CN107221760B

CN107221760B - 一种双频圆极化阵列天线

Info

Publication number: CN107221760B
Application number: CN201710579054.1A
Authority: CN
Inventors: 宋长宏
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2037-07-17
Also published as: CN107221760A

Abstract

本发明公开了一种双频圆极化阵列天线，属于卫星通信技术领域。本发明包括四个方型口径的位于天线最上方的角锥喇叭，角锥喇叭呈2×2阵列形式排布，每个角锥喇叭的下方均设有一个波导极化器，波导极化器的下方依次设有右旋极化馈电网络、波导过渡段、左旋极化馈电网络以及背腔层，波导过渡段的上表面设有第一沟槽，波导过渡段的下表面均设有第二沟槽，背腔层的上表面设置有与第二沟槽同构的第三沟槽，第一沟槽构成右旋极化馈电网络的同轴外导体，第二沟槽和第三沟槽分别构成左旋极化馈电网络的同轴外导体。本发明具有圆极化轴比带宽宽、辐射效率高、双圆极化辐射的特点。

Description

一种双频圆极化阵列天线

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是指一种双频圆极化阵列天线。

背景技术

目前在卫星通信系统中，要求天线具有高增益、高效率、双极化等电气特性，特别是要求收发频段间隔较大(1.5-2倍频左右)，且为圆极化辐射。目前，实现上述性能的天线主要有以下几种天线形式，但各有优缺点：

1、波导缝隙天线。该形式天线是在波导宽边或窄边进行开缝，通常有行波、驻波两种阵列形式，但辐射单元缝隙的增益相对较低，通常只有7dB左右，由于为串馈形式，带宽内出现频扫现象，随着工作频率的增高，要求加工精度也越高，需借助较高的焊接工艺加工制造，成品率较低，导致成本较高。

2、微带贴片天线。该天线形式具有轮廓低、可集成有源器件、可实现辐射单元与网络一体化设计的，但天线的介质损耗较大，且存在漏波效应，天线单元增益低、馈电网络损耗大，不利用实现较高频段的高增益天线设计。

3、喇叭阵列阵列天线。该形式的天线通常以角锥喇叭最为辐射器，借助同轴探针波导腔体微扰的方法实现圆极化激励，该方法实现圆极化激励结构简单，效率较高，但馈电网络横向尺寸较大，导致单单元辐射间距较大，宽带辐射时频段高端方向图会出现较高的栅瓣，导致天线口径效率较大，且此种天线圆极化轴比带宽相对较窄，通常在10％以内。

可见，现有技术中的天线都存在各种各样的弊端，具有较大的改进空间。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种双频圆极化阵列天线，其具有圆极化轴比带宽宽、辐射效率高、双圆极化辐射的特点。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种双频圆极化阵列天线，其包括四个方型口径的位于天线最上方的角锥喇叭，角锥喇叭呈2×2阵列形式排布，每个角锥喇叭的下方均设有一个波导极化器，波导极化器的下方依次设有右旋极化馈电网络、波导过渡段、左旋极化馈电网络以及背腔层，波导过渡段的上表面设有第一沟槽，波导过渡段的下表面均设有第二沟槽，背腔层的上表面设置有与第二沟槽同构的第三沟槽，第一沟槽构成右旋极化馈电网络的同轴外导体，第二沟槽和第三沟槽分别构成左旋极化馈电网络的同轴外导体。

可选的，波导极化器为方波导内部嵌入阶梯隔片的极化器形式，波导极化器的方形波导口的一端与角锥喇叭的底部馈接，另一端被阶梯隔片分隔为左旋矩形波导口和右旋矩形波导口，左旋矩形波导口馈入波导过渡段，右旋矩形波导口馈入右旋极化馈电网。

可选的，左旋极化馈电网络的馈线和右旋极化馈电网络的馈线均为印制板敷铜结构，左旋极化馈电网络的馈线馈入波导过渡段，右旋极化馈电网络的馈线馈入波导极化器的矩形波导口。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

本发明由角锥喇叭、波导极化器、左右旋极化馈电网络、波导过渡段、背腔构成，能在宽频带内产生高质量的定向波束，收发频段间隔大于1.5个倍频，单频段轴比带宽大于15％，辐射效率高，结构紧凑。

本发明可作为大型阵列天线的子阵单元，整个天线结构简单、紧凑，同时可以实现天线与网络的一体化设计。该阵列天线包括四个角锥喇叭单元呈2×2排列，同样与其一一对应有四个波导极化器位于角锥喇叭下方；为了方便与馈电网络的排布，左右旋极化馈电网络可以采用印制板加工工艺，加工精度较高，且占用物理空间较小，易于阵元小间距设计，能够实现天线阵列的高增益、低副瓣、高效率。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为实例性质的图片，并非旨在暗示本专利的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本专利所公开的文字内容和/或附图内容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本专利的保护范围之内。

图1是本发明实施例中一种双频圆极化阵列天线的结构示意图；

图2是本发明实施例中角锥喇叭和波导极化器的一种结构示意图；

图3是图2中阶梯隔片的一种结构示意图；

图4是本发明实施例中右旋极化馈电网络的一种结构示意图；

图5是本发明实施例中波导过渡段的一种结构示意图；

图6是本发明实施例中左旋极化馈电网络的一种结构示意图；

图7是本发明实施例中背腔层的一种结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

需要说明的是，本专利中所采用的“第一”“第二”等用语仅仅是为了区分多个/组/类具有相同名称的不同对象而使用的文字标记，从而便于对技术方案作出准确描述。显然，这些标记性质的用语不具有任何排序或计数的含义，也不具有相当于冠词或指示代词的语义内涵。

如图1～7所示，一种双频圆极化阵列天线，其包括包括四个方型口径的位于天线最上方的角锥喇叭1，角锥喇叭1呈2×2阵列形式排布，每个角锥喇叭1的下方均设有一个波导极化器6，波导极化器6的下方依次设有右旋极化馈电网络2、波导过渡段3、左旋极化馈电网络4以及背腔层5，波导过渡段3的上表面设有第一沟槽7，波导过渡段3的下表面均设有第二沟槽(在图5的纸背面，未图示)，背腔层5的上表面设置有与第二沟槽同构的第三沟槽8，第一沟槽7构成右旋极化馈电网络2的同轴外导体(结构如图4所示)，第二沟槽和第三沟槽8分别构成左旋极化馈电网络4的同轴外导体(结构如图6所示)。

该实施例中，右旋极化馈电网络2和左旋极化馈电网络4可以采用准空气同轴结构，且二者皆可采用介质厚度为0.127mm的印制板工艺来实现，在图4和图6中，右旋极化馈电网络和左旋极化馈电网络分别与相应沟槽形成功率分配网络，而沟槽则分布于极化馈电网络的上下表面，实现同轴外导体的功能。

该实施例中，波导过渡段3位于左、右旋极化馈电网络之间，其结构为波导极化器6波导口的延伸，同时其隔离了两极化的馈电空间，分离馈电网络于上下两层，易于馈电网络走线，防止二者交叠，其上下设置有与两极化网络上下表面对应的沟槽，实现同轴外导体的功能；背腔层5位于天线的最底层，上表面设置有左旋极化网络所需的沟槽，其内部结构为两极化馈电网络所需短路面，能够保证电磁波可低向辐射。

如图2所示，波导极化器可以采用在方波导内部嵌入阶梯隔片的极化器形式，阶梯隔片具有若干台阶a₁～a₆，每级台阶距离方形波导口侧边的距离分别为b₁～b₆；该波导极化器的方形波导口的一端与角锥喇叭的底部馈接，另一端被阶梯隔片分隔为左旋矩形波导口和右旋矩形波导口，其中左旋矩形波导口馈入波导过渡段，右旋矩形波导口馈入右旋极化馈电网。

该阶梯隔片在设计时满足如下关系：

a₁＝0.3λ，b₁＝0.04λ，

a₂＝0.24λ，b₂＝0.11λ，

a₃＝0.35λ，b₃＝0.28λ，

a₄＝0.28λ，b₄＝0.3λ，

a₅＝0.15λ，b5＝0.35λ，

b6为方波导尺寸，并根据馈电空间选择合适的尺寸a₆。

上述关系中，λ为天线中心频率f₀对应的波长，满足：

f₀＝(f_l+f_h)/2,

其中，f_l为天线工作频段低端的中心频率，f_h为天线工作频段高端的中心频率。当天线工作在K波段时，阶梯隔片厚度的取值范围为0.5mm～1mm。

上述实施例中，左旋极化馈电网络的馈线和右旋极化馈电网络的馈线可采用印制板敷铜结构，其中左旋极化馈电网络的馈线馈入波导过渡段，右旋极化馈电网络的馈线馈入波导极化器的矩形波导口，两极化的馈线均采用等幅、反相馈电的方式。

上述实施例中，四个方型口径角锥喇叭1和四个波导极化器6可以采用一体加工工艺，从而保证极化器与角锥喇叭的高精度设计；右旋极化馈电网络印制板放置在背腔层和波导过渡段之间，左旋极化馈电网络印制板放置在波导过渡段与角锥喇叭之间，部件之间可以采用销钉或螺钉进行定位装配，保证各部件之间的紧配合。

上述工作原理如下：当发射信号时，发射机通过同轴馈线发射信号，左旋极化馈电网络，经由波导变换段至波导极化器并由角锥喇叭辐射到自由空间；天线的接收与发射为互易过程，外部信号由经角锥喇叭、波导极化器，右旋极化馈电网络最终进入到同轴电缆输出到外接接收机。

上述实施例提供了一种准空气同轴线馈电的2×2喇叭阵列天线，通过优化波导极化器使其满足1.5倍频的带宽内实现高效率圆极化辐射，具有损耗低、辐射效率高的特点，可以作为大型天线阵列的子阵，整个天线结构简单、紧凑，同时实现了天线与网络的一体化设计，是对现有技术的一种重要改进。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的个例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。

出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。

总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种双频圆极化阵列天线，其特征在于，包括四个方型口径的位于天线最上方的角锥喇叭，所述角锥喇叭呈2×2阵列形式排布，每个角锥喇叭的下方均设有一个波导极化器，所述波导极化器的下方依次设有右旋极化馈电网络、波导过渡段、左旋极化馈电网络以及背腔层，所述波导过渡段的上表面设有第一沟槽，所述波导过渡段的下表面均设有第二沟槽，所述背腔层的上表面设置有与所述第二沟槽同构的第三沟槽，所述第一沟槽构成所述右旋极化馈电网络的同轴外导体，所述第二沟槽和第三沟槽分别构成所述左旋极化馈电网络的同轴外导体；所述波导极化器为方波导内部嵌入阶梯隔片的极化器形式，所述波导极化器的方形波导口的一端与角锥喇叭的底部馈接，另一端被所述阶梯隔片分隔为左旋矩形波导口和右旋矩形波导口，所述左旋矩形波导口馈入所述波导过渡段，所述右旋矩形波导口馈入所述右旋极化馈电网；所述左旋极化馈电网络的馈线和右旋极化馈电网络的馈线均为印制板敷铜结构，所述左旋极化馈电网络的馈线馈入所述波导过渡段，所述右旋极化馈电网络的馈线馈入所述波导极化器的矩形波导口。