CN115036679A - 一种多子阵拼装的平板天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多子阵拼装的平板天线，主要内容为：包括天线子阵、一分多功分网络、纸蜂窝天线罩、碳纤维背板和定位天线，多个所述天线子阵组合拼接在一体且安装在碳纤维背板上，一分多功分网络安装在天线子阵上，纸蜂窝天线罩安装在碳纤维背板上，两个定位天线分别安装在顶端左右两侧所述天线子阵的前侧面上，天线子阵包括Ku频段喇叭单元、一分二等功分网络、波导变换段和弯头，Ku频段喇叭单元之间通过一分二等功分网络组合连接为一体，波导变换段安装在Ku频段喇叭单元组合体的进口处，弯头安装在所述Ku频段喇叭单元组合体的出口处。本发明解决了九块天线子阵拼装时相位不匹配问题，可实现电离层散射通信或卫星通信。

Description

一种多子阵拼装的平板天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地说，特别涉及一种多子阵拼装的平板天线。
背景技术
平板天线是卫星通信系统的一个重要组成部分。它的作用是将来自射频功放的信号以电磁波的形式向空间辐射，同时来自卫星信号经过阵面进入后端射频器件。目前，用于卫星通信天线主要有反射面和平板阵列天线。其中平板阵列天线解决了天线低剖面的问题。采用宽带平板阵列天线解决了Ku宽带实时收发共用的问题。
但本申请发明人发现上述现有技术至少存在如下技术问题：
目前，现有的平板阵列天线以单块平板阵列天线居多，鲜有多块子阵列拼装的平板阵列天线，工作带宽窄、馈电网络损耗高，波导缝隙天线辐射效率低，无法满足平板阵列天线的要求，因此大大限制了其应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种多子阵拼装的平板天线，其通过天线子阵和一分多功分网络的设计实现了多子阵拼装的平板阵列天线，改善各子阵之间相位不一致问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多子阵拼装的平板天线，包括天线子阵、一分多功分网络、纸蜂窝天线罩、碳纤维背板和定位天线，多个所述天线子阵组合拼接在一体且固定安装在碳纤维背板上，所述一分多功分网络安装在天线子阵上，所述纸蜂窝天线罩固定安装在碳纤维背板上，两个所述定位天线分别固定安装在顶端左右两侧所述天线子阵的前侧面上，所述天线子阵包括Ku频段喇叭单元、一分二等功分网络、波导变换段和弯头，所述Ku频段喇叭单元之间通过一分二等功分网络组合连接为一体，所述波导变换段安装在所述Ku频段喇叭单元组合体的进口处，所述弯头安装在所述Ku频段喇叭单元组合体的出口处。
作为本发明的一种优选实施方式，所述一分多功分网络包括一分二等功分网络、弯头、一分二不等功分网络和直波导段，所述一分二等功分网络和一分二不等功分网络通过直波导段和弯头组合拼接为一体，所述弯头固定安装在天线子阵上。
作为本发明的一种优选实施方式，所述Ku频段喇叭单元采用方口喇叭，其单元宽度为Ku频段工作波长的0.7～0.8。
作为本发明的一种优选实施方式，所述定位天线采用双北斗GPS定位天线。
作为本发明的一种优选实施方式，所述Ku频段喇叭单元的辐射模式为TE10模。
作为本发明的一种优选实施方式，所述一分二等功分网络均采用扁平波导,即b＝a/4，配合E-T与H-T的使用，波导宽边a为Ku频段工作波长的0.8左右。
作为本发明的一种优选实施方式，所述天线子阵(1)采用非金属材料且采用镍打底电镀工艺。
本发明Ku平板阵列天线阶梯变换高度为Ku频段中心频率工作波长的1/4，辐射单元的口径为Ku频段最高频率工作波长的0.7～0.8倍；Ku频段喇叭单元经波导变换段后，由弯头改变电磁波走向，进而与功分网络相连；功分网络中采用多级阶梯变换实现在带内阻抗匹配，阶梯的宽度为标准BJ140矩形波导宽边的长度，但波导窄边为标准BJ140矩形波导窄边的1/2，即我们通常所说的扁平波导，配合E-T与H-T的使用，实现了在紧凑地单元间距下的布局设计，并配合后端的一分九网络，在消除栅瓣的条件下，进行了幅度加权设计，从而改善了天线的副瓣；天线采用泰勒分布对天线阵赋形，通过改变一分九功分网络的功分比，实现降低天线第一副瓣。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
(1)工作于Ku频带，可应用于散射通信领域，实现了在静止状态下通过对流层完成信号的接收与发射；
(2)Ku平板阵列天线的辐射单元为方口阶梯型变换喇叭，与常见的波导缝隙辐射单元相比具有方向图稳定、辐射效率高的优点；
(3)实现了在紧凑地单元间距下的布局设计，并配合后端的一分九网络，在消除栅瓣的条件下，进行了幅度加权设计，从而改善了天线的副瓣；
(4)通过天线子阵和一分多功分网络的设计实现了多子阵拼装的平板阵列天线，改善各子阵之间相位不一致问题。
附图说明
图1为本发明的结构主视图；
图2为本发明的结构俯视图；
图3为本发明天线子阵的结构示意图；
图4为本发明一分多功分网络的结构示意图。
附图标记说明：
1：天线子阵，2：一分多功分网络，3：纸蜂窝天线罩，4：碳纤维背板，5：定位天线，6：Ku频段喇叭单元，7：一分二等功分网络，8：波导变换段，9：弯头，10：一分二不等功分网络，11：直波导段。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1～图4所示，其示出了本发明的具体实施方式，如图所示，本发明公开的一种多子阵拼装的平板天线，包括天线子阵1、一分多功分网络2、纸蜂窝天线罩3、碳纤维背板4和定位天线5，多个所述天线子阵1组合拼接在一体且固定安装在碳纤维背板4上，所述一分多功分网络2安装在天线子阵1上，所述纸蜂窝天线罩3固定安装在碳纤维背板4上，两个所述定位天线5分别固定安装在顶端左右两侧所述天线子阵1的前侧面上，所述天线子阵1包括Ku频段喇叭单元6、一分二等功分网络7、波导变换段8和弯头9，所述Ku频段喇叭单元6之间通过一分二等功分网络7组合连接为一体，所述波导变换段8安装在所述Ku频段喇叭单元6组合体的进口处，所述弯头9安装在所述Ku频段喇叭单元6组合体的出口处。
优选的，所述一分多功分网络2包括一分二等功分网络7、弯头9、一分二不等功分网络10和直波导段11，所述一分二等功分网络7和一分二不等功分网络10通过直波导段11和弯头9组合拼接为一体，所述弯头9固定安装在天线子阵1上。
优选的，所述Ku频段喇叭单元6采用方口喇叭，其单元宽度为Ku频段工作波长的0.7～0.8。
优选的，所述定位天线5采用双北斗GPS定位天线。
优选的，所述Ku频段喇叭单元6的辐射模式为TE10模。
优选的，所述一分二等功分网络7均采用扁平波导,即b＝a/4，配合E-T与H-T的使用，波导宽边a为Ku频段工作波长的0.8左右。
优选的，所述天线子阵1采用非金属材料且采用镍打底电镀工艺。
本发明Ku平板阵列天线阶梯变换高度为Ku频段中心频率工作波长的1/4，辐射单元的口径为Ku频段最高频率工作波长的0.7～0.8倍；Ku频段喇叭单元6经波导变换段8后，由弯头9改变电磁波走向，进而与功分网络相连；功分网络中采用多级阶梯变换实现在带内阻抗匹配，阶梯的宽度为标准BJ140矩形波导宽边的长度，但波导窄边为标准BJ140矩形波导窄边的1/2，即我们通常所说的扁平波导，配合E-T与H-T的使用，实现了在紧凑地单元间距下的布局设计，并配合后端的一分九网络，在消除栅瓣的条件下，进行了幅度加权设计，从而改善了天线的副瓣；天线采用泰勒分布对天线阵赋形，通过改变一分九功分网络的功分比，实现降低天线第一副瓣。
本发明纸蜂窝天线罩3采用上下两层新型介质板，结合纸蜂窝夹层，在满足高强度要求的基础上，介电常数接近1，纸蜂窝天线罩3的插损减少到0.8dB以内；碳纤维背板4采用碳纤维材质，减轻天线整体重量；微带形式的Ku频率天线，在很多设计中都被采用，但其存在的重要问题是插损大，板材偏软，导致天线的效率低、结构强度差；波导是一种高效的辐射形式，其辐射口面多为正方形式，其E面与H面的等化性能优良，考虑到后期组阵栅瓣的控制，辐射口径选取需要兼顾高频，选取在最高频率的一个波长以内，同时考虑效率达到最佳及减少单元间的互耦，尺寸要兼顾低频设计，尽量大于低频的半个波长；方波导中主模为TE10，TE01。次高模为TE11，TM11。根据截止频率公式
Figure BDA0003745447400000051
其中c为电磁波在真空中的传播速度3.0*108m/s，m和n为波型指数，a和b分别为矩形波导的宽边长度和窄边长度；本发明为方形波导所以a＝b，通过仿真，最终确定喇叭口面尺寸；通过1/4λ波导变换段，变换到矩形波导口，此处采用的矩形波导为扁平波导，配合E-T与H-T的使用，实现了在18mm单元间距以下的布局设计。
本发明考虑到天线的一个单元增益为9.7dBi左右，按照公式：
G总＝G单元+10·log(N)-Loss
其中，G总：天线子阵增益，单位为dB
G单元：天线单元增益，单位为dB
N：单元数目
Loss：网络插损
可得天线子阵选用16×24个喇叭单元进行组阵设计，并采用8级一分二与一分三的功分网络，其插损预估为1.8dB，天线子阵增益约为G总＝9.7+10·log(16×24)-1.8＝33.7dBi。一分多功分网络由多个不等功分网络组成，采用泰勒综合法设计的泰勒阵列，其方向图只是靠近主瓣某个区域内的副瓣电平接近相等，随后单调减小，有利于提高天线的方向性系数，因此采用泰勒综合法对天线幅度的加权，从而改善了天线的副瓣，使其达到-14dB以下。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种多子阵拼装的平板天线，其特征在于：包括天线子阵、一分多功分网络、纸蜂窝天线罩、碳纤维背板和定位天线，多个所述天线子阵组合拼接在一体且固定安装在碳纤维背板上，所述一分多功分网络安装在天线子阵上，所述纸蜂窝天线罩固定安装在碳纤维背板上，两个所述定位天线分别固定安装在顶端左右两侧所述天线子阵的前侧面上，所述天线子阵包括Ku频段喇叭单元、一分二等功分网络、波导变换段和弯头，所述Ku频段喇叭单元之间通过一分二等功分网络组合连接为一体，所述波导变换段安装在所述Ku频段喇叭单元组合体的进口处，所述弯头安装在所述Ku频段喇叭单元组合体的出口处。
2.如权利要求1所述的一种多子阵拼装的平板天线，其特征在于：所述一分多功分网络包括一分二等功分网络、弯头、一分二不等功分网络和直波导段，所述一分二等功分网络和一分二不等功分网络通过直波导段和弯头组合拼接为一体，所述弯头固定安装在天线子阵上。
3.如权利要求1所述的一种多子阵拼装的平板天线，其特征在于：所述Ku频段喇叭单元采用方口喇叭，其单元宽度为Ku频段工作波长的0.7～0.8。
4.如权利要求1所述的一种多子阵拼装的平板天线，其特征在于：所述定位天线采用双北斗GPS定位天线。
5.如权利要求1所述的一种多子阵拼装的平板天线，其特征在于：所述Ku频段喇叭单元的辐射模式为TE10模。
6.如权利要求1所述的一种多子阵拼装的平板天线，其特征在于：所述一分二等功分网络均采用扁平波导,即b＝a/4，配合E-T与H-T的使用，波导宽边a为Ku频段工作波长的0.8左右。
7.如权利要求1所述的一种多子阵拼装的平板天线，其特征在于：所述天线子阵采用非金属材料且采用镍打底电镀工艺。
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