CN108470988B - 一种宽带低剖面高增益卫星天线 - Google Patents

一种宽带低剖面高增益卫星天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种宽带低剖面高增益卫星天线，包括与天线总馈电同轴线相连的初级功率分配层，与初级功率分配层的馈电端口相连的末级功率分配层，在末级功率分配层的另一侧是贴片天线层；所述的初级功率分配层采用波导和宽带波导同轴转换结构完成一分十六的初始功分；所述的末级功率分配层采用每个微带功分单元实现一分四功分的微带功分器。本发明的天线中，初级功率分配层采用低损耗的波导实现，末级功率分配层采用微带功分，既兼顾了提高天线馈线效率和辐射功率，同时也使天线体积减小。

Description

一种宽带低剖面高增益卫星天线
技术领域
本发明涉及卫星天线领域，特别涉及一种宽带低剖面高增益卫星天线。
背景技术
现代天线应具有较宽的工作带宽和较低的剖面尺寸以及较高的天线增益。天线工作频带较宽，单面天线可实现雷达、电子对抗、通信等多种功能应用，适用于尺度有限的载具平台空间。低剖面天线具有轮廓低、风阻小、方便与载体共形等优点，因而在现代机载或弹载无线通信中应用广泛。高增益天线适用于远距离通信和雷达探测领域，例如远距离数据链传输、星地数据传输等场合。
通常使用的高增益天线有反射面天线和平板阵列天线两种形式。反射面天线生产成本低、效率高、可以宽角度扫描，其馈电链路多为波导器件，功率容量大、插入损耗低、易于实现宽频应用等优势，在车载、舰载平台上广泛应用。反射面天线的缺点是体积大、剖面高，不仅限制自主跟踪速度，还会影响移动载体的机动性。通常降低反射面天线剖面高度的做法是将天线主反射面作椭圆形切割。由于初级馈源方向图圆形对称，导致初级馈源对切割后的椭圆形主反射面照射电平在长轴和短轴方向上不均衡，导致辐射效率降低。为解决这个问题，反射面天线的主面和副面进行赋形修正，增加了设计难度和加工成本。切割反射面天线能在一定程度上降低天线剖面，但若进一步降低剖面，其设计难度大大增加，辐射效率也很难保证。见：项阳，施伟，杨华，黄德鱼，骆建华 .Ku波段低剖面动中通卫星天线技术综述.军事通信技术.2011 ,35(3):34-39。
平板天线具有低剖面易与载具共形等优点，在机载和弹载射频中大量使用。平板天线采用波导和带状线混合设计的馈电网络，具有小的馈电网络损耗和高效辐射效率。平板天线不存在空间能量漏失，其发射机输入功率通过馈电网络输送至阵面的每一个辐射单元，辐射功率在空间进行合成。平板天线通常由上百个辐射天线单元构成，馈电网络由多级功率分配器级联组成。在高频段，馈电网络若采用微带形式，馈电网络的功率损耗将大大降低平板天线的辐射效率。选用功率容量大的波导作为馈线可降低损耗，但其馈线体积大，加工成本高，不利于天线的低剖面实现。若将微带线和波导馈电技术结合研制混合馈电网络，在损耗与体积之间开展优化设计，降低损耗的同时使馈电网络的体积满足平板天线的低剖面安装要求。因此平板天线研发的关键为波导和微带的混合馈电技术。
目前，切割反射面天线在切割比例适当的情况下，通过主面和副面的赋形设计，天线增益容易达到35dB，但剖面和体积较大，若采用大切割比例压低剖面，赋形设计难度增加，天线辐射效率很难保证；反射面天线通过增大天线口径来提高增益，大的天线口径导致天线剖面厚度同比增加；平板天线馈线全部采用微带馈电 ，导致馈线损耗大，功率容量不足，天线辐射效率低；平板天线馈线全部采用波导馈电，导致馈电部分体积和重量大，无法实现低剖面设计。
发明内容
本发明针对目前平板天线研发天线所遇到的问题，提供一种宽带低剖面高增益卫星天线，实现天线具有小的天线口径和高的天线辐射效率，采用波导功分和微带功分相结合的方式实现低损耗的馈线网络。
本发明实现其技术目的技术方案是：一种宽带低剖面高增益卫星天线，包括与天线总馈电同轴线相连的初级功率分配层，与初级功率分配层的馈电端口相连的末级功率分配层，在末级功率分配层的另一侧是贴片天线层；所述的初级功率分配层采用波导和宽带波导同轴转换结构完成一分十六的初始功分；所述的末级功率分配层采用每个微带功分单元实现一分四功分的微带功分器。
本发明的天线中，初级功率分配层采用低损耗的波导实现，末级功率分配层采用微带功分，既兼顾了提高天线馈线效率和辐射功率，同时也使天线体积减小。
进一步的，上述的宽带低剖面高增益卫星天线中：所述的初级功率分配层包括通过同轴结构背靠背连接在一起的上层波导结构和下层波导结构；所述的上层波导结构包括一个将天线总馈电同轴线输出功分为四个支路的第一波导功分结构，所述的第一波导功分结构中每个功分输出端子为第一阶梯波导同轴转换结构连接下层波导结构；所述的下层波导结构包括四个分别将上层波导结构中的第一波导功分结构每个阶梯波导同轴转换结构的输出一分为四的第二波导功分结构，所述的第二波导功分结构中每个功分输出端子为第二
阶梯波导同轴转换结构。
进一步的，上述的宽带低剖面高增益卫星天线中：所述的第一波导功分结构是一种“ 工”字结构的一分四波导等功分器，包括设置在中间波导中的阶梯波导同轴功分器和两端的魔T，所述的阶梯波导同轴功分器的同轴端子接天线总馈电同轴线；在魔T的对称中点设置有第一阻抗匹配凸起，所述的第一阶梯波导同轴转换结构设置在魔T的两对称端。
进一步的，上述的宽带低剖面高增益卫星天线中：所述的第二波导功分结构是一种“ 工”字结构的一分四波导不等功分器，包括设置在中间波导中的阶梯波导同轴不等分功分器和两端的魔T，所述的阶梯波导同轴不等分功分器的同轴端子接第一阶梯波导同轴转换结构；在魔T的对称中点设置有第二阻抗匹配凸起，所述的第二阶梯波导同轴转换结构设置在魔T的两对称端。
进一步的，上述的宽带低剖面高增益卫星天线中：所述的末级功率分配层包括十六个微带功分器，每个微带功分器将所述的初级功率分配层的一个支路功分为四路，形成六十四路功分，通过同轴结构输出。
进一步的，上述的宽带低剖面高增益卫星天线中：所述的微带功分器设置在一个进行电磁屏蔽的金属压块内，包括一个总的输入部，对输入部输入功率进行第一次功分的第一微带功分器，分别对第一微带功分器的两功分端进行二次功分的第二微带功分器和第三微带功分器。
进一步的，上述的宽带低剖面高增益卫星天线中：所述的第一微带功分器、第二微带功分器和第三微带功分器分别为不等分功分器。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例1卫星天线各部分组合方式示意图。
图2为本发明实施例1卫星天线初级功分上盖结构。
图3为本发明实施例1卫星天线初级功分上波导结构。
图4为本发明实施例1卫星天线初级功分上波导结构。
图5为本发明实施例1卫星天线底盖板结构示意图。
图6为本发明实施例1卫星天线末级功分网络。
图7为本发明实施例1卫星天线末级微带功分电路结构。
图8为本发明实施例1卫星天线末级微带功分电路中的金属压块结构图。
图9为本发明实施例1卫星天线末级微带功分64路输出示意图。
图10为本发明实施例1卫星天线贴片单元2× 2子阵结构图。
图11为本发明实施例1卫星天线256贴片单元阵列。
图12为本发明实施例1天线功分采用泰勒加权得到天线的波瓣图。
具体实施方式
实施例1，本实施例是一种宽带低剖面平面天线，其设计如图1所示，包括与天线总馈电接头1相连的初级功率分配层2，与初级功率分配层2的馈电端口相连的末级功率分配层3，在末级功率分配层3的另一侧是贴片天线层4。其中，初级功率分配层2采用波导和宽带波导同轴转换结构完成一分十六的初始功分；所述的末级功率分配层3采用每个微带功分单元实现一分四功分的微带功分器。在底面是初级功率分配盖板5，在初、末级功率分配层之间是末级功率分配盖板6，初级功率分配器就设置在初级功率分配盖板5与末级功率分配盖板6之间的初级功率分配层2内的采用波导和宽带波导同轴转换结构完成一分十六的初始功分，末级功率分配器设置在末级功率分配盖板6贴片天线层4之间的末级功率分配层中的采用每个微带功分单元实现一分四功分的微带功分器，初、末级功分器级连形成64分的功分器，当然，也可以是功率集中器，将64路信号集中到初级功率分配盖板5上的天线总馈电接头1 上，进入到馈电同轴电缆中。
实践中，正方形的贴片天线层4、末级功率分配层3、末级功率分配盖板 6、初级功率分配层2、初级功率分配盖板5叠置，在外围采用一圈结构贯穿紧固螺钉7在四边上栓紧，形成一块正方形的平面天线。如图1所示。
总的来说，本实施例的宽带低剖面平面天线主要分为三部分：初级功率分配层2，该层采用波导和宽带波导同轴转换结构完成初始的一分十六功分，为满足一定的幅度加权要求，十六功分可采用不等功率功分；末级功率分配层3采用微带功分器，同样可采用不等功率功分结构，每个微带功分单元实现一分四功分，这样末级功分实现64路功分输出；贴片天线层4也就是微带天线阵列：微带阵列由64个子阵组成，每个子阵采用2x2结构，天线总计
256 个辐射单元。也可说是256个接收单元，经过三级功率合成，进入到接收电路中，一般是低噪滤波器中。天线各个部分采用常规电路印制板加工工艺和机械切削件工艺即可完成加工，天线安装时先将三部分单独装配，再通过销钉定位由贯穿螺丝紧固，其工艺简单易实现，可靠性高。
初级功率分配层2又称初级馈电功分，采用波导和宽带波导同轴转换结构完成初始的一分十六功分。结构包含上盖板也就是初级功率分配盖板5、背对背波导功分腔体结构和底盖板三部分。初级功率分配盖板5结构如图2所示，天线总馈电接头1采用SMA或K接头，面板上有两种紧固螺钉，分别为波导功分紧固螺钉8和结构贯穿紧固螺钉7，其中结构贯穿紧固螺钉7将初级功分结构和末级功分结构以及辐射天线整体贯穿紧固。
初级功率分配层2又称初级功分网络分为两层波导结构，通过同轴结构背靠背连接在一起。上层波导功分也称上层波导结构21将天线总馈电同轴线也就是天线总馈电接头1功分为四路，各波导支路末端再转换为同轴结构连接下层波导，为满足宽带的工作频带，波导同轴转换均采用多级阶梯阻抗变换，同时波导魔T枝节采用匹配结构消除电抗分量，实现宽带工作。
如图3所示，上层波导结构21产生四路同轴输出，下层波导结构22采用同样的波导功分结构，将每路同轴输入功分为四路输出，即将四路输入转化为16路功分输出，如图4所示。为保证宽带的工作频带，波导同轴转换均采用多级阶梯阻抗变换。为保证低旁瓣要求，各路功分需满足一定的幅度加权要求，初级功分的十六路输出可采用不等功率功分设计。
上层波导结构21包括一个将天线总馈电接头1输出功分为四个支路的第一波导功分结构21－1，第一波导功分结构21－1中每个功分输出端子为第一阶梯波导同轴转换结构21－2连接下层波导结构22；下层波导结构22包括四个分别将上层波导结构21中的第一波导功分结构21－1每个阶梯波导同轴转换结构21－2的输出一分为四的第二波导功分结构22－1，第二波导功分结构 22－1中每个功分输出端子为第二阶梯波导同轴转换结构22－2。
如图3所示，第一波导功分结构21－1是一种“ 工”字结构的一分四波导等功分器，包括设置在中间波导中的阶梯波导同轴功分器21－4和两端的魔T，阶梯波导同轴功分器21－4的同轴端子接天线总馈电接头1；在魔T的对称中点设置有第一阻抗匹配凸起21－3的第一阶梯波导同轴转换结构21 －2设置在魔T的两对称端。
第二波导功分结构22－1由四个“ 工”字结构的一分四波导不等功分器组成如图4所示，包括设置在中间波导中的阶梯波导同轴不等分功分器22－4 和两端的魔T，阶梯波导同轴不等分功分器22－4的同轴端子接第一阶梯波导同轴转换结构21－2；在魔T的对称中点设置有第二阻抗匹配凸起22－3，所述的第二阶梯波导同轴转换结构22－2设置在魔T的两对称端。
比较第一、二波导功分结构，除了阶梯波导同轴不等分功分器22－4与阶梯波导同轴功分器21－4有所区别以外，第一阶梯波导同轴转换结构21－2、第二阶梯波导同轴转换结构22－2，第一阻抗匹配凸起21－3和第二阻抗匹配凸起22－3的结构基本相同，而第二波导功分结构22－1基本上就和第一波导功分结构21－1一样，但是由于有阶梯波导同轴不等分功分器22－4与阶梯波导同轴功分器21－4的区别，第一波导功分结构21－1四路是平均分配功率，而第二波导功分结构22－1是不均分功率的。
底盖板23结构如图5所示，16路功分通过同轴结构23－2输出，沿波导腔体边缘采用密集的螺钉23－1紧固，确保馈线功率不泄露。
末级功率分配层3又称末级功分采用微带功分器，如图6所示，共有16 个微带功分器31电路每个微带功分器31电路将来自初级功分的16路每路输入不等功分为四路，因而产生总计64路功分，微带功分器31电路设置在一块末级功分电路板31－7上，通过同轴结构31－6输出。微带功分器31电路如图7所示，末级功分电路板31－7是一块H型的电路板，设置在一个进行电磁屏蔽的金属压块31－1内，在金属压块31－1形成一个H型的槽，设置有微带功分器31的末级功分电路板31－7设置在槽中，如图7所示，微带功分器31包括一个总的输入部31－4，对输入部输入功率进行第一次功分的第一微带功分器31－2，分别对第一微带功分器31－2的两功分端进行二次功分的第二微带功分器31－3和第三微带功分器31－5信号输入通过同轴导入，根据阻抗配比完成一分四的不等功分，再由同轴结构将功分输出。微带功分电路采用金属压块31－1进行电磁屏蔽，既确保其微波性能也能够提高其可靠性，金属压块结构如图8所示。本实施例中，第一微带功分器31－2、第二微带功分器31－3和第三微带功分器31－5分别为不等分功分器，第二微带功分器31－3和第三微带功分器31－5的四个分枝分别通过末级功分微带电路31－8通过同轴结构31－6输出。
末级功率分配层3中，16个微带功分器将初级功分的16路输出转化为 64路功分输出如图9所示。64路功分输出有64个连接末级功分与贴片天线的同轴接头32，在它的末级盖板上采用贴片天线印制板坚固螺丝33坚固天线印制板。
末级功率分配层3输出的末级馈线共64个输出端口，也就是如图9中所示的64个连接末级功分与贴片天线的同轴接头32，采用同轴结构输出。每个同轴输出焊接于2x2贴片单元子阵，如图10所示，该子阵可等功分也可为满足一定的幅度加权设计为不等功分。总贴片单元阵列如图11所示，总计256 个贴片单元。天线功分采用泰勒加权得到天线的波瓣图如图12所示，天线增益达到30dBi，其旁瓣约-27dBc。
如图10所示，连接末级功分与贴片天线的同轴接头32接入馈电点41－1，从馈电点41－1形成一分四功分，通过两段馈线及阻抗变换段41－3然后分从两路从贴片天线的馈电点41－4进入贴片天线41－2。这里贴片天线的馈电点41－4深入到某位置是为了阻抗匹配，不深入或深入过多会导致匹配差，即驻波差，深入的深度需要实践中试验掌握。本实施例中，每个贴片天线的输入阻抗为100欧，合路后在馈线及阻抗变换段41-3向左看阻抗为50欧(两个100并联)；馈线及阻抗变换段41-3和馈电点41-1之间传输线为70 .7欧，长度1/4波长，这样从馈电点41-1向左看，阻抗又变为100欧(计算公式为 70 .7*70 .7/50＝100)，这样馈电点41-1左右各为100欧，在馈电点41-1又合路为50欧(两个100并联)。
实事上，天线是可双向使用的，用作发射天线，功率从馈电点41-1出来，功分四路，分给四个贴片；用作接收天线，则相反，四个贴片将功率输出，由馈电点41-1集总到一路输出。在微波领域，由于互易性，功分和合路是一个东西。

Claims (5)

1.一种宽带低剖面高增益卫星天线，包括与天线总馈电接头(1)相连的初级功率分配层(2)，与初级功率分配层(2)的馈电端口相连的末级功率分配层(3)，在末级功率分配层(3)的另一侧是贴片天线层(4)；其特征在于：所述的初级功率分配层(2)采用波导和宽带波导同轴转换结构完成一分十六的初始功分；所述的末级功率分配层(3)采用每个微带功分单元实现一分四功分的微带功分器；所述的初级功率分配层(2)包括通过同轴结构背靠背连接在一起的上层波导结构(21)和下层波导结构(22)；所述的上层波导结构(21)包括一个将天线总馈电接头(1)馈入的功率功分为四个支路的第一波导功分结构(21－1)，所述的第一波导功分结构(21－1)中每个功分输出端子为第一阶梯波导同轴转换结构(21－2)连接下层波导结构(22)；所述的下层波导结构(22)包括四个分别将上层波导结构(21)中的第一波导功分结构(21－1)每个第一阶梯波导同轴转换结构(21－2)的输出一分为四的第二波导功分结构(22－1)，所述的第二波导功分结构(22－1)中每个功分输出端子为第二阶梯波导同轴转换结构(22－2)；
所述的末级功率分配层(3)包括十六个微带功分器(31)，每个微带功分器(31)将所述的初级功率分配层(2)的一个支路功分为四路，形成六十四路功分，通过同轴结构(31－6)输出。
2.根据权利要求1所述的宽带低剖面高增益卫星天线，其特征在于：所述的第一波导功分结构(21－1)是一种“工”字结构的一分四波导等功分器，包括设置在中间波导中的阶梯波导同轴功分器(21－4)和两端的魔T，所述的阶梯波导同轴功分器(21－4)的同轴端子接天线总馈电接头(1)；在魔T的对称中点设置有第一阻抗匹配凸起(21－3)，所述的第一阶梯波导同轴转换结构(21－2)设置在魔T的两对称端。
3.根据权利要求1所述的宽带低剖面高增益卫星天线，其特征在于：所述的第二波导功分结构(22－1)是一种“工”字结构的一分四波导不等功分器，包括设置在中间波导中的阶梯波导同轴不等分功分器(22－4)和两端的魔T，所述的阶梯波导同轴不等分功分器(22－4)的同轴端子接第一阶梯波导同轴转换结构(21－2)；在魔T的对称中点设置有第二阻抗匹配凸起(22－3)，所述的第二阶梯波导同轴转换结构(22－2)设置在魔T的两对称端。
4.根据权利要求1所述的宽带低剖面高增益卫星天线，其特征在于：所述的微带功分器(31)设置在一个进行电磁屏蔽的金属压块(31－1)内，包括一个总的输入部(31－4)，对输入部输入功率进行第一次功分的第一微带功分器(31－2)，分别对第一微带功分器(31－2)的两功分端进行二次功分的第二微带功分器(31－3)和第三微带功分器(31－5)。
5.根据权利要求4所述的宽带低剖面高增益卫星天线，其特征在于：所述的第一微带功分器(31－2)、第二微带功分器(31－3)和第三微带功分器(31－5)分别为不等分功分器。
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