CN110212314A - 一种超宽带大功率正交极化阵列天线及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带大功率正交极化阵列天线及其工作方法,本发明通过射频连接器给阵列中的天线单元进行馈电,电磁信号经射频连接器进入天线单元后,沿天线单元的曲线缝向前传播并向自由空间进行辐射,随后在自由空间进行功率合成,通过控制每个天线输入信号的幅度和相位可以控制阵列天线的极化、波束指向和副瓣电平等参数。本发明可在5倍频程的带宽内实现不同极化的随意切换,实现不同极化不同扫描角度的波束扫描,单元天线的功率容量大于200W。

Description

一种超宽带大功率正交极化阵列天线及其工作方法
技术领域
本发明属于通信技术领域,尤其涉及一种超宽带大功率正交极化阵列天线及其工作方法。
背景技术
正交极化天线阵能发射或接收两个极化正交的电磁波,因此在同一带宽内,天线可以发射或接收两种不同极化的电磁信号,有利于频率复用或者收发同时工作。
常用的正交极化阵列天线有喇叭天线阵、微带天线阵、印刷阵子天线阵等。
双极化喇叭天线阵具有功率容量高、成本低等特点,其相对带宽通常可以达到100%,若要追求更宽的频带、更小的体积则需要在波导内增加金属脊以降低其截止频率,这就给馈电网络的设计增加了相当大的难度,不便于加工。
文献《X波段宽带正交双线极化天线设计》利用正交模耦合器设计了一种正交双线极化的喇叭天线,通过对称五端口分支结构将天线工作频带扩展为8GHz~12GHz,但馈电网络过于复杂,且电气接口为波导接口,不利于组阵使用,无法满足电子对抗领域对天线宽带、易组阵方面的需求。
双极化微带天线阵具有尺寸小、剖面低、易加工等特点,但是由于其本身是一种谐振式天线,可等效为一个高Q值并联谐振电路,具有较窄的工作频带(通常其百分比带宽不超过30%)和较低的功率容量(通常不大于10W,视工作频段而定)。
文献《Ku波段双频正交极化微带阵列天线》设计了一种正交双线极化的微带天线,两种极化方式分别通过共面微带线和背向探针进行激励,结合馈电网络的有效设计将工作带宽扩展至27.86%,但是该天线采用共面微带线进行馈电且最后采用垂直过度的方式转换为SMA接头,功率容量较低,无法满足电子对抗领域对天线宽带、高功率容量方面的需求。
文献《一种宽带双极化印刷振子天线的设计》设计了一种正交双线极化的印刷阵子天线,并采用同轴结构进行馈电,便于大规模组阵使用。通过给每个天线单元配置不同的幅度、相位可以实现阵列天线不同极化状态下的波束扫描。其工作频带为1.3GHz~2.9GHz,相对带宽为60.9%。但是由于该天线仍为印制结构,功率容量较低,仍然无法满足电子对抗领域对天线宽带、高功率容量方面的需求。
发明内容
针对现有正交极化天线设计中存在的带宽窄、功率容量低和可制造性差的问题,本发明提出了一种超宽带大功率正交极化阵列天线,包括N个阵列设置的天线单元,所述天线单元包括正交极化设置的左斜单元和右斜单元,所述左斜单元和右斜单元分别关于两者的连接线轴对称,且左斜单元和右斜单元在对称轴两侧的侧边均呈倒置的指数曲线形状,相邻的左斜单元之间或右斜单元之间形成指数曲线缝;其中N>1。
进一步的,所述左斜单元和右斜单元的底端内部设置有短路腔,所述短路腔用于调节天线的阻抗匹配,使输入的功率最大程度的辐射出去。
进一步的,所述指数曲线缝的底端设置有射频连接器,所述射频连接器电连接左斜单元和右斜单元。
进一步的,多个相邻的左斜单元和右斜单元之间形成的半封闭空间的底部设置有吸波材料,以吸收未完全辐射出去的电磁信号。
此外,本发明还提出一种超宽带大功率正交极化阵列天线的工作方法,包括以下步骤:
S1.通过射频连接器给阵列中的天线单元进行馈电;
S2.电磁信号经射频连接器进入天线单元后,沿天线单元之间的曲线缝向前传播并向自由空间进行辐射,随后在自由空间进行功率合成;
S3.通过控制每个天线输入信号的幅度和相位可以控制阵列天线的极化、波束指向和副瓣电平。
本发明的有益效果在于:
(1)在5倍频程的带宽内实现不同极化的随意切换;
(2)在5倍频程的带宽内实现不同极化不同扫描角度的波束扫描;
(3)在5倍频程的带宽内单元天线的功率容量大于200W。
附图说明
图1为实施例1的阵列天线结构示意图;
图2为实施例1的天线单元结构示意图;
图3为实施例2的阵列天线俯视图;
图4为实施例2的阵列天线驻波系数仿真结果;
图5为实施例2中0.8GHz时在水平极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图6为实施例2中2.4GHz时在水平极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图7为实施例2中4.0GHz时在水平极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图8为实施例2中0.8GHz时在垂直极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图9为实施例2中2.4GHz时在垂直极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图10为实施例2中4.0GHz时在垂直极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图11为实施例3的阵中单元驻波系数测试结果之一;
图12为实施例3的阵中单元驻波系数测试结果之二;
图13为实施例3中0.8GHz时在水平极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图14为实施例3中2.4GHz时在水平极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图15为实施例3中4.0GHz时在水平极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图16为实施例3中0.8GHz时在垂直极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图17为实施例3中2.4GHz时在垂直极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
图18为实施例3中4.0GHz时在垂直极化下从-45°~0°的实测扫描方向图;
附图标记:1-左斜单元,2-右斜单元,3-射频连接器,4-短路腔,5-吸波材料,6-指数曲线缝。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图说明本发明的具体实施方式。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明,即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示,一种超宽带大功率正交极化阵列天线,包括若干阵列设置的天线单元,每个天线单元包括正交极化设置的左斜单元1和右斜单元2,左斜单元1和右斜单元2分别关于两者的连接线轴对称,且左斜单元1和右斜单元2在对称轴两侧的侧边均呈倒置的指数曲线形状,相邻的左斜单元1之间或右斜单元2之间形成指数曲线缝,如图2所示,指数曲线缝的底端设置有射频连接器3,射频连接器3电连接左斜单元1和右斜单元2,左斜单1和右斜单元2的底端内部设置有短路腔4,以调节天线的阻抗匹配,使输入的功率最大程度的辐射出去。此外,多个相邻的左斜单元1和右斜单元2之间形成的半封闭空间的底部设置有吸波材料5,以吸收未完全辐射出去的电磁信号。
本实施例的阵列天线的工作原理为:通过射频连接器3给阵列中的天线单元进行馈电,电磁信号经射频连接器3进入天线单元后,沿天线单元的曲线缝向前传播并向自由空间进行辐射,随后在自由空间进行功率合成,通过控制每个天线输入信号的幅度和相位可以控制阵列天线的极化、波束指向和副瓣电平等参数。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上:
本实施例提供了一个工作频带为0.8GHz~4.0GHz的大功率正交极化阵列天线,其俯视图如图3所示。
阵列中不同单元的驻波系数仿真结果如图4所示,在0.8GHz~4.0GHz的频带内驻波系数不大于2.2。
不同极化不同扫描角度下的方向图仿真结果见如图5-10所示,其中图5-7分别是0.8GHz、2.4GHz、4.0GHz时在水平极化下从-45°~0°的扫描方向图,图8-10分别是0.8GHz、2.4GHz、4.0GHz在垂直极化下从-45°~0°的扫描方向图。在整个5倍频程±45°空域内扫描时天线阵增益较为平滑的下降,未出现突变、掉坑等畸变现象。
从图5-10的仿真结果可以看出阵列天线在2.4GHz时的增益达到21.2dB,若按照口面天线的增益计算公式进行计算,天线阵列在该频点处的口面效率η可以达到80%。需要说明的是,两种极化正交无法进行功率合成,否则效率会更高。
当每个天线单元输入200W时,阵列天线的最大电场强度2.626kV/cm,远小于空气的击穿场强27kV/cm,故阵列天线可安全工作在每个单元200W的功率条件下。
实施例3
本实施例在实施例2的基础上:
为了验证本发明的有效性,本实施例按照实施例2的仿真模型加工了一个阵列天线并进行测试,阵中单元的驻波测试结果如图11和图12所示,带内驻波均小于1.9。
如图13-18所示为阵列天线在两种极化下不同频点、不同扫描角度的方向图测试结果,其中图13-15分别是0.8GHz、2.4GHz、4.0GHz时在水平极化下从-45°~0°的实测扫描方向图,图16-18分别是0.8GHz、2.4GHz、4.0GHz时在垂直极化下从-45°~0°的实测扫描方向图。在整个5倍频程±45°空域内扫描时天线阵增益较为平滑的下降,未出现突变、掉坑等畸变现象,与仿真结果基本吻合,充分证明了本发明的有效性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是有线连接,也可以是无线连接。

Claims (5)

1.一种超宽带大功率正交极化阵列天线,其特征在于,包括N个阵列设置的天线单元,所述天线单元包括正交极化设置的左斜单元和右斜单元,所述左斜单元和右斜单元分别关于两者的连接线轴对称,且左斜单元和右斜单元在对称轴两侧的侧边均呈倒置的指数曲线形状,相邻的左斜单元之间或右斜单元之间形成指数曲线缝;其中N>1。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带大功率正交极化阵列天线,其特征在于,所述左斜单元和右斜单元的底端内部均设置有短路腔。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带大功率正交极化阵列天线,其特征在于,所述指数曲线缝的底端设置有射频连接器,所述射频连接器电连接左斜单元和右斜单元。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带大功率正交极化阵列天线,其特征在于,多个相邻的左斜单元和右斜单元之间形成的半封闭空间的底部设置有吸波材料。
5.一种超宽带大功率正交极化阵列天线的工作方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.通过射频连接器给阵列中的天线单元进行馈电;
S2.电磁信号经射频连接器进入天线单元后,沿天线单元之间的曲线缝向前传播并向自由空间进行辐射,随后在自由空间进行功率合成;
S3.通过控制每个天线输入信号的幅度和相位可以控制阵列天线的极化、波束指向和副瓣电平。
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