CN110289501B - 一种宽带圆极化平板阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带圆极化平板阵列天线，属于天线技术领域。其包括多个四单元旋转馈电子阵列，该子阵列包括四个辐射单元和一个H面四端口波导网络，辐射单元包括六边形的波导辐射腔和矩形馈电口，H面四端口波导网络通过四个垂直馈电输出口与四个矩形馈电口相连；每一子阵列中，后一辐射单元较前一辐射单元呈90°的正向旋转，相邻的两个波导辐射腔边边并齐，且并齐边的外端处设有开口腔。该天线结构简单，可进行波导一体化加工，适用于电子信息领域圆极化天线中，特别适用于对高增益、低圆极化轴比和宽带工作的场合中。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是指一种宽带圆极化平板阵列天线。
背景技术
圆极化阵列天线是通信、测控等领域中常用的一种天线。目前，圆极化阵列天线主要有以下几种形式：
1、圆极化微带阵列天线。其通过设计旋转馈电的圆极化微带贴片单元进行组阵，这一类天线的结构简单，重量轻，可用于对重量、体积等要求较为苛刻的平台，但由于使用了印制板材料，导致其损耗相对较大，且耐功率比波导类天线还有一定的差距。
2、通过隔板移相器实现圆极化的波导阵列天线。这类天线可采用阶梯状的隔板，将圆形或者方形的波导口进行等体积划分，可形成左右旋两种圆极化信号，在许多平台上均有应用。但这类天线在设计时相对复杂，需要不断调节阶梯台阶的多个参数进行极化匹配，且结构也较为复杂。
3、通过低损耗印制板微带线进行旋转馈电的圆极化波导阵列。这类天线的辐射口为圆形或者方形，在天线辐射口和低腔的中间通过设置弧形的馈电枝节或者通过两路线极化进行圆极化信号合成，具有良好的实用性。但这类天线采用印制板结构，其耐功率和环境适用性需要特别设计，不利于恶劣环境下的天线使用。此外，如果采用双线极化进行圆极化调节，则受到相位误差的影响也较大。
总之，现有技术中的各类圆极化阵列天线还存在各种问题，尚有改进空间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种宽带圆极化平板阵列天线，该天线易于实现，可进行波导一体化加工，内部结构较为简单，适用于对高增益、低圆极化轴比和宽带工作有特殊要求的场合中。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种宽带圆极化平板阵列天线，包括矩形布阵的多个四单元旋转馈电子阵列；所述四单元旋转馈电子阵列包括四个矩形排布的辐射单元和位于四个辐射单元下方的一个H面四端口波导网络，所述辐射单元包括六边形的波导辐射腔和位于波导辐射腔底部中心处的矩形馈电口，H面四端口波导网络通过四个垂直馈电输出口与四个矩形馈电口相连；每一四单元旋转馈电子阵列中，按顺时针顺序，后一辐射单元较前一辐射单元呈90°的正向旋转，相邻的两个波导辐射腔边边并齐，且并齐边的外端处设有夹在两相邻波导辐射腔侧壁之间的开口腔，开口腔的顶面和外侧面开放，开口腔的底面高于波导辐射腔的底面。
可选的，所述开口腔为三角形、方形或半圆形的竖向柱体。
可选的，所述H面四端口波导网络的每个垂直馈电输出口在其与波导内部平面的连接处均设置有斜度为30°～45°的斜坡壁，H面四端口波导网络的中心处为一波导腔；所述H面四端口波导网络的馈电输入口由同轴馈电口进行馈电，同轴馈电口通过探针深入到H面四端口波导网络的波导腔内部，所述探针的四周设置同轴心的凸台进行匹配调节；H面四端口波导网络的波导腔的四壁处各设有一个矩形隔板，所述矩形隔板的位置用于实现四个输出支路信号的相位差值，该相位差值与四个辐射单元的旋转角度对应。
可选的，所述多个四单元旋转馈电子阵列的排列方式为周期、非周期、密集或者稀疏的形式，各H面四端口波导网络的同轴馈电口连接有源射频模块或者无源馈电网络以进行信号的合成或者分路。
本发明与背景技术相比具有如下有益效果：
1、本发明的天线结构形式简单，可使用螺接或者焊接的方式进行各部件之间的连接。
2、本发明中的天线具有高增益、高效率和宽带圆极化的特性。
3、本发明的应用广泛，可以根据需求，在金属波导的内部填充介质材料，使得天线尺寸减小，适当减小天线阵列的单元间距，从而实现天线的相扫功能。
总之，本发明结构简单，易于实现，能够保证天线的性能，并提高了天线的实用性。
附图说明
图1是本发明实施例中阵列天线的整体结构示意图。
图2是图1的侧视图。
图3是图1的俯视图。
图4是图1中一个四单元旋转馈电子阵列的结构示意图。
图5是图4的俯视图。
图6是图4的侧视图。
图7是图4中H面四端口波导网络的结构示意图。
图8是图7的内部结构示意图。
图9是对规模为8×8的阵列天线进行仿真所得到的方向图。
图10是对规模为8×8的阵列天线进行仿真所得到的频带范围内的增益图。
图11是8×8的阵列天线某频点的圆极化轴比图。
图12是四单元旋转馈电子阵列的S参数图。
实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
一种宽带圆极化平板阵列天线，包括矩形布阵的多个四单元旋转馈电子阵列；所述四单元旋转馈电子阵列包括四个矩形排布的辐射单元和位于四个辐射单元下方的一个H面四端口波导网络，所述辐射单元包括六边形的波导辐射腔和位于波导辐射腔底部中心处的矩形馈电口，H面四端口波导网络通过四个垂直馈电输出口与四个矩形馈电口相连；每一四单元旋转馈电子阵列中，按顺时针顺序，后一辐射单元较前一辐射单元呈90°的正向旋转，相邻的两个波导辐射腔边边并齐，且并齐边的外端处设有夹在两相邻波导辐射腔侧壁之间的开口腔，开口腔的顶面和外侧面开放，开口腔的底面高于波导辐射腔的底面。
可选的，所述开口腔为三角形、方形或半圆形的竖向柱体。
可选的，所述H面四端口波导网络的每个垂直馈电输出口在其与波导内部平面的连接处均设置有斜度为30°～45°的斜坡壁，H面四端口波导网络的中心处为一波导腔；所述H面四端口波导网络的馈电输入口由同轴馈电口进行馈电，同轴馈电口通过探针深入到H面四端口波导网络的波导腔内部，所述探针的四周设置同轴心的凸台进行匹配调节；H面四端口波导网络的波导腔的四壁处各设有一个矩形隔板，所述矩形隔板的位置用于实现四个输出支路信号的相位差值，该相位差值与四个辐射单元的旋转角度对应。
可选的，所述多个四单元旋转馈电子阵列的排列方式为周期、非周期、密集或者稀疏的形式，各H面四端口波导网络的同轴馈电口连接有源射频模块或者无源馈电网络以进行信号的合成或者分路。
具体的，如图1～8所示，一种宽带圆极化平板阵列天线1，由4×4个四单元旋转馈电子阵列2组成。其中，四单元旋转馈电子阵列2包括四个六边形的波导辐射腔3、四个矩形馈电口4和一个H面四端口波导网络6。
每个四单元旋转馈电子阵列2中，四个六边形的波导辐射腔3分别按照自己的轴线旋转0°、90°、180°和270°；下端的四个矩形馈电口4也进行旋转，其旋转角度与六边形的波导辐射腔3的旋转角度相同，并分别一一对应，且矩形馈电口4的中心位置分别位于各自腔体底部的正中心。在两两相邻六边形的波导辐射腔3的中间侧壁上，分别设置有一个三角形开口腔5。
四单元旋转馈电子阵列2的底端为一个H面四端口波导网络6，其分别通过四个垂直馈电输出口7与四个矩形馈电口4相连接，在四个垂直馈电输出口7与波导内部平面连接处设置有四个斜度为30°～45°的斜坡壁11；H面四端口波导网络的馈电输入口由同轴馈电口9进行馈电，并通过探针深入到波导腔内部，同轴馈电口探针的四周设置同轴心的凸台10进行匹配调节；在H面四端口波导网络的内部设置四个矩形隔板8，分别与波导腔的四壁相连接，通过调节矩形隔板8的位置可以实现四个输出支路信号的相位差值（分别为0°、90°、180°和270°），该相位差值与波导辐射腔3的旋转角度对应。
对上述宽带圆极化平板阵列天线的性能进行仿真分析。由于阵列的垂直水平两个面是对称的，因此其方向图几乎完全一样，在频带4～16GHz内，天线增益略有起伏，但总体呈现上升趋势，在最低频4GHz时，增益大于19dBi，在16GHz时，增益接近29dBi，天线的法向轴比小于0.2dB。天线阵列的端口反射系数绝大部分小于-7dB，在5.7～16GHz时，反射系数小于-10dB。
该阵列天线的工作原理如下：
当发射信号时，发射机产生的信号进入四单元旋转馈电子阵列的馈电口，在馈电口处进行信号功分，产生四路信号，通过矩形隔板的作用实现四个输出支路信号的相位差值，分别为0°、90°、180°和270°，该相位差值与波导辐射腔的旋转角度一一对应。然后，四路信号分别进入到子阵底部的矩形馈电口。信号通过矩形馈电口在波导腔内传输，此时信号为线极化，在六边形的腔体内，线极化信号转化为圆极化信号，由辐射口辐射到空间中。
当接收信号时，空间来的圆极化极化信号进入到六边形的腔体内，经过六边形的腔体进行信号极化转换，由圆极化转化为线极化，通过波导腔体底部的矩形馈电口进入到底部的网络中，四个端口的网络进行信号移相，并产生相差为0°、90°、270°和180°的相差，接着进行信号合成，实现信号的接收功能。
对一8×8的阵列天线进行建模仿真，得到的仿真数据如图9～12所示。各图说明如下：
图9中，在频率为10GHz时，空心图案和实心图案构成的曲线分别为该阵列天线在方位面和俯仰面的天线增益方向图，其中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为天线在不同角度上的增益值，单位为dBi。从图中可以看出，在该频点时，天线阵列的增益大于25dBi。
图10为在频率4-16GHz内，阵列天线增益随频率变化的曲线，其中横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为增益值，单位为dBi。在频带4～16GHz内，天线增益略有起伏，但总体呈现上升趋势，在最低频4GHz时，增益大于19dBi，在16GHz时，增益接近29dBi。
图11中，在频率为10GHz时，空心图案和实心图案构成的曲线分别为该阵列天线在方位面和俯仰面的天线轴比方向图，其中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为天线在不同角度上的轴比，单位为dB。从图中可以看出，天线阵列的轴比在角度为0度时，小于0.2dB。
图12为天线端口的反射系数随频率的变化曲线，其中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为端口反射系数，单位为dB。从图中可以看出，天线阵列的端口反射系数绝大部分小于-7dB，在5.7～16GHz时，反射系数小于-10dB。
通过图9～12可以看出，阵列端口的增益值大于20dBi，阵列轴比小于0.1dB，四单元旋转子阵列的端口S11参数在80%的带宽小于-10dB，性能指标良好。
本发明天线由多个旋转馈电子阵列组成，子阵列的四个波导口均为六边形，其底部通过矩形的波导缝隙进行信号辐射，底部设置有H面的波导网络进行四单元子阵列馈电，该网络的总口为同轴形式馈电，在其内部设置有矩形的墙壁，对四个端口的信号进行隔离，以提高信号的隔离度，在馈电口的四周设置圆形凸台进行匹配。这种天线形式易于实现，可进行波导一体化加工，且内部的结构较为简单，适用于电子信息领域圆极化天线中，特别适用于对高增益、低圆极化轴比和宽带工作的场合中。
总之，本发明为一种高效率、低轴比的宽带阵列天线，可用于雷达、通信、测控等领域中，作为高增益、圆极化、宽带的固定波束或者扫描波束天线。此外，通过子阵扩展或者裁剪，还可进行大规模组阵，通过连接有源模块，可以用于圆极化相控阵天线。
Claims (2)
1.一种宽带圆极化平板阵列天线，包括矩形布阵的多个四单元旋转馈电子阵列；其特征在于，所述四单元旋转馈电子阵列包括四个矩形排布的辐射单元和位于四个辐射单元下方的一个H面四端口波导网络，所述辐射单元包括六边形的波导辐射腔和位于波导辐射腔底部中心处的矩形馈电口，H面四端口波导网络通过四个垂直馈电输出口与四个矩形馈电口相连；每一四单元旋转馈电子阵列中，按顺时针顺序，后一辐射单元较前一辐射单元呈90°的正向旋转，相邻的两个波导辐射腔边边并齐，且并齐边的外端处设有夹在两相邻波导辐射腔侧壁之间的开口腔，开口腔的顶面和外侧面开放，开口腔的底面高于波导辐射腔的底面；
所述开口腔为三角形、方形或半圆形的竖向柱体；
所述H面四端口波导网络的每个垂直馈电输出口在其与波导内部平面的连接处均设置有斜度为30°～45°的斜坡壁，H面四端口波导网络的中心处为一波导腔；所述H面四端口波导网络的馈电输入口由同轴馈电口进行馈电，同轴馈电口通过探针深入到H面四端口波导网络的波导腔内部，所述探针的四周设置同轴心的凸台进行匹配调节；H面四端口波导网络的波导腔的四壁处各设有一个矩形隔板，所述矩形隔板的位置用于实现四个输出支路信号的相位差值，该相位差值与四个辐射单元的旋转角度对应。
2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化平板阵列天线，其特征在于，所述多个四单元旋转馈电子阵列的排列方式为周期、非周期、密集或者稀疏的形式，各H面四端口波导网络的同轴馈电口连接有源射频模块或者无源馈电网络以进行信号的合成或者分路。
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