CN115377670B - 一种移相错位的平板阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移相错位的平板阵列天线，包括依次堆叠的辐射层、极化层和馈电层，还包括第一网络层和第二网络层，辐射层上阵列排布多个辐射口，极化层上对应每一辐射口设置有一对圆极化器，馈电层上对应每一对圆极化器设置有一对馈电孔，一对馈电孔包含并排设置的两个子馈电孔；第一网络层上设置有第一功分网络，第二网络层上设置有第二功分网络，第一功分网络的各输出口与各对馈电孔中的一个子馈电孔一一对位，第二功分网络的各输出口与各对馈电孔中的另一个子馈电孔一一对位；第一功分网络的各输出口与第二功分网络的各输出口错位排布，对应的子馈电孔的出口位置不变，入口对应平移。本发明解决了双圆极化平板天线的相互干涉问题。

Description

一种移相错位的平板阵列天线

技术领域

本发明涉及卫星天线领域，尤其是一种移相错位的平板阵列天线。

背景技术

随着卫星行业的的发展，高通量时代即将到来。信息传输需要的频率带宽也越来越宽，技术上相同的带宽，频率越高频带就越宽。当频段达到ka，就能进一步满足这些要求。目前在ka频段的应用是卫星收发频段分开，极化为正交圆极化，并且不同的地区对应的收发圆极化正好相反。所以对应的地面设备为了适应不同区域的极化工作模式，需要同时一面天线完成发射双圆极化，接收双圆极化。

应对于该需求，现有设计在ka频段设计了能够完成发射圆极化以及接收圆极化的天线，但是，其并非平板天线。而在平板天线上设计双圆极化会发生两个圆极化之间的干涉，影响天线的辐射效率。或者，将两个圆极化设计为不在同一平面，牺牲天线的尺寸。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种移相错位的平板阵列天线，将双圆极化的平板天线结构紧凑设计，高效利用空间，使得尺寸小型化，同时解决双圆极化之间的干涉问题，使平板天线具备较高的辐射效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种移相错位的平板阵列天线，包括依次堆叠的辐射层、极化层和馈电层，还包括第一网络层和第二网络层，所述辐射层上阵列排布多个辐射口，所述极化层上对应每一辐射口设置有一对圆极化器，所述馈电层上对应每一对圆极化器设置有一对馈电孔，一对馈电孔包含并排设置的两个子馈电孔；所述第一网络层上设置有第一功分网络，所述第二网络层上设置有第二功分网络，所述第一功分网络的各输出口与各对所述馈电孔中的一个子馈电孔一一对位，所述第二功分网络的各输出口与各对所述馈电孔中的另一个子馈电孔一一对位；所述第一功分网络的各输出口与所述第二功分网络的各输出口错位排布。

第一网络层和第二网络层可依次连接馈电层，或者两者顺序交换。两个功分网络对应两个圆极化信号，两个功分网络的输出口错位排布，可避免相互间的干涉，并且配合馈电孔、双极化器以及辐射口的设计，实现了双圆极化的共面辐射，高效利用了平板天线的空间，使之尺寸小型化。

进一步的，各馈电孔中与所述第一功分网络对位的子馈电孔垂直贯穿所述馈电层；各馈电孔的两子馈电孔在出口侧的距离相等，在入口侧，部分或全部与所述第二功分网络对位的子馈电孔相对于与其成对的子馈电孔，在出口侧的间距基础上再远离一定距离，所远离的距离大于该子馈电孔入口侧的宽度；

所述第二功分网络上设置有相位补偿结构，所述相位补偿结构所附加的相位差与入口发生远离的子馈电孔所产生的滞后相位相匹配。

进一步的，入口发生远离的子馈电孔的出口的宽度为该子馈电孔入口侧所远离的距离。

进一步的，所述第一网络层、第二网络层依次堆叠于所述馈电层上，所述第一网络层上对应第二功分网络的各个输出口之处，一一对应设置有过渡孔。

进一步的，所述第一功分网络由若干级等分功分器逐级连接而成，所述第一功分网络采用对称排布结构。

进一步的，所述第二功分网络由若干级等分功分器逐级连接而成，所述第二功分网络采用非对称排布结构，所述相位补偿结构设置于初级功分器和末级功分器之间。

进一步的，所述相位补偿结构为初级功分器到末级功分器之间不同长度的微带线。

进一步的，所述辐射口为阶梯渐变喇叭状。

进一步的，各对所述圆极化器由中部设置的阶梯渐变结构分隔开。

进一步的，所述辐射层、极化层、馈电层、第一网络层和第二网络层均采用铝3A21作为基材。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明对多层网络的错位布局和对所匹配的馈电孔的优化设计，解决了多层网络的干涉问题，让高辐射效率的双圆极化宽带平板天线得以实现。

2、本发明巧妙利用功分网络的相位差来平衡因避开网络干涉所引入的相位滞后现象，无需复杂的设计即解决了网络层馈电的圆极化等相辐射。

3、本发明无需牺牲过多的平板天线尺寸，对多层网络的平板天线进行了密集设计，高效利用了平板天线的尺寸空间，使得双圆极化平板天线能够进行小型化设计。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明平板天线一个优选实施例的分层结构图。

图2是辐射层结构示意图。

图3是极化层结构示意图。

图4是馈电层结构示意图。

图5是第一网络层结构示意图。

图6是第二网络层结构示意图。

图7是驻波比测试结果。

图8是增益方向测试结果。

图9是轴向比测试结果。

图中，1为辐射层，2为极化层，3为馈电层，4为第一网络层，5为第二网络层，11为辐射口，21为圆极化器，22为阶梯渐变结构，31为馈电孔，311为第一类子馈电孔，312为第二类子馈电孔，41为第一接入口，42为第一功分器，43为第二功分器，44为第三功分器，45为第四功分器，46为过渡孔，51为第二接入口，52为第五功分器，53为第六功分器，54为第七功分器，55为第八功分器，56为第一微带线，57为第二微带线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

本实施例公开了一种移相错位的平板阵列天线，如图1所示，包括辐射层1、极化层2、馈电层3、第一网络层4和第二网络层5，层1到层5依次堆叠。

辐射层1上阵列排布多个辐射口11，该辐射口11为喇叭状，如图2所示，辐射层1设计了16个辐射口11。在一些实施例中，辐射口11为阶梯渐变喇叭状，该结构在满足扩散信号的基本要求情况下，可以减小加工难度。

极化层2上对应每一个辐射口11，设置有一对圆极化器21，以实现天线阵列得到左、右旋圆极馈电。如图3所示，在一些实施例中，圆极化器21为阶梯圆极化器，即一对圆极化器21由中部的阶梯渐变结构22分隔开，使得带宽足够满足频段要求。

常规的直接馈电结构适用于单层网络，其馈电布局会导致网络层之间的互相干涉，无法适用多层网络设计。本发明对馈电层3的馈电点进行了优化设计，错开干涉点，使得两个网络层能够互不干涉。如图4所示，馈电层3上对应每一圆极化器21，设置有一对馈电孔31，一对馈电孔31包含两个并排设置的子馈电孔，并排方向即为两个子馈电孔的距离方向。每一对馈电孔31中，一个子馈电孔对应第一网络层4，该子馈电孔垂直贯穿馈电层3，定义为第一类子馈电孔311，另一个子馈电孔对应第二网络层5。从辐射层1方向看（即出口侧），每一对馈电孔31的两个子馈电孔间的间距相等，而从第一网络层4方向看，部分或全部对应于第二网络层5的子馈电孔相对于其成对的子馈电孔，在出口侧间距（即前文说到的在出口侧成对的两个子馈电孔间的间距）基础上，朝远离的方向再平移一定距离C，定义此类子馈电孔为第二类子馈电孔312，由图4可看出，与第一功分网络对位的子馈电孔均为第一类子馈电孔311，与第二功分网络对位的子馈电孔有一半是第一类子馈电孔311，另一半是第二类子馈电孔312，但是，本发明的思路并不排除将与第一功分网络对位的子馈电孔也设计为包含第二类子馈电孔312的情形，只是说为了是结构最为简便，尽可能设计最多的第一类子馈电孔311。C大于该子馈电孔入口侧的宽度（子馈电孔在并排方向上的尺寸）。并且，优选的，该子馈电孔在辐射层1侧（即出口侧）的宽度为C，在入口侧则未改变，宽度与与之成对的第一类子馈电孔311的宽度相同。或者，保持出口侧的宽度仍然为C，入口侧的宽度与与之成对的第一类子馈电孔311的宽度相同，入口侧平移的距离较C小但大于宽度值，即从出口侧能够看到局部的入口。对子馈电孔入口的平移实现了对馈电层3结构的优化，该优化的结构使得第一网络层4和第二网络层5能够错位布置，错开干涉点。图4所示实施例中，设计的16对馈电孔31中，左侧的8对馈电孔31垂直贯穿馈电层3，右侧8对馈电孔31中，靠右侧的每一个子馈电孔靠第一网络层4的一侧均进行了平移。

第一网络层4用于对双圆极化其中一个极化的馈电口进行组阵连接。第一网络层4由第一功分网络以及接入第一圆极化信号的第一接入口41组成，第一接入口41连接第一功分网络，将接入的第一圆极化信号传递给第一功分网络进行功率的平均分配，第一功分网络的各输出口分别对应每一对馈电孔31中的一个子馈电孔（均为第一类子馈电孔311）。在一些实施例中，如图5所示，第一功分网络采用对称排布结构，即第一功分网络成轴对称结构。第一公分网络由若干级等分功分器逐级连接而成，次一级功分器的输入端连接上一级功分器的一个输出端，图5所示实施例是以4级一分二等分功分器逐级连接而成，第一功分器42的输入端连接第一接入口41，第一功分器42的两输出端分别连接有一第二功分器43，第二功分器43的两输出端分别连接有一第三功分器44，第三功分器44的两输出端分别连接有一第四功分器45，这样，末级功分器（即第四功分器45）共有8个，形成16个输出口。实际上第一功分网络也可以采用一分三、一分四等其他类型的功分器组合而成。如图5所示，末级功分器的每一输出口分别与一对馈电孔31中的一个（左侧）子馈电孔一一对位，而在第一网络层4上，第一功分网络未对位的各子馈电孔（每一对馈电孔31中右侧的子馈电孔）的位置，设计有过渡孔46，16对馈电孔31则对应设置有16个过渡孔46。

第二网络层5为单层网络结构，其在本层结构上不会与其他器件发生干涉，只与第一网络层4上的第一功分网络将馈电点组合起来。第二网络层5上设置了第二功分网络和第二接入口51，第二接入口51连接第二功分网络，将接入的第二圆极化信号传递给第二功分网络进行功率的平均分配，第二功分网络的各输出口分别对位第一网络层5上的各过渡孔46，即对应每一对馈电孔31中的另一个子馈电孔。需要说明的是，在馈电层3上，由于对部分或全部子馈电孔进行了优化设计，使得各子馈电孔的相位并非全部一致，平移后的子馈电孔较未平移的子馈电孔的相位会产生滞后，对此，第二功分网络的结构采用非对称分布，利用第二接入口51到各输出口之间不同距离所产生的相位差来平衡因平移馈电口所导致的滞后相位，从而实现第二网络层5馈电的圆极化的等相辐射。同样的，第二公分网络由若干级等分功分器逐级连接而成，次一级功分器的输入端连接上一级功分器的一个输出端，图6所示实施例是以4级一分二等分功分器逐级连接而成，第五功分器52的输入端连接第二接入口51，第五功分器52的两输出端分别连接有一第六功分器53，第六功分器53的两输出端分别连接有一第七功分器54，第七功分器54的两输出端分别连接有一第八功分器55，这样，末级功分器（即第八功分器55）共有8个，形成16个输出口。实际上第二功分网络也可以采用一分三、一分四等其他类型的功分器组合而成。如图6所示，末级功分器的每一输出口分别与第一网络层4上的一个过渡孔46对位，即与每一对馈电孔31中的另一个（右侧）子馈电孔一一对应。值得注意的是，在第五功分器52到第八功分器55之间，设计有相位补偿结构，以补偿因在入口侧平移子馈电孔（相对于出口侧，反之平移的关系也成立，即非垂直于馈电层3的子馈电孔）而引起的滞后相位。需要说明的是，相位补偿结构对应于不同结构的第二功分网络可以设置于不同的位置，可以是两级功分器之间，也可以是多级功分器之间的子相位补偿结构叠加而成，总之设置于初级功分器和末级功分器之间。如图6所示，该相位补偿结构在一些实施例中，为第六功分器53的两输出端到所连接的两第七功分器54之间不同长度的微带线，当然，也可以是其他两级功分器之间不同长度的微带线，即利用初级功分器到各末级功分器之间不同长度微带线引起的相位差来平衡因平移馈电孔锁产生的滞后相位。图4中，在16对馈电孔31中，右侧的各子馈电孔（共16个）一一对位第二功分网络的各输出端，该16个子馈电孔中，右侧的8个子馈电孔发生了平移，对应于此，如图6所示，第六功分器53一个输出端连接对应于左侧8个子馈电孔（未发生平移的馈电孔）的第七功分器54的第一微带线56的长度A，长于第六功分器53另一输出端连接对应于右侧8个子馈电孔（发生平移的馈电孔）的第七功分器54的第二微带线57的长度B。从原理上讲，在第二功分网络中，第二接入口51所连接位置开始到各输出端的距离中，到对应未发生平移的馈电孔的输出端的距离，长于到对应发生平移的馈电孔的输出端的距离，并且，该两个距离所引起的相位差与因平移馈电孔所产生的滞后相位相匹配。同理，如果有其他子馈电孔也发生了平移，则在对应功分器输出端的微带线的长度上进行调整，使得功分网络各输出口等相输出。

对于平板天线的材料选择，本发明给出了一个优选实施例，天线基材采用铝3A21，即从辐射层1到第二网络层5均采用铝3A21制备，再通过钎焊将各分层连接，最终实现宽带双圆极化阵列天线。

附图2-图6所示，示出了本实施例结构的一种优选设计，并示出了具体尺寸，单位为毫米。对该优选设计的实施例结合商业ANSOFT公司的专业电磁仿真软件HFSS进行仿真优化。通过调整C的尺寸，优化馈电口分布，将各个网络的间距达到最佳。调整A和B的尺寸让总口到每个馈电端口的相位保持一致。图7给出了阵列天线两个圆极化端口的驻波仿真曲线，图8给出了阵列天线的增益方向图，图9给出了收发频段得到的轴比曲线。通过图7可以看出，所设计的平板天线的天线驻波低于2.0。通过图8可以看到天线阵列接收增益22.5-23.6dB，发射增益26-26.5dB。通过图9可以看出，天线阵列的法线轴比接收小于2.25，发射小于1.25。由此可知，所设计的平板天线指标优良，在较宽的覆盖区域内，都可以提供优良的辐射效果。

实施例二

本实施例公开了另一种移相错位的平板阵列天线，该平板阵列天线与实施例一的平板阵列天线大致相同，包括第一网络层4和第二网络层5所对应的子馈电孔。不同之处在于，第一网络层4与第二网络层5的位置进行了对换，并且，第二网络层5的各个输出口与对应的子馈电孔直接对位连接，原本设置于第一网络层4上的过渡孔46改为设计在第二网络层5上，位置对应于第一网络层4的各个输出口，且与各对馈电孔31中对应于第一网络层4各输出口的子馈电孔对位连通。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种移相错位的平板阵列天线，包括依次堆叠的辐射层（1）、极化层（2）和馈电层（3），还包括第一网络层（4）和第二网络层（5），所述辐射层（1）上阵列排布多个辐射口（11），所述极化层（2）上对应每一辐射口（11）设置有一对圆极化器（21），所述馈电层（3）上对应每一对圆极化器（21）设置有一对馈电孔（31），一对馈电孔（31）包含并排设置的两个子馈电孔；所述第一网络层（4）上设置有第一功分网络，所述第二网络层（5）上设置有第二功分网络，所述第一功分网络的各输出口与各对所述馈电孔（31）中的一个子馈电孔一一对位，所述第二功分网络的各输出口与各对所述馈电孔（31）中的另一个子馈电孔一一对位；其特征在于，所述第一功分网络的各输出口与所述第二功分网络的各输出口错位排布；

各馈电孔（31）靠所述辐射层（1）侧为出口侧，靠所述第一网络层（4）侧为入口侧；各馈电孔（31）中与所述第一功分网络对位的子馈电孔垂直贯穿所述馈电层；各馈电孔（31）的两子馈电孔在出口侧的距离相等，在入口侧，部分或全部与所述第二功分网络对位的子馈电孔相对于与其成对的子馈电孔，在出口侧的间距基础上再远离一定距离，所远离的距离大于该子馈电孔入口侧的宽度；

所述第二功分网络上设置有相位补偿结构，所述相位补偿结构所附加的相位差与入口侧发生远离的子馈电孔所产生的滞后相位相匹配。

2.如权利要求1所述的移相错位的平板阵列天线，其特征在于，入口侧发生远离的子馈电孔的出口侧的宽度为该子馈电孔入口侧所远离的距离。

3.如权利要求1所述的移相错位的平板阵列天线，其特征在于，所述第一网络层（4）、第二网络层（5）依次堆叠于所述馈电层（3）上，所述第一网络层（4）上对应第二功分网络的各个输出口之处，一一对应设置有过渡孔（46）。

4.如权利要求1所述的移相错位的平板阵列天线，其特征在于，所述第一功分网络由若干级等分功分器逐级连接而成，所述第一功分网络采用对称排布结构。

5.如权利要求1所述的移相错位的平板阵列天线，其特征在于，所述第二功分网络由若干级等分功分器逐级连接而成，所述第二功分网络采用非对称排布结构，所述相位补偿结构设置于初级功分器和末级功分器之间。

6.如权利要求5所述的移相错位的平板阵列天线，其特征在于，所述相位补偿结构为初级功分器到末级功分器之间不同长度的微带线。

7.如权利要求1所述的移相错位的平板阵列天线，其特征在于，所述辐射口为阶梯渐变喇叭状。

8.如权利要求1所述的移相错位的平板阵列天线，其特征在于，各对所述圆极化器由中部设置的阶梯渐变结构（22）分隔开。

9.如权利要求1所述的移相错位的平板阵列天线，其特征在于，所述辐射层（1）、极化层（2）、馈电层（3）、第一网络层（4）和第二网络层（5）均采用铝3A21作为基材。

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