CN106911003A - 一种宽带圆极化波导天线及其天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化波导天线及其天线阵列。天线包括依次层叠为多层层叠的结构的辐射层、腔体层、馈电网络层和圆极化网络层。辐射层背向腔体层的一侧上设置呈阵列式排布的8×8个辐射单元，每个辐射单元包括具有对称双脊的圆形脊开口波导和开设在圆形脊开口波导的底壁上的耦合馈电直缝隙一，双脊位于耦合馈电直缝隙一的相对两侧，且双脊的垂直连线与耦合馈电直缝隙一呈45度夹角。8×8个辐射单元分成四组辐射单元组，每组辐射单元组内包括呈阵列式排布的4×4个辐射单元，以任一组辐射单元组为定点参考，其余三组辐射单元组在逆时针或顺时针方向上依次旋转了90度、180度、270度。

Description

一种宽带圆极化波导天线及其天线阵列
技术领域
本发明涉及卫星通信、微波通信领域中的一种天线及其天线阵列，尤其涉及一种宽带圆极化波导天线及其天线阵列。
背景技术
近些年来，随着卫星通讯蓬勃发展，应用于卫星广播电视、通讯和数据传输等系统的天线得到了快速发展，对各种天线的需求也在快速增长，推动了其发展。诸如用于直播卫星(DBS)通讯系统，需要低轮廓、高效率的天线系统，以提高系统的G/T值(G为天线系统的增益；T为天线系统的噪声温度)，来增加天线与卫星通讯的数据率。并且，天线的有效孔径受天线扫描体积的限制，对于给定的扫描体积，低轮廓天线可以得到最大的系统增益，从而提高整个系统的G/T值。
波导天线由于其高效、易于幅相控制、加工简单等因素得以大量应用，特别是雷达系统。波导天线有行波阵和驻波阵(谐振阵)两种，波导行波阵带宽较宽、有频扫特性。但其效率较低，适合做大型平面阵列；驻波阵效率高、带宽较窄，适合做小型平面阵列。
对于接收卫星直播通讯的天线系统来说，一般安装在飞机上或汽车顶部，因此这些天线系统都具有很好的机动性，从而对于这些天线的要求也就比较高。比如：小型化、低轮廓、低损耗、高增益等。为了减少天线系统的高度，天线一般设计为平面阵列天线，因此波导缝隙天线阵列得到了很好的应用。
商业卫星通讯系统中，卫星接收和发射的信号都是圆极化波，这样无论雷达和卫星成什么夹角，都不会引起交叉极化分量。也就是说卫星接收和发射圆极化波，不会引起极化的失配从而引起数据传输的效率的降低。
美国专利US5579019缝隙波导漏波天线(犹玛修.玛萨赫洛和奥吉玛.塔卡仕等，Masahiro Uematsu,Takashi Ojima,etc,slotted leaky waveguide array antenna)和US7436371B1低损耗低轮廓双极化波导月牙缝隙天线阵(李.玛.保尔逊，科德.瑞皮斯等，Lee M.Paulsen,Cedar Rapids,etc,waveguide crescent slot array for low-loss,low-profile dual-polarization antenna)中，存在宽带工作波束指向色散且效率降低的问题。
张洪涛、汪伟等人提出了一种圆极化波导驻波天线(中国专利，专利号：200910185457.3)中，存在受波导驻波缝隙阵列特点限制，即单元越多，工作带宽越窄，并且这种圆极化波导天线轴比带宽较窄，3dB轴比带宽不足3％。
汪伟、齐美清、张洪涛等人提出了一种圆极化天线(中国专利，专利号：201310454644.3)中，采用脊波导管开设两种缝隙实现了圆极化工作方式，但是该圆极化波导天线同样受波导驻波缝隙阵列特点的限制，即单元数越多，天线的工作带宽越窄。
张洪涛、汪伟等人提出了一种新颖的圆极化波导缝隙天线及其设计方法(中国专利，专利申请号：201510012239.5)中，采用“凸”形波导管上开设两种辐射缝隙实现圆极化工作方式，但是该圆极化天线的工作带宽同样受单元数的限制，即单元数越多，工作带宽越窄。
发明内容
为解决上述圆极化波导天线的缺点，本发明提供一种宽带圆极化波导天线及其天线阵列，其属于结构简单，且具有良好宽频带和低轴比特征的，便于单独组成大型平面阵的圆极化波导天线。
本发明的解决方案是：一种宽带圆极化波导天线，其包括辐射层、腔体层、馈电网络层、圆极化网络层；辐射层、腔体层、馈电网络层、圆极化网络层依次层叠为多层层叠的结构；辐射层背向腔体层的一侧上设置呈阵列式排布的8×8个辐射单元，每个辐射单元包括具有对称双脊的圆形脊开口波导和开设在圆形脊开口波导的底壁上的耦合馈电直缝隙一，双脊位于耦合馈电直缝隙一的相对两侧，且双脊的垂直连线与耦合馈电直缝隙一呈45度夹角；8×8个辐射单元分成四组辐射单元组，每组辐射单元组内包括呈阵列式排布的4×4个辐射单元，以任一组辐射单元组为定点参考，其余三组辐射单元组在逆时针或顺时针方向上依次旋转了90度、180度、270度；电磁波通过圆极化网络层被分为相位依次相差0度、90度、180度、270度的四路电磁信号再进入馈电网络层，通过激发腔体层去激发辐射层上的对应相位的各个辐射单元。
作为上述方案的进一步改进，腔体层包括呈阵列式排布的4×4个矩形腔体，每个矩形腔体对应呈阵列式排布的2×2个辐射单元，每个矩形腔体的腔底开设耦合馈电直缝隙二，耦合馈电直缝隙二平行于相应辐射单元的耦合馈电直缝隙一。
进一步地，馈电网络层包括四个一分四波导功分器，每个一分四波导功分器对应呈阵列式排布的2×2个矩形腔体。
再进一步地，圆极化网络层包括采用90度电桥构成的一分四功分网络。
优选地，一分四功分网络采用矩形波导管中心馈电。
作为上述方案的进一步改进，相邻两个辐射单元之间的间距为0.5λh<dx＝dy<λh，其中，λh为高频自由空间波长，dx为同一行上的相邻两个辐射单元之间的间距，dy为同一列上的相邻两个辐射单元之间的间距。
作为上述方案的进一步改进，耦合馈电直缝隙一的长度Ls和宽度Ws满足：Ls＝0.5λ0，0.1λ0≤Ws≤0.125λ0，其中，λ0为中心频率自由空间波长。
作为上述方案的进一步改进，圆形脊开口波导的脊的宽度Rw和高度Rh满足：其中，为圆形脊开口波导的直径且λ0为中心频率自由空间波长。
进一步地，耦合馈电直缝隙二的长度Lc和宽度Wc满足：Lc＝0.5λ0，0.1λ0≤Wc≤0.125λ0，λ0为中心频率自由空间波长。
本发明还提供一种宽带圆极化波导天线阵列，其包括N×N个天线，N为正整数；该天线为上述任意宽带圆极化波导天线。
本发明的宽带圆极化波导天线采用多层结构，在矩形腔体上开设圆形脊开口波导与耦合馈电直缝隙组合的辐射单元，通过旋转馈电和圆极化网络，实现宽频带、低轴比的特点。本发明的有益效果为：采用多层层叠的结构，在矩形腔体上开设直缝隙耦合馈电的圆形脊开口波导，实现圆极化的工作方式，通过圆极化网络馈电，展宽了圆极化工作带宽，降低了工作频带内的轴比，结构简单、易于加工；通过控制圆形脊开口波导双脊垂直连线与耦合馈电缝隙之间的夹角和圆极化馈电网络的相位差，可以很方便地得到宽带左旋圆极化波导天线或者宽带右旋圆极化波导天线；在组阵时，可以依此天线为基本模块，通过功分网络可以扩展大型平面宽带圆极化波导天线阵列。
附图说明
图1为本发明宽带圆极化波导天线的三维外观示意图；
图2为图1中宽带圆极化波导天线的分层结构示意图；
图3为本发明实施例1的宽带圆极化波导天线的俯视图；
图4为本发明实施例1的宽带圆极化波导天线的仰视图；
图5为本发明实施例1的宽带圆极化波导天线的中心频率方向曲线图；
图6为本发明实施例1的宽带圆极化波导天线的中心频率轴比曲线图；
图7为本发明实施例1的宽带圆极化波导天线的轴比-频率曲线图；
图8为本发明实施例1的宽带圆极化波导天线的驻波比-频率曲线图；
图9为由图1中4个宽带圆极化波导天线扩展而成的阵列天线的三维结构示意图；
图10为图9的阵列天线的仰视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1及图2，本发明的宽带圆极化波导天线包括辐射层1、腔体层2、馈电网络层3、圆极化网络层4。辐射层1、腔体层2、馈电网络层3、圆极化网络层4依次层叠为多层层叠的结构。电磁波通过圆极化网络层4再进入馈电网络层3，通过激发腔体层2去激发辐射层1上的对应相位的各个辐射单元5。
请结合图3及图4，图1至图4是本发明宽带圆极化波导天线的结构示意图、分层结构示意图、俯视图、顶视图，显示了本发明宽带波导天线的详细构造。辐射层1背向腔体层2的一侧上设置呈阵列式排布的8×8个辐射单元5，每个辐射单元5包括具有对称双脊61的圆形脊开口波导6和开设在圆形脊开口波导6的底壁62上的耦合馈电直缝隙一7。双脊61位于耦合馈电直缝隙一7的相对两侧，且双脊61的垂直连线与耦合馈电直缝隙一7呈45度夹角。8×8个辐射单元5分成四组辐射单元组，每组辐射单元组内包括呈阵列式排布的4×4个辐射单元5，以任一组辐射单元组为定点参考，其余三组辐射单元组在逆时针或顺时针方向上依次旋转了90度、180度、270度。也就是说，四组辐射单元组在方位角度上可以依次定义为0度、90度、180度、270度。电磁波通过圆极化网络层4被分为相位依次相差0度、90度、180度、270度的四路电磁信号再进入馈电网络层3，通过激发腔体层2去激发辐射层1上的对应相位的各个辐射单元5。
本发明采用多层层叠的结构，在腔体层2上的辐射层1设置具有耦合馈电直缝隙的圆形脊开口波导6，实现圆极化的工作方式，通过圆极化网络4馈电，展宽了圆极化工作带宽，降低了工作频带内的轴比，结构简单、易于加工；通过控制圆形脊开口波导6的双脊61垂直连线与耦合馈电直缝隙一7之间的夹角和圆极化网络4的馈电相位差，可以很方便地得到宽带左旋圆极化波导天线或者宽带右旋圆极化波导天线。
辐射单元5在设计上，可先采用在辐射层1开槽的形式，开两个弧形凹槽，再将两个弧形凹槽打通而形成通道，通道的两侧则形成双脊，然后调整双脊的高度、宽度、长度，最后开设直缝隙，这个直缝隙的两端从通道的两端分别延伸并延伸至两个凹槽，因此直缝隙通过通道位于两个凹槽的底壁上。
腔体层2可包括呈阵列式排布的4×4个矩形腔体8，每个矩形腔体8对应呈阵列式排布的2×2个辐射单元5，每个矩形腔体8的腔底开设耦合馈电直缝隙二9，耦合馈电直缝隙二9平行于相应辐射单元5的耦合馈电直缝隙一7。馈电网络层3可包括四个一分四波导功分器10，每个一分四波导功分器10对应呈阵列式排布的2×2个矩形腔体8。圆极化网络层4可包括采用90度电桥构成的一分四功分网络11，一分四功分网络11可采用矩形波导管12中心馈电。
综上所述，本发明的宽带圆极化波导天线，解决了现有圆极化波导天线工作带宽窄、轴比差等问题。本发明主要由辐射层、腔体层、馈电网络层和圆极化网络层组成；其辐射层主要由辐射单元阵列而成，每个辐射单元都主要由圆形脊开口波导和耦合馈电缝隙组成，圆形脊开口波导为对称脊圆形波导，其上下脊的对称轴线与耦合馈电缝隙呈45度夹角；单个腔体激励2×2圆形脊开口波导，通过一分四的功分网络，形成4×4圆形脊开口波导阵列天线；通过对4×4圆形脊开口波导阵列天线依次旋转90度、180度、270度，并通过圆极化馈电网络，从而实现宽带圆极化波导天线。本发明的天线结构简单、紧凑，辐射效率高，工作带宽宽，在16％的工作带宽内，天线的轴比小于1dB，端口驻波比小于1.3。
本发明的宽带圆极化波导天线在组阵时，可以依此天线为基本模块，通过功分网络可以扩展大型平面宽带圆极化波导天线阵列。
实施例1
请再次参阅图3及图4，先定义：圆形脊开口波导6的直径为高度为Ch，脊的宽度为Rw，脊高为Rh；耦合馈电直缝隙一7的长度为Ls，宽度为Ws，金属壁厚为t；矩形腔体8的长度为a，宽度为b，高度为h；耦合馈电直缝隙二9的长度为Lc，宽度为Wc。
本发明的一个优选实施例是按均匀分布的X波段的64单元宽带圆极化波导天线，采用标准矩形波导管12中心馈电，参见图1～图5所示。工作中心频率为f0，下边频为fL，上边频为fH，本实施例分别选择10、9.2、10.8GHz。
宽带圆极化波导天线主要由辐射层1、腔体层2、馈电网络层3和圆极化网络层4组成。所述的辐射层1主要由圆形开口波导6和耦合馈电缝隙7组成；腔体层2主要由矩形腔体8和耦合馈电直缝隙二9组成；馈电网络层3主要由4个一分四功分网络10组成；圆极化网络层4主要由90度电桥构成的一分四网络11组成，并可采用标准矩形波导管12中心馈电。
相邻两个辐射单元5之间的间距为0.5λh<dx＝dy<λh，其中，λh为高频自由空间波长，dx为同一行上的相邻两个辐射单元5之间的间距，dy为同一列上的相邻两个辐射单元5之间的间距，本实施例优选为22mm。
圆形脊开口波导6的尺寸为：直径(λ0为中心频率自由空间波长)，本实施例优选为21mm；高度Ch为0mm<Ch<0.5λ0，本实施例优选为9.8mm；脊的宽度Rw满足：本实施例优选为2mm；脊的高度Rh满足：本实施例优选为1.5mm。
耦合馈电直缝隙一7的尺寸为：长度Ls满足：Ls＝0.5λ0，本实施例优选为15mm；宽度Ws满足：0.1λ0≤Ws≤0.125λ0，本实施例优选为2mm。
金属壁厚t以加工能力确定，本实施例优选为0.8mm。
矩形腔体8的尺寸为：长度a＝2dx-t，本实施例优选为33.2mm；宽度b＝2dy-t，本实施例优选为33.2mm；高度为0mm<h<λ0，本实施例优选为15.5mm。
耦合馈电直缝隙二9的尺寸为：长度Lc满足：Lc＝0.5λ0，本实施例优选为15mm，宽度Wc满足：0.1λ0≤Wc≤0.125λ0，本实施例优选为2mm。
电磁波通过馈电端口12进入圆极化网络4，被分为4路电磁信号(相位差为0度、90度、180度、270度)，进入馈电网络层3，通过耦合馈电直缝隙二9激励矩形腔体8，再通过耦合馈电直缝隙一7耦合馈电圆形脊开口波导6，对外进行电磁波辐射。
该发明实施例64单元宽带圆极化波导天线的中心频率方向图曲线、中心频率轴比曲线、轴比-频率曲线和驻波对比-频率曲线参见图5至图8所示，可以看出本发明良好的驻波带宽和轴比带宽。
实施例2
在组阵时，可以依实施例1天线为基本模块，通过功分网络可以扩展大型平面宽带圆极化波导阵列天线。本发明的宽带圆极化波导天线阵列包括N×N个宽带圆极化波导天线，N为正整数。
本发明的另一个优选实施例如图9～图10所示，该宽带圆极化波导天线阵列由4个图1所示的64元宽带圆极化波导天线平移而成，并采用一分四的波导功分器馈电，从而形成一个更大的宽带圆极化波导天线阵列。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如对辐射单元数量和口径形式的变化，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (10)

1.一种宽带圆极化波导天线，其特征在于：其包括辐射层(1)、腔体层(2)、馈电网络层(3)、圆极化网络层(4)；辐射层(1)、腔体层(2)、馈电网络层(3)、圆极化网络层(4)依次层叠为多层层叠的结构；辐射层(1)背向腔体层(2)的一侧上设置呈阵列式排布的8×8个辐射单元(5)，每个辐射单元(5)包括具有对称双脊(61)的圆形脊开口波导(6)和开设在圆形脊开口波导(6)的底壁(62)上的耦合馈电直缝隙一(7)，双脊(61)位于耦合馈电直缝隙一(7)的相对两侧，且双脊(61)的垂直连线与耦合馈电直缝隙一(7)呈45度夹角；8×8个辐射单元(5)分成四组辐射单元组，每组辐射单元组内包括呈阵列式排布的4×4个辐射单元(5)，以任一组辐射单元组为定点参考，其余三组辐射单元组在逆时针或顺时针方向上依次旋转了90度、180度、270度；电磁波通过圆极化网络层(4)被分为相位依次相差0度、90度、180度、270度的四路电磁信号再进入馈电网络层(3)，通过激发腔体层(2)去激发辐射层(1)上的对应相位的各个辐射单元(5)。
2.如权利要求1所述的宽带圆极化波导天线，其特征在于：腔体层(2)包括呈阵列式排布的4×4个矩形腔体(8)，每个矩形腔体(8)对应呈阵列式排布的2×2个辐射单元(5)，每个矩形腔体(8)的腔底开设耦合馈电直缝隙二(9)，耦合馈电直缝隙二(9)平行于相应辐射单元(5)的耦合馈电直缝隙一(7)。
3.如权利要求2所述的宽带圆极化波导天线，其特征在于：馈电网络层(3)包括四个一分四波导功分器(10)，每个一分四波导功分器(10)对应呈阵列式排布的2×2个矩形腔体(8)。
4.如权利要求3所述的宽带圆极化波导天线，其特征在于：圆极化网络层(4)包括采用90度电桥构成的一分四功分网络(11)。
5.如权利要求4所述的宽带圆极化波导天线，其特征在于：一分四功分网络(11)采用矩形波导管(12)中心馈电。
6.如权利要求1所述的宽带圆极化波导天线，其特征在于：相邻两个辐射单元(5)之间的间距为0.5λh<dx＝dy<λh，其中，λh为高频自由空间波长，dx为同一行上的相邻两个辐射单元(5)之间的间距，dy为同一列上的相邻两个辐射单元(5)之间的间距。
7.如权利要求1所述的宽带圆极化波导天线，其特征在于：耦合馈电直缝隙一(7)的长度Ls和宽度Ws满足：Ls＝0.5λ0，0.1λ0≤Ws≤0.125λ0，其中，λ0为中心频率自由空间波长。
8.如权利要求1所述的宽带圆极化波导天线，其特征在于：圆形脊开口波导(6)的脊(61)的宽度Rw和高度Rh满足：其中，为圆形脊开口波导(6)的直径且λ0为中心频率自由空间波长。
9.如权利要求2所述的宽带圆极化波导天线，其特征在于：耦合馈电直缝隙二(9)的长度Lc和宽度Wc满足：Lc＝0.5λ0，0.1λ0≤Wc≤0.125λ0，λ0为中心频率自由空间波长。
10.一种宽带圆极化波导天线阵列，其包括N×N个天线，N为正整数；其特征在于：该天线为如权利要求1至9中任意一项所述的宽带圆极化波导天线。
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