阵列天线，其特征在于，所述2×2元子阵列由4个方形波导辐射口(111)以2×2阵列排布构成，每个方形波导辐射口(111)的尺寸相同、且相邻间距相同，所述方形波导辐射口(111)的边长大于λl/2、小于λh，λl和λh分别为最低工作频率和最高工作频率在自由空间中的波长。
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