CN114243267A - 一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元及阵列 - Google Patents

Abstract

一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元及阵列，属于天线技术领域，解决现有技术圆极化天线没有考虑极化复用、工作带宽较窄、不适用于大容量通信系统的问题，本发明的天线单元包含两个完全相同的独立口字形中心对称设置的第一L形波导结构和第二L形波导结构，天线单元通过L形波导结构的两个输出端口产生两组幅度相等、相位差为90°的正交信号，从而形成左旋圆极化或右旋圆极化，天线单元在工作频段内具备良好的宽带、稳定的增益及双圆极化辐射特性，天线单元的带宽远远优于其他形式的天线结构；天线单元的第一矩形波导的内部设置有长方体金属脊，采用脊波导，有效缩小天线在X和Y方向上的尺寸，有利于减小组阵时产生的栅瓣。

Description

一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元及阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元及阵列。

背景技术

目前，由于世界范围内对宽带卫星通信系统的需求日益增长，应用于K和Ka频段移动卫星通信系统的天线已成为研究热点。天线作为无线通信系统中有效发射和接收电磁波的前端部件，主要用来完成电磁波与导行波之间的相互转换，其性能的优劣会直接影响到整个系统的通信效果。而随着电磁环境的日益复杂，单一的线极化天线很多时候无法满足通信需求，这促使了圆极化天线技术的迅速崛起。在通信中使用圆极化天线可以抗云、雨干扰，并且在路径损耗较明显的Ka频段甚至更高的频段，圆极化波都能表现出很大的优势；在电子对抗中，圆极化天线可以侦查和干扰敌方的各种线极化及椭圆极化波；在剧烈摆动或滚动的飞行器上安装圆极化天线，即使在恶劣的环境下也能捕捉信息。

要实现圆极化辐射需要有一对正交、等幅并且相位差为90°的信号。目前在K和Ka频段的圆极化天线主要有如下几种：微带贴片天线、印刷振子天线、喇叭天线、维瓦尔第(Vivaldi)天线、螺旋天线、波导缝隙天线等。其中，微带贴片天线、印刷振子天线具有轻量化、结构紧凑和易于后端集成等优势，但是由于实现宽带圆极化的馈电网络较为复杂，工作在高频段的天线辐射效率较低；喇叭天线、维瓦尔第(Vivaldi)天线和螺旋天线同为行波天线，能够在宽频段内实现良好的驻波比和圆极化性能，但由于此类天线的剖面较高，体积、重量较大，越来越无法适用于面积有限、资源日益紧张的星载平台；波导缝隙天线解决了辐射效率和剖面的问题，高频段的体积重量处于可接受范围之内，且具有结构稳定的特点，是实现K/Ka频段圆极化天线的理想选择，但由于其工作带宽较窄，无法满足日益增长的通信容量要求。

在现有的技术中，中国专利申请号CN200910185457.3公开了一种基于四脊波导的圆极化天线，由馈电波导管、耦合缝以及四脊金属脊波导构成，具备在工作频带内进行圆极化辐射的能力，但是该天线的相对带宽不足10％，并且只能产生单一的圆极化，不具备极化复用的能力，系统的通信容量有限。中国专利申请号CN201510012239.5及CN201610052970.5公开了两种基于波导缝隙结构的圆极化天线，其基本结构都是在波导中开设两种辐射缝隙，从而形成圆极化天线，但是这两种圆极化天线由于受加工工艺的限制，在毫米波段很难加工实现；此外，该天线在结构上较为复杂，天线厚度较厚，并且圆极化带宽较窄。

发明内容

本发明的目的在于如何设计一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元及阵列，以解决现有技术圆极化天线没有考虑极化复用、工作带宽较窄、不适用于大容量通信系统的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元，包括呈口字形中心对称设置的第一L形波导结构(1)和第二L形波导结构(2)，所述的第一L形波导结构(1)与第二L形波导结构(2)的结构完全相同；

所述的第一L形波导结构(1)包括：第一矩形波导(11)、第二矩形波导(12)、90°波导弯头(13)，所述的第一矩形波导(11)、第二矩形波导(12)均为空腔结构，第一矩形波导(11)与第二矩形波导(12)的结构完全相同，第一矩形波导(11)与第二矩形波导(12)之间采用90°波导弯头(13)连接成为一个密闭连通的腔体；

所述的第一矩形波导(11)的内部设置有长方体金属脊(110)，长方体金属脊(110)的宽度小于第一矩形波导(11)的厚度，第一矩形波导(11)的高度与长方体金属脊(110)的高度相等，长方体金属脊(110)的右侧面与第一矩形波导(11)的右侧面紧密贴合焊接，长方体金属脊(110)的上表面与第一矩形波导(11)的上表面紧密贴合焊接，长方体金属脊(110)的下表面与第一矩形波导(11)的下表面紧密贴合焊接；

所述的第一矩形波导(11)的前侧面上、沿着Z轴方向从上到下依次对称设置有台阶式的第一匹配模块(111)、第二匹配模块(112)、第三匹配模块(113)、第二匹配模块(112)、第一匹配模块(111)，第一匹配模块(111)、第二匹配模块(112)、第三匹配模块(113)的宽度与第一矩形波导(11)的厚度相同；

所述的90°波导弯头(13)的外轮廓为正方形柱体的结构，90°波导弯头(13)高度小于第一矩形波导(11)的高度，正方形的边长略大于第一矩形波导(11)的厚度；在第一矩形波导(11)的后侧面中间位置开设一个高度与90°波导弯头(13)高度相等、宽度与第一矩形波导(11)的厚度相等的矩形口，同时在90°波导弯头(13)的前侧面沿着Y轴正向开设一个相同的矩形口，两个矩形口对齐连通密封焊接为一体；在第二矩形波导(12)的左侧面中间位置开设一个高度与90°波导弯头(13)高度相等、宽度与第二矩形波导(12)的厚度相等的矩形口，同时在90°波导弯头(13)的右侧面沿着X轴正向开设一个相同的矩形口，两个矩形口对齐连通密封焊接为一体；

所述的第一矩形波导(11)以及第二矩形波导(12)的下表面分别开设有两个对称的输入端口(31)，在第一矩形波导(11)以及第二矩形波导(12)的上表面对应位置分别开设有两个对称的输出端口(31)。

本发明的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元包含两个完全相同的独立口字形中心对称设置的第一L形波导结构(1)和第二L形波导结构(2)，天线单元通过L形波导结构的两个输出端口产生两组幅度相等、相位差为90°的正交信号，从而形成左旋圆极化或右旋圆极化(当信号从一个输入口进入时，输出为左旋圆极化波；当信号从另一个输入口进入时，则输出为右旋圆极化波)，使得天线单元在工作频段内具备良好的宽带、稳定的增益及双圆极化辐射特性，天线单元的带宽远远优于其他形式的天线结构；天线单元的第一矩形波导(11)的内部设置有长方体金属脊(110)，采用脊波导，有效缩小天线在X和Y方向上的尺寸，有利于减小组阵时产生的栅瓣。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第一矩形波导(11)与第二矩形波导(12)之间形成了两个上下对称的缝隙(40)。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的90°波导弯头(13)的左侧面与后侧面相交的直角棱倒成圆角。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第一矩形波导(11)与90°波导弯头(13)的连接处的内部腔体中间位置依次从上到下还设置了多个第四匹配模块(114)，多个所述的第四匹配模块(114)的总高度不超过90°波导弯头(13)的高度。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第四匹配模块(114)的形状是矩形、三角形、圆形或环形中的任意一种。

一种采用所述的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的天线阵列，多个所述的天线单元呈线性阵列排布或矩形阵列排布或者十字交叉形排布。

本发明的优点在于：

本发明的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元包含两个完全相同的独立口字形中心对称设置的第一L形波导结构和第二L形波导结构，天线单元通过L形波导结构的两个输出端口产生两组幅度相等、相位差为90°的正交信号，从而形成左旋圆极化或右旋圆极化(当信号从一个输入口进入时，输出为左旋圆极化波；当信号从另一个输入口进入时，则输出为右旋圆极化波)，使得天线单元在工作频段内具备良好的宽带、稳定的增益及双圆极化辐射特性，天线单元的带宽远远优于其他形式的天线结构；天线单元的第一矩形波导的内部设置有长方体金属脊，采用脊波导，有效缩小天线在X和Y方向上的尺寸，有利于减小组阵时产生的栅瓣。

附图说明

图1为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的主视透视示图；

图2为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的俯视透视示图；

图3为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的L形波导结构的主视透视示图；

图4为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的L形波导结构的前视透视示图；

图5为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的L形波导结构的前俯视透视示图；

图6为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的90°波导弯头与第一矩形波导、第二矩形波导之间的连接示意图；

图7为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的L形波导结构的四个端口的S参数曲线；

图8为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的L形波导结构的输出端口的相位特性曲线；

图9为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的端口回波损耗特性曲线；

图10为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的轴比特性曲线；

图11为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的左旋圆极化辐射增益特性曲线；

图12为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的右旋圆极化辐射增益特性曲线。

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。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

如图1和图2所示，一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元，包括呈口字形中心对称设置的第一L形波导结构1和第二L形波导结构2，所述的第一L形波导结构1与第二L形波导结构2的结构完全相同，下面以第一L形波导结构1来详细说明。

如图3所示，所述的第一L形波导结构1包括：第一矩形波导11、第二矩形波导12、90°波导弯头13，所述的第一矩形波导11、第二矩形波导12均为空腔结构，第一矩形波导11与第二矩形波导12的结构完全相同，此处仅对第一矩形波导11的结构进行描述：

定义：X轴正向为前、X轴负向为后，Y轴正向为右、Y轴负向为左，Z轴正向为上、Z轴负向为下；

第一矩形波导11的厚度方向为Y轴方向、第一矩形波导11的宽度方向为X轴方向、第一矩形波导11的高度方向为Z轴方向，第一矩形波导11的宽度大于第一矩形波导11的厚度；长方体金属脊110的宽度方向为Y轴方向、长方体金属脊110的厚度方向为X轴方向、长方体金属脊110的高度方向为Z轴方向，长方体金属脊110的宽度大于长方体金属脊110的厚度，第一矩形波导11的高度与长方体金属脊110的高度相等。

如图3-5所示，在第一矩形波导11的内部设置有长方体金属脊110，长方体金属脊110的宽度小于第一矩形波导11的厚度，长方体金属脊110的右侧面与第一矩形波导11的右侧面紧密贴合焊接，长方体金属脊110的上表面与第一矩形波导11的上表面紧密贴合焊接，长方体金属脊110的下表面与第一矩形波导11的下表面紧密贴合焊接。通过在第一矩形波导11内部添加长方体金属脊110结构，可以使第一矩形波导11的主模截止频率降低，因此，在同一截止频率条件下，脊波导的宽壁尺寸小于常规无脊波导的宽壁尺寸。脊波导可看作由矩形波导把宽壁弯折而成，其中的电磁场模式与矩形波导的模式相似，只是在脊棱附近由于边缘效应使场分布受到扰动。得益于脊波导结构小尺寸的特点，本发明所述的宽带双圆极化天线具有较小的单元间距，根据阵列天线理论，单元间距减小，将有利于方向图栅瓣的降低。

如图3所示，为了实现整个结构的阻抗匹配且为了增强匹配效果，采用了多级匹配模块，在第一矩形波导11的前侧面上、沿着Z轴的负方向从上到下依次对称设置有台阶式的第一匹配模块111、第二匹配模块112、第三匹配模块113、第二匹配模块112、第一匹配模块111；第一匹配模块111、第二匹配模块112、第三匹配模块113的宽度与第一矩形波导11的厚度相同，第一匹配模块111、第二匹配模块112、第三匹配模块113的具体尺寸参数可通过仿真软件中的非线性算法优化得出。

如图3、5、6所示，90°波导弯头13的外轮廓为正方形柱体的结构，90°波导弯头13高度小于第一矩形波导11的高度，正方形的边长大于第一矩形波导11的厚度；在第一矩形波导11的后侧面中间位置开设一个高度与90°波导弯头13高度相等、宽度与第一矩形波导11的厚度相等的矩形口，同时在90°波导弯头13的前侧面沿着Y轴正向开设一个相同的矩形口，两个矩形口对齐连通密封焊接为一体；在第二矩形波导12的左侧面中间位置开设一个高度与90°波导弯头13高度相等、宽度与第二矩形波导12的厚度相等的矩形口，同时在90°波导弯头13的右侧面沿着X轴正向开设一个相同的矩形口，两个矩形口对齐连通密封焊接为一体；90°波导弯头13的左侧面与后侧面相交的直角棱倒成圆角；由此，第一矩形波导11与第二矩形波导12之间采用90°波导弯头13连接成为一个密闭连通的腔体，腔体内填充空气介质。

如图3所示，在第一矩形波导11以及第二矩形波导12的下表面分别开设有两个对称的输入端口31，在第一矩形波导11以及第二矩形波导12的上表面对应位置分别开设有两个对称的输出端口32。

如图6所示，在第一矩形波导11与第二矩形波导12之间形成了两个上下对称的缝隙40，这两个缝隙40增加了第一矩形波导11与第二矩形波导12上的相邻两个端口(两个输入端口31或两个输出端口32)之间的距离从而减少相邻两个端口之间的串扰。

如图3-5所示，在第一矩形波导11与90°波导弯头13的连接处的中间位置依次从上到下还设置了三个第四匹配模块114，三个第四匹配模块114的总高度不超过90°波导弯头13的高度，具体尺寸参数可通过仿真软件中的非线性算法优化得出，第四匹配模块114的形状可以是矩形、也可以采用三角形、圆形或环形。

天线单元的工作原理

当电磁波从第一矩形波导11的输入端口31进入第一L形波导结构1以后，形成了两个分支，第一分支从第一矩形波导11的输出端口32辐射到空间中去，第二分支从第二矩形波导12输出端口32辐射到空间中去，由于两个输出端口32辐射出的电磁场的幅度和相位不是定值，通过调节波导结构中各匹配模块的位置和尺寸，影响两个输出端口32辐射出的电磁场的幅度和相位，使得第一分支和第二分支具备电场正交、等幅、相差90°的特征，从而形成一种圆极化辐射，假定为左旋圆极化，由于L形波导结构具备空间对称性，而根据电磁场理论可知左右旋圆极化波之间也具备空间对称性，因此，当电磁波从第二矩形波导12的输入端口31进入第一L形波导结构1以后，可以形成另外一种圆极化辐射，即右旋圆极化。

图7给出了四个端口的S参数，可以发现该结构在整个Ka频段内有着较好的阻抗匹配及隔离特性，而且两个输出端口具备等幅输出的潜力。

图8给出了第一矩形波导11与第二矩形波导12的两个输出端口32的相位特性，结果表明该结构的两个输出端口32之间存在接近90°的相位差，表明该L形波导结构具备圆极化辐射的能力。

图9给出了所述的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线在Ka频段内的阻抗匹配特性曲线，表明该天线在27.3GHz～34.7GHz这一的频率范围内有较好的阻抗匹配，相对带宽＝(34.7-27.3)/((34.7+27.3)/2)＝23.8％，相对工作带宽超过20％。

图10为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的轴比特性曲线，从图中可看出本发明的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元在工作频段内具备圆极化轴比特性。

图11为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的左旋圆极化辐射增益特性曲线，从图中可看出本发明的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元中激励01、03端口时，该天线呈现左旋圆极化辐射特性。

图12为本发明实施例一的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的右旋圆极化辐射增益特性曲线，从图中可看出本发明的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元中激励02、04端口时，该天线呈现右旋圆极化辐射特性。

实施例二

本发明还提供一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线阵列，包括等间距排列的若干个实施例一所述的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元，天线单元呈线性阵列排布、矩形阵列排布或者十字交叉形排布。

本发明提出的Ka频段宽带双圆极化天线呈口字形，可分解为两个对称的L形波导结构，L形波导结构通过设置相互正交的第一矩形波导和第二矩形波导，使得输出端口的电场矢量在空间上能够呈现出正交的特点。此外通过优化波导的尺寸布局，在矩形波导中增加若干匹配模块，可以有效调节输出端口的电场幅度及相位，使得两个输出端口的电场幅度相等并且满足90°相位差，最终产生圆极化辐射；本发明所述Ka频段宽带双圆极化天线呈现中心对称的特点，具备四个输入端口。通过调整端口的激励状态，可以灵活的切换极化状态，实现左旋或者右旋圆极化辐射；本发明采用脊波导来设计所述Ka频段宽带双圆极化天线，可以有效缩小天线在X和Y方向上的尺寸，这有利于减小组阵时产生的栅瓣。因为较大的栅瓣会降低系统的增益。此外，在一些特殊的应用领域，如卫星定位等，较大的栅瓣可能会降低系统的精度；本发明结构简单紧凑，设计过程简单，体积小，重量轻，便于无线通信系统实现小型化；本发明的天线为全金属结构，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广。

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 (6)

1.一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元，其特征在于，包括呈口字形中心对称设置的第一L形波导结构(1)和第二L形波导结构(2)，所述的第一L形波导结构(1)与第二L形波导结构(2)的结构完全相同；

所述的第一L形波导结构(1)包括：第一矩形波导(11)、第二矩形波导(12)、90°波导弯头(13)，所述的第一矩形波导(11)、第二矩形波导(12)均为空腔结构，第一矩形波导(11)与第二矩形波导(12)的结构完全相同，第一矩形波导(11)与第二矩形波导(12)之间采用90°波导弯头(13)连接成为一个连通的腔体；

所述的第一矩形波导(11)的内部设置有长方体金属脊(110)，长方体金属脊(110)的宽度小于第一矩形波导(11)的厚度，第一矩形波导(11)的高度与长方体金属脊(110)的高度相等，长方体金属脊(110)的右侧面与第一矩形波导(11)的右侧面紧密贴合焊接，长方体金属脊(110)的上表面与第一矩形波导(11)的上表面紧密贴合焊接，长方体金属脊(110)的下表面与第一矩形波导(11)的下表面紧密贴合焊接；

所述的第一矩形波导(11)的前侧面上、沿着Z轴的负方向从上到下依次对称设置有台阶式的第一匹配模块(111)、第二匹配模块(112)、第三匹配模块(113)、第二匹配模块(112)、第一匹配模块(111)，第一匹配模块(111)、第二匹配模块(112)、第三匹配模块(113)的宽度与第一矩形波导(11)的厚度相同；

所述的90°波导弯头(13)的外轮廓为正方形柱体的结构，90°波导弯头(13)高度小于第一矩形波导(11)的高度，正方形的边长大于第一矩形波导(11)的厚度；在第一矩形波导(11)的后侧面中间位置开设一个高度与90°波导弯头(13)高度相等、宽度与第一矩形波导(11)的厚度相等的矩形口，同时在90°波导弯头(13)的前侧面沿着Y轴正向开设一个相同的矩形口，两个矩形口对齐连通密封焊接为一体；在第二矩形波导(12)的左侧面中间位置开设一个高度与90°波导弯头(13)高度相等、宽度与第二矩形波导(12)的厚度相等的矩形口，同时在90°波导弯头(13)的右侧面沿着X轴正向开设一个相同的矩形口，两个矩形口对齐连通密封焊接为一体；

所述的第一矩形波导(11)以及第二矩形波导(12)的下表面分别开设有两个对称的输入端口(31)，在第一矩形波导(11)以及第二矩形波导(12)的上表面对应位置分别开设有两个对称的输出端口(32)。

2.根据权利要求1所述的一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元，其特征在于，所述的第一矩形波导(11)与第二矩形波导(12)之间形成了两个上下对称的缝隙(40)。

3.根据权利要求1所述的一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元，其特征在于，所述的90°波导弯头(13)的左侧面与后侧面相交的直角棱倒成圆角。

4.根据权利要求1所述的一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元，其特征在于，所述的第一矩形波导(11)与90°波导弯头(13)的连接处的内部腔体中间位置依次从上到下还设置了多个第四匹配模块(114)，多个所述的第四匹配模块(114)的总高度不超过90°波导弯头(13)的高度。

5.根据权利要求4所述的一种基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元，其特征在于，所述的第四匹配模块(114)的形状是矩形、三角形、圆形或环形中的任意一种。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述的基于脊波导的Ka频段宽带双圆极化天线单元的天线阵列，其特征在于，多个所述的天线单元呈线性阵列排布或矩形阵列排布或者十字交叉形排布。

Images