CN108321505B - 一种用于x频段的平板阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于X频段的平板阵列天线，包括：若干个天线阵列单元，其中，每个天线阵列单元包括圆极化罩、调谐空气腔、十字辐射器缝隙、波导模式传输腔体、方形正交模耦合器、第一带状线输入端口和第二带状线输入端口；调谐空气腔设置于十字辐射器缝隙的上部；十字辐射器缝隙的每个缝隙按90°间隔旋转排列；波导模式传输腔体设置于十字辐射器缝隙的下部；方形正交模耦合器设置于波导模式传输腔体的下部；第一带状线输入端口设置于方形正交模耦合器的一侧面，第二带状线输入端口设置于方形正交模耦合器的另一侧面，其中，这两个侧面相邻。本发明的天线阵列具有高效率、低剖面、高增益、窄波束、易加工的特点。

Description

一种用于X频段的平板阵列天线
技术领域
本发明涉及一种用于X频段的平板阵列天线，可用作X频段卫星通信系统地面端的静中通、动中通系统前端，属于微波天线技术领域。
背景技术
目前，应用X频段在星地通信应用领域依然拥有较好的电磁环境，不容易被地面系统干扰。且保密性较好，美国的旅行者系统卫星采用的X频段通信系统至今仍然可以正常工作。本权利说明书发明的X频段平板天线是用于我国日前蓬勃发展的小卫星测控领域，借助平板天线具有较高口径效率的特点，单一的X频段平板天线可以在地面任意一点对卫星进行控制和数据回收，这对于我国小卫星事业的发展贡献是巨大的，打破了以往所有卫星均需要在控制基地进行控制，数据通过现有地面站回收的现状，以X频段平板天线的高码速率完成上述工作。
卫星通信系统的地面端，较为常见的通信系统前端为反射面形式或平板形式。其中，反射面形式的通信前端口径效率较低，体积较大，副瓣无法控制，远区旁瓣差。而目前见诸报道的各种形式的平板天线，口径效率一直较低(65％以下)，体积也比较大，当有圆极化需求时，天线阵列的厚度将更厚。另外，目前应用中的平板天线重量一直是最大的问题，难以克服。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，一种用于X频段的平板阵列天线，该天线阵列具有高效率、低剖面、高增益、窄波束、易加工的特点。
本发明的技术解决方案：一种用于X频段的平板阵列天线，包括：若干个天线阵列单元，其中，若干个天线阵列单元按m列n行排列，其中m大于2，n大于2；每个天线阵列单元包括圆极化罩、调谐空气腔、十字辐射器缝隙、波导模式传输腔体、方形正交模耦合器、第一带状线输入端口和第二带状线输入端口；调谐空气腔设置于十字辐射器缝隙的上部；十字辐射器缝隙的每个缝隙按90°间隔旋转排列；波导模式传输腔体设置于十字辐射器缝隙的下部；方形正交模耦合器设置于波导模式传输腔体的下部；第一带状线输入端口设置于方形正交模耦合器的一侧面，第二带状线输入端口设置于方形正交模耦合器的另一侧面，其中，这两个侧面相邻；圆极化罩、十字辐射器缝隙、调谐空气腔、波导模式传输腔体和方形正交模耦合器的中心线均重合。
上述用于X频段的平板阵列天线中，所述圆极化罩包括极化印制线和介质基板；其中，极化印制线附着于介质基板的表面；极化印制线是由折线单元周期相连组成的折线栅，折线的宽度w取0.5mm至2.2mm，折线单元的总长lx取10mm至22mm，折线单元的总宽lw取10mm至30mm，折线栅行间距t约为18mm至27mm。
上述用于X频段的平板阵列天线中，所述介质基板的厚度为1mm-10mm。
上述用于X频段的平板阵列天线中，还包括：若干个第一功率分配网络单元；其中，若干个第一功率分配网络单元组成第一功率分配网络层；每个第一功率分配单元包括第一末级功率分配网络带状线介质基板、第一末级功率分配网络带状线印制线和第一带状线屏蔽腔；其中，第一末级功率分配网络带状线印制线附着于第一末级功率分配网络带状线介质基板的表面；第一带状线屏蔽腔与第一末级功率分配网络带状线介质基板相连接，并且第一带状线屏蔽腔罩于第一末级功率分配网络带状线印制线；第一末级功率分配网络带状线印制线与第一带状线输入端口相连接。
上述用于X频段的平板阵列天线中，还包括：若干个第二功率分配网络单元；其中，若干个第二功率分配网络单元组成第二功率分配网络层；每个第二功率分配单元包括第二末级功率分配网络带状线介质基板、第二末级功率分配网络带状线印制线和第二带状线屏蔽腔；其中，第二末级功率分配网络带状线印制线附着于第二末级功率分配网络带状线介质基板的表面；第二带状线屏蔽腔与第二末级功率分配网络带状线介质基板相连接，并且第二带状线屏蔽腔罩于第二末级功率分配网络带状线印制线；第二末级功率分配网络带状线印制线与第二带状线输入端口相连接。
上述用于X频段的平板阵列天线中，所述第一末级功率分配网络带状线印制线包括四个第一探针，每个第一探针通过第一带状线输入端口与相对应的方形正交模耦合器相连接。
上述用于X频段的平板阵列天线中，所述第二末级功率分配网络带状线印制线包括四个第二探针，每个第二探针通过第二带状线输入端口与相对应的方形正交模耦合器相连接。
上述用于X频段的平板阵列天线中，所述调谐空气腔的截面形状为方形，所述调谐空气腔的高度为2mm；所述十字辐射器缝隙的厚度为1mm。
上述用于X频段的平板阵列天线中，所述波导模式传输腔体的截面形状为方形，所述波导模式传输腔体的截面形状的边长与所述调谐空气腔的截面形状的边长相等，所述波导模式传输腔体的厚度为4.5mm。
上述用于X频段的平板阵列天线中，所述方形正交模耦合器的截面形状为方形，所述方形正交模耦合器的厚度为17mm，第一带状线输入端口和第二带状线输入端口之间的垂直距离为13mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过上下两层功率分配网络层对应收发两个频段，产生正交模式两种线极化波，再与圆极化罩相结合实现左旋发射、右旋接收的两种圆极化波形。带状线采用薄印制板加工，夹在金属腔内，实现空气带状线结构，降低了介质带状线的损耗。天线同时实现了高效率、低剖面、高增益、窄波束、易加工、跨宽频带的特点；降低了加工难度，减少了加工成本，更适合于大规模生产加工，适用性更强。
(2)本发明通过十字缝隙上部的调谐空气腔使得通过十字缝隙耦合出去的的电磁场分布更加均匀，进而实现了高口径效率的辐射器，本发明辐射器的口径效率能够在较宽的频带内达到85％，使得天线辐射口面的辐射效率远高于传统的抛物面、平板卫星通信天线。
(3)本发明的整个功率分配网络层由带状线组成，传输准TEM模式，能量集中在带状线印制线附近，可以在空气带状线金属腔侧壁中心线处切开进行基于机铣工艺加工，切开后的结构依靠螺钉结构连接，而不会影响带状线网络的电性能。
附图说明
图1本发明的实施例提供的用于X频段的平板阵列天线结构组成示意图；
图2(a)为本发明的实施例提供的圆极化罩结构示意图；
图2(b)为本发明的实施例提供的圆极化罩的印制线的结构示意图；
图3为本发明的实施例提供的天线阵列单元的结构示意图；
图3-1为本发明的实施例提供的十字辐射器缝隙的结构示意图；
图4(a)为本发明的实施例提供的第一功率分配网络层的结构示意图；
图4(b)为本发明的实施例提供的第一功率分配网络单元的结构示意图；
图5(a)为本发明的实施例提供的第二功率分配网络层的结构示意图；
图5(b)为本发明的实施例提供的第二功率分配网络单元的结构示意图。
具体实施方式
图1本发明的实施例提供的用于X频段的平板阵列天线结构组成示意图；图2(a)为本发明的实施例提供的圆极化罩结构示意图；图3为本发明的实施例提供的天线阵列单元的结构示意图；图3-1为本发明的实施例提供的十字辐射器缝隙的结构示意图。
如图1、图2(a)、图3和图3-1所示，该用于X频段的平板阵列天线包括：若干个天线阵列单元，其中，若干个天线阵列单元按m列n行排列，其中m大于2，n大于2；
每个天线阵列单元包括圆极化罩1、调谐空气腔2、十字辐射器缝隙3、波导模式传输腔体4、方形正交模耦合器5、第一带状线输入端口81和第二带状线输入端口82；调谐空气腔2设置于十字辐射器缝隙3的上部；十字辐射器缝隙3的每个缝隙按90°间隔旋转排列；波导模式传输腔体4设置于十字辐射器缝隙3的下部；方形正交模耦合器5设置于波导模式传输腔体4的下部；第一带状线输入端口81设置于方形正交模耦合器5的一侧面，第二带状线输入端口82设置于方形正交模耦合器5的另一侧面，其中，这两个侧面相邻；圆极化罩1、十字辐射器缝隙3、调谐空气腔2、波导模式传输腔体4和方形正交模耦合器5的中心线均重合。
空间电磁信号通过圆极化罩1后进入调谐空气腔2被十字辐射器缝隙3吸收，调谐空气腔2对信号波束进行等化提升单元的辐射效率。被十字辐射器缝隙3吸收的信号形成对应传输的模式，通过波导模式传输腔体4送至方形正交模耦合器5。方形正交模耦合器5内的带状线末端激励的第一探针71将方形正交模耦合器5内信号转换成TEM模式信号通过第一带状线输入端口81进入第一功率分配网络层，第一功率分配网络层完成对各单元信号的合成并送至天线的总输出端口。方形正交模耦合器5内的带状线末端激励的第二探针72将方形正交模耦合器5内信号转换成TEM模式信号通过第二带状线输入端口82进入第二功率分配网络层，第二功率分配网络层完成对各单元信号的合成并送至天线的总输出端口。
图2(a)为本发明的实施例提供的圆极化罩结构示意图。如图2(a)所示，该圆极化罩1包括极化印制线10和介质基板11；其中，极化印制线10附着于介质基板11的表面。进一步的，介质基板11的厚度为1mm-10mm。
图2(b)为本发明的实施例提供的圆极化罩的印制线的结构示意图。如图2(b)所示，极化印制线10是由折线单元周期相连组成的折线栅，折线的宽度w取0.5mm至2.2mm，折线单元的总长lx取10mm至22mm，折线单元的总宽lw取10mm至30mm，折线栅行间距t约为18mm至27mm。
极化印制线10的折线对于两个正交的平行入射波，分别呈现电感与电容两种特性，当入射波与折线栅呈45°入射后，由于电感电容的不同效应，圆极化罩1会同时产生相位超前和滞后，优化折线栅结构与栅行间距，即可产生90°或-90°相位差，从而实现圆极化。
图4(a)为本发明的实施例提供的第一功率分配网络层的结构示意图；图4(b)为本发明的实施例提供的第一功率分配网络单元的结构示意图。如图4(a)和图4(b)所示，该用于X频段的平板阵列天线还包括若干个第一功率分配网络单元，若干个第一功率分配网络单元组成第一功率分配网络层；
每个第一功率分配单元包括第一末级功率分配网络带状线介质基板91、第一末级功率分配网络带状线印制线101和第一带状线屏蔽腔121；其中，第一末级功率分配网络带状线印制线101附着于第一末级功率分配网络带状线介质基板91的表面；第一带状线屏蔽腔121与第一末级功率分配网络带状线介质基板91相连接，并且第一带状线屏蔽腔121罩于第一末级功率分配网络带状线印制线101；第一末级功率分配网络带状线印制线101与第一带状线输入端口81相连接。第一末级功率分配网络带状线印制线101包括四个第一探针71，每个第一探针71通过第一带状线输入端口81与相对应的方形正交模耦合器5相连接。
第一带状线屏蔽腔121作为第一末级功率分配网络带状线介质基板91的结构盒体，为第一末级功率分配网络带状线介质基板91提供安装界面，同时为第一功率分配网络层的信号传输提供电磁边界，保证信号的有效传输与信号完整性。
图5(a)为本发明的实施例提供的第二功率分配网络层的结构示意图；图5(b)为本发明的实施例提供的第二功率分配网络单元的结构示意图。
如图5(a)和图5(b)所示，该用于X频段的平板阵列天线还包括若干个第二功率分配网络单元，其中，若干个第二功率分配网络单元组成第二功率分配网络层；每个第二功率分配单元包括第二末级功率分配网络带状线介质基板92、第二末级功率分配网络带状线印制线102和第二带状线屏蔽腔122；其中，第二末级功率分配网络带状线印制线102附着于第二末级功率分配网络带状线介质基板92的表面；第二带状线屏蔽腔122与第二末级功率分配网络带状线介质基板92相连接，并且第二带状线屏蔽腔122罩于第二末级功率分配网络带状线印制线102；第二末级功率分配网络带状线印制线102与第二带状线输入端口82相连接。第二末级功率分配网络带状线印制线102包括四个第二探针72，每个第二探针72通过第二带状线输入端口82与相对应的方形正交模耦合器5相连接。
第二带状线屏蔽腔122作为第二末级功率分配网络带状线介质基板92的结构盒体，为第二末级功率分配网络带状线介质基板92提供安装界面，同时为第二功率分配网络层的信号传输提供电磁边界，保证信号的有效传输与信号完整性。
上述实施例中，调谐空气腔2的截面形状为方形，调谐空气腔2的高度为2mm；十字辐射器缝隙3的厚度为1mm。
上述实施例中，波导模式传输腔体4的截面形状为方形，波导模式传输腔体4的截面形状的边长与调谐空气腔2的截面形状的边长相等，波导模式传输腔体4的厚度为4.5mm。
上述实施例中，方形正交模耦合器5的截面形状为方形，方形正交模耦合器5的厚度为17mm，第一带状线输入端口81和第二带状线输入端口82之间的垂直距离为13mm。
圆极化罩选用Rogers5880板材，印制线10的宽度与工作频段相关，本应用中选用的线宽度为1mm，印制线为周期重复结构，沿两个方向的重复周期也与工作频段相关，本实施例中的两个重复周期分别的2mm和5.5mm。多层印制板圆极化器的介质基板11为多层结构，所需求层数根据工作频段的带宽选用，本实施例中采用了两层介质基板，每一层厚度为2.7mm。
正交模耦合器5主体结构为方形波导结构，边长为17mm，第二带状线输入端口距离上方方形谐振腔4.8mm，上下两层探针距离13mm，第一带状线输入端口距离正交模耦合器5末端的反射腔体8mm。
末一级功率分配网络连接一个四个单位的小子阵，相邻的两个单元由于馈电端口位置相反，需要进行极化对消，所以印制线10的一侧进行了180°相移。
本实施例中第一末级功率分配网络带状线介质基板和第二末级功率分配网络带状线介质基板选用0.254mm的Rogers4350B板材，基于Rogers4350B板材的印制线在50欧时宽度为2.15mm。每进行一级功率分配均需要进行一次阻抗变换，由50欧特性阻抗变换至77欧再变换至50欧，以保证网络前后状态一致。
本实施例中的天线单元的口径效率综合接收和发射两个频段可以达到85％左右。8x8子阵的口径效率综合接收和发射两个频段可以达到75％左右。
本实施例通过上下两层功率分配网络层对应收发两个频段，产生正交模式两种线极化波，再与圆极化罩相结合实现左旋发射、右旋接收的两种圆极化波形。天线主体采用金属结构，也可以进行轻量化设计采用非金属基材镀金属表面的方式来实现主体结构的加工。带状线采用薄印制板加工，夹在金属腔内，实现空气带状线结构，降低了介质带状线的损耗。天线同时实现了高效率、低剖面、高增益、窄波束、易加工、跨宽频带的特点；采用螺钉对各层进行连接，在带状线腔中间对称切开后，可以采用机铣工艺加工，对整机的电性能完全没有影响，降低了加工难度，减少了加工成本，更适合于大规模生产加工，适用性更强。
本实施例通过十字缝隙上部的调谐空气腔使得通过十字缝隙耦合出去的的电磁场分布更加均匀，进而实现了高口径效率的辐射器，本发明辐射器的口径效率能够在较宽的频带内达到85％，使得天线辐射口面的辐射效率远高于传统的抛物面、平板卫星通信天线。
本实施例的整个功率分配由带状线组成，传输准TEM模式，能量集中在带状线印制线附近，可以在空气带状线金属腔侧壁中心线处切开进行基于机铣工艺加工，切开后的结构依靠螺钉结构连接，而不会影响带状线网络的电性能。
本实施例的在带状线输入端口可以根据需求进行动态调整，该调整所引起的影响采用调节枝节调谐结构进行调整，这样该网络就可以适用于多种应用。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易得出的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于X频段的平板阵列天线，其特征在于包括：若干个天线阵列单元，其中，若干个天线阵列单元按m列n行排列，其中m大于2，n大于2；
每个天线阵列单元包括圆极化罩(1)、调谐空气腔(2)、十字辐射器缝隙(3)、波导模式传输腔体(4)、方形正交模耦合器(5)、第一带状线输入端口(81)和第二带状线输入端口(82)；
调谐空气腔(2)设置于十字辐射器缝隙(3)的上部；
十字辐射器缝隙(3)的每个缝隙按90°间隔旋转排列；
波导模式传输腔体(4)设置于十字辐射器缝隙(3)的下部；
方形正交模耦合器(5)设置于波导模式传输腔体(4)的下部；
第一带状线输入端口(81)设置于方形正交模耦合器(5)的一侧面，第二带状线输入端口(82)设置于方形正交模耦合器(5)的另一侧面，其中，这两个侧面相邻；
圆极化罩(1)、十字辐射器缝隙(3)、调谐空气腔(2)、波导模式传输腔体(4)和方形正交模耦合器(5)的中心线均重合；其中，
所述圆极化罩(1)包括极化印制线(10)和介质基板(11)；其中，
极化印制线(10)附着于介质基板(11)的表面；
极化印制线(10)是由折线单元周期相连组成的折线栅，折线的宽度w取0.5mm至2.2mm，折线单元的总长lx取10mm至22mm，折线单元的总宽lw取10mm至30mm，折线栅行间距t为18mm至27mm；其中，
还包括：若干个第一功率分配网络单元；其中，
若干个第一功率分配网络单元组成第一功率分配网络层；
每个第一功率分配单元包括第一末级功率分配网络带状线介质基板(91)、第一末级功率分配网络带状线印制线(101)和第一带状线屏蔽腔(121)；其中，
第一末级功率分配网络带状线印制线(101)附着于第一末级功率分配网络带状线介质基板(91)的表面；
第一带状线屏蔽腔(121)与第一末级功率分配网络带状线介质基板(91)相连接，并且第一带状线屏蔽腔(121)罩于第一末级功率分配网络带状线印制线(101)；
第一末级功率分配网络带状线印制线(101)与第一带状线输入端口(81)相连接；
还包括：若干个第二功率分配网络单元；其中，
若干个第二功率分配网络单元组成第二功率分配网络层；
每个第二功率分配单元包括第二末级功率分配网络带状线介质基板(92)、第二末级功率分配网络带状线印制线(102)和第二带状线屏蔽腔(122)；其中，
第二末级功率分配网络带状线印制线(102)附着于第二末级功率分配网络带状线介质基板(92)的表面；
第二带状线屏蔽腔(122)与第二末级功率分配网络带状线介质基板(92)相连接，并且第二带状线屏蔽腔(122)罩于第二末级功率分配网络带状线印制线(102)；
第二末级功率分配网络带状线印制线(102)与第二带状线输入端口(82)相连接。
2.根据权利要求1所述的用于X频段的平板阵列天线，其特征在于：所述介质基板(11)的厚度为1mm-10mm。
3.根据权利要求1所述的用于X频段的平板阵列天线，其特征在于：
所述第一末级功率分配网络带状线印制线(101)包括四个第一探针(71)，每个第一探针(71)通过第一带状线输入端口(81)与相对应的方形正交模耦合器(5)相连接。
4.根据权利要求1所述的用于X频段的平板阵列天线，其特征在于：
所述第二末级功率分配网络带状线印制线(102)包括四个第二探针(72)，每个第二探针(72)通过第二带状线输入端口(82)与相对应的方形正交模耦合器(5)相连接。
5.根据权利要求1所述的用于X频段的平板阵列天线，其特征在于：所述调谐空气腔(2)的截面形状为方形，所述调谐空气腔(2)的高度为2mm；所述十字辐射器缝隙(3)的厚度为1mm。
6.根据权利要求1所述的用于X频段的平板阵列天线，其特征在于：所述波导模式传输腔体(4)的截面形状为方形，所述波导模式传输腔体(4)的截面形状的边长与所述调谐空气腔(2)的截面形状的边长相等，所述波导模式传输腔体(4)的厚度为4.5mm。
7.根据权利要求1所述的用于X频段的平板阵列天线，其特征在于：所述方形正交模耦合器(5)的截面形状为方形，所述方形正交模耦合器(5)的厚度为17mm，第一带状线输入端口(81)和第二带状线输入端口(82)之间的垂直距离为13mm。
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