CN113437532A - 一种基于多层混合波导功分结构的cts天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，包括波导馈电网络，以及与所述波导馈电网络的输出端口连接的CTS辐射结构，所述波导馈电网络包括一个一分N的水平波导功率分配网络，以及N个一分M的垂直波导功率分配网络，所述一分N的水平波导功率分配网络与所述N个一分M的垂直波导功率分配网络通过N个水平波导‑垂直波导模式转换结构相连接；所述N个一分M的垂直波导功率分配网络沿水平方向等间距平行排列，垂直波导功率分配网络所在平面与所述一分N的水平波导功率分配网络所在平面正交。本发明具有低剖面、宽带、低副瓣等特点，适用于移动卫星通信、高速数据传输等应用场合。

Description

一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线
技术领域
本发明涉及天线通讯技术领域，特别涉及一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线、天线装置。
背景技术
对于以非常高的数据率发射数据的无线宽带信道的需求不断增长，特别是在移动卫星通信领域。然而，特别是在航空领域，缺少能够满足移动使用要求的条件的合适的天线，具体来说，诸如收发一体和低剖面天线。对于与卫星进行定向无线数据通信(例如，在Ku或Ka频带)，由于必须可靠地防止相邻卫星之间的干扰，所以同样对天线的副瓣性能有极高的要求。
根据卫星通信天线的规定要求，所有的管理规定意在确保在移动卫星天线的定向发射或接收操作期间在相邻的卫星之间不产生干扰。为了此目的，通常基于相对目标卫星的分离角来定义最大的输出主瓣宽度和副瓣电平，在天线系统的发射操作期间，必须不能超过针对特定副瓣电平的数值，在天线系统的接收操作期间，较低的副瓣电平也可以减小外界信号的干扰。这导致了对于根据该角度的天线特性的严格的要求。随着目标卫星的分离角减小，天线主瓣宽度需要减小，这就需要天线的输出相位配置和幅度配置而实现。因此，通常使用具有这些特性的抛物面天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器，抛物面因为尺寸较大具有很差的实用性。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，并且因此由于额外的空气阻力而必须具有最小的剖面高度。
由于通信系统对高传输速率和高可靠传输的需求日益增长，CTS天线作为一种良好性能和制造稳定性的平板天线正在成为先进天线系统的候选天线。因此，国际上很早就对CTS天线开展了一系列的研究，CTS(Continuous Transverse Stub，连续切向节天线)是一种波导缝隙天线，于二十世纪九十年代由美国雷神公司的William W.Milory最先提出，一提出就引起了学术界的强烈反响(Milroy,W.W.,“Continuous transverse stub(CTS)element devices and methods of making same,”U.S.patent 5,266,961,Aug.29,1991)。传统的CTS天线是由多个开口有切向缝隙的平行板波导组成，任何由平面波激励的平行板波导产生的纵向电流分量会被横向缝隙切断，辐射单元和平行板波导构成简单的T型结构，这种结构是一种非谐振结构，具有频带宽、交叉极化低，易于加工的特点，同时由于采用平行板波导这种非色散结构，使得传输损耗变低，天线效率显著提高。
上述连续切向节天线在实际应用情况下，辐射单元的工作带宽是比较宽的，但是天线的整体带宽受限于串联馈电方式和端口转换网络。为了增加天线整体带宽，实现波束定向，可以适当的改变馈电方式，可以设计出适用于并联馈电工作的CTS天线(Ettorre,M.,F.Foglia Manzillo,M.Casaletti,R.Sauleau,L.Le Coq,and N.Capet,“Continuoustransverse stub array for Ka-band applications,”IEEE Trans.Antennas Propag.,Vol.63,No.9,4798–4800,Sep.2015.)。Mauro Ettorre等人描述的是一种全金属16阵元的并馈CTS天线，天线工作在Ka波段，辐射单元由若干个等功分波导T型结产生等幅同相的准TEM信号激励，实验结果证明一种高增益、低剖面的CTS天线阵列。
但是，传统的CTS平板天线，采用等功分功分器级联组成馈电网络，对天线辐射单元进行等幅、同相馈电，天线效率较高，但是第一副瓣电平无法达到卫通的要求。这也直接导致了平板天线在卫星通信系统难以入网，使用率不高。功率分配器(功分器)作为微波系统的基本元件，在阵列天线、功率放大器、混频器等微波系统中都有很广泛的应用。同时，不等分功器也频繁地出现在这些应用中。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线、天线装置，具有宽带、低剖面、低副瓣、易匹配、低损耗等特点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，包括波导馈电网络，以及与所述波导馈电网络的输出端口连接的CTS辐射结构，所述波导馈电网络包括一个一分N的水平波导功率分配网络，以及N个一分M的垂直波导功率分配网络，所述一分N的水平波导功率分配网络与所述N个一分M的垂直波导功率分配网络通过N个水平波导-垂直波导模式转换结构相连接；所述N个一分M的垂直波导功率分配网络沿水平方向等间距平行排列，垂直波导功率分配网络所在平面与所述一分N的水平波导功率分配网络所在平面正交。
进一步地，所述水平波导功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器；或者，所述水平波导功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器；又或者，所述水平波导功率分配网络包括若干脊波导H面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干脊波导H面功率分配器。
进一步地，所述一分N的水平波导功率分配网络的输出端口与所述水平波导-垂直波导模式转换结构的输入端口连接，所述水平波导-垂直波导模式转换结构的输出端口与所述N个一分M的垂直波导功率分配网络的输入端口连接。
进一步地，所述一分N的水平波导功率分配网络包括1个功分输入端口、N个功分输出端口、若干等功率分配器、若干不等功率分配器和若干波导弯头；所述一分M的垂直波导功率分配网络包括1个功分输入端口、M个功分输出端口、若干等功率分配器、若干不等功率分配器和若干波导弯头。
进一步地，所述CTS辐射结构包括若干个辐射单元，所述辐射单元极化方式一致，连接所述一分M的垂直波导功率分配网络的功分输出端口，用于将功率分配后的电磁波辐射到自由空间。
进一步地，所述辐射单元与所述一分M的垂直波导功分网络的功分输出端口连接，可以由波导喇叭构成，也可以是包含探针结构的辐射单元，其中所述探针与辐射阵面平行放置，印刷在电路板之上，当辐射单元包含探针结构时，相邻辐射单元之间设有金属隔板进行隔离。
进一步地，所述由波导喇叭构成的辐射结构的喇叭开口向上；
当所述垂直功率分配网络包括波导E面功率分配器时，所述辐射单元为切向贯通的切向槽结构，由单级或多级开口逐渐增大的台阶或喇叭组成，所述切向方向平行于多个波导垂直功率分配网络排列的方向。单个辐射单元连接N个垂直功率分配网络的相同输出端口，N个垂直功率分配网络的相同输出端口排列间距小于λ，其中λ为最高工作频率的自由空间波长，M个辐射单元的排列方向与切向方向正交，排列间距小于λ；
当所述垂直功率分配网络包括波导H面功率分配器时，所述辐射单元为横向贯通的横向槽结构，由单级或多级开口逐渐增大的台阶或喇叭组成，所述横向方向垂直于多个波导垂直功率分配网络排列的方向。单个辐射单元连接所有垂直功率分配网络的相同输出端口，N个垂直功率分配网络的相同输出端口排列间距小于λ，其中λ为最高工作频率的自由空间波长，N个辐射单元的排列方向与横向方向正交，排列间距小于λ。
进一步地，所述波导馈电网络的导波结构为矩形波导或者脊波导结构，所述脊波导结构可看作由矩形波导把宽壁弯折而成，可以是单脊结构，双脊结构，对称结构，以及非对称结构，还可以是非标脊波导，介于波导和脊波导之间的结构。
进一步地，所述水平波导-垂直波导模式转换结构包括一个水平放置的输入端口、垂直放置的输出端口和模式转换器，其中所述模式转换器可以为探针型结构或缝隙/圆孔耦合型结构，作用是实现水平波导模式与垂直波导模式的相互转换，其中探针型结构中的探针垂直于波导表面，可以为直探针或弯折探针，印刷在电路板之上，连通水平波导-垂直波导模式转换结构的输入与输出端口；缝隙/圆孔耦合型结构的缝隙开口或圆孔开口平行于波导表面，连通水平波导-垂直波导模式转换结构的输入与输出端口。
本发明还提供了一种天线装置，包括如上所述的CTS天线。
本发明还提供了一种终端设备，包括如上所述的天线装置。
本发明与现有技术相比，具有的以下有益效果：首先，本发明的天线采用脊波导/矩形波导馈电，相比带状、微带线和共面波导，脊波导/矩形波导降低了整体系统因信号传输而引入的损耗，提高了系统效率，而且，脊波导/矩形波导具有更宽的主模工作带宽，并且，由于脊波导/矩形波导的阻抗比较低，其和同轴、微带线匹配更容易，方便了匹配网络的设计。其次，本发明天线采用新型树状馈电网络结构，实现了比传统功分馈电网络结构更低的剖面，并且重量更轻，而且该网络可以较为灵活方便地设计使得输出不等幅同相分布的激励信号，使得天线输出增益在达到目标要求的情况下，具有更低的副瓣；在加工方面，波导的加工工艺比较成熟，利于大规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的CTS天线的三维结构透视图；
图2是本发明实施例提供的CTS天线垂直放置的H面脊波导功率分配网络三维结构图；
图3是本发明实施例提供的CTS天线水平放置的H面脊波导功率分配网络三维结构图；
图4是本发明实施例提供的H面脊波导功分器的电场分布示意图；
图5是本发明实施例提供的用于辐射单元的剖面侧视图；
图6是本发明实施例提供的CTS天线的三维结构示意图；
图7是本发明实施例提供的用于脊波导的剖面正视图；
图8是本发明实施例提供的用于水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构Ⅰ的剖面侧视图；
图9是本发明实施例提供的用于水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构Ⅱ的剖面侧视图；
图10是本发明实施例提供的用于水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构Ⅲ的剖面侧视图；
图11是本发明实施例提供的用于缝隙/圆孔耦合结构俯视图。
具体实施方式
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的一部分实施例，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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、水平、垂直等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，包括波导馈电网络，以及与所述波导馈电网络的输出端口连接的CTS辐射结构，所述波导馈电网络包括一个一分N的水平波导功率分配网络，以及N个一分M的垂直波导功率分配网络，所述一分N的水平波导功率分配网络与所述N个一分M的垂直波导功率分配网络通过N个水平波导-垂直波导模式转换结构相连接；所述N个一分M的垂直波导功率分配网络等间距平行排列，垂直波导功率分配网络所在平面与所述一分N的水平波导功率分配网络所在平面正交。
所述水平波导功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器；或者，所述水平波导功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器；又或者，所述水平波导功率分配网络包括若干脊波导H面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干脊波导H面功率分配器。以下以采用脊波导H面功率分配器为例，具体说明本发明的结构，另外，本发明还可以采用如上所述的矩形波导E面功率分配器和矩形波导H面功率分配器来实现。
参考图1、2、3和4所示，为本发明实施例提供的一种基于多层脊波导功分结构的CTS天线，该天线包括脊波导馈电网络，以及与该脊波导馈电网络输出端口连接的CTS辐射单元3，所述脊波导馈电网络包括一个一分八的H面脊波导功率分配网络1，以及8个一分八的H面脊波导功率分配网络2，所述H面脊波导功率分配网络1与所述H面脊波导功率分配网络2通过8个水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构4相连接；所述8个H面脊波导功率分配网络2等间距平行排列，其所在平面与H面脊波导功率分配网络1所在平面正交；所述H面脊波导功率分配网络1的输出端口与所述水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构4的输入端口连接，所述水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构4的输出端口与所述H面脊波导功率分配网络2的输入端口连接；所述H面脊波导功率分配网络1和所述H面脊波导功率分配网络2均包括1个功分输入端口5、8个功分输出端口6、若干等功率分配器7、若干不等功率分配器8和若干波导弯头9；所述H面脊波导功率分配网络1和所述H面脊波导功率分配网络2均沿其功分输入端口5中心呈左右前后对称，其8个功分输出端口6在输出阵面上呈等间距排列；所述H面脊波导功率分配网络1和所述H面脊波导功率分配网络2用于将传导的电磁波功率分配；然而，可以设想H面脊波导功率分配网络1和H面脊波导功率分配网络2拥有更少或更多层的实施例，通过更改层数，得到更大的辐射输出口径，整体辐射增益和整体体积也会相应提高。因此，根据应用，H面脊波导功率分配网络1和H面脊波导功率分配网络2层数的适当设计能够建立不同方向图增益的天线。为了能够应用不同的应用场合，本发明可以很容易地改变功率分配结构的层数，从而使得整体结构仅为必要的大小。
参考图5所示，所述基于多层脊波导功分结构的CTS天线还包含与脊波导馈电网络输出端口连接的CTS辐射结构3，所述辐射结构3共包括8个辐射单元，所述辐射单元极化方式一致，连接各路H面脊波导功率分配网络2的8个功分输出端口6，用于将功率分配后的电磁波辐射到自由空间，选择合适的辐射元件尺寸及其孔径面积的大小，使得各辐射元件的相位中心之间的沿着两个坐标方向上的间隔比λ0小，其中λ0表示发送或接收最高频率的电磁波自由空间波长。该间隔保证了在天线方向图中的最大有用频率范围内，在任意方向上不会产生称为“栅瓣”的寄生旁瓣。图5中左图所示为直接连接各路H面脊波导功率分配网络2的功分输出端口6的辐射单元，波导喇叭10开口向上，右图所示为包含探针模式转换结构的辐射单元，其中探针11与辐射阵面平行放置，印刷在电路板12之上。
参考图5和6所示，所述辐射单元的波导喇叭10开口向上，相邻层数之间的波导喇叭10由与剖面高度平齐的金属隔板15彼此隔离，在阵面上体现为阵元数量为8的辐射阵列16。
参考图7所示，所述脊波导结构可看作由矩形波导把宽壁弯折而成，脊波导结构可以是单脊结构17，双脊结构18，对称结构，以及非对称结构，还可以是非标脊波导，介于波导和脊波导之间的结构。
参考图8、9、10和11所示，所述水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构4包括一个水平放置的输入端口25、垂直放置的输出端口19和模式转换器，其中模式转换器可以为探针型结构或缝隙/圆孔耦合型结构，作用是实现水平H面脊波导模式与垂直H面脊波导模式的相互转换，其中探针型结构中的探针可以为直探针20或弯折探针21，印刷在电路板12之上，连通水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构的输入端口25和输出端口19；缝隙/圆孔耦合模式转换结构22的缝隙开口23或圆孔开口24平行于水平脊波导表面，连通水平脊波导-垂直脊波导模式转换结构的输入端口25和输出端口19。
进一步地，所述的脊波导既可以使用金属材料制作，如6061T6铝材质，也可以使用表面镀金属的低损耗微波介质材料制作，介质填充方式可以是部分填充或是整体填充。加工方式可以是铣削、注塑、挤塑工艺。为了使天线口径效率最大化，两个相邻辐射单元之间的部分的宽度应被制成尽可能薄，设置为数控铣削、注塑、挤塑可以实现的最小尺寸，并且需要利用特定结构(如端板)装配、并保证装配精度。
基于实施例提供的一种基于多层脊波导功分结构的CTS天线，本发明的CTS天线可以应用于相应的天线装置。进一步地，所述天线装置还可以安装在各类终端设备上，如通讯基站、车载天线终端、卫星终端等。
以上是本发明实施例的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及一些没有做出创造性劳动前提下的替代方式制作出本双频宽带低副瓣并馈CTS天线。本发明天线具有宽频带、低剖面、高效率、天线收发一体等特点，适合作为宽带定向天线使用。但是，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，包括波导馈电网络，以及与所述波导馈电网络的输出端口连接的CTS辐射结构，所述波导馈电网络包括一个一分N的水平波导功率分配网络，以及N个一分M的垂直波导功率分配网络，所述一分N的水平波导功率分配网络与所述N个一分M的垂直波导功率分配网络通过N个水平波导-垂直波导模式转换结构相连接；所述N个一分M的垂直波导功率分配网络沿水平方向等间距平行排列，垂直波导功率分配网络所在平面与所述一分N的水平波导功率分配网络所在平面正交。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，所述水平波导功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器；或者，所述水平波导功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器；又或者，所述水平波导功率分配网络包括若干脊波导H面功率分配器，所述垂直波导功率分配网络包括若干脊波导H面功率分配器。
3.根据权利要求1所述的一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，所述一分N的水平波导功率分配网络的输出端口与所述水平波导-垂直波导模式转换结构的输入端口连接，所述水平波导-垂直波导模式转换结构的输出端口与所述N个一分M的垂直波导功率分配网络的输入端口连接。
4.根据权利要求2所述的一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，所述一分N的水平波导功率分配网络包括1个功分输入端口、N个功分输出端口、若干等功率分配器、若干不等功率分配器和若干波导弯头；所述一分M的垂直波导功率分配网络包括1个功分输入端口、M个功分输出端口、若干等功率分配器、若干不等功率分配器和若干波导弯头。
5.根据权利要求1所述的一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，所述CTS辐射结构包括若干个辐射单元，所述辐射单元极化方式一致，连接所述一分M的垂直波导功率分配网络的功分输出端口，用于将功率分配后的电磁波辐射到自由空间。
6.根据权利要求5所述的一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，所述辐射单元与所述一分M的垂直波导功分网络的功分输出端口连接，可以由波导喇叭构成，也可以是包含探针结构的辐射单元，其中所述探针与辐射阵面平行放置，印刷在电路板之上，当辐射单元包含探针结构时，相邻辐射单元之间设有金属隔板进行隔离。
7.根据权利要求6所述的一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，所述由波导喇叭构成的辐射单元的喇叭开口向上；
当所述垂直功率分配网络包括波导E面功率分配器时，所述辐射单元为切向贯通的切向槽结构，由单级或多级开口逐渐增大的台阶或喇叭组成，所述切向方向平行于多个波导垂直功率分配网络排列的方向。单个辐射单元连接N个垂直功率分配网络的相同输出端口，N个垂直功率分配网络的相同输出端口排列间距小于λ，其中λ为最高工作频率的自由空间波长，M个辐射单元的排列方向与切向方向正交，排列间距小于λ；
当所述垂直功率分配网络包括波导H面功率分配器时，所述辐射单元为横向贯通的横向槽结构，由单级或多级开口逐渐增大的台阶或喇叭组成，所述横向方向垂直于多个波导垂直功率分配网络排列的方向。单个辐射单元连接所有垂直功率分配网络的相同输出端口，N个垂直功率分配网络的相同输出端口排列间距小于λ，其中λ为最高工作频率的自由空间波长，N个辐射单元的排列方向与横向方向正交，排列间距小于λ。
8.根据权利要求2所述的一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，所述波导馈电网络的导波结构为矩形波导或者脊波导结构，所述脊波导结构可看作由矩形波导把宽壁弯折而成，可以是单脊结构，双脊结构，对称结构，以及非对称结构，还可以是非标脊波导，介于波导和脊波导之间的结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于多层混合波导功分结构的CTS天线，其特征在于，所述水平波导-垂直波导模式转换结构包括一个水平放置的输入端口、垂直放置的输出端口和模式转换器，其中所述模式转换器可以为探针型结构或缝隙/圆孔耦合型结构，作用是实现水平波导模式与垂直波导模式的相互转换，其中探针型结构中的探针垂直于波导表面，可以为直探针或弯折探针，印刷在电路板之上，连通水平波导-垂直波导模式转换结构的输入与输出端口；缝隙/圆孔耦合型结构的缝隙开口或圆孔开口平行于波导表面，连通水平波导-垂直波导模式转换结构的输入与输出端口。
10.一种天线装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的CTS天线。
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