CN116014460A - 一种双频victs相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双频VICTS相控阵天线，包括馈电层、与馈电层转动连接的辐射层、设在辐射层上的正交CTS天线阵列以及正交设在馈电层上的两个信号通道，信号通道包括顺序设置的馈电端口、信号通道和慢波缝隙组；两组慢波缝隙组在馈电层形成辐射阵列；信号通道从馈电端口处向馈电层的边缘延伸，然后向辐射层延伸，最后向馈电层中心处延伸至慢波缝隙组处。本申请公开的双频VICTS相控阵天线，使用两个信号通道并借助正交CTS天线阵列和正交馈电阵列实现双频信号的同时辐射并且互不干扰，用以满足Ku\Ka波段的卫星通信场景等的使用需求。

Description

一种双频VICTS相控阵天线

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其是涉及一种双频VICTS相控阵天线。

背景技术

FPPA天线是一种新型的机械扫描天线,在传统的平板波导FPPA天线的基础上,通过机械旋转来实现在上半空间的波束扫描，结合了平板漏波天线与机械扫描天线的特点。但是FPPA天线本质依旧是一种单频段天线，它利用辐射层和馈电层之间的相对移动，改变CTS阵列间馈电信号的相位关系，实现可调的扇形波速。

通常一组天线需要两个信号引导通道Rx和Tx实现信号的收发，这就导致天线体积庞大，而且十分沉重，不利于用在对重量要求较为严苛的工作平台，并且随着未来通信卫星的数量增加，越来越多的要求天线能够适应Ku\Ka波段的卫星通信场景。

发明内容

本申请提供一种双频VICTS相控阵天线，使用两个信号引导通道并借助正交CTS天线阵列和两个正交的信号引导通道实现双频信号的同时辐射并且互不干扰，用以满足Ku\Ka波段的卫星通信场景等的使用需求。

本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

本申请提供了一种双频VICTS相控阵天线，包括：

馈电层；

辐射层，与馈电层转动连接；

正交CTS天线阵列，设在辐射层上；以及

两个信号通道，正交设在馈电层上，信号通道包括馈电端口、信号引导通道和慢波缝隙组；

慢波缝隙组位于馈电层的第一表面上，两组正交的慢波缝隙组在馈电层上形成辐射阵列；

馈电端口与馈电层的第二表面连通；

信号引导通道的第一端与馈电端口连通，第二端与馈电层的第一表面连通，信号引导通道具有弯折部；

两个信号引导通道与馈电层的第一表面的连通处位于辐射阵列的一组相邻侧。

在本申请的一种可能的实现方式中，馈电端口到慢波缝隙组的方向上，信号引导通道的宽度先趋于增加，后保持不变；

信号引导通道的最大宽度等于慢波缝隙组的宽度。

在本申请的一种可能的实现方式中，辐射阵列的长度和宽度相等，辐射阵列的长度等于慢波缝隙组的宽度。

在本申请的一种可能的实现方式中，正交CTS天线阵列包括多个按照矩阵形式排列的天线；相邻的天线之间存在缝隙。

在本申请的一种可能的实现方式中，相邻的天线之间的缝隙与慢波缝隙组对应。

在本申请的一种可能的实现方式中，辐射层上设有封装通道；

正交CTS天线阵列位于封装通道内；

正交CTS天线阵列的高度小于等于位于封装通道的深度。

在本申请的一种可能的实现方式中，馈电层与辐射层的形状均为圆形。

在本申请的一种可能的实现方式中，馈电层与辐射层的直径范围均为300mm-800mm；

馈电层与辐射层的高度之和范围为30mm-40mm。

在本申请的一种可能的实现方式中，正交CTS天线阵列包括发射天线阵列与接收天线阵列；

发射天线阵列的CTS周期为P1，接收天线阵列的CTS周期为P2，8mm<P1<P2<14mm。

附图说明

图1是本申请提供的一种双频VICTS相控阵天线的立体结构示意图。

图2是本申请提供的一种天线的排列示意图。

图3是本申请提供的一种信号引导通道的结构示意图。

图4是本申请提供的一种信号引导通道的形状示意图。

图5是本申请提供的一种发射信号时的信号传递路径示意图。

图6是本申请提供的一种馈电层上与辐射层相邻的面上的结构示意图。

图7是本申请提供的一种信号在辐射阵列处的反射路径示意图。

图8是本申请提供的一种正交CTS天线阵列的立体结构示意图。

图中，11、馈电层，12、辐射层，13、封装通道，2、正交CTS天线阵列，21、天线，4、信号通道，41、馈电端口，42、信号引导通道，43、慢波缝隙组，44、辐射阵列。

实施方式

为了更加清楚的理解本申请中的技术方案，首先对相关技术进行介绍。

连续横向支节天线 (CTS, Continuous Transverse Stub)，亦可称作平板无源相控阵（FPPA, Flatbed Passive Phased Array），它的工作原理很像传统的缝隙天线，都是从漏波天线的理论出发。

但不同的是，FPPA 天线是在传输结构为平行板的波导表面上，开连续的、且贯穿其表面的开路支节，通过这种变化，它可以达到近 60%的效率，且增益十分高，又能工作在高频带上，这就比传统的缝隙天线强了很多。

FPPA天线是一种新型的机械扫描天线,在传统的平板波导FPPA天线的基础上,通过机械旋转来实现在上半空间的波束扫描，结合了平板漏波天线与机械扫描天线的特点。

FPPA天线本质上是一种单频段天线，利用辐射层和馈电层之间的相对移动，改变CTS阵列间馈电信号的相位关系，实现可调的扇形波速。通常一组天线需要两个信号通道Rx（rx是接收，receive）和Tx（tx是发送，transport）实现信号的收发。这就导致天线体积庞大，而且十分沉重，不利于用在对重量要求较为严苛的工作平台。

KU波段是指比IEEE 521-2002标准下的K波段频率低的波段，KU的频段通常下行从10.7-12.75GHz，上行从12.75-18.1GHz。

Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。

以下结合附图，对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

为本申请公开的一种双频VICTS相控阵天线，主要由馈电层11、辐射层12、正交CTS天线阵列2和信号通道4等组成，请参阅图1，辐射层12安装在馈电层11上，二者的方式为转动连接，在驱动部件的作用下，辐射层12能够转动。

馈电层11上与辐射层12相邻的表面为馈电层11的第一表面，与第一表面相对的为馈电层11的第二表面。

请参阅图2，正交CTS天线阵列2设置在辐射层12上，正交CTS天线阵列2转动的作用是调整收发方向，通过相对转动的馈电层11和辐射层12，可以实现对空间中的波束扫描。

此处，电磁波信号经过信号通道4的反射后到达正交CTS天线阵列2处，正交CTS天线阵列2处于转动状态。电磁波信号经过相对位置处于变化状态的信号通道4和正交CTS天线阵列2时，经过正交CTS天线阵列2的电磁波的朝向也会发生变化，从而实现对空间中的波束扫描。

波束通过信号通道4和正交CTS天线阵列2传递，当正交CTS天线阵列2和信号通道4的相对位置发生变化时，波束形状也会随之发生变化。

请参阅图3，信号通道4设置在馈电层11上，由馈电端口41、信号引导通道42和慢波缝隙组43三部分组成，馈电端口41的作用是与信号终端进行通讯，将需要发射的信号传递至信号引导通道42，再由信号引导通道42传递至慢波缝隙组43。

收取信号的路径是正交CTS天线阵列2、慢波缝隙组43和信号引导通道42，收取到的信号传递给信号终端。信号发射路径与信号收取路径的组成相同，方向相反。

两个信号通道4独立工作，实现对两个信号（频率不同）的独立收发。

对于信号通道4，需要进一步解释，两个信号通道4中的馈电端口41均位于馈电层11的第二表面上，馈电端口41和信号引导通道42使用反射方式来收发信号。结合前文内容，信号终端与馈电端口41连接，向馈电端口41内发射信号，信号进入到馈电端口41后沿着馈电端口41进入到信号引导通道42内并沿着信号引导通道42传递。

信号引导通道42的第一端与馈电端口41连通，第二端与馈电层11的第一表面连通。从信号引导通道42辐射出的信号到达慢波缝隙组43处。慢波缝隙组43的数量为两组，分别属于两个信号通道4且正交设置。这两组正交设置的慢波缝隙组43在馈电层11的第一表面上形成辐射阵列44，辐射阵列44由多个柱体组成。

两组慢波缝隙组43分别对应不同频率，由于频率不同，两组慢波缝隙组43中的槽的深度以及宽度也不同，因此会形成一个个的金属柱，但由于正交的隔离度较高，因此，两个通道的信号互不影响

两个信号引导通道42与馈电层11的第一表面的连通处位于辐射阵列44的一组相邻侧，再结合两组慢波缝隙组43，实可以现双频信号的辐射并且互不干扰。

信号引导通道42还具有弯折部，弯折部的作用是引导信号的辐射路径。应理解，馈电层11具有一定的高度，将信号从馈电端口41引导至慢波缝隙组43，需要借助信号引导通道42的弯折部，使经由馈电端口41输入的信号能够上升至慢波缝隙组43处。

请参阅图4，信号在信号引导通道42内的传递方式也是反射式传递。在一些例子中，馈电端口41到慢波缝隙组43的方向上，信号引导通道42的宽度先趋于增加，后保持不变，并且信号引导通道42的最大宽度等于慢波缝隙组43的宽度。

也就是信号引导通道42在传递信号的同时会同时引导信号散开，然后将散开的信号引导至慢波缝隙组43处。

应理解，两个正交的信号通道4中的馈电端口41位于馈电层11底面的靠近中心处，其面积要远小于馈电层11的面积。慢波缝隙组43位于馈电层11的顶面上，慢波缝隙组43的尺寸要大于馈电端口41的尺寸因此需要借助信号引导通道42来引导信号向慢波缝隙组43扩散，42为盒式反射器，用于形成平面波，后面的慢波槽用于减缓电磁波的传播速度。

信号通道4的数量为两个，两个信号通道4正交设置，这样可以实现两个信号（频率不同）的互不干扰。

信号引导通道42的形状为：信号引导通道42从馈电端口41处向馈电层11的边缘延伸，然后向辐射层12延伸，最后来到馈电层11的顶面。馈电层11的顶面上有两组慢波缝隙组43，这两组慢波缝隙组43正交设置，在馈电层11的顶面上形成辐射阵列44。

请参阅图5，从信号引导通道42中辐射的信号可以看作是平面波，该表面波沿着慢波缝隙组43传播，经过慢波缝隙组43的处理后，形成一个等效的照射口径，该照射口径朝向正交CTS天线阵列2。

同理，在接收信号过程中，该种结构的信号引导通道42对信号还具有聚拢效果。

请参阅图6和图7，应理解，借助于两个互相垂直的信号通道4，可以实现对两个信号（频率不同）的定向引导。

请参阅图8，正交CTS天线阵列2能够提供两个互相垂直的缝隙阵列，辐射阵列44能够提供两个互相垂直的缝隙阵列，当正交CTS天线阵列2提供的缝隙阵列和辐射阵列44提供的缝隙阵列的相对位置发生变化时，辐射至空中的信号的朝向方向也会随之发生变化。

正交CTS天线阵列2中的天线21按照矩阵形式排列，并且相邻的天线21之间存在缝隙。

应理解，缝隙天线是在波导、金属板、同轴线或谐振腔上开缝隙，电磁波通过缝隙向外部空间辐射的天线。其特点是重量轻，具有良好的平面结构，易于与安装物体共形。缝隙阵列天线的口径面幅度分布容易控制，口径面利用率高，可以实现低副瓣或极低副瓣。

正交CTS天线阵列2中相邻的天线21之间缝隙的作用是使经过正交馈电阵列3反射的信号能够传递至辐射层12。在一些例子中，相邻天线21提供的缝隙与慢波缝隙组43提供的缝隙一一对应。

也就是由慢波缝隙组43的一个缝隙处反射的信号会到达一个既定的天线21处，这样就可以使得经由正交CTS天线阵列2中的天线21反射的信号的朝向相同，因为每一个到达天线21处的信号的反射朝向是一致的，仅是在水平位置（以慢波缝隙组43中缝隙的走向为参考）上具有区别。

正交CTS天线阵列2包括发射天线阵列与接收天线阵列，发射天线阵列的CTS周期为P1，接收天线阵列的CTS周期为P2，8mm<P1<P2<14mm。

关于周期，以正弦交流电动势为例，交流电跟别的周期性过程一样，是用周期或频率来表示其变化的快慢。正弦交流电由零值增加到正最大值，然后又逐渐减少至零，然后改变方向又由零值逐渐增加到反方向（波形先是向上，然后是向下，所以是反方向）的最大值，最后减少到零。正弦交流电这样循环变化一周所需的时间叫做周期。

一般设计天线的尺寸与天线工作频率的关系为：天线长度=C/(2f)，其中C表示光速，f表示天线的工作频率。

天线工作频率指天线的共振频率或中心频率。每个天线都有一定的频率范围，称为带宽，在这个范围内，天线阻抗最小，效率最高，这个范围的中间最佳点即中心频率，驻波比最小，功耗最小，信号最强。

通过对发射天线阵列与接收天线阵列的CTS周期限制，可以得到正交CTS天线阵列2的最佳工作范围。

对于正交CTS天线阵列2的封装，使用如下方式：

辐射层12上设有封装通道13，正交CTS天线阵列2位于封装通道13内，同时正交CTS天线阵列2的高度小于等于位于封装通道13的深度。

封装通道13的第一端朝向馈电层11，第二端朝向远离馈电层11的方向，封装通道13的第一端和第二端均为开放端。正交CTS天线阵列2中的天线按照MxN的矩阵形式排列，使用树脂封装后置于封装通道13内。

应理解，正交CTS天线阵列2与慢波缝隙组43间存在缝隙，该缝隙的高度会直接影响电磁波的传递。

关于尺寸，在一些例子中，馈电层11与辐射层12的形状均为圆形，二者的直径范围均为300mm-800mm，高度之和范围为30mm-40mm。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双频VICTS相控阵天线，其特征在于，包括：

馈电层（11）；

辐射层（12），与馈电层（11）转动连接；

正交CTS天线阵列（2），设在辐射层（12）上；以及

两个信号通道（4），正交设在馈电层（11）上，信号通道（4）包括馈电端口（41）、信号引导通道（42）和慢波缝隙组（43）；

慢波缝隙组（43）位于馈电层（11）的第一表面上，两组正交的慢波缝隙组（43）在馈电层（11）上形成辐射阵列（44）；

馈电端口（41）与馈电层（11）的第二表面连通；

信号引导通道（42）的第一端与馈电端口（41）连通，第二端与馈电层（11）的第一表面连通，信号引导通道（42）具有弯折部；

两个信号引导通道（42）与馈电层（11）的第一表面的连通处位于辐射阵列（44）的一组相邻侧。

2.根据权利要求1所述的双频VICTS相控阵天线，其特征在于，馈电端口（41）到慢波缝隙组（43）的方向上，信号引导通道（42）的宽度先趋于增加，后保持不变；

信号引导通道（42）的最大宽度等于慢波缝隙组（43）的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的双频VICTS相控阵天线，其特征在于，辐射阵列（44）的长度和宽度相等，辐射阵列（44）的长度等于慢波缝隙组（43）的宽度。

4.根据权利要求1所述的双频VICTS相控阵天线，其特征在于，正交CTS天线阵列（2）包括多个按照矩阵形式排列的天线（21）；相邻的天线（21）之间存在缝隙。

5.根据权利要求4所述的双频VICTS相控阵天线，其特征在于，相邻的天线（21）之间的缝隙与慢波缝隙组（43）对应。

6.根据权利要求1所述的双频VICTS相控阵天线，其特征在于，辐射层（12）上设有封装通道（13）；

正交CTS天线阵列（2）位于封装通道（13）内；

正交CTS天线阵列（2）的高度小于等于位于封装通道 （13）的深度。

7.根据权利要求1所述的双频VICTS相控阵天线，其特征在于，馈电层（11）与辐射层（12）的形状均为圆形。

8.根据权利要求7所述的双频VICTS相控阵天线，其特征在于，馈电层（11）与辐射层（12）的直径范围均为300mm-800mm；

馈电层（11）与辐射层（12）的高度之和范围为30mm-40mm。

9.根据权利要求1所述的双频VICTS相控阵天线，其特征在于，正交CTS天线阵列（2）包括发射天线阵列与接收天线阵列；

发射天线阵列的CTS周期为P1，接收天线阵列的CTS周期为P2，8mm<P1<P2<14mm。

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