CN115603065B - 一种双极化相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双极化相控阵天线，包括交替设置的垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线，垂直极化波导缝隙阵天线采用脊波导宽边开缝天线形式，水平极化波导缝隙阵天线采用窄边开非倾斜缝天线形式，垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线均直接采用同轴馈电结构，与TR组件的射频连接采用盲插的互联方式，结构简单，便于扩展成大规模阵列。本发明两个线极化的频率可以相同也可以不同，表面加圆极化罩还可实现双圆极化辐射；本发明阵列结构紧凑，馈电方式简单，损耗小，可用于Ku、Ka等毫米波频段；本发明是全金属结构，可靠性高，适用于星载环境，特别适用于星载通信或雷达技术领域。

Description

一种双极化相控阵天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种双极化相控阵天线。

背景技术

在雷达、电子对抗、航空航天等系统中，双极化天线已经获得了广泛的应用。例如在SAR系统中，利用地物对不同极化电磁波的散射特性不同，采用双极化的工作模式就能够获取丰富的地物信息，从而更好地区分和鉴别地物；在卫星通信系统中，采用双极化天线可以在同一带宽内发射两种不同极化的信号，节约了频率资源，使频带的利用率提高了一倍。工作在两个不同频率的双极化天线可以用于卫星通信系统的接收和发射。

相控阵天线由于其波束切换灵活而得到越来越广泛的应用。相控阵天线按照相扫方式分为一维相扫相控阵天线和二维相扫相控阵天线。二维相扫相控阵的与一维相扫相控阵相比，波束切换更灵活，但是其后端有源组件的数量也是指数级的增长关系。在有些应用场合(比如星载遥感雷达)仅需要一维相扫相控阵天线。有时为了节省成本，也采用一维相扫另一位机械扫描的方式。

因此，研究双极化相控阵天线，有很重要的应用价值。

目前双极化相控阵天线见过报道的主要是Ku频段以下，频率越高，波长越短，在满足扫描不出现栅瓣的间距下，实现双极化也越困难。

发明内容

本发明是为了解决相控阵天线的双极化问题，提供一种双极化相控阵天线，交替设置的垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线，垂直极化波导缝隙阵天线使用脊波导宽边开缝天线形式，水平极化波导缝隙阵天线使用窄边开非倾斜缝天线形式，垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线均直接使用同轴馈电结构，与TR组件的射频连接采用盲插的互联方式，结构简单，便于扩展成大规模阵列。本发明两个线极化的频率可以相同也可以不同，表面加圆极化罩还可实现双圆极化辐射，本发明阵列结构紧凑，馈电方式简单，损耗小，可用于Ku、Ka等毫米波频段，并且是全金属结构，可靠性高，适用于星载环境，特别适用于星载通信或雷达技术领域。

本发明提供一种双极化相控阵天线，包括垂直极化波导缝隙阵天线和并排放置在垂直极化波导缝隙阵天线一侧的水平极化波导缝隙阵天线，垂直极化波导缝隙阵天线用于将射频信号以垂直线极化的形式辐射出去，水平极化波导缝隙阵天线用于将射频信号以垂直线极化的形式辐射出去；

垂直极化波导缝隙阵天线为脊波导宽边的同轴馈电结构；垂直极化波导缝隙阵天线包括波导本体、设置在波导本体宽边表面的第一辐射缝、设置在波导本体底面上金属脊、设置在金属脊上的开槽、设置在开槽中心的第一阻抗调谐块、与第一阻抗调谐块底部相连的第一射频探针内导体和设置在第一射频探针内导体外部的第一射频探针外导体，第一辐射缝的数量为至少两个，第一阻抗调谐块紧贴波导本体，第一射频探针内导体设置在开槽部的中心，波导本体和金属脊组成脊波导，第一射频探针内导体和第一射频探针外导体组成第一射频接头；

射频信号从第一射频接头进入后通过脊波导再从第一辐射缝以垂直线极化的形式辐射出去。

本发明所述的一种双极化相控阵天线，作为优选方式，水平极化波导缝隙阵天线为窄边开非倾斜缝的同轴馈电结构；

水平极化波导缝隙阵天线包括辐射波导，设置在辐射波导窄边贯穿的第二辐射缝，设置在第二辐射缝两侧的辐射缝调谐块，连接在辐射波导底部的馈电波导，分别设置在馈电波导宽边中心线上的第二阻抗调谐块、第三阻抗调谐块，与第三阻抗调谐块底部相连的第二射频探针内导体和连接在第二射频探针内导体外部的第二射频探针外导体；

第二辐射缝为非倾斜缝，第二辐射缝的数量为至少两个，辐射缝调谐块的数量为第二辐射缝数量的两倍，辐射波导与馈电波导正交，第二阻抗调谐块和第三阻抗调谐块均紧贴馈电波导的侧壁，第二阻抗调谐块和第三阻抗调谐块用于实现第二射频探针内导体和第二射频探针外导体对辐射波导的激励，第二射频探针内导体和第二射频探针外导体组成第二射频接头，第二射频接头设置在馈电波导的中心线上；

水平极化波导缝隙阵天线的辐射方法为：射频信号从第二射频接头进入后通过辐射波导再从第二辐射缝以水平线极化的形式辐射出去。

本发明所述的一种双极化相控阵天线，作为优选方式，垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线交替放置进行组阵。

本发明所述的一种双极化相控阵天线，作为优选方式，垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线的频率相同，垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线的表面设置圆极化罩以进行双圆极化辐射。

本发明所述的一种双极化相控阵天线，作为优选方式，垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线的频率不同，垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线的表面设置圆极化罩以进行双圆极化辐射。

本发明所述的一种双极化相控阵天线，作为优选方式，波导本体的窄边侧壁与辐射波导的宽边侧壁共用；

双极化相控阵天线阵列的间距与垂直极化波导缝隙阵天线的脊波导宽边尺寸相关，双极化相控阵天线阵列的高度与工作频率对应的辐射波导的宽边尺寸相关。

本发明所述的一种双极化相控阵天线，作为优选方式，馈电波导与辐射波导为一体化结构。

本发明所述的一种双极化相控阵天线，作为优选方式，两个辐射缝调谐块位于第二辐射缝的两侧且为旋转对称位置。

本发明所述的一种双极化相控阵天线，作为优选方式，第一射频接头和第二射频接头使用盲插互联的方式与TR组件的射频连接件连接；

第一射频接头和第二射频接头均为50欧姆射频接头。

本技术方案为：一种双极化相控阵天线，包括：交替设置的垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线。垂直极化波导缝隙阵天线采用脊波导宽边开缝天线形式，水平极化波导缝隙阵天线采用窄边开非倾斜缝天线形式。垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线直接采用同轴馈电结构和，与TR组件的射频连接采用盲插的互联方式，结构简单，便于扩展成大规模阵列。

垂直极化波导缝隙阵天线包括：辐射缝，辐射脊波导(包括波导和金属脊)，阻抗调谐块，射频探针内导体，射频探针外导体。

金属脊位于波导的底面上，在波导的上表面上开有辐射缝；金属脊中间开槽，阻抗调谐块位于开槽中心并紧贴波导的上表面；射频探针内导体位于开槽中心并与阻抗调谐块相连，射频探针外导体与射频探针内导体构成欧姆射频接头。

金属脊开槽尺寸与阻抗调谐块共同作用，用于实现射频接头对脊波导的激励。射频信号从射频接头进入，通过脊波导，最后从辐射缝以垂直线极化的形式辐射出去。

水平极化波导缝隙阵天线包括：辐射缝，辐射缝调谐块，辐射波导，馈电波导，阻抗调谐块，阻抗调谐块，射频探针内导体，射频探针外导体。

辐射缝位于辐射波导窄边，且辐射缝的形式为非倾斜缝。辐射缝调谐块位于辐射缝的两侧，且处于旋转对称位置，以保证辐射缝能从辐射波导中耦合出能量。

馈电波导与辐射波导正交。阻抗调谐块与阻抗调谐块位于馈电波导宽边中心线上且紧贴辐射波导的侧壁。射频探针外导体与射频探针内导体构成欧姆射频接头。射频接头位于馈电波导的中心线上，射频探针内导体与阻抗调谐块相连，阻抗调谐块与阻抗调谐块的位置和尺寸共同作用，实现射频探针对辐射波导的激励。射频信号从射频接头进入，通过辐射波导，最后从辐射缝以水平线极化的形式辐射出去。

本发明天线阵列间距主要由工作频率对应的脊波导的宽边尺寸决定，阵列高度主要由工作频率对应的波导宽边尺寸决定。

两个线极化的频率可以相同也可以不同，表面加圆极化罩可实现双圆极化辐射。

本技术方案的原理如下：

在波导的宽边或窄边上开缝，切断波导表面电流，因而向外辐射能量。借助于阻抗调谐块对波导内的场产生扰动，从而实现探针到波导的激励。

本发明具有以下优点：

(1)本发明对双极化波导缝隙阵天线进行了创新性设计，将其应用到Ku、Ka等毫米波频段的一维相扫天线中，在国内外属于首创。

(2)本发明双极化相控阵天线提出新型同轴馈电结构，实现双极化天线与TR组件射频盲插的互联方式。馈电结构简单，损耗小。

(3)本发明双极化相控阵天线结构紧凑，剖面低，可扩展性强。全金属结构，可靠性高。适用于星载环境。

(4)本发明双极化相控阵天线两个线极化的频率可以相同也可以不同，表面加圆极化罩可实现双圆极化辐射。两个极化隔离度高，可应用于通信或雷达领域同时双极化或收发共口径场合。

附图说明

图1为一种双极化相控阵天线的结构爆炸示意图；

图2为一种双极化相控阵天线的垂直极化波导缝隙天线三维透视图；

图3为一种双极化相控阵天线的垂直极化波导缝隙天线正透视图；

图4为一种双极化相控阵天线的水平极化波导缝隙天线三维视图；

图5为一种双极化相控阵天线的水平极化波导缝隙天线正视图；

图6为一种双极化相控阵天线的双极化相控阵天线整体结构示意图；

图7为一种双极化相控阵天线的双极化相控阵天线极化隔离度仿真结果；

图8为一种双极化相控阵天线的双极化相控阵天线垂直极化扫描20°仿真结果；

图9为一种双极化相控阵天线的双极化相控阵天线水平极化扫描20°仿真结果。

附图标记：

1、垂直极化波导缝隙阵天线；11、波导本体；12、第一辐射缝；13、金属脊；14、开槽；15、第一阻抗调谐块；16、第一射频探针内导体；17、第一射频探针外导体；2、水平极化波导缝隙阵天线；21、辐射波导；22、第二辐射缝；23、辐射缝调谐块；24、馈电波导；25、第二阻抗调谐块；26、第三阻抗调谐块；27、第二射频探针内导体；28、第二射频探针外导体。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，一种双极化相控阵天线，包括垂直极化波导缝隙阵天线1和并排放置在垂直极化波导缝隙阵天线1一侧的水平极化波导缝隙阵天线2，垂直极化波导缝隙阵天线1用于将射频信号以垂直线极化的形式辐射出去，水平极化波导缝隙阵天线2用于将射频信号以垂直线极化的形式辐射出去；

如图2～3所示，垂直极化波导缝隙阵天线1为脊波导宽边的同轴馈电结构；垂直极化波导缝隙阵天线1包括波导本体11、设置在波导本体11宽边表面的第一辐射缝12、设置在波导本体11底面上金属脊13、设置在金属脊13上的开槽14、设置在开槽14中心的第一阻抗调谐块15、与第一阻抗调谐块15底部相连的第一射频探针内导体16和设置在第一射频探针内导体16外部的第一射频探针外导体17，第一辐射缝12的数量为至少两个，第一阻抗调谐块15紧贴波导本体11，第一射频探针内导体16设置在开槽部的中心，波导本体11和金属脊13组成脊波导，第一射频探针内导体16和第一射频探针外导体17组成第一射频接头；

射频信号从第一射频接头进入后通过脊波导再从第一辐射缝12以垂直线极化的形式辐射出去；

如图4～5所示，水平极化波导缝隙阵天线2为窄边开非倾斜缝的同轴馈电结构；

水平极化波导缝隙阵天线2包括辐射波导21，设置在辐射波导21窄边贯穿的第二辐射缝22，设置在第二辐射缝22两侧的辐射缝调谐块23，连接在辐射波导21底部的馈电波导24，分别设置在馈电波导24宽边中心线上的第二阻抗调谐块25、第三阻抗调谐块26，与第三阻抗调谐块26底部相连的第二射频探针内导体27和连接在第二射频探针内导体27外部的第二射频探针外导体28；

第二辐射缝22为非倾斜缝，第二辐射缝22的数量为至少两个，辐射缝调谐块23的数量为第二辐射缝22数量的两倍，辐射波导21与馈电波导24正交，第二阻抗调谐块25和第三阻抗调谐块26均紧贴馈电波导24的侧壁，第二阻抗调谐块25和第三阻抗调谐块26用于实现第二射频探针内导体27和第二射频探针外导体28对辐射波导21的激励，第二射频探针内导体27和第二射频探针外导体28组成第二射频接头，第二射频接头设置在馈电波导24的中心线上；

水平极化波导缝隙阵天线2的辐射方法为：射频信号从第二射频接头进入后通过辐射波导21再从第二辐射缝22以水平线极化的形式辐射出去；

垂直极化波导缝隙阵天线1和水平极化波导缝隙阵天线2交替进行组阵；

垂直极化波导缝隙阵天线1和水平极化波导缝隙阵天线2的频率相同，垂直极化波导缝隙阵天线1和水平极化波导缝隙阵天线2的表面设置圆极化罩以进行双圆极化辐射；

或者，垂直极化波导缝隙阵天线1和水平极化波导缝隙阵天线2的频率不同，垂直极化波导缝隙阵天线1和水平极化波导缝隙阵天线2的表面设置圆极化罩以进行双圆极化辐射；

波导本体11的窄边侧壁与辐射波导21的宽边侧壁共用；

双极化相控阵天线阵列的间距与垂直极化波导缝隙阵天线1的脊波导宽边尺寸相关，双极化相控阵天线阵列的高度与工作频率对应的辐射波导21的宽边尺寸相关；

波导本体11的宽边垂直于辐射波导21的宽边；

馈电波导24与辐射波导21为一体化结构；

两个辐射缝调谐块23位于第二辐射缝22的两侧且为旋转对称位置；

第一射频接头和第二射频接头使用盲插互联的方式与TR组件的射频连接件连接；

第一射频接头和第二射频接头均为50欧姆射频接头。

实施例2

如图1所示，本发明包括垂直极化波导缝隙阵天线1和水平极化波导缝隙阵天线2组成。

如图2所示为本发明垂直极化波导缝隙阵天线1的三维视图，图3所示为本发明垂直极化波导缝隙阵天线1的正视图。垂直极化波导缝隙阵天线1包括辐射脊波导(包括波导本体11和金属脊13)，第一辐射缝12，金属脊13的开槽14、第一阻抗调谐块15，第一射频探针内导体16，第一射频探针外导体17。

金属脊13位于波导本体11的底面上，在波导本体11的上表面上开有第一辐射缝12；金属脊13中间开槽，第一阻抗调谐块15位于开槽中心并紧贴波导本体11的上表面；第一射频探针内导体16位于开槽中心并与第一阻抗调谐块15相连，第一射频探针外导体17与第一射频探针内导体16构成50欧姆射频接头。

金属脊13开槽尺寸与第一阻抗调谐块15共同作用，用于实现射频接头对脊波导的激励。射频信号从射频接头进入，通过脊波导，最后从第一辐射缝12以垂直线极化的形式辐射出去。

如图4所示为本发明水平极化波导缝隙阵天线2的三维视图，图5所示为本发明水平极化波导缝隙阵天线2的正视图。水平极化波导缝隙阵天线2包括第二辐射缝22，辐射缝调谐块23，辐射波导21，馈电波导24，第二阻抗调谐块205，第三阻抗调谐块26，第二射频探针内导体27，第二射频探针外导体28。

第二辐射缝22位于辐射波导21窄边，且第二辐射缝22的形式为非倾斜缝。辐射缝调谐块23位于第二辐射缝22的两侧，且处于旋转对称位置，以保证第二辐射缝22能从辐射波导21中耦合出能量。

馈电波导24与辐射波导21正交。第二阻抗调谐块205与第三阻抗调谐块26位于馈电波导24宽边中心线上且紧贴辐射波导21的侧壁。射频探针外导体207与射频探针内导体208构成50欧姆射频接头。射频接头位于馈电波导24的中心线上，第二射频探针内导体27与第三阻抗调谐块26相连，第二阻抗调谐块205与第三阻抗调谐块26的位置和尺寸共同作用，实现射频探针对辐射波导的激励。射频信号从射频接头进入，通过辐射波导21，最后从第二辐射缝22以水平线极化的形式辐射出去。

如图6所示为本发明双极化相控阵天线的整体结构示意图。图示为8×8单元，阵元数量可根据应用需求灵活扩展或减少。

如图7所示为本发明双极化相控阵天线(图6所示模型，两个极化工作在同一频率)极化隔离仿真结果。相邻天线单元间的隔离在工作带宽内隔离小于-48dB。

如图8所示为本发明双极化相控阵天线在35.55GHz时垂直极化扫描20°仿真结果，如图9所示为本发明双极化相控阵天线在35.55GHz时水平极化扫描20°仿真结果，天线方向图没有出现栅瓣。

本发明双极化相控阵天线的原理如下：

在波导的宽边或窄边上开缝，切断波导表面电流，因而向外辐射能量。借助于阻抗调谐块对波导内的场产生扰动，从而实现探针到波导的激励。

本发明设计的双极化相控阵天线，垂直极化波导缝隙阵天线和水平极化波导缝隙阵天线均直接采用同轴馈电结构，与TR组件的射频连接采用盲插的互联方式，结构简单，便于扩展成大规模阵列。本发明两个线极化的频率可以相同也可以不同，表面加圆极化罩还可实现双圆极化辐射。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双极化相控阵天线，其特征在于：包括垂直极化波导缝隙阵天线（1）和并排放置在所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）一侧的水平极化波导缝隙阵天线（2），所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）用于将射频信号以垂直线极化的形式辐射出去，所述水平极化波导缝隙阵天线（2）用于将射频信号以垂直线极化的形式辐射出去；

所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）为脊波导宽边的同轴馈电结构；所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）包括波导本体（11）、设置在所述波导本体（11）宽边表面的第一辐射缝（12）、设置在所述波导本体（11）底面上的金属脊（13）、设置在所述金属脊（13）上的开槽（14）、设置在所述开槽（14）中心的第一阻抗调谐块（15）、与所述第一阻抗调谐块（15）底部相连的第一射频探针内导体（16）和设置在所述第一射频探针内导体（16）外部的第一射频探针外导体（17），所述第一辐射缝（12）的数量为至少两个，所述第一阻抗调谐块（15）紧贴所述波导本体（11），所述第一射频探针内导体（16）设置在所述开槽部的中心，所述波导本体（11）和所述金属脊（13）组成脊波导，所述第一射频探针内导体（16）和所述第一射频探针外导体（17）组成第一射频接头；

射频信号从所述第一射频接头进入后通过所述脊波导再从所述第一辐射缝（12）以垂直线极化的形式辐射出去；

所述水平极化波导缝隙阵天线（2）为窄边开非倾斜缝的同轴馈电结构；

所述水平极化波导缝隙阵天线（2）包括辐射波导（21），设置在所述辐射波导（21）窄边贯穿的第二辐射缝（22），设置在所述第二辐射缝（22）两侧的辐射缝调谐块（23），连接在所述辐射波导（21）底部的馈电波导（24），分别设置在所述馈电波导（24）宽边中心线上的第二阻抗调谐块（25）、第三阻抗调谐块（26），与所述第三阻抗调谐块（26）底部相连的第二射频探针内导体（27）和连接在所述第二射频探针内导体（27）外部的第二射频探针外导体（28）；

所述第二辐射缝（22）为非倾斜缝，所述第二辐射缝（22）的数量为至少两个，所述辐射缝调谐块（23）的数量为所述第二辐射缝（22）数量的两倍，所述辐射波导（21）与所述馈电波导（24）正交，所述第二阻抗调谐块（25）和所述第三阻抗调谐块（26）均紧贴所述馈电波导（24）的侧壁，所述第二阻抗调谐块（25）和所述第三阻抗调谐块（26）用于实现所述第二射频探针内导体（27）和所述第二射频探针外导体（28）对所述辐射波导（21）的激励，所述第二射频探针内导体（27）和所述第二射频探针外导体（28）组成第二射频接头，所述第二射频接头设置在所述馈电波导（24）的中心线上；

所述水平极化波导缝隙阵天线（2）的辐射方法为：射频信号从所述第二射频接头进入后通过所述辐射波导（21）再从所述第二辐射缝（22）以水平线极化的形式辐射出去。

2.根据权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于：所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）和所述水平极化波导缝隙阵天线（2）交替放置进行组阵。

3.根据权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于：所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）和所述水平极化波导缝隙阵天线（2）的频率相同，所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）和所述水平极化波导缝隙阵天线（2）的表面设置圆极化罩以进行双圆极化辐射。

4.根据权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于：所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）和所述水平极化波导缝隙阵天线（2）的频率不同，所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）和所述水平极化波导缝隙阵天线（2）的表面设置圆极化罩以进行双圆极化辐射。

5.根据权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于：所述波导本体（11）的窄边侧壁与所述辐射波导（21）的宽边侧壁共用；

双极化相控阵天线阵列的间距与所述垂直极化波导缝隙阵天线（1）的脊波导宽边尺寸相关，所述双极化相控阵天线阵列的高度与工作频率对应的所述所述辐射波导（21）的宽边尺寸相关。

6.根据权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于：所述馈电波导（24）与所述辐射波导（21）为一体化结构。

7.根据权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于：两个所述辐射缝调谐块（23）位于所述第二辐射缝（22）的两侧且为旋转对称位置。

8.根据权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于：所述第一射频接头和所述第二射频接头使用盲插互联的方式与TR组件的射频连接件连接；

所述第一射频接头和所述第二射频接头均为50欧姆射频接头。