CN113224520A - 收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵及具有其的飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵及具有其的飞行器，该天线阵包括金属底板、多个天线单元和多个金属柱，任一天线单元均包括五个由上至下依次设置的微波介质板、发射辐射贴片、接收辐射贴片、耦合馈电贴片、馈电网络、金属探针和馈电接头，馈电网络为3dB电桥馈电网络，馈电网络设置在第四微波介质板的下表面；第四微波介质板具有多个第一金属化过孔，第五微波介质板具有多个第二金属化过孔，多个第一和第二金属化过孔均位于馈电网络的四周；多个金属柱设置在多个天线单元的外侧。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中无法实现卫星通信小频比收发共口径设计及大角度扫描时增益缓慢下降的技术问题。

Description

收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵及具有其的飞行器
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，尤其涉及一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵及具有其的飞行器。
背景技术
飞行器大多安装有测控通信、卫星通信、卫星导航等各种天线。一般来说，卫星通信天线通常采用微带天线形式安装于飞行器顶部，需具备上半空间的波束覆盖能力，用于发射和接收卫星通信信号，一般来说，飞行器机动会带来天线的指向变化，因此，在一些卫星通信系统中，要求天线在较大角域内具备高增益特性。
相控阵天线具有波束指向、波束形状快速变化能力，能够实现宽角域高增益的覆盖，越来越广泛的应用于飞行器卫星通信系统中。微带天线具有低剖面、低成本、易集成等优势，是平面相控阵天线设计中首选的天线形式之一。然而，微带天线单元的3dB波束宽度较窄，很难超过120°，常规相控阵天线的扫描极限一般为±60°，并且当扫描到±50°时，增益损失典型值约为4～5dB，这就需要增加相控阵天线的单元数目来弥补大角度扫描时增益损失，进而造成系统成本的大幅上升，在某种程度上也限制了微带相控阵天线的应用范围。常见的飞行器各类天线均为独立结构，存在占用空间大、成本高、电磁兼容性差的缺点，如果采用收发分离的天线体制，则对天线体积、重量及安装空间有较大限制，因此一些卫星通信系统会对天线提出收发共口径要求，用以减少天线个数，减少飞行器表面开窗数量，节省空间，降低成本。为了降低干扰，卫星通信上下行频率不同，两频段圆极化旋向也不同，卫星通信系统接收和发射工作模式分别为低频比(1.1)的左旋圆极化和右旋圆极化模式，通常实现低频比的双频天线设计会采用展宽带宽的方式，使得单天线工作频段覆盖两个模式，但这种方式较难实现两个频段下不同旋向的圆极化特性。传统的双频双圆极化微带贴片天线，特别是正交极化的圆极化微带贴片天线，其频率比通常在1.7左右，达不到1.1的低频比。为了解决这一问题，研究人员提出了一些有效的方法，比如，使用超表面技术、在辐射贴片的外围附加元件等。申请专利号CN 110148833 A“基于超表面的高增益双频圆极化天线”通过应用超表面使天线的频率比降低到1.37，也无法实现极小频率比1.1,且引入超表面使得天线结构复杂性提高。申请专利号CN 102931476 A“双频圆极化天线”通过在辐射贴片增加L形短截线，此天线的频率比降低到1.48，但是无法实现极小频率比1.1，且天线辐射体的不对称性使得天线方向图不对称，不适合应用于阵列天线中。因此，对于卫星通信天线收发低频比的双频双圆极化共口径设计是天线技术领域亟需解决的问题，具有极大的实用意义和应用需求。
同时对于宽角域扫描卫星通信相控阵天线来说，由于天线收发共口径双波段复合工作的相互影响、天线单元之间的耦合及物理尺寸的限制，在宽扫描角内要使收发共用天线达到较大增益面临巨大挑战。Xia Run-Liang等人在2015年IEEE Transactions onAntennas and Wireless Propagation期刊中发表的论文“Wide-angle scanning phasedarray using an efficient decoupling network”中提出通过采用去耦网络来降低大角度时阵元间的互耦，进而实现大角度阻抗匹配，使用去耦网络的微带相控阵天线扫描角可延伸到±66°，增益损失为2.28dB，但是，这会使得天线的工作带宽较窄，结构复杂性提高，去耦网络还会引入额外的插入损耗，增加了制造成本。因此在宽角域扫描卫星通信相控阵天线设计中，实现收发双频双圆极化共口径设计及大角度扫描时的增益缓慢下降问题急需解决。
发明内容
本发明提供了一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵及具有其的飞行器，能够解决现有技术中无法实现卫星通信小频比收发共口径设计及大角度扫描时增益缓慢下降的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵包括：金属底板；多个天线单元，多个天线单元中的一个作为中心天线单元，多个天线单元中的其他天线单元围绕中心天线单元的周缘均匀间隔设置，任意两个相邻的天线单元之间的间距均相等，多个天线单元的结构均相同，任一天线单元均包括第一微波介质板、第二微波介质板、第三微波介质板、第四微波介质板、第五微波介质板、发射辐射贴片、接收辐射贴片、耦合馈电贴片、馈电网络、金属探针和馈电接头，第一微波介质板、第二微波介质板、第三微波介质板、第四微波介质板和第五微波介质板沿竖直方向由上至下依次设置，发射辐射贴片设置在第一微波介质板的上表面，耦合馈电贴片设置在第二微波介质板的上表面，接收辐射贴片设置在第三微波介质板的上表面，耦合馈电贴片用于同时激励发射辐射贴片和接收辐射贴片以产生发射和接收工作模式；金属探针穿过接收辐射贴片并分别与耦合馈电贴片和馈电网络连接，馈电接头与馈电网络连接，馈电网络为3dB电桥馈电网络，馈电网络设置在第四微波介质板的下表面；第四微波介质板具有多个第一金属化过孔，第五微波介质板具有多个第二金属化过孔，多个第一金属化过孔和多个第二金属化过孔均位于馈电网络的四周；多个金属柱，多个金属柱设置在多个天线单元的外侧，多个金属柱用于对天线单元的波束进行引向。
进一步地，任一天线单元还包括第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层，第一金属层设置在第四微波介质板的上表面，第二金属层设置在第五微波介质板的下表面，第三金属层设置在第四微波介质板的侧边，第四金属层设置在第五微波介质板的侧边，第一金属层和第二金属层通过第三金属层和第四金属层实现短路连接。
进一步地，任意两个相邻的天线单元之间的间距范围为0.45λ至0.5λ，其中，λ为天线工作波长。
进一步地，第一微波介质板的介电常数与第三微波介质板的介电常数之间的差值大于或等于3。
进一步地，馈电网络由带状馈电线组成。
进一步地，馈电接头包括接收模式端口和发射模式端口，任一天线单元还包括馈电连接线，馈电连接线穿过第一金属化过孔且一端与接收模式端口和发射模式端口连接，另一端与馈电网络连接。
进一步地，第一微波介质板具有第一避让孔，发射辐射贴片具有第二避让孔，第一避让孔和第二避让孔均与耦合馈电贴片相对设置。
进一步地，金属底板为六边形结构底板。
根据本发明的又一方面，提供了一种飞行器，飞行器包括如上所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵。
应用本发明的技术方案，提供了一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，该通信天线阵与现有技术相比，其采用耦合馈电机制及层叠设计，实现低频比(1.1)双频双圆极化收发共口径卫星通信天线阵，实现卫星通信双模式工作，同时采用3dB电桥馈电网络，并在馈电网络四周增加金属化过孔形成屏蔽腔，实现收发端口较高隔离度及良好的轴比，隔离度大于15dB，且具有良好的圆极化特性，在有限的天线阵元数情况下，合理选取阵元间距，采用金属柱的结构加载技术，改善单元间互耦效应，展宽波束宽度，实现天线阵在大角度扫描时增益缓慢下降，波束覆盖范围达到轴向±80°，波束覆盖范围内，发射和接收增益均大于6dB。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵的三维结构图；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵的单个天线单元的俯视图；
图3示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵单个天线单元的侧视图；
图4示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵单个天线单元的分层结构示意图；
图5示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵各端口驻波计算结果示意图；
图6a示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵接收中心频点f1(phi＝0°，theta＝0°)增益方向图；
图6b示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵接收中心频点f1(phi＝0°，theta＝60°)增益方向图；
图6c示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵接收中心频点f1(phi＝90°，theta＝80°)增益方向图；
图6d示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵发射中心频点f2(phi＝0°，theta＝0°)增益方向图；
图6e示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵发射中心频点f2(phi＝0°，theta＝60°)增益方向图；
图6f示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵发射中心频点f2(phi＝90°，theta＝80°)增益方向图；
图7示出了根据本发明的具体实施例提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵发射频段收发端口隔离度计算结果的示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
100、金属底板；200、天线单元；201、第一微波介质板；201a、第一避让孔；202、第二微波介质板；203、第三微波介质板；204、第四微波介质板；204a、第一金属化过孔；205、第五微波介质板；205a、第二金属化过孔；206、发射辐射贴片；206a、第二避让孔；207、接收辐射贴片；207a、第三避让孔；208、耦合馈电贴片；209、馈电网络；210、金属探针；211、馈电接头；2111、接收模式端口；2112、发射模式端口；211a、SMP接头内芯；300、金属柱；400、馈电连接线；500、金属地开缝。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1至图7所示，根据本发明的具体实施例提供了一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，该收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵包括金属底板100、多个天线单元200和多个金属柱300，多个天线单元200中的一个作为中心天线单元200，多个天线单元200中的其他天线单元200围绕中心天线单元200的周缘均匀间隔设置，任意两个相邻的天线单元200之间的间距均相等，多个天线单元200的结构均相同，任一天线单元200均包括第一微波介质板201、第二微波介质板202、第三微波介质板203、第四微波介质板204、第五微波介质板205、发射辐射贴片206、接收辐射贴片207、耦合馈电贴片208、馈电网络209、金属探针210和馈电接头211，第一微波介质板201、第二微波介质板202、第三微波介质板203、第四微波介质板204和第五微波介质板205沿竖直方向由上至下依次设置，发射辐射贴片206设置在第一微波介质板201的上表面，耦合馈电贴片208设置在第二微波介质板202的上表面，接收辐射贴片207设置在第三微波介质板203的上表面，耦合馈电贴片208用于同时激励发射辐射贴片206和接收辐射贴片207以产生发射和接收工作模式；金属探针210穿过接收辐射贴片207并分别与耦合馈电贴片208和馈电网络209连接，馈电接头211与馈电网络209连接，馈电网络209为3dB电桥馈电网络209，馈电网络209设置在第四微波介质板204的下表面；第四微波介质板204具有多个第一金属化过孔204a，第五微波介质板205具有多个第二金属化过孔205a，多个第一金属化过孔204a和多个第二金属化过孔205a均位于馈电网络209的四周，多个金属柱300设置在多个天线单元200的外侧，多个金属柱300用于对天线单元200的波束进行引向。
应用此种配置方式，提供了一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，该宽角域扫描卫星通信天线阵通过合理布局，优化阵元间距，同时通过馈电网络四周增加金属化过孔、采用金属柱的结构加载技术，提高隔离、降低天线单元间耦合，实现宽角扫描时有源驻波的控制，同时展宽大扫描角时波束宽度，实现天线阵在大角度扫描时增益缓慢下降效果，无需额外的周期结构覆层或去耦网络，降低了设计复杂度和制造成本；此外，采用双端口3dB电桥加耦合馈电机制以及层叠设计，实现低频比的双频双圆极化共口径，此种方式无需引入额外的超表面结构、开缝或者增加枝节等，有效减少单元复杂度，同时实现单元方向图对称性，适用于阵列天线中。因此，本发明所提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵与现有技术相比，其采用耦合馈电机制及层叠设计，实现低频比(1.1)双频双圆极化收发共口径卫星通信天线阵，实现卫星通信双模式工作，同时采用3dB电桥馈电网络，并在馈电网络四周增加金属化过孔形成屏蔽腔，实现收发端口较高隔离度及良好的轴比，隔离度大于15dB，且具有良好的圆极化特性，在有限的天线阵元数情况下，合理选取阵元间距，采用金属柱的结构加载技术，改善单元间互耦效应，展宽波束宽度，实现天线阵在大角度扫描时增益缓慢下降，波束覆盖范围达到轴向±80°，波束覆盖范围内，发射和接收增益均大于6dB。
具体地，在本发明中，微波介质板自上而下为第一层到第五层，发射辐射贴片206设置在第一微波介质板201的上表面，耦合馈电贴片208设置在第二微波介质板202的上表面，接收辐射贴片207设置在第三微波介质板203的上表面，耦合馈电贴片208用于同时激励发射辐射贴片206和接收辐射贴片207以产生发射和接收工作模式。第四层到第五层为馈电网络层，任一天线单元200还包括第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层，第一金属层设置在第四微波介质板204的上表面，第二金属层设置在第五微波介质板205的下表面，第三金属层设置在第四微波介质板204的侧边，第四金属层设置在第五微波介质板205的侧边，第一金属层和第二金属层通过第三金属层和第四金属层实现短路连接。
作为本发明的一个具体实施例，第四微波介质板的上表面覆铜以作为第一金属层，第五微波介质板的下表明覆铜以作为第二金属层，第一金属层和第二金属层作为馈电网络的金属地，第一金属层和第二金属层通过第四微波介质板侧壁的第三金属层和第五微波介质板侧壁的第四金属层进行短路连接。
馈电网络209为四端口网络，采用3dB电桥形式实现产生圆极化所需的90°相差，馈电网络209设置在第四微波介质板204的下表面。在本发明中，为了有效屏蔽馈电线对微带天线辐射贴片的电磁干扰，可将馈电网络209配置为由带状馈电线组成。在此种配置方式下，带状线上下两层的第一金属层和第二金属层可以有效屏蔽馈电线对微带天线辐射贴片的电磁干扰，便于设计时对天线馈电部分与辐射部分的独立调节。
金属探针210穿过接收辐射贴片207的两个圆形的第三避让孔207a，一端与耦合馈电贴片208焊接，另一端与馈电网络209的两输出端口焊接。第一微波介质板201上开设有第一避让孔201a，发射辐射贴片206上开设有第二避让孔206a，第一避让孔201a和第二避让孔206a均与耦合馈电贴片208相对设置，第一避让孔201a和第二避让孔206a用于避开耦合贴片焊点。
馈电接头211包括接收模式端口2111和发射模式端口2112，任一天线单元200还包括馈电连接线400，馈电连接线400穿过第一金属化过孔204a且一端与接收模式端口2111和发射模式端口2112连接，另一端与馈电网络209连接。接收模式端口2111和发射模式端口2112的接口形式为SMP，SMP接头内芯211a穿过第四微波介质板204和第五微波介质板205与第四微波介质板204上表面的第一金属层上的金属地开缝500处的馈电连接线400的一端连接，馈电连接线400的另一端通过第一金属化过孔204a与第四微波介质板204下表面的馈电网络209连接。接收端口激励时实现接收左旋圆极化模式，发射端口激励时实现发射右旋圆极化模式，可实现全双工。馈电网络209的四周增加多个第一金属化过孔和多个第二金属化过孔，多个第一金属化过孔间隔一定距离，多个第二金属化过孔间隔一定距离，形成屏蔽腔，提高端口隔离度，降低单元间耦合。此外，金属化过孔可实现带状馈电网络上层金属地和下层金属地的有效连接，同时对馈电线上信号外泄可起到一定抑制作用，降低耦合，提高隔离度。具体地，在本发明中，第四微波介质板和第五微波介质板粘合为整体后加工过孔，该过孔贯穿第四微波介质板和第五微波介质板，由此即可制得第一金属化过孔和第二金属化过孔。
作为本发明的一个具体实施例，收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵包括七个天线单元，将七个天线单元进行圆阵布局，中间一个天线单元，圆周均布六个天线单元，任意相邻的两个天线单元之间的间距保持一致。金属底板100为六边形结构底板，由此能够提高隐身性能。天线单元阵列外围增加六根金属柱，金属柱在大扫描角度(角度范围为60°以上)时对波束起到一定引向作用，可以使得天线阵在大角度扫描时达到增益缓慢下降效果。
进一步地，在本发明中，为了改善天线单元间的互耦效应，展宽波束宽度，可将任意两个相邻的天线单元200之间的间距范围设置为0.45λ至0.5λ，其中，λ为天线工作波长。作为本发明的一个具体实施例，任意两个相邻的天线单元200之间的间距范围为65mm。
此外，在本发明中，为了实现天线单元双频段工作下的良好阻抗匹配，可将第一微波介质板201的介电常数与第三微波介质板203的介电常数之间的差值大于或等于3。
根据本发明的另一方面，提供了一种飞行器，该飞行器包括如上所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵。由于本发明所提供的宽角域扫描卫星通信天线阵采用耦合馈电机制及层叠设计，能够实现低频比(1.1)双频双圆极化收发共口径卫星通信天线阵，实现卫星通信双模式工作，同时采用3dB电桥馈电网络，并在馈电网络四周增加金属化过孔形成屏蔽腔，实现收发端口较高隔离度及良好的轴比，隔离度大于15dB，且具有良好的圆极化特性，在有限的天线阵元数情况下，合理选取阵元间距，采用金属柱的结构加载技术，改善单元间互耦效应，展宽波束宽度，实现天线阵在大角度扫描时增益缓慢下降，波束覆盖范围达到轴向±80°，波束覆盖范围内，发射和接收增益均大于6dB，因此，将其运用到飞行器中，能够极大地提高飞行器的工作性能。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图7对本发明所提供的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵进行详细说明。
如图1至图7所示，根据本发明的具体实施例提供了一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，该天线阵包括金属底板100、七个收发共口径天线单元和六个金属柱300，每个天线单元均由五层微波介质板、发射辐射贴片206、接收辐射贴片207、耦合馈电贴片208、馈电网络209、金属探针210和馈电接头211等部分组成。
微波介质板自上而下为第一层到第五层。其中，发射辐射贴片206位于第一微波介质板201的上表面，耦合馈电贴片208位于第二微波介质板202的上表面，接收辐射贴片207位于第三微波介质板203的上表面。发射辐射贴片206的尺寸为27.7mm×27.7mm，四边中心开长2mm，宽1mm的缝。接收辐射贴片207的尺寸为36mm×36mm，四边中心开长2mm，宽1.4mm的缝。耦合馈电贴片同时激励其上层和下层的辐射贴片，产生接收和发射双频工作模式。耦合贴片直径为5.6mm。第四层到第五层为馈电网络层，第四微波介质板204上表面与第五微波介质板205下表面均覆铜，作为馈电网络的带状馈电线的金属地，上下两层金属地通过第四与第五微波介质板侧壁的金属包边进行短路连接。馈电网络209为四端口网络，采用3dB电桥形式实现产生圆极化所需的90°相差。馈电网络四端口线宽为1.3mm，分支线宽边线宽为2.6mm，线长为14mm，分支线窄边线宽为1.3mm，线长为11.4mm。馈电网络为带状线位于第四微波介质板204的下表面，金属探针210穿过接收辐射贴片两个圆形的第三避让孔207a，一端与耦合馈电贴片焊接，另一端与馈电网络两输出端口焊接。接收辐射贴片圆形开孔直径为6mm。第一微波介质板及发射辐射贴片开避让孔以避开耦合贴片焊点，开孔直径为3mm。两个输入端口分别为接收模式端口2111和发射模式端口2112，接口形式为SMP，SMP接头内芯211a穿过第四与第五微波介质板与第四微波介质板上表面金属地开缝500处的馈电连接线400的一端连接，馈电连接线400的另一端通过第一金属化过孔与第四微波介质板下表面的馈电网络连接。馈电网络的带状馈电线线宽为1mm。带状馈电线四周增加金属化过孔，相邻两个金属化过孔间隔5mm。
将七个天线单元进行圆阵布局，中间一个单元，圆周均布六个天线单元，相邻天线单元间距保持一致，间距为65mm。相控阵天线采用六边形底板，阵列外围增加六根金属柱300，金属柱直径为10mm。
第一微波介质板的介电常数数值为3，第二微波介质板的介电常数和第三微波介质板的介电常数数值均为6.15。
馈电网络的馈电线为带状线，带状线上下两层的金属地可以有效屏蔽馈电线对微带天线辐射贴片的电磁干扰，便于设计时对天线馈电部分与辐射部分的独立调节。金属化过孔可实现带状馈电线上层地和下层地的有效连接，同时对馈电线上信号外泄可起到一定抑制作用，降低耦合，提高隔离度。
本发明实施例在卫星通信接收及发射频段驻波比计算结果如图5所示，接收频段带宽MHz,发射频段带宽MHz。接收中心频点f1、发射中心频点f2的法向、phi＝0°切面扫描角±60°、phi＝90°切面扫描角±80°增益方向图如图6所示。接收频段法向增益大于13.1dB，80°大角度扫描增益大于6.2dB。发射频段法向增益大于13.4dB，80°大角度扫描增益大于6.5dB。收发端口隔离度如图7所示，发射频段隔离度大于15dB。
虽然在上述实施例的基础上对发明进行了说明，但是本发明并不局限于此，具有相关领域背景知识的人可以在此基础上进行多种变形。例如，本实施例中单元可变形为单层或者多层辐射贴片，馈电形式可变形为直馈方式，这些变形以及其它符合本发明的思想，都应属于本发明的保护范围之内。
综上所述，本发明提供了一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，该收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵与现有技术相比，其采用耦合馈电机制及层叠设计，实现低频比(1.1)双频双圆极化收发共口径卫星通信天线阵，实现卫星通信双模式工作，同时采用3dB电桥馈电网络，并在馈电网络四周增加金属化过孔形成屏蔽腔，实现收发端口较高隔离度及良好的轴比，隔离度大于15dB，且具有良好的圆极化特性，在有限的天线阵元数情况下，合理选取阵元间距，采用金属柱的结构加载技术，改善单元间互耦效应，展宽波束宽度，实现天线阵在大角度扫描时增益缓慢下降，波束覆盖范围达到轴向±80°，波束覆盖范围内，发射和接收增益均大于6dB。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，其特征在于，所述收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵包括：
金属底板(100)；
多个天线单元(200)，多个所述天线单元(200)中的一个作为中心天线单元(200)，多个所述天线单元(200)中的其他天线单元(200)围绕所述中心天线单元(200)的周缘均匀间隔设置，任意两个相邻的所述天线单元(200)之间的间距均相等，多个所述天线单元(200)的结构均相同，任一所述天线单元(200)均包括第一微波介质板(201)、第二微波介质板(202)、第三微波介质板(203)、第四微波介质板(204)、第五微波介质板(205)、发射辐射贴片(206)、接收辐射贴片(207)、耦合馈电贴片(208)、馈电网络(209)、金属探针(210)和馈电接头(211)，所述第一微波介质板(201)、所述第二微波介质板(202)、所述第三微波介质板(203)、所述第四微波介质板(204)和所述第五微波介质板(205)沿竖直方向由上至下依次设置，所述发射辐射贴片(206)设置在所述第一微波介质板(201)的上表面，所述耦合馈电贴片(208)设置在所述第二微波介质板(202)的上表面，所述接收辐射贴片(207)设置在所述第三微波介质板(203)的上表面，所述耦合馈电贴片(208)用于同时激励所述发射辐射贴片(206)和所述接收辐射贴片(207)以产生发射和接收工作模式；所述金属探针(210)穿过所述接收辐射贴片(207)并分别与所述耦合馈电贴片(208)和所述馈电网络(209)连接，所述馈电接头(211)与所述馈电网络(209)连接，所述馈电网络(209)为3dB电桥馈电网络(209)，所述馈电网络(209)设置在所述第四微波介质板(204)的下表面；所述第四微波介质板(204)具有多个第一金属化过孔(204a)，所述第五微波介质板(205)具有多个第二金属化过孔(205a)，多个所述第一金属化过孔(204a)和多个所述第二金属化过孔(205a)均位于所述馈电网络(209)的四周；
多个金属柱(300)，多个所述金属柱(300)设置在多个所述天线单元(200)的外侧，多个所述金属柱(300)用于对所述天线单元(200)的波束进行引向。
2.根据权利要求1所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，其特征在于，任一所述天线单元(200)还包括第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层，所述第一金属层设置在所述第四微波介质板(204)的上表面，所述第二金属层设置在所述第五微波介质板(205)的下表面，所述第三金属层设置在所述第四微波介质板(204)的侧边，所述第四金属层设置在所述第五微波介质板(205)的侧边，所述第一金属层和所述第二金属层通过所述第三金属层和所述第四金属层实现短路连接。
3.根据权利要求1所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，其特征在于，任意两个相邻的天线单元(200)之间的间距范围为0.45λ至0.5λ，其中，λ为天线工作波长。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，其特征在于，所述第一微波介质板(201)的介电常数与第三微波介质板(203)的介电常数之间的差值大于或等于3。
5.根据权利要求4所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，其特征在于，所述馈电网络(209)由带状馈电线组成。
6.根据权利要求1所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，其特征在于，所述馈电接头(211)包括接收模式端口(2111)和发射模式端口(2112)，任一所述天线单元(200)还包括馈电连接线(400)，所述馈电连接线(400)穿过所述第一金属化过孔(204a)且一端与所述接收模式端口(2111)和发射模式端口(2112)连接，另一端与所述馈电网络(209)连接。
7.根据权利要求6所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，其特征在于，所述第一微波介质板(201)具有第一避让孔(201a)，所述发射辐射贴片(206)具有第二避让孔(206a)，所述第一避让孔(201a)和所述第二避让孔(206a)均与所述耦合馈电贴片(208)相对设置。
8.根据权利要求7所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵，其特征在于，所述金属底板(100)为六边形结构底板。
9.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器包括如权利要求1至8中任一项所述的收发共口径宽角域扫描卫星通信天线阵。
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