CN106992354A - 拆子阵馈电victs卫通天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种拆子阵馈电VICTS卫通天线，旨在提供一种低剖面、高增益、波束扫描角度大，辐射能力强的卫通天线。本发明通过下述技术方案予以实现：上层金属转盘盘面上制有沿径向方向，按线阵玄线等间距排列的空气长槽，每一个空气长槽的分隔体底部制有起阻抗匹配作用的空气缝隙盲槽，下层金属圆盘对应上层金属转盘底面，制有对称直径轴线排布的波导腔体，每个波导腔体作为天线子阵的馈电网络通过腔体内壁馈电线源，从每个腔体左端产生一个在馈电端近似等幅同相的从左往右进行的准TEM波，准TEM波电场从每个波导腔体中流入空气长槽，上层金属转盘将每一个空气长槽作为辐射子阵单元，将每一个辐射单元子阵结合成一个天线辐射入自然空间的大阵列，辐射入自然空间。

Description

拆子阵馈电VICTS卫通天线
技术领域
本发明涉及一种可变倾角连续断面节阵列阵列天线VICTS(VariableInclination Continuous Transverse Stub Arrays)，特别是适用于低剖面、低成本、高性能的拆子阵馈电VICTS卫通天线。
背景技术
卫星通信系统要求天线具有低轮廓、高增益、宽频带、高扫描角度等特性。如今，在诸多卫通天线中，如抛物面天线、相控阵天线等，都有些许的不足。抛物面天线具有最好的波束扫描性能，稳定的增益，高扫描角度，但是体积最大，对伺服转台要求高，扫描速率慢(毫秒级)，虽然可采用低轮廓设计，但体积仍然是诸多卫通天线中最大的。
随着相控阵天线热度逐渐提升，在卫星通信领域的应用也日益增多。相控阵天线具有低剖面，极高的扫描速率(纳秒级)，天线的形式不局限等优势，但相控阵天线的成本高，组件部件多，每个单元需要独立的TR组件。若提高相控阵天线的增益会大大提高天线的成本，因此相控阵天线并不能称为高增益天线。虽然相控阵天线的扫描速率快，但随着扫描角度的增加，增益呈下降趋势。大角度(60°)扫描增益下降明显。
美国ThinKom公司公开了一种在车载中应用的车载动中通天线，该天线采用可变倾角连续断面节阵列技术(VICTS)。可变倾角连续断面节阵列(VICTS)天线采用二维断面扫描装置，收发天线面分离，两个天线面均为层式同心圆盘结构，装置由一组简单的可旋转同心圆盘组成。从上到下依次为极化控制层，上层圆盘CTS天线层，下层圆盘静态的线源激励层。激励层是带有连续线性辐射源的一维晶体格栅盘，即激励源层。通过转动下层圆盘实现方位面的波束扫描，转动上层圆盘实现俯仰面的波束扫描，两层都是通过机械皮轮带动圆盘转动，最底层的盘同时起射频隔离作用。各层间的电波传播为空气介质传导方式，阻抗损耗被降低到最小的程度，提高了天线效率，同性能条件下，比普通的天线所需的天线面积减少了30％到75％。但这种天线也存在增益随仰角降低而下降,非固定方向图和测试困难等缺点，且由于采用单馈电腔的馈电结构，馈电腔形状为圆内接正方形，这种馈电使得该天线的可利用馈电面积小，天线效率低仅为50％。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术VICTS天线采用单馈电腔结构，馈电腔利用面积小，导致天线口径效率低仅为50％的这一缺陷，提供一种结构简单、易于加工、天线效率更高的拆子阵馈电VICTS卫通天线。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种拆子阵馈电VICTS卫通天线，包括上层金属转盘1和下层金属圆盘2，其特征在于：上层金属转盘1盘面上制有沿径向方向，按线阵玄线等间距排列的空气长槽12，每一个空气长槽12的分隔体底部制有起阻抗匹配作用的空气缝隙盲槽13，下层金属圆盘2对应上层金属转盘1底面，制有对称直径轴线排布的波导腔体22，每个波导腔体填充有介质23，上层金属转盘1同轴装配于下层金属圆盘2的上方，每个波导腔体22作为天线子阵的馈电网络通过腔体内壁馈电线源24，从腔体左端产生一个在馈电端近似等幅同相的准TEM波和电场从左往右行进的行波，电场从波导腔体22中流入空气长槽12，上层金属转盘1将每一个空气长槽12作为辐射子阵单元，将每一个辐射单元子阵结合成一个天线的大阵列，辐射入自然空间。
“拆子阵馈电”是将传统的单馈电腔结构改为多个馈电腔组成的馈电阵列，在天线圆形口径内对馈电腔阵列优化布局排列，可以大大提高馈电面积，每一个馈电腔对上层辐射阵列馈电，为该天线的子馈电网络，亦称为“子阵”，这种馈电方式等效为传统阵列天线设计中的拆子阵技术。相比于“单馈电腔”的VICTS天线，“拆子阵馈电”可以大幅提高天线等效馈电面积，使天线效率从“单馈电腔”的50％提高到70％甚至更高。本发明“拆子阵馈电”方式的VICTS天线由于每个“子阵”的结构特性完全相同，设计时只需要单独针对一个“子阵”进行设计，使得天线的设计更简单，结构更简单，更易于加工。本发明“拆子阵馈电”的VICTS天线较传统的“单馈电腔”的VICTS天线更易与控制单元电场分布，实现方向图赋形，且大角度扫描时增益下降更缓慢。传统VICTS天线波束扫描60°时增益下降约4.8dB，而“拆子阵馈电”的VICTS天线波束扫描60°时增益下降约3dB。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
设计简单、结构简单、易于加工、易于装配，成本低。本发明采用带有若干空气槽的上层金属转盘1和带有若干波导腔体的下层金属圆盘2，将上层金属转盘1位于下层金属圆盘2的上方,两层结构为层式同心圆盘结构，天线所有结构均为金属结构，可一体化加工成型，也可分部件装配。装配加工均为传统标准机械加工工艺，加工简单且成本低，部件少，加工精度高，天线稳定性得到保障。使天线高度和成本大大降低，易于实现低轮廓共形，零配件结构少，结构简单、易于加工、天线重量轻安装简单，体积小，易于装配，成本低廉。采用这种技术的天线具有很高的馈电效率和口径效率，阵列易于实现波束控制，加工成本低。
低剖面、高增益、波束扫描角度大。本发明采用一组可同心旋转，将上层金属转盘1同轴装配于下层金属圆盘2的上方组成拆子阵馈电VICTS卫通天线，将大天线阵列分解成若干小阵列，通过改变上下转盘的相对位置，实现天线波束H面扫描。通过转动上层金属转盘1，改变上层金属转盘1与下层金属圆盘2的相对位置，实现天线大角度波束扫描，不仅具备了可变倾角连续断面节阵列VICTS天线低剖面、高增益、阻抗效率高，天线的旁瓣低，天线体积小的优良特性，而且通过旋转转盘1，在低剖面的前提下，采用波导腔体22天线子阵的馈电网络实现天线波束大角度扫描，扫描速率较传统机械扫描快，波束扫描角度大达±85°、大角度扫描增益下降少、低成本等优势。克服了现有技术相控阵天线的成本高，组件部件多，每个单元需要独立的TR组件的不足。可变倾角连续断面节阵列(VICTS)天线上层圆盘CTS天线层，下层圆盘静态的线源激励层带有连续线性辐射源的一维晶体格栅盘，集成天线的功放、LNB、陀螺和天线控制单元。
辐射能力强。本发明采用若干波导腔体22组成天线馈电网络，将每个波导腔体22作为一个天线的子馈电网络，应若干个小天线阵列同时馈电，平衡电场分布的天线馈电形式提高了天线性能。最底层的盘同时起射频隔离作用,阻抗损耗被降低到最小的程度，因此阻抗效率大幅度提高。采用多段阶梯渐变结构的空气长槽12作为辐射单元，使天线辐射单元在宽频带、大角度内有很强的辐射能力。在波导腔体22中添加低损耗、低介电常数介质23，来实现波导慢波，控制天线方向图栅瓣，实现天线大角度无栅瓣扫描。采用在辐射单元后方增加阻抗匹配单元，即空气缝隙盲槽13，来优化端口驻波，使天线在宽频带、大角度内有良好的端口驻波。
本发明适用于高增益、高效率、高扫描角度、高扫描稳定度、高扫描速率、低成本、低剖面要求的卫星通信系统，特别适合作为一种低剖、高性能卫通天线。
附图说明
图1是本发明拆子阵馈电VICTS卫通天线的构造示意图。
图2是图1的剖面视图。
图3是图2上层金属转盘1的俯视图。
图4是图2下层金属圆盘2的俯视图。
图中：1上层金属转盘，2下层金属圆盘，11长槽金属壁，12空气长槽，13空气缝隙盲槽。21波导腔金属壁，22波导腔体，23介质，24馈电线源。阶梯状即天线辐射单元，
具体实施方式
参阅图1-图4。在以下描述的实例中一种拆子阵馈电VICTS卫通天线，包括上层金属转盘1和下层金属圆盘2，其特征在于：上层金属转盘1盘面上制有沿径向方向，按线阵玄线等间距排列的空气长槽12，每一个空气长槽12的分隔体底部制有起阻抗匹配作用的空气缝隙盲槽13，下层金属圆盘2对应上层金属转盘1底面，制有对称直径轴线排布的波导腔体22，每个波导腔体填充有介质23，上层金属转盘1同轴装配于下层金属圆盘2的上方，每个波导腔体22作为天线子阵的馈电网络通过腔体内壁馈电线源24，从腔体左端产生一个在馈电端近似等幅同相的准TEM波和电场从左往右行进的行波，电场从波导腔体22中流入空气长槽12，上层金属转盘1将每一个空气长槽12作为辐射子阵单元，将每一个辐射单元子阵结合成一个天线的大阵列，辐射入自然空间。空气长槽12两侧长槽金属壁11形成的挖空槽腔为天线的辐射单元通道，这些空气长槽12按照等间距排列，为多段阶梯渐变倒塔型结构。每一个空气长槽12相邻隔体的塔型剖面的塔座长度方向上制有空气缝隙盲槽13，这些空气缝隙盲槽13起阻抗匹配的作用。下层金属圆盘2通过波导腔金属壁21构成的波导腔为矩形腔，其中，至少有两个两两对称的波导腔以圆盘中心为原点对称于圆盘直径轴线，至少有两个波导腔分别位于所述两两对称的波导腔的两边。下层金属圆盘2中包含的若干个波导腔体22组成了天线子阵的馈电网络。波导腔体22中填充有按一定腔高比例的低损耗、低介电常数的介质23。波导腔体22的波导腔金属壁21左端埋设有馈电线源24。上层金属转盘1为态动圆，下层金属圆盘2为静态圆盘，组成了可旋转的同心圆盘体。上层金属转盘1与下层金属圆盘2同轴装配，起始位置保持空气长槽12与馈电线源24平行，上层金属转盘1通过机械转动上层金属转盘1改变上层金属转盘1的空气长槽12与下层金属圆盘2的波导腔体22的相对位置，可实现天线大角度波束扫描。
天线馈电采用若干波导腔体22，腔体中电磁波传播模式为准TEM模。天线工作时，每个波导腔体22中的馈电线源24从腔体左端产生一个准TEM波，在馈电端近似等幅同相。在每一个波导腔体22中，电场为从左往右行进的行波，波导腔体22中的电场经过上层金属转盘1中每一个空气长槽12时，电场从波导腔体22中流入空气长槽12，并通过阶梯状的空气长槽12辐射。在经过最后一个空气长槽12时，电场基本辐射完全。每一个波导腔体22中的馈电线源24同时工作，将每一个辐射子阵结合成一个大阵列，辐射入自然空间，此时，天线的波束指向法向，即垂直于天线平面的方向。
随着上层金属转盘1的转动，每一个波导腔体22中的馈电线源24同时工作，上层金属转盘1与下层金属圆盘2相对位置发生变化，电场从左往右流入空气长槽12时，在沿空气长槽12的方向上产生均匀分布的相位差，天线的波束指向将在沿空气长槽12的面上发生倾斜而进行波束扫描，随着上层金属转盘1转动角度的增加，波束扫描角度也随之增大，馈电网络将每一个辐射子阵结合成一个辐射入自然空间大阵列。

Claims (10)

1.一种拆子阵馈电VICTS卫通天线，包括上层金属转盘(1)和下层金属圆盘(2)，其特征在于：上层金属转盘(1)盘面上制有沿径向方向，按线阵玄线等间距排列的空气长槽(12)，每一个空气长槽(12)的分隔体底部制有起阻抗匹配作用的空气缝隙盲槽(13)，下层金属圆盘(2)对应上层金属转盘(1)底面，制有对称直径轴线排布的波导腔体(22)，上层金属转盘(1)同轴装配于下层金属圆盘(2)的上方，每个波导腔体(22)作为天线子阵的馈电网络通过腔体内壁馈电线源(24)，从每个腔体左端产生一个在馈电端近似等幅同相的从左往右进行的准TEM波，准TEM波电场从波导腔体(22)中流入空气长槽(12)，上层金属转盘(1)将每一个空气长槽(12)作为辐射子阵单元，将每一个辐射单元子阵结合成一个天线的大阵列，辐射入自然空间。
2.如权利要求1所述的拆子阵馈电VICTS卫通天线，其特征在于，空气长槽(12)两侧长槽金属壁(11)形成的挖空槽腔为天线的辐射单元通道，这些空气长槽(12)按照等间距排列，为多段阶梯渐变倒塔型结构。
3.如权利要求1所述的拆子阵馈电VICTS卫通天线，其特征在于，天线馈电采用若干波导腔体(22)，腔体中电磁波传播模式为准TEM模。
4.如权利要求1所述的拆子阵馈电VICTS卫通天线，其特征在于，每一个空气长槽(12)相邻隔体的塔型剖面的塔座长度方向上制有空气缝隙盲槽(13)，这些空气缝隙盲槽(13)起阻抗匹配的作用。
5.如权利要求1所述的拆子阵馈电VICTS卫通天线，其特征在于，下层金属圆盘(2)通过波导腔金属壁(21)构成的波导腔为矩形腔，其中，至少有两个两两对称的波导腔以圆盘中心为原点对称于圆盘直径轴线，至少有两个波导腔分别位于所述两两对称的波导腔的两边。
6.如权利要求1所述的拆子阵馈电VICTS卫通天线，其特征在于，下层金属圆盘(2)中包含的若干个波导腔体(22)组成了天线子阵的馈电网络。
7.如权利要求1所述的拆子阵馈电VICTS卫通天线，其特征在于，每个波导腔体填充有按腔高比例填充的介质(23)),波导腔体(22)的波导腔金属壁(21)左端埋设有馈电线源(24)。
8.上层金属转盘(1)为态动圆，下层金属圆盘(2)为静态圆盘，组成了可旋转的同心圆盘体。
9.如权利要求1所述的拆子阵馈电VICTS卫通天线，其特征在于，上层金属转盘(1)与下层金属圆盘(2)同轴装配，起始位置保持空气长槽(12)与馈电线源(24)平行，通过机械转动上层金属转盘(1)改变上层金属转盘(1)的空气长槽(12)与下层金属圆盘(2)的波导腔体(22)的相对位置，实现天线大角度波束扫描。
10.如权利要求1所述的拆子阵馈电VICTS卫通天线，其特征在于，随着上层金属转盘(1)的转动，每一个波导腔体(22)中的馈电线源(24)同时工作，上层金属转盘(1)与下层金属圆盘(2)相对位置发生变化，电场从左往右流入空气长槽(12)时，在沿空气长槽(12)的方向上产生均匀分布的相位差，天线的波束指向将在沿空气长槽(12)的面上发生倾斜而进行波束扫描，随着上层金属转盘(1)转动角度的增加，波束扫描角度也随之增大。
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