CN113161764A - 一种高功率的可变倾角连续断面节阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率的可变倾角连续断面节阵列天线，主要解决现有同类天线不具备高功率性能的问题。其包括功分器(1)，下层金属馈电底板(2)，上层金属圆盘(3)；该功分器位于下层金属馈电底板和上层金属圆盘圆心位置的正下方，其输出端连有多个偏置抛物反射盒(4)，以形成天线馈电链路；该下层金属馈电底板沿传播方向拆分成若干子阵分别馈电，每个子阵的宽边至少为10个波长，窄边不超过2个波长；该上层金属圆盘与下层金属馈电底板之间设有旋转关节(5)，以实现两者的相对旋转。本发明在保证可变倾角连续断面节阵列天线连续扫描的基础上，实现了高功率性能并提高了作用距离，可用于卫星、雷达的高功率、远距离通信。

Description

一种高功率的可变倾角连续断面节阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种可变倾角连续断面节阵列天线，可用于卫星、雷达的高功率、远距离通信。

背景技术

随着科学技术的不断进步，我国卫星通信技术也取得了较大成就，卫星通信具有通信距离远、灵活机动且通信容量较大的优点。为满足卫星通信系统的需求,对其使用的天线提出了更高的要求。

一方面，由于远距离通信在传输过程中存在较大损耗，为了弥补传输损耗，卫星通信对于地面发射天线作用距离提出较高要求；而雷达也需要大侦测半径，来提高雷达预警性能。这些应用场景都需要天线有远距离通信能力。

另一方面，对于侦测空中运动目标和实现运动载体与卫星的通信，波束扫描功能也是必不可少的。但目前的频率扫描天线通常只能实现一个维度的连续扫描。而相控阵扫描则技术要求高，且造价高。

可变倾角连续断面节阵列天线VICTS作为一种新型低剖面天线，其可通过一维平面旋转实现上半空间方位面和俯仰面两个维度的扫描，且具有馈电简单、高增益的特点，在卫星移动通信领域具有广阔的应用前景。

授权公告号为CN 108073770 B，公开了一种VICTS的慢波结构设计方法，该方法通过对VICTS天线中慢波结构的矩形梳齿进行非线性设计,实现了CTS/VICTS天线中非周期单元的相等传播相速度设计。但是其天线结构无法满足高功率的要求。

申请公布号CN 105655720 A，公开了一种高增益VICTS天线，该天线利用抛物反射面以及串馈方式激励VICTS，但是其中平板CTS的辐射缝隙等长且馈电底板为矩形，不利于蚀刻缝隙的圆盘和馈电底板之间相对旋转以实现俯仰面的波束扫描；此外，如用串馈方式从总端口输入高功率能量，天线极易被击穿，因此该天线无法满足高功率的要求。

申请公布号CN 106992354 A，公开了一种拆子阵馈电VICTS卫通天线，其采用了沿着传播方向将圆形VICTS切分成多个子阵，并分别对其馈电的方案，这种方式虽然有利于部分分担总端口高功率的压力，但是其各个子阵的输入端口并未进行过模处理，串馈下还是容易击穿；且馈电底板上填充介质以实现慢波的方式会降低功率容量和击穿阀值。

申请公布号CN 112035997 A，公开了一种宽带小型化VICTS天线馈电网络设计方法，其采用了多级T型结组成的功分网络在VICTS输入端口并馈的方案，但这种传统的T型结难以满足高功率容量的要求。

综上所述，目前VICTS普遍不具备高功率下工作的性能，因此作用距离受限，不能完全满足卫星和雷达对于远距离通信的要求，

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种高功率的可变倾角连续断面节阵列天线，以通过对天线结构的改进，提高功率容量和作用距离，从而增强其远距离通信能力，提升高功率性能。

为实现上述目的，本发明的一种高功率的可变倾角连续断面节阵列天线，包括功分器1，下层金属馈电底板2及上层金属圆盘3，其特征在于：

所述功分器1位于下层金属馈电底板2和上层金属圆盘3的圆心位置正下方，其输入端11为圆形波导，输出端12为矩形波导，其底部为半球形凹槽13，该功分器1的输出端通过转弯波导连接有多个偏置抛物反射盒4，以形成天线馈电链路；

所述下层金属馈电底板2，其沿着传播方向分成若干个子阵，每个子阵分别与E面转弯波导43相连，其输入端的宽边远大于窄边，其宽边至少为10个波长，窄边不超过2个波长，相比于边缘位置的子阵，位于圆心位置附近的子阵宽度可设置得更宽；

所述下层金属馈电底板2与所述上层金属圆盘3之间设有旋转关节5，该旋转关节5位于上层金属圆盘3的圆心位置，以实现下层金属馈电底板2与上层金属圆盘3之间的相对旋转。

作为优选，所述偏置抛物反射盒4，包括H面喇叭41，抛物反射波导42及E面转弯矩形波导43，H面喇叭41位于抛物反射波导42反射侧面的焦点位置，E面转弯矩形波导43与抛物反射波导42的出射端相连，且E面转弯矩形波导43的宽边远大于其窄边，以提高其功率容量。

作为优选，所述下层金属馈电底板2，包括厚度非线性增长的金属斜坡21，数个高度非线性增长的梳齿状金属凸条22及末端的吸波材料23，这些高度非线性增长的梳齿状金属凸条22平行等间隔分布于金属斜坡21的上表面，末端的吸波材料23用于吸收未充分辐射的能量。

作为优选，所述上层金属圆盘3上蚀刻有连续切向T型枝节槽31，这些槽呈平行等间距排列，间距为工作频率的一个波导波长。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于改变了功分器的结构及所处位置，使得天线从馈电到辐射整条链路上各个器件都具备极高的功率容量和作用距离，并通过功分器的输出端连接多个偏置抛物反射盒，形成天线的馈电链路，保证了高功率能量安全有效地传送；

2.本发明由于在下层金属馈电底板与上层金属圆盘之间设有旋转关节，实现了下层金属馈电底板与上层金属圆盘之间的相对旋转，从而使得天线具备了可连续波束扫描能力；

仿真实验表明，本发明在与现有技术相比，在具备VICTS可连续波束扫描能力的基础上，天线从馈电到辐射整条链路上各个器件都具备极高的功率容量，能够传送和辐射高功率能量，具有天线作用距离远，远距离通信能力强的优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的功分器结构图；

图3是本发明中的下层金属馈电底板子阵的结构示意图；

图4是本发明中的下层金属馈电底板的局部放大图；

图5是本发明中的上层金属圆盘的结构图；

图6是本发明中的上层金属圆盘的截面图；

图7是本发明中的上层金属圆盘的连续切向枝节槽的局部放大图；

图8是本发明中的偏置抛物反射盒结构图；

图9是本发明天线的内部电场分布仿真图；

图10是本发明天线的外部电场分布仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例和效果作进一步详细描述。

参照图1，本实例包括功分器1，下层金属馈电底板2，上层金属圆盘3，偏置抛物反射盒4。该功分器1位于下层金属馈电底板2和上层金属圆盘3的圆心位置正下方圆心位置的正下方，其有多个输出端，分别通过H面转弯波导级联偏置抛物反射盒4；该下层金属馈电底板2沿着传播方向分成若干个子阵，本实例分为四个子阵；该上层金属圆盘3与下层金属馈电底板2之间设有旋转关节5，且位于上层金属圆盘3的圆心位置,以保证下层金属馈电底板2及上层金属圆盘3能相对旋转,进而实现俯仰面内波束连续扫描。

参照图2，所述功分器1设有一个输入端和四个输出端，其输入端11为圆波导，四个输出端12为矩形波导，底部为半球形凹槽13，用于将圆波导中TM模式的一路电磁波转换为矩形波导中TE模式的四路电磁波，以保证在总功率一次馈入输入端口不击穿器件的前提下，将能量分配并分别激励多个下层金属馈电底板2子阵，从而大幅降低过高功率一次性馈入时下层金属馈电底板2被击穿的风险。

参照图3，所述偏置抛物反射盒4，包括H面喇叭41，抛物反射波导42及E面转弯波导43。H面喇叭41位于抛物反射波导42反射侧面的焦点位置，抛物反射波导42的反射侧面为抛物线平移后形成的反射面。抛物反射波导42位于沿H面喇叭41入射方向长度至少超过其反射侧面的焦点位置，沿反射方向长度至少超过其反射侧面的焦点位置，其反射端口与E面转弯矩形波导43相连。该反射波导42的反射端口宽边远大于其窄边，且宽边至少为10个波长，窄边不超过2个波长，以提高其功率容量，本实例取但不限于宽边为10个波长，窄边为1.5个波长。根据抛物线的几何性质，抛物反射波导42反射侧面可以将位于其焦点位置的H面喇叭41射出的电磁波转换成平面波，为下层金属馈电底板2子阵提供线源，平面波经由E面转弯波导43馈入下层金属馈电底板2子阵的输入端。由于偏置抛物反射盒4需要放大出射口径以提高功率容量，在保证焦径比不变的情况下，偏置抛物反射盒的整体尺寸也需进行放大,如果将偏置抛物反射盒4和下层金属馈电底板2共面放置，子阵的长度可能难以容纳下尺寸放大后的偏置抛物反射盒；因此，本实例使用E面转弯波导43连接抛物反射波导42的出射端口和下层金属馈电底板2子阵的输入端口。

参照图4、图5和图6，所述上层金属圆盘3，其上分布着平行排列的不等长连续切向T型枝节槽31，这些槽呈等间距平行排列，间距为工作频率下的一个波导波长，以保证不出现栅瓣及侧射。每个槽包含宽度不等的横向匹配枝节311与纵向匹配枝节312，且横向匹配枝节311的宽度大于纵向匹配枝节312的宽度，这种下窄上宽的枝节便于调节与空气波阻抗的匹配。根据Brag谐振效应，对于无线长的周期性缝隙结构，等长缝隙会造成侧射方向出现辐射禁带，因此需要通过这种不等长的缝隙结构才能保证天线辐射效率的情况下实现侧向辐射。另外，上层金属圆盘3圆心附近的连续切向枝节槽31长度较长，以增加圆心附近下层金属馈电底板2的宽度，使金属馈电底板2的子阵在位于上层金属圆盘3不同位置的面积不等，即位于上层金属圆盘3圆心位置的下层子阵大于位于上层金属圆盘3边缘位置的下层子阵，进而使得位于上层金属圆盘3圆心位置的下层子阵功率容量更大。据此，可以根据各子阵的馈电板面积来分配各子阵的馈电功率，以提高辐射孔径的有效面积。

参照图7和图8，下层金属馈电底板2沿着传播方向分成的各子阵输入端口级联同一高度的E面转弯波导43的输出端口，每个子阵输入端口的宽边远大于窄边，且宽边至少10个波长，窄边不超过2个波长，以保证在关注的工作频段内电磁波以TEM模式传播的基础上，尽可能扩大下层金属馈电底板2的口径面积以提高功率容量,本实例中取但不限于宽边为10个波长，窄边为1.5个波长；每个子阵的主体部分为厚度非线性增长的金属斜坡21，该金属斜坡21上加载有高度非线性增加的梳齿状金属凸条22，这些梳齿状金属凸条22平行等间隔排列；每个子阵的末端为复介电常数和复磁导率的吸波材料23，用于吸收未通过缝隙辐射的能量。由于能量在传播和辐射过程中逐级递减，到达子阵末端的能量太小，造成整个辐射口径的幅度不均匀，从而导致方向图畸变，而金属斜坡21的厚度与上层金属圆盘上的连续切向T型枝节槽31的宽度之比决定了能量从天线内部辐射出去的耦合强度，因而采用这种非线性增长的金属斜坡21可以不断降低其厚度，从而沿着传播方向上逐次增大各级耦合强度，能保证整个辐射口径上各个槽有相当均匀的辐射强度。而高度非线性增加的梳齿状金属凸条22，是为了实现天线下层金属馈电底板2与上层金属圆盘3之间等效介电常数大于1，满足慢波的条件，提高下层金属馈电底板的功率容量。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

一.仿真条件：

仿真频率为2GHz，输入功率为4GW

仿真软件使用的是ANSYS公司的高频结构仿真器

二.仿真内容：

仿真1，在上述条件下，对本实例天线的内部电场分布进行仿真，结果如图9。从图9可以看出，天线内部场强最大值为101kv/cm，远低于内部场强阀值200kv/cm，表明本发明天线具有极高的功率容量，能传送和辐射高功率能量。

仿真2，在上述条件下，对本实例天线的外部电场分布进行仿真图，结果如图10。从图10可以看出，本发明天线外部场强最大值为28kv/cm，远低于空气击穿阀值50kv/cm，表明本发明天线不会击穿外部空气。

综上，本发明天线具有极高的功率容量，能传送和辐射高功率能量，进而提高天线的作用距离，增强其远距离通信能力。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高功率的可变倾角连续断面节阵列天线，包括功分器(1)，下层金属馈电底板(2)及上层金属圆盘(3)，其特征在于：

所述功分器(1)位于下层金属馈电底板(2)和上层金属圆盘(3)的圆心位置正下方，其输入端(11)为圆形波导，输出端(12)为矩形波导，其底部为半球形凹槽(13)，该功分器(1)的输出端通过转弯波导连接有多个偏置抛物反射盒(4)，以形成天线馈电链路；

所述下层金属馈电底板(2)，其沿着传播方向分成若干个子阵，每个子阵分别与E面转弯波导(43)相连，其输入端的宽边远大于窄边，其宽边至少为10个波长，窄边不超过2个波长，相比于边缘位置的子阵，位于圆心位置附近的子阵宽度可设置得更宽；

所述下层金属馈电底板(2)与所述上层金属圆盘(3)之间设有旋转关节(5)，该旋转关节(5)位于上层金属圆盘(3)的圆心位置，以实现下层金属馈电底板(2)与上层金属圆盘(3)之间的相对旋转。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：每个偏置抛物反射盒(4)，包括H面喇叭(41)，抛物反射波导(42)及E面转弯矩形波导(43)，H面喇叭(41)位于抛物反射波导(42)反射侧面的焦点位置，E面转弯矩形波导(43)与抛物反射波导(42)的出射端相连，且E面转弯矩形波导(43)的宽边远大于其窄边，以提高其功率容量。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：下层金属馈电底板(2)，包括厚度非线性增长的金属斜坡(21)，数个高度非线性增长的梳齿状金属凸条(22)及末端的吸波材料(23)，这些高度非线性增长的梳齿状金属凸条(22)平行等间隔分布于金属斜坡(21)的上表面，末端的吸波材料(23)用于吸收未充分辐射的能量。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：上层金属圆盘(3)上蚀刻有连续切向T型枝节槽(31)，这些槽呈平行等间距排列，间距为工作频率的一个波导波长。

5.根据权利要求4所述的天线,其特征在于：每个T型枝节槽(31)包含宽度不等的横向匹配枝节(311)与纵向匹配枝节(312)，其中横向匹配枝节(311)宽度大于纵向匹配枝节(312)的宽度，以便调节与空气波阻抗的匹配。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：E面转弯矩形波导(43)，其宽边至少为10个波长，窄边不超过2个波长。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：抛物反射波导(42)沿H面喇叭(41)入射方向长度至少超过其反射侧面的焦点位置，沿反射方向长度至少超过其反射侧面的焦点位置，其出射端口径与E面转弯矩形波导(43)相同。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：抛物反射波导(42)的抛物反射侧面为抛物线平移后形成的反射面。

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