CN113193386B - 一种高增益双频带圆极化双工天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高增益双频带圆极化双工天线单元，包括：高频段圆极化滤波天线，包括高频段圆极化开口波导组成的阵列实现；发射的低频段滤波天线，用于发射的低频段圆极化滤波天线包括低频段圆极化开口波导组成的阵列，与高频段圆极化滤波天线设置于同一个口径内。本发明中，接收天线与发射天线分开，替代传统的收/发共用的宽带天线，降低了设计难度，同时使各自天线工作于最佳状态；发射的低频段滤波天线，与高频段圆极化滤波天线设置于同一个口径内，选择开口波导共口径，方便共用金属壁设计，多层腔体高度相同，方便铝合金材料采用机械铣和焊接工艺加工。

Description

一种高增益双频带圆极化双工天线单元
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种高增益双频带圆极化双工天线单元。
背景技术
天线是无线电系统中必不可少的设备，天线的实现形式也是多种多样。天线按工作的极化方式来分，主要有线极化和圆极化两种，其中线极化有水平极化、垂直极化和斜极化等，而圆极化主要有左旋圆极化和右旋圆极化两种。圆极化天线具有抗多径、极化易于匹配等优点，在卫星通信、气象雷达、电子侦察和对抗中应用较多。在卫星通信和数据传输的圆极化天线中，采用金属波导结构的天线优势明显，尤其是工作在X及其以上波段的情况。与雷达不同，在通信领域，接收与发射通常选择相邻的不同频率连续工作，需要接收与发射天线之间具有很高隔离度。传统的高增益通信天线采用反射面获得高增益，馈源选择宽带喇叭端接双工器实现收发隔离并同时工作。随着相控阵技术和通信需求的发展，相控阵技术也逐渐应用于通信系统，因此对阵列中的单元提出了双工需求，另外，在一些应用场景，相控阵天线扫描角较小，如星载通信载荷，尤其是高轨卫星，此时通常选择高增益单元获得有限扫描能力。
传统宽带天线端接双工器的方案存在较大缺陷，介质基天线和双工器存在损耗较大缺陷，宽带喇叭天线或开口波导端接双工器则存在尺寸大、重量重的缺陷。因此，解决高效、低剖面、收/发双频带之间的高隔离度是应用于相控阵系统中双工天线的难点和关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高增益双频带圆极化双工天线单元，以降低天线尺寸、智增强强度的同时，保证天线工作状态。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种高增益双频带圆极化双工天线单元，包括：
高频段圆极化滤波天线，包括高频段圆极化开口波导组成的阵列实现；
发射的低频段滤波天线，用于发射的低频段圆极化滤波天线包括低频段圆极化开口波导组成的阵列，与高频段圆极化滤波天线设置于同一个口径内。
接收天线与发射天线分开，替代传统的收/发共用的宽带天线，降低了设计难度，同时使各自天线工作于最佳状态；接收天线与发射天线分开设计，高频段圆极化开口波导和低频段圆极化开口波导本身具备一定的滤波特性，降低了滤波功分波导中滤波矩形系数，减少滤波器级数，降低了加工难度，而发射的低频段滤波天线，与高频段圆极化滤波天线设置于同一个口径内，选择开口波导共口径，方便共用金属壁设计，多层腔体高度相同，方便铝合金材料采用机械铣和焊接工艺加工，组成大型天线阵时有利于模块化加工，单个模块呈栅格结构，自身强度高，实现机电一体化。
作为本发明进一步的方案：所述高频段圆极化开口波导数量为4×4，水平截面为三角形形状。
作为本发明进一步的方案：所述低频段圆极化开口波导的数量为2×2，水平截面为矩形。
作为本发明进一步的方案：所述高频段圆极化开口波导的长边与高频段耦合缝隙相互平行，每个高频段圆极化开口波导经由一个高频段耦合缝隙与高频段馈电波导连接，以实现来自高频段馈电波导中电磁波的激励，所述高频段馈电波导耦合激励高频段圆极化开口波导。
作为本发明进一步的方案：所述所述高频段馈电波导数量为四根，平行排列，四根高频段馈电波导设计在低频段电磁波截至状态，所述所述高频段馈电波导由高频段滤波功分波导馈电激励；
平行的四根高频段馈电波导分成两组，每组相邻高频段馈电波导均设置有凹陷结构以预留出空间，供低频段滤波功分波导的四个输出波导至低频段圆极化开口波导走线。
作为本发明进一步的方案：所述高频段滤波功分波导包括高频段输出压缩波导段、集成滤波器功能的高频段滤波波导段，所述高频段滤波波导段的两端设置有连接为一体的高频段输出压缩波导段，所述高频段滤波波导段远离高频段输出压缩波导段的侧面中部与高频段输出端口连接为一体。
作为本发明进一步的方案：所述低频段圆极化开口波导通过底部低频段耦合缝隙实现电磁波耦合激励，所述低频段圆极化开口波导旋转以使低频段耦合缝隙位于低频段圆极化开口波导截面对角线上。
作为本发明进一步的方案：四个所述低频段圆极化开口波导由低频段滤波功分波导合成。
作为本发明进一步的方案：所述低频段滤波功分波导包括多个频段输出压缩波导段、低频段滤波波导段；所述低频段输出压缩波导段穿过高频段馈电波导，所述低频段滤波波导段集成滤波功能。
作为本发明进一步的方案：所述低频段滤波功分波导为1:4低频段滤波功分波导。
本发明的优点在于：
1、本发明中，高频段圆极化滤波天线、发射的低频段滤波天线分别为接收天线、发射天线，实现接收天线与发射天线分开，替代传统的收/发共用的宽带天线，降低了设计难度，同时使各自天线工作于最佳状态，降低了尺寸大小；
而发射的低频段滤波天线，与高频段圆极化滤波天线设置于同一个口径内，选择开口波导共口径，方便共用金属壁设计，多层腔体高度相同，方便铝合金材料采用机械铣和焊接工艺加工，组成大型天线阵时有利于模块化加工，单个模块呈栅格结构，自身强度高，实现机电一体。
2、本发明中，接收天线与发射天线分开设计，高频段圆极化开口波导和低频段圆极化开口波导本身具备一定的滤波特性，降低了滤波功分波导中滤波矩形系数，减少滤波器级数，降低了加工难度。
3、本发明中，低频段矩形截面开口波导旋转45度放置，高频段选择三角形开口波导，充分利用低频段开口波导剩余空间。
4、本发明中，接收天线与发射天线分开，用两种滤波器替代传统设计中的双工器，降低了设计难度，同时省略了双工器中的合成部分，减少了物理尺寸。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元的三维结构示意图。
图2为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元的俯视图。
图3为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元中高频段组成结构下侧视图。
图4为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元中高频段组成结构上侧视图。
图5为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元中低频段组成结构下侧视图。
图6为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元中低频段组成结构上侧视图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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
参阅图1、图2，图1为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元的三维结构示意图，图2为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元的俯视图，该高增益双频带圆极化双工天线单元，包括：
高频段圆极化滤波天线1，用于接收的高频段圆极化滤波天线1由4×4个三角形截面的高频段圆极化开口波导2组成的阵列实现；
发射的低频段滤波天线7，与高频段圆极化滤波天线1设置于同一个口径内，用于发射的低频段圆极化滤波天线7则是由2×2个矩形截面的低频段圆极化开口波导8组成的阵列实现。
接收天线与发射天线分开，替代传统的收/发共用的宽带天线，降低了设计难度，同时使各自天线工作于最佳状态；接收天线与发射天线分开设计，高频段圆极化开口波导和低频段圆极化开口波导本身具备一定的滤波特性，降低了滤波功分波导中滤波矩形系数，减少滤波器级数，降低了加工难度，而发射的低频段滤波天线7，与高频段圆极化滤波天线1设置于同一个口径内，选择开口波导共口径，方便共用金属壁设计，多层腔体高度相同，方便铝合金材料采用机械铣和焊接工艺加工，组成大型天线阵时有利于模块化加工，单个模块呈栅格结构，自身强度高，实现机电一体化。
作为本公开实施例的方案，参阅图2、图3及图4，图3为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元中高频段组成结构下侧视图，图4为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元中高频段组成结构上侧视图，所述高频段圆极化开口波导2的俯视图截面为三角形，优选为直角三角，所述高频段圆极化开口波导2的底部固定设置有高频段耦合缝隙3，所述高频段耦合缝隙3的底部固定连接有高频段馈电波导4。
上述方案中，高频段圆极化开口波导2的长边(即俯视图三角形的斜边)与高频段耦合缝隙3相互平行，激励出正交场，通过仿真软件优化调整两个直角边长度，获得圆极化辐射。
此外，每个高频段圆极化开口波导2经由一个高频段耦合缝隙3与高频段馈电波导4连接，以实现来自高频段馈电波导4中电磁波的激励，每根高频段馈电波导4耦合激励四个高频段圆极化开口波导2。
所述高频段馈电波导4的长边与高频段圆极化开口波导2的一短边相平行，且四根所述高频段馈电波导4平行排列，由一个1:2高频段滤波功分波导5馈电激励。
上述方案中，1:2的所述高频段滤波功分波导5包括高频段输出压缩波导段5-1、高频段滤波波导段5-2，所述高频段滤波波导段5-2的两端设置有连接为一体的高频段输出压缩波导段5-1，所述高频段滤波波导段5-2远离高频段输出压缩波导段5-1的侧面中部与高频段输出端口6连接为一体。
其中每个高频段输出压缩波导段5-1对两根高频段馈电波导4馈电激励，高频段滤波功分波导5的高频段输出端口6选择同轴类型。
平行的四根高频段馈电波导4分成两组，每组相邻的高频段馈电波导4开设有至少一个以上的(优选为两个)凹陷结构(图中为标出)，预留出空间，供低频段滤波功分波导10的四个输出波导至低频段圆极化开口波导8走线。
四根高频段馈电波导4设计在低频段电磁波截至状态，所述高频段滤波波导段5-2中集成滤波器功能，实现对低频段电磁波的抑制。
上述方案中，接收天线与发射天线分开，用两种滤波器替代传统设计中的双工器，降低了设计难度，同时省略了双工器中的合成部分，减少了物理尺寸。
如图2、图5和图6所示，图5为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元中低频段组成结构下侧视图，图6为本发明实施例提供的高增益双频带圆极化双工天线单元中低频段组成结构上侧视图，所述低频段滤波天线7包括四个低频段圆极化开口波导8，所述低频段圆极化开口波导8的截面是矩形形状，所述低频段圆极化开口波导8通过底部低频段耦合缝隙9实现电磁波耦合激励，低频段圆极化开口波导8旋转适当角度，该角度优选为45度，使低频段耦合缝隙9位于低频段圆极化开口波导8截面对角线上，实现正交场激励，通过仿真软件优化调整矩形的两个边长度，获得圆极化辐射。
更进一步的，四个所述低频段圆极化开口波导8由一个1:4低频段滤波功分波导10合成，所述低频段滤波功分波导10包括多个频段输出压缩波导段10-1(优选为四个)、低频段滤波波导段10-2；所述频段输出压缩波导段10-1分别对称固定设置于低频段滤波波导段10-2的侧面，所述低频段滤波波导段10-2包括横杆部、凸起、凹形部，所述横杆部的长边侧面两端分别与所述频段输出压缩波导段10-1连接为一体，所述横杆部的底面中部向下延伸凸起，所述低频段滤波波导段10-2通过所述凸起与凹形部连接为一体，所述凹形部与横杆部平行设置。
低频段滤波功分波导10的四个低频段输出压缩波导段10-1穿过高频段馈电波导4，低频段滤波波导段10-2集成了滤波功能，实现对高频段电磁波的抑制。
工作原理：
接收天线与发射天线分开，替代传统的收/发共用的宽带天线，降低了设计难度，同时使各自天线工作于最佳状态；接收天线与发射天线分开设计，高频段圆极化开口波导和低频段圆极化开口波导本身具备一定的滤波特性，降低了滤波功分波导中滤波矩形系数，减少滤波器级数，降低了加工难度，而发射的低频段滤波天线7，与高频段圆极化滤波天线1设置于同一个口径内，选择开口波导共口径，方便共用金属壁设计，多层腔体高度相同，方便铝合金材料采用机械铣和焊接工艺加工，组成大型天线阵时有利于模块化加工，单个模块呈栅格结构，自身强度高，实现机电一体化。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种高增益双频带圆极化双工天线单元，其特征在于，包括：
高频段圆极化滤波天线(1)，包括高频段圆极化开口波导(2)组成的阵列实现；
用于发射的低频段圆极化滤波天线(7)，用于发射的低频段圆极化滤波天线(7)包括低频段圆极化开口波导(8)组成的阵列，与高频段圆极化滤波天线(1)设置于同一个口径内，将接收天线与发射天线分开，以替代传统的收/发共用的宽带天线，其中，所述高频段圆极化开口波导数量为4×4，水平截面为三角形形状，所述低频段圆极化开口波导的数量为2×2，水平截面为矩形。
2.根据权利要求1所述的高增益双频带圆极化双工天线单元，其特征在于，所述高频段圆极化开口波导(2)的长边与高频段耦合缝隙(3)相互平行，每个高频段圆极化开口波导(2)经由一个高频段耦合缝隙(3)与高频段馈电波导(4)连接，以实现来自高频段馈电波导(4)中电磁波的激励，所述高频段馈电波导(4)耦合激励高频段圆极化开口波导(2)。
3.根据权利要求2所述的高增益双频带圆极化双工天线单元，其特征在于，所述高频段馈电波导(4)数量为四根，平行排列，四根高频段馈电波导(4)设计在低频段电磁波截至状态，所述高频段馈电波导(4)由高频段滤波功分波导(5)馈电激励；
平行的四根高频段馈电波导(4)分成两组，每组相邻高频段馈电波导(4)均设置有凹陷结构以预留出空间，供低频段滤波功分波导(10)的四个输出波导至低频段圆极化开口波导(8)走线。
4.根据权利要求3所述的高增益双频带圆极化双工天线单元，其特征在于，所述高频段滤波功分波导(5)包括高频段输出压缩波导段(5-1)、集成滤波器功能的高频段滤波波导段(5-2)，所述高频段滤波波导段(5-2)的两端设置有连接为一体的高频段输出压缩波导段(5-1)，所述高频段滤波波导段(5-2)远离高频段输出压缩波导段(5-1)的侧面中部与高频段输出端口(6)连接为一体。
5.根据权利要求1所述的高增益双频带圆极化双工天线单元，其特征在于，所述低频段圆极化开口波导(8)通过底部低频段耦合缝隙(9)实现电磁波耦合激励，所述低频段圆极化开口波导(8)旋转以使低频段耦合缝隙(9)位于低频段圆极化开口波导(8)截面对角线上。
6.根据权利要求1所述的高增益双频带圆极化双工天线单元，其特征在于，四个所述低频段圆极化开口波导(8)由低频段滤波功分波导(10)合成。
7.根据权利要求6所述的高增益双频带圆极化双工天线单元，其特征在于，所述低频段滤波功分波导(10)包括多个频段输出压缩波导段(10-1)、低频段滤波波导段(10-2)；所述低频段输出压缩波导段(10-1)穿过高频段馈电波导(4)，所述低频段滤波波导段(10-2)集成滤波功能。
8.根据权利要求6所述的高增益双频带圆极化双工天线单元，其特征在于，所述低频段滤波功分波导(10)为1:4低频段滤波功分波导。
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