CN108232416A - 一种双极化cts波束扫描天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双极化CTS波束扫描天线阵，包括两个正交波导功分馈电结构和双极化CTS天线阵；所述波导功分结构连接在CTS天线阵侧面用以产生平面波，所述双极化CTS天线阵随频率变化实现H面的扫描。本发明天线阵通过端口处频率的变化实现H面的波束扫描，该天线阵列可以在5.1.6‑12.8GHz变化范围内实现波束‑22°~9°的扫描。

Description

一种双极化CTS波束扫描天线阵
技术领域
本发明涉及波束扫描天线领域，尤其涉及一种双极化CTS波束扫描天线阵，用于实现双极化天线的波束扫描。
背景技术
随着无线通信技术的发展，天线在移动载体上随时随地进行高速通信的需求越来越大，宽带波束扫描天线阵受到广泛的关注。波束扫描天线具有高增益、高方向性、波束指向可控的性能。通过改变天线的工作模式、工作状态、工作频率或是天线姿态，可以使天线的最大辐射方向发生改变，从而实现波束扫描。目前，在移动通信网络方面，利用这种高增益且辐射方向可变的天线技术，可满足用户在移动过程中的高速率通信需求，同时还可减少同频用户干扰，增加频率的空分复用效率；而且天线的宽带特性可以提高数据的传输速率以及频谱的利用率。对于军用雷达，利用宽带波束扫描天线阵可以在指定的空域同时搜索和跟踪多个目标。无线通信技术的迅速发展，需要波束扫描天线阵具有结构简单紧凑、造价低、易于实现波束扫描能力的特性。机械扫描天线和相控阵天线都难以满足这种要求。
上个世纪90年代，美国休斯航空公司提出连续横向枝节（Continuous TransverseStub，CTS）天线阵，在平行板波导上表面设计连续横向开路枝节，平行板波导中的电磁波从横向枝节辐射到自由空间。CTS天线相对于抛物天线以及其他阵列天线具有如下优势：（1）天线具有60%以上的效率，与抛物面天线相近，远远超过平面阵列天线的效率；（2）天线工作于TEM模，工作频带宽；（3）易于设计双/圆极化工作和波束扫描功能；（4）CTS天线阵剖面低、易于共形，结构简单，可采用压塑和电镀技术实现，成本低廉。
综上所述，CTS天线阵能够满足现代通信中宽带、高增益、波束扫描的要求，本论文首先总结分析了CTS天线阵的国内外研究现状，再对CTS天线的工作原理进行探讨，然后研究新型机械扫描和频率扫描的CTS天线阵，最后设计双极化的频扫CTS天线阵。
所提出的双极化CTS天线阵结构，由两个单极化的CTS天线阵正交放置得到。该天线阵由上面所设计的两个正交波导功分网络馈电。电磁能量通过窗口耦合，再经过一分二的功分器得到线源。调节耦合窗的大小和耦合窗处圆形金属柱位置可以调整耦合能量的大小，获得均匀稳定的线源。整个天线结构紧凑、剖面低。
发明内容
本发明的目的在于设计一种双极化CTS波束扫描天线阵，可以随频率变化实现H面的扫描，该天线随频率在11.6-12.8GHz变化范围内实现双极化波束-22°~9°的扫描，具有结构简单紧凑、造价低、易于实现双极化波束扫描能力的特性。
为达到上述目的，本发明的构思如下：
该天线包括两个正交波导功分馈电网路和双极化CTS结构。将四个一分二的功分器串联来获得均匀稳定的线源为CTS天线阵馈电。馈电结构紧凑，且馈电结构与CTS阵列在同一平面，剖面低。随频率变化实现CTS天线阵的H面扫描。为使CTS天线获得高增益，需要给它提供一个等幅同相的均匀平面波，即TEM波，而对于波导而言，不能传输TEM波，这就需要采用一种过渡形式。波导结构中，保证每个端口输出电磁波相位和幅值相同，就可以获得均匀的线源。所述的波导功分馈电结构分别对CTS阵列的垂直和水平两个端口馈电。波导功分结构大小与阵列的大小相当。所述双极化CTS阵列采用正交的辐射枝节实现，其中匹配枝节为封闭的，不参与天线的辐射。
根据上述构思，本发明采用如下技术方案：
一种双极化CTS波束扫描天线阵，包括两个正交波导功分馈电结构和双极化CTS天线阵；所述波导功分结构连接在CTS天线阵侧面用以产生平面波，所述双极化CTS天线阵随频率变化实现H面的扫描。
上述每一个波导功分馈电结构包括馈电端口、四个依次串联的一分二波导功分器，以及感性金属壁；所述波导功分馈电结构的一端为水平馈电端口或垂直馈电端口，另一端设置有感性金属壁；每一个功分器包括金属柱、 第一耦合窗口、第二耦合窗口，其中所述金属柱位于第一耦合窗口的前部，用以阻抗匹配，第二耦合窗口位于第一耦合窗口的后部，用以耦合能量，产生平面波；通过调节第一耦合窗口和第二耦合窗口，使其电磁能量等幅输出；电磁能量从水平馈电端口或垂直馈电端口进入波导功分馈电结构中，电磁能量依次耦合给四个一分二波导功分器，并逐级耦合到平板波导中，将电磁能量平均分配给每个耦合窗口保证通过波导功分馈电结构输出的电磁能量等幅同相，获得准TEM模。
所述双极化CTS天线阵由水平极化辐射枝节、水平极化匹配枝节，垂直极化辐射枝节、垂直极化匹配枝节组成；水平极化辐射枝节与水平极化匹配枝节串联排布，同理垂直极化辐射枝节与垂直极化匹配枝节也为串联排布；且水平极化辐射枝节、水平极化匹配枝节与垂直极化辐射枝节、垂直极化匹配枝节相互垂直排布；在各枝节内填充介质，由波导功分馈电结构产生的平面波在CTS天线阵列中沿着直线传输，电磁能量通过辐射枝节以线极化波向自由空间辐射；而匹配枝节起到了阻抗匹配增加带宽的作用。
与现有技术相比，本发明具有如下的突出的优点：
本发明解决在获得双极化波束扫描能力的同时，使波束扫描天线具有高增益、易集成、结构简单、易加工的优点。天线阵列采用CTS结构用以提高天线的增益，增加带宽和扫描角度；通过正交辐射枝节结构设计了双极化CTS阵列。天线的馈电结构采用一分二波导功分结构，主要由矩形波导、金属柱和耦合窗组成，天线的馈电方式为两个正交的波导功分结构产生线源，使得CTS天线阵列产生双极化。
本发明通过波导功分结构和双极化CTS天线阵列实现天线的高增益和较宽的工作频带，保证天线实现双极化的同时进行波束扫描。两个正交的波导功分结构产生线源，使得CTS天线阵列产生双极化。该天线具有良好的双极化特性，同时有较大的波束扫描范围，可以有效地解决双极化天线的波束扫描问题。
天线阵的-10dB阻抗带宽为11.4~14.3GHz，相对带宽为22.6%。在11.4~13.2GHz频带内，隔离度大于20dB。随频率在11.6-12.8GHz范围内实现在H面-22°-9°的波束扫描。
附图说明
图1是双极化波束扫描CTS天线阵结构顶视图。
图2是波导功分结构顶视图。
图3是双极化波束扫描CTS天线阵结构示意图。
图4是双极化波束扫描CTS天线阵结构侧视图。
具体实施方式
本发明的一个优选实例结合附图详述如下：
如图1至图4所示，一种双极化CTS波束扫描天线阵，包括两个正交波导功分馈电结构和双极化CTS天线阵；所述波导功分结构连接在CTS天线阵侧面用以产生平面波，所述双极化CTS天线阵随频率变化实现H面的扫描。
每一个波导功分馈电结构包括馈电端口、四个依次串联的一分二波导功分器，以及感性金属壁8；所述波导功分馈电结构的一端为水平馈电端口1或垂直馈电端口2，另一端设置有感性金属壁8；每一个功分器包括金属柱3、 第一耦合窗口4、第二耦合窗口5，其中所述金属柱3位于第一耦合窗口4的前部，用以阻抗匹配，第二耦合窗口5位于第一耦合窗口4的后部，用以耦合能量，产生平面波；通过调节第一耦合窗口4和第二耦合窗口5，使其电磁能量等幅输出；电磁能量从水平馈电端口1或垂直馈电端口2进入波导功分馈电结构中，电磁能量依次耦合给四个一分二波导功分器，并逐级耦合到平板波导中，将电磁能量平均分配给每个耦合窗口保证通过波导功分馈电结构输出的电磁能量等幅同相，获得准TEM模。
所述双极化CTS天线阵由水平极化辐射枝节6、水平极化匹配枝节7，垂直极化辐射枝节9、垂直极化匹配枝节10组成；水平极化辐射枝节6与水平极化匹配枝节7串联排布，同理垂直极化辐射枝节9与垂直极化匹配枝节10也为串联排布；且水平极化辐射枝节6、水平极化匹配枝节7与垂直极化辐射枝节9、垂直极化匹配枝节10相互垂直排布；在各枝节内填充介质11，由波导功分馈电结构产生的平面波在CTS天线阵列中沿着直线传输，电磁能量通过辐射枝节以线极化波向自由空间辐射；而匹配枝节起到了阻抗匹配增加带宽的作用。
本发明通过端口处频率的变化实现H面的波束扫描，该天线阵列可以在5.1.6-12.8GHz变化范围内实现波束-22°-9°的扫描。

Claims (3)

1.一种双极化CTS波束扫描天线阵，其特征在于，包括两个正交波导功分馈电结构和双极化CTS天线阵；所述波导功分结构连接在CTS天线阵侧面用以产生平面波，所述双极化CTS天线阵随频率变化实现H面的扫描。
2.根据权利要求1所述的双极化CTS波束扫描天线阵，其特征在于，每一个波导功分馈电结构包括馈电端口、四个依次串联的一分二波导功分器，以及感性金属壁（8）；所述波导功分馈电结构的一端为水平馈电端口（1）或垂直馈电端口（2），另一端设置有感性金属壁（8）；每一个功分器包括金属柱（3）、 第一耦合窗口（4）、第二耦合窗口（5），其中所述金属柱（3）位于第一耦合窗口（4）的前部，用以阻抗匹配，第二耦合窗口（5）位于第一耦合窗口（4）的后部，用以耦合能量，产生平面波；通过调节第一耦合窗口（4）和第二耦合窗口（5），使其电磁能量等幅输出；电磁能量从水平馈电端口（1）或垂直馈电端口（2）进入波导功分馈电结构中，电磁能量依次耦合给四个一分二波导功分器，并逐级耦合到平板波导中，将电磁能量平均分配给每个耦合窗口保证通过波导功分馈电结构输出的电磁能量等幅同相，获得准TEM模。
3.根据权利要求1所述的双极化CTS波束扫描天线阵，其特征在于，所述双极化CTS天线阵由水平极化辐射枝节（6）、水平极化匹配枝节（7），垂直极化辐射枝节（9）、垂直极化匹配枝节（10）组成；水平极化辐射枝节（6）与水平极化匹配枝节（7）串联排布，同理垂直极化辐射枝节（9）与垂直极化匹配枝节（10）也为串联排布；且水平极化辐射枝节（6）、水平极化匹配枝节（7）与垂直极化辐射枝节（9）、垂直极化匹配枝节（10）相互垂直排布；在各枝节内填充介质（11），由波导功分馈电结构产生的平面波在CTS天线阵列中沿着直线传输，电磁能量通过辐射枝节以线极化波向自由空间辐射；而匹配枝节起到了阻抗匹配增加带宽的作用。
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