CN110783716A - 一种Ka波段高增益圆极化天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Ka波段高增益圆极化天线系统，由多个天线单元、极化器、隔离器、变换波导依次连接而成，实现信号的传输、转换以及与空间信号耦合，其特征在于：天线系统的多个天线单元按照等间距分布的阶梯渐变式喇叭组成，排列为按照天线口面紧密排列，每个天线单元的小口径端与极化器连接，由极化器直接馈电，所述极化器为3端口器件，通过多级台阶变换式隔板实现圆极化和线极化的相互转化；所述隔离器采用双联结构，实现收发信号的隔离；所述变换波导实现T/R组件间距到天线间距的转换。本发明通过对波导变换、隔离器、极化器、天线单元的特殊处理，使其能很好满足高增益、低损耗、低轴比、高带宽的性能要求。

Description

一种Ka波段高增益圆极化天线系统
技术领域
本发明涉及一种毫米波微波器件，尤其涉及一种Ka波段高增益圆极化天线系统，用于实现毫米波天线的高增益、低损耗、低轴比、高带宽的性能。
背景技术
随着空间探测技术的发展以及人类对空间利用的高度重视和日益依赖，空间已成为维护国家安全和国家利益所必须占据的战略制高点。我国在对小尺寸空间碎片监视、微小卫星探测、空间攻防支持等方面还存在不足。为确保空间安全，维护空间利益，对空间目标的探测需求已不仅局限于轨道测量、编目管理，对目标的高分辨成像、属性判别、目标识别、效果评估等目标特性的测量和对更小尺寸碎片的探测是未来亟需发展的技术。毫米波雷达工作频率高、波长短，在观测小目标方面有着先天的优势，对未来太空目标监视、空间态势感知能力建设有重要意义；同时，其精度高、目标识别能力强、ISAR成像分辨率高和对拦截后的小碎片跟踪能力使其在导弹预警方面亦能发挥重要作用。
空间态势感知雷达在其它低频段雷达导引下工作，仅需较小的电扫描角度，考虑降低成本，天线阵面通常采用大单元间距相控阵体制，天线单元口径尺寸达到数个波长。为保证雷达作用距离，要求天线单元具有高增益、传输链路具有低损耗；为保证测量效果，要求天线系统具有低轴比、高带宽。本设计即为空间目标监视用的雷达而设计的毫米波高增益圆极化天线系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种Ka波段高增益圆极化天线系统，通过对波导变换、隔离器、极化器、天线单元的特殊处理，使其能很好满足高增益、低损耗、低轴比、高带宽的性能要求。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种Ka波段高增益圆极化天线系统，由多个天线单元、极化器、隔离器、变换波导依次连接而成，实现信号的传输、转换以及与空间信号耦合，天线系统的多个天线单元按照等间距分布的阶梯渐变式喇叭组成，排列为按照天线口面紧密排列，每个天线单元的小口径端与极化器连接，由极化器直接馈电，所述极化器为3端口器件，通过多级台阶变换式隔板实现圆极化和线极化的相互转化；所述隔离器采用双联结构，实现收发信号的隔离；所述变换波导实现T/R组件间距到天线间距的转换。
优选地，每个喇叭式天线单元的辐射体由小口径至大口径位置依次通过阶梯、渐变的形式构成。
优选地，所述天线单元采用金属十字隔板隔成4个小喇叭的多内腔设计，金属十字隔板设置在天线单元的大口径出口位置，将天线由1个辐射体变为4个辐射体。
优选地，所述极化器与天线单元小口端连接的一侧开设一单端口，与该侧相对位置开设有两个平行布置的双端口，所述极化器为内部是空腔结构的方波导，在空腔结构的中心垂直方向设有金属隔板，将方波导极化器平分成两个矩形波导，所述金属隔板朝向单端口侧具有多级台阶，实现圆极化和两个线极化的相互转化；所述金属隔板将极化器空腔底板分隔，并且分隔后的底板朝向双端口侧形成阶梯结构的台阶，实现阻抗匹配。
优选地，所述隔离器选用场移式隔离器，采取铁氧体和衰减片双联结构，即用于隔离接收和发射的铁氧体和衰减片分布在腔体上下两侧，形成传输方向相反的两个隔离区。
优选地，天线系统的变换波导采用弯曲波导形式，包括两个平行布置的传输端板，在两个传输端板之间设置有多个传输通道，在所述传输端板上开设有若干端口，每个传输通道各对应传输端板上的两个端口，所述传输通道内部采用双折弯通道结构，两个传输端板上的端口各自对应一条折弯通道，对应形成弯曲波导传输形式。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的Ka波段高增益圆极化天线系统由多个天线单元、极化器、隔离器、变换波导组成，面对天线阵面依次为天线单元、极化器、隔离器、变换波导，将其通过法兰级联在一起形成天线系统，实现信号的传输、转换以及与空间信号耦合。天线单元用于辐射及接收信号，整体采用阶梯渐变线结构，阶梯的台阶关于主波导中心线相对称，便于实现馈电点的阻抗匹配，而且易于加工，并使得能量更加集中定向传输；天线口面增加了“十字”型隔板，进一步拓宽了天线的带宽，提高天线增益，通过阶梯渐变线喇叭天线、中心“十字”隔板使得天线口面幅相分布均匀，较同等口径普通角锥喇叭天线增益提高了1dB。极化器是一个3端口器件，内腔中心部位有垂直隔板，垂直隔板底面两侧为台阶结构，台阶式隔板实现圆极化，台阶式隔板两侧底部的多级台阶实现线极化，通过调整台阶式隔板、多级台阶的各阶尺寸实现极化器的宽带匹配特性。隔离器用于收发隔离，采用双联隔离器结构，两个隔离器传输方向相反，实现发射与接收信号的隔离。
具体包括以下优点：
①高增益：通过一体化设计，提高天线单元与组件间变化波导的集成度、缩短绕线长度，降低损耗；通过优化仿真设计，降低隔离器的损耗；通过小型化设计，降低圆极化器的损耗；通过喇叭天线内部两级角锥结构、中心隔板使得天线口面幅相分布均，提高天线增益，较同等口径普通角锥喇叭天线增益提高了1dB；优化传输系统的互联性能，降低互联损耗。
②宽带特性好：通过优化设计喇叭尺寸、隔板长度等参数以满足天线的宽带性能，达到20％以上带宽；通过设计优化，圆极化器实现带内端口驻波小于1.1、隔离度高于1.5，带内幅度低于0.3dB。
③低轴比：通过控制中间隔板对称性及喇叭本体横截面方度实现天线单元的低轴比特性，单元轴比小于0.5dB；通过一体化设计优化，圆极化器实现轴比低于1.2dB。
附图说明
图1为本发明的天线系统的三维立体图。
图2为图1中本发明的天线系统中的天线单元的结构示意图。
图3为图1中本发明的天线系统中的极化器单端口侧的结构示意图。
图4为图1中本发明的天线系统中的极化器双端口侧的结构示意图。
图5为图4中的AA向剖视图。
图6为图1中本发明的天线系统中的隔离器结构示意图。
图7为图6中的A向剖视图。
图8为图1中本发明的天线系统中的变换波导结构示意图
图9为图5中本发明的天线系统变换波导的A-A截面图。
图10为图1中本发明的天线系统仿真的方向图。
图11为图1中本发明的天线系统仿真的轴比图。
图12为图1中本发明的天线系统仿真的驻波图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的一种Ka波段高增益圆极化天线系统，为了实现毫米波天线的高增益、低损耗、低轴比、高带宽的性能，整个天线系统由多个天线单元1、极化器2、隔离器3、变换波导4依据一定的顺序排列而成，实现信号的传输、转换以及与空间信号耦合。本发明的天线系统是与T/R组件配合使用，用于形成满足增益、低副瓣等指标要求的天线口径分布场，实现信号的有效辐射/接收。T/R组件结构上使用变换波导4进行配合，T/R组件发射通道通过变换波导4后进入隔离器3、极化器3变为圆极化波通过多个天线单元1形成波束向目标发射；多个天线单元1接收的圆极化信号通过极化器2、隔离器3变为线极化信号，通过变换波导4送给T/R组件接收通道。
参照图2，天线系统的多个天线单元1是多个按照等间距分布的阶梯渐变式喇叭组成，排列为按照天线口面紧密排列，天线单元间间隙较小，并采用薄壁结构，提高喇叭天线单元增益。每个喇叭式天线单元的辐射体由小口径至大口径位置依次采用阶梯5、渐变6的形式构成，解决了口面场相位和幅度分布不均匀、口径效率较低的问题；采用金属十字隔板7隔成4个小喇叭的多内腔设计，金属十字隔板7设置在天线单元的大口径出口位置，将天线由1个辐射体变为4个辐射体，能够保证喇叭口径内电磁场的单模传播，抑制球面传输，使得口面场相位分布更加均匀，提高喇叭口径效率。通过调整阶梯口面大小和高度，实现阻抗匹配和带宽要求；通过保证十字隔板的正交度，实现高增益和口面场特性。用阶梯渐变式结构加十字隔板的天线单元形成天线子阵，实现了天线单元1的宽带及高增益要求。天线单元1的馈电方式采用极化器2直接馈电方式。
参照图3-5，天线系统的极化器2为1个3端口器件，与天线单元1小口端连接的一侧开设一单端口2.1，与该侧相对位置开设有两个平行布置的双端口2.2，所述极化器2为内部是空腔结构的方波导，在空腔结构的中心垂直方向设有金属隔板8，将方波导极化器2平分成两个矩形波导，所述金属隔板8朝向单端口2.1侧具有多级台阶，实现圆极化和两个线极化(H极化、V极化)的相互转化；所述金属隔板8将极化器2空腔底板分隔，并且分隔后的底板朝向双端口2.2侧形成阶梯结构的台阶9，实现阻抗匹配。通过调整多级台阶变换式金属隔板8及台阶9的各阶尺寸，实现极化器2的宽带匹配特性。发射信号从台阶9处的双端口2.2输入，经极化器2后转变为圆极化波后通过馈入天线单元1；天线单元1接收的圆极化波反射信号经极化器2后馈入金属隔板8分隔为两个线极化，用于后端处理。
参照图6-7，天线系统的隔离器3用于收发信号的隔离，防止收发相互干扰。隔离器3选用场移式隔离器，采取铁氧体和衰减片双联结构，即用于隔离接收和发射的铁氧体和衰减片分布在腔体上下两侧，形成传输方向相反的两个隔离区；发射时信号从T/R组件输出向天线传输，反向隔离防止天线反射信号影响T/R组件,接收时天线接收的信号向T/R组件传输，反向隔离防止反射信号影响天线。
参照图8-9，天线系统的变换波导4采用弯曲波导形式，包括两个平行布置的传输端板4.1，在两个传输端板4.1之间设置有多个传输通道4.2，在所述传输端板4.1上开设有若干端口，每个传输通道4.2各对应传输端板4.1上的两个端口，所述传输通道4.2内部采用双折弯通道结构，两个传输端板上的端口各自对应一条折弯通道，形成弯曲波导传输形式，用于实现不同尺寸部件之间的连接，即隔离器3之前的波导尺寸由天线单元1的尺寸决定，而后端的T/R组件输入/输出端口尺寸与之不同，通过变换波导4就实现T/R组件间距到天线间距的转换。
仿真验证
天线单元设计采用仿真与试验相结合的设计手段，采用电磁仿真计算软件对天线单元进行建模仿真，通过试验对仿真设计结果进行验证，确保设计确实满足指标要求。建立5*5阵列仿真模型，阵中单元方向图的仿真结果如图10～图11所示。
通过优化天线单元设计参数，实现了驻波的良好匹配；单元方向图满足了空域扫描覆盖要求，中心频点增益大于13.5dBi，轴比低于1.0dB，驻波小于1.5。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种Ka波段高增益圆极化天线系统，由多个天线单元、极化器、隔离器、变换波导依次连接而成，实现信号的传输、转换以及与空间信号耦合，其特征在于：天线系统的多个天线单元按照等间距分布的阶梯渐变式喇叭组成，排列为按照天线口面紧密排列，每个天线单元的小口径端与极化器连接，由极化器直接馈电，所述极化器为3端口器件，通过多级台阶变换式隔板实现圆极化和线极化的相互转化；所述隔离器采用双联结构，实现收发信号的隔离；所述变换波导实现T/R组件间距到天线间距的转换。
2.根据权利要求1所述的一种Ka波段高增益圆极化天线系统，其特征在于：每个喇叭式天线单元的辐射体由小口径至大口径位置依次通过阶梯、渐变的形式构成。
3.根据权利要求1或2所述的一种Ka波段高增益圆极化天线系统，其特征在于：所述天线单元采用金属十字隔板隔成4个小喇叭的多内腔设计，金属十字隔板设置在天线单元的大口径出口位置，将天线由1个辐射体变为4个辐射体。
4.根据权利要求1所述的一种Ka波段高增益圆极化天线系统，其特征在于：所述极化器与天线单元小口端连接的一侧开设一单端口，与该侧相对位置开设有两个平行布置的双端口，所述极化器为内部是空腔结构的方波导，在空腔结构的中心垂直方向设有金属隔板，将方波导极化器平分成两个矩形波导，所述金属隔板朝向单端口侧具有多级台阶，实现圆极化和两个线极化的相互转化；所述金属隔板将极化器空腔底板分隔，并且分隔后的底板朝向双端口侧形成阶梯结构的台阶，实现阻抗匹配。
5.根据权利要求1所述的一种Ka波段高增益圆极化天线系统，其特征在于：所述隔离器选用场移式隔离器，采取铁氧体和衰减片双联结构，即用于隔离接收和发射的铁氧体和衰减片分布在腔体上下两侧，形成传输方向相反的两个隔离区。
6.根据权利要求1所述的一种Ka波段高增益圆极化天线系统，其特征在于：天线系统的变换波导采用弯曲波导形式，包括两个平行布置的传输端板，在两个传输端板之间设置有多个传输通道，在所述传输端板上开设有若干端口，每个传输通道各对应传输端板上的两个端口，所述传输通道内部采用双折弯通道结构，两个传输端板上的端口各自对应一条折弯通道，对应形成弯曲波导传输形式。
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