CN110085993A - 宽带高圆极化纯度x波段天线阵面 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及商用卫星天线，尤其涉及一种X波段天线阵面。宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，它包括排列成阵列的十六个天线单元，每个天线单元为喇叭天线，包括一个外筒，外筒内部中空，内孔下部为圆柱形，中部具有矩形截面，顶部为圆柱形，中部矩形截面处筒内填充介质构成矩形波导段，下部小孔径处设置介质柱作为阻抗匹配段，外筒下部孔处设置接头，接头内插芯构成同轴段，插芯穿过介质柱后折弯后和外筒焊接连接，外筒上设置天线印制板加设金属条作为圆极化器。本发明满足高速数据传输和极化复用的需要，将频谱利用率提升了一倍。

Description

宽带高圆极化纯度X波段天线阵面
技术领域
本发明涉及商用卫星天线，尤其涉及一种X波段天线阵面。
背景技术
传统的X频段天线阵列多采用微带形式，微带天线形成圆极化的方式有很多种：正交馈电、切角等等。微带天线具有剖面低、重量轻、体积小，在相控阵天线中易于集成等优点，但其Q值高、带宽有限，特别是圆极化带宽较窄一般不超过1％，不适合用于宽带高速通信系统中。另外，外太空环境极其恶劣，而天线安装在卫星形体表面直接裸露在外太空中，需要承受±90℃甚至更大的温度范围、外太空的强辐照以及卫星发射时猛烈的振动环境，因此微带天线的基板材料一般都选择热膨胀系数小、受辐照影响小的陶瓷基板，但陶瓷基板材料加工性能差不适合通过加工成各种复杂结构来提高天线的带宽。
发明内容
本发明的目的，在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种宽带高圆极化纯度X波段天线阵面。本发明满足高速数据传输和极化复用的需要，将频谱利用率提升了一倍。
本发明目的是这样实现的：宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，它包括排列成阵列的十六个天线单元，每个天线单元为喇叭天线，包括一个外筒，外筒内部中空，内孔下部为圆柱形，中部具有矩形截面，顶部为圆柱形，中部矩形截面处筒内填充介质构成矩形波导段，下部小孔径处设置介质柱作为阻抗匹配段，外筒下部孔处设置接头，接头内插芯构成同轴段，插芯穿过介质柱后折弯后和外筒焊接连接，外筒上设置天线印制板加设金属条作为圆极化器。
所述的宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，所述天线线阵列采用三角栅格阵，每三个天线组成一个等腰三角形，三角形的底边长dx约0.5～0.65λ，三角形的高dy约0.42～0.58λ，其中λ为天线工作频率对应的波长。
所述的宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，为减小由于耦合造成的圆极化性能的恶化，采用了二次旋转组阵的方式来保证整个阵列的圆极化性能。
所述的宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，所述第一次旋转组阵是以每行为一组，以每行第一个天线单元为基准，后续三个依次旋转90°、135°、225°。
所述的宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，所述第二次旋转组阵是以每列为一组，以每列第一个天线单元为基准，后续三个依次旋转90°、180°、270°。
本发明提出了一种介质填充喇叭天线能够在超过5％的带宽范围内实现极其优良的圆极化性能，轴比指标优于2dB，极化隔离度达到19dB。最后再通过二次旋转组阵实现极其优异的圆极化性能，使用本发明的相控阵天线，满足能够在俯仰60°，方位360°扫描范围内轴比优于2dB，带宽达到400MHz，从而满足高速数据传输和极化复用的需要，将频谱利用率提升了一倍。系统最大数传速率提升了一倍达到600Mbps，通过极化复用可以达到1.2Gbps。
附图说明
图1为本发明天线阵列示意图；
图2为本发明的天线单元结构剖面图。
具体实施方式
参见图1，并结合图2，本发明宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，它包括排列成阵列的十六个天线单元，从图2可以看出本发明X波段介质喇叭天线单元包括一个外筒，外筒内部中空，内孔下部为圆柱形，中部具有矩形截面，顶部为圆柱形作为圆波导段，中部矩形截面处筒内填充介质构成矩形波导段，下部小孔径处设置介质柱作为阻抗匹配段，外筒下部孔处设置接头，接头内插芯构成同轴段，插芯穿过介质柱后折弯后和外筒焊接连接，外筒上设置天线印制板加设金属条作为圆极化器。
所述接头是标准SMP接头1、接头到矩形波导段作为同轴-矩形波导转换3、矩形波段和顶部圆波导段之间实现波导-圆波导转换4、圆极化贴片5组成。标准SMP接头1采用阳头的接头；阻抗匹配段由介质柱及内部对应的一段插针构成，采用同轴结构匹配的方式实现了天线阻抗和SMP接头50欧姆的阻抗匹配，减小能量的反射实现能量最大限度的辐射出去；同轴-矩形波导转换3是由同轴中间内导体焊接在外筒的侧壁上，实现同轴到矩形波导的过渡；矩形波导-圆波导转换4是由矩形波导直接与圆波导相连的结构构成，实现矩形波导向圆波导喇叭天线的过渡；圆极化器5是镶嵌在圆波导喇叭口面的一个金属条，将圆波导喇叭天线发射出来的电磁波分割成相等的两部分，并将其中的一部分相移90°再叠加，最终实现圆极化的效果。
从图1可以看出本发明共有4*4＝16个天线单元组成，天线阵列采用三角栅格阵，每三个天线组成一个等腰三角形，三角形的底边长dx约0.5～0.65λ，三角形的高dy约0.42～0.58λ，其中λ为天线工作频率对应的波长。
首先通过天线单元非常良好的圆极化来保证整个阵列的圆极化性能，另外由于天线之间存在着耦合会对天线阵列的圆极化性能的恶化，为了减小由于耦合造成的圆极化性能的恶化，采用了二次旋转组阵的方式来保证整个阵列的圆极化性能。
每四个天线一组，以(1、2、3、4)，(5、6、7、8)，(9、10、11、12)，(13、14、15、16)单元的方式分为四组天线，采用旋转的方式，即天线单元2、3、4在天线单元1的基础上进行旋转90°、135°、225°；天线单元6、7、8在天线单元5的基础上进行旋转90°、135°、225°；天线单元10、11、12在天线单元9的基础上进行旋转90°、135°、225°；天线单元14、15、16在天线单元13的基础上进行旋转90°、135°、225°。另外为了保证圆极化性能能够进一步提高在一次旋转的基础上又进行了二次旋转，即天线单元5、9、13在天线单元1的基础上进行旋转90°、180°、270°；天线单元6、10、14在天线单元2的基础上进行旋转90°、180°、270°；天线单元7、11、15在天线单元3的基础上进行旋转90°、180°、270°；天线单元8、12、16在天线单元4的基础上进行旋转90°、180°、270°。

Claims (5)

1.宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，它包括排列成阵列的十六个天线单元，其特征在于，每个天线单元为喇叭天线，包括一个外筒，外筒内部中空，内孔下部为圆柱形，中部具有矩形截面，顶部为圆柱形，中部矩形截面处筒内填充介质构成矩形波导段，下部小孔径处设置介质柱作为阻抗匹配段，外筒下部孔处设置接头，接头内插芯构成同轴段，插芯穿过介质柱后折弯后和外筒焊接连接，外筒上设置天线印制板加设金属条作为圆极化器。
2.根据权利要求1所述的宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，其特征在于，所述天线线阵列采用三角栅格阵，每三个天线组成一个等腰三角形，三角形的底边长dx约0.5～0.65λ，三角形的高dy约0.42～0.58λ，其中λ为天线工作频率对应的波长。
3.根据权利要求2所述的宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，其特征在于，采用了二次旋转组阵的方式来保证整个阵列的圆极化性能。
4.根据权利要求3所述的宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，其特征在于，所述第一次旋转组阵是以每行为一组，以每行第一个天线单元为基准，后续三个依次旋转90°、135°、225°。
5.根据权利要求3所述的宽带高圆极化纯度X波段天线阵面，其特征在于，所述第二次旋转组阵是以每列为一组，以每列第一个天线单元为基准，后续三个依次旋转90°、180°、270°。
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