CN117543203A - 基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，属于天线馈源技术领域。其组成结构为辐射层、极化合成层、第一馈电网络层、第二馈电网络层。辐射层使用多级台阶过渡波导喇叭结构；极化合成层使用十字波导正交模耦合器结构，连接辐射层与第一、第二馈电网络层，用于合成(或分离)两种极化的电磁波；第一馈电网络层与第二馈电网络层，两者均采用空气微带线结构；第一馈电网络位于极化合成层下方，第二馈电网络层与极化合成层在空间上实现了复用；第一、第二馈电网络层均通过空气微带线探针结构将能量传输给极化合成层。本发明通过对十字波导正交模耦合器的合理布局，实现了高效率，低剖面的双极化平板天线。

Description

基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线

技术领域

本发明设计天线及天线馈源技术领域，尤其涉及一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线结构。

背景技术

在移动通信应用中，天线的重量和尺寸非常重要，因为它们可以降低移动载体的有效载荷，并且可以减少相应的操作费用。在卫星通信领域，管理规定移动卫星的定向发射操作期间在相邻的卫星之前不产生干扰，为此，需要设计的天线波瓣宽度不能超过特定的数值。这导致了根据该指标的天线特性的严格要求，随着波瓣宽度的减小，天线增益也相应增高。在移动通信应用最广泛的天线有反射面天线、平板天线、相控阵天线三种。反射面天线具有高增益、低副瓣的特点，但它本身体积大，需要较大的净空空间。相控阵天线可以很灵活的控制波束方向，但其加工设计复杂，成本很高。平板天线则是二者的折中方案，能够很好的兼顾性能和尺寸矛盾。

卫星通信平板天线从辐射结构上可以分为微带阵列、波导缝隙阵列与平面喇叭阵列三种。微带阵列剖面最低，但带宽与辐射效率降低。波导缝隙阵列天线损耗低，但由于馈电网络多采用串馈的形式，其带宽也相对较低。平面喇叭阵列因带宽高，效率高，加工难度较低、容易实现双极化、收发共口径等特点，是性价比相对较高的卫星通信平板天线。

双极化平面喇叭阵列平板天线为多层结构组成，分为辐射层与馈电网络层。辐射层为波导喇叭阵列。当天线工作频率较高时，波导喇叭阵列排布需要兼顾馈电网络的布局、喇叭匹配等因素，阵元排布往往大于一个波长，导致辐射方向图出现栅瓣。解决方法分为两类，第一类是选择在辐射层额外加入抑制栅瓣的设计，但是此举会增加天线剖面高度，第二类是修改馈电网络的排布，引入反向馈电技术缩小馈电网络占用的空间，以牺牲馈电网络带宽的方式让阵元排布周期小于一个波长，进而保证辐射方向图不出现栅瓣。目前缺少一种能够同时拥有低剖面、大带宽、高效率、以及能实现大规模阵列紧凑排布的收发共口径平板天线。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，该天线实现了高效率、低剖面、双极化、收发共口径特性，并且具有交叉极化隔离度高与结构紧凑等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，包括：辐射层、极化合成层、第一馈电网络层和第二馈电网络层；

所述辐射层为波导喇叭结构，辐射端口为方形，输入端口为十字波导；

所述极化合成层为十字波导正交模耦合器结构，包括水平极化输入端口、垂直极化波输入端口和耦合输出端口，耦合输出端口为十字波导结构，连接辐射层输入端口，水平极化波输入端口与垂直极化波输入端口均为空气微带线端口；

所述第一馈电网络层与所述第二馈电网络层均为空气微带线结构，采用并联级联馈电的方式将输入信号分配到辐射阵元，其中第一馈电网络层连接至极化合成层的垂直极化波输入端口，第一馈电网络层连接至水平极化波输入端口。

进一步地，所述辐射层的波导喇叭结构为多个阶梯过渡台阶构成，从输入端口到辐射端口的口径递增。

进一步地，所述辐射层的十字波导用于传输垂直极化波和水平极化波，所述十字波导由两个正交的矩形波导组成，两个正交矩形波导宽边分别为A1，A2，其中A1＞λ1/2，λ1为发射电磁波的最大自由空间波长，A2＞λ2/2，λ2为接收电磁波的最大自由空间波长。

进一步地，所述极化合成层的十字波导正交模耦合器结构还包括第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板和第二介质基板将十字波导正交摸耦合器从上至下分为三层：

第一层为十字波导传输腔，包括垂直极化传输腔与水平极化传输腔，所述耦合输出端口为十字波导传输腔的输出端口；第二层包括垂直极化传输腔与水平极化短路腔；第三层包括垂直极化短路腔。第一介质基板位于第二、三层之间，传输垂直极化波，第二介质基板位于第一、二层之间，传输水平极化波。

进一步地，所述垂直极化波输入端口为空气微带线结构，第一空气微带线印制于第一介质基板上，从垂直极化波输入端口向十字波导正交模耦合器腔体内部延伸到垂直极化短路腔上方，将第一空气微带线传输的电磁波转化为十字波导正交模耦合器传输的垂直极化波，通过控制第一空气微带线走线宽度实现过渡结构的阻抗匹配。

进一步地，所述水平极化波输入端口为空气微带线结构，第二空气微带线印制于第二介质基板上，从垂直极化传输腔波导宽边的一侧插入，并通过90°转弯结构延伸到水平极化短路腔上方，将第二空气微带线传输的电磁波转化十字波导正交模耦合器传输的水平极化波。通过控制第二空气微带线走线宽度实现过渡结构的阻抗匹配。且垂直极化传输腔在经过第二空气微带线90°转弯结构处的同时，进行宽边尺寸的收缩形成对称凹陷结构，将90°转弯结构排除在十字波导结构之外，用于抑制转弯结构所激发的垂直极化模式，以保证极化隔离度。

进一步地，所述第一馈电网络层包括第一并联级联空气微带线功分网络、第一空气微带线波导探针结构和第一波导端口；第一空气微带线波导探针结构连接第一波导端口与第一并联级联空气微带线功分网络输入端口；将电磁波从波导模式转化为空气微带线模式，传播方向从纵向转换为横向；第一并联级联空气微带线功分网络的输出端连接十字波导正交模耦合器的垂直极化波输入端口。

进一步地，所述第二馈电网络层包括第二并联级联空气微带线功分网络、第二空气微带线波导探针结构和第二波导端口；第二空气微带线探针结构连接第二波导端口与第二并联级联空气微带线功分网络输入端口；将电磁波从波导模式转化为空气微带线模式，传播方向从纵向转换为横向；第二并联级联空气微带线功分网络的输出端连接十字波导正交模耦合器的水平极化波输入端口。

进一步地，基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线能够根据需要作为子阵元排布成大规模阵列；需要配合设计波导功分馈电网络连接到第一、第二波导端口。

进一步地，波导功分馈电网络为矩形波导形式或是脊波导形式。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明将空气微带线探针与十字波导相结合，提出了十字波导正交模耦合器结构。相比于其他形式的正交模耦合器，十字波导正交模耦合器占用空间更小，更有利于实现辐射阵元的紧凑排布。

2.本发明创造性地对十字波导正交模耦合器的十字波导空间结构进行处理，可以有效地抑制空气微带线探针在转弯进入十字波导时产生的高次模，尤其是交叉极化模式，从而保证天线收发之间的极化隔离度。

3.本发明采用双层空气微带线馈电网络结构。与传统的波导功分馈电网络结构相比，首先空气微带线馈电网络拥有更低的剖面，能够降低天线的剖面；其次空气微带线馈电网络采用并联级联结构，可以保证馈电网络的工作带宽。

4.本发明提出的平板天线结构，可周期性地扩展成大规模阵列，实现了高可用性。

附图说明

图1是本发明实例所实施的8*8单元基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线侧示意图；

图2是本发明实例所实施的基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线波导喇叭结构示意图；

图3是本发明实例所实施的双极化共口径低剖面平板十字波导正交模耦合器结构示意图；

图4是本发明实例所实施的双极化共口径低剖面平板第一馈电网络层结构示意图；

图5是本发明实例所实施的双极化共口径低剖面平板第二馈电网络层结构示意图；

图6是本发明实例所实施的空气微带线探针结构示意图；

图7是本发明实例所实施的32*32单元阵列天线结构三维示意图。

具体实施方式

参考图1所示，本发明实施的双极化共口径喇叭阵列天线，包括辐射层1、极化合成层2、第一馈电网络层3、第二馈电网络层4；辐射层1在最上方，为波导喇叭结构；极化合成层2为十字波导正交模耦合器结构；第一馈电网络层3与第二馈电网络层4均为空气微带线结构，采用并联级联馈电的方式将输入信号分配到辐射阵元。第一馈电网络层3位于极化合成层2下方，第二馈电网络层4与极化合成层2在空间上实现了复用；

参考图2所示，为所述辐射层1由波导喇叭结构组成。其波导喇叭输入端口11为十字波导口，波导喇叭辐射端口12为方波导口，从波导喇叭输入端口11到辐射端口，从波导喇叭输入端口11到波导喇叭辐射端口12口径递增，使用一级十字波导台阶过渡。

所述十字波导由两个正交的矩形波导组成，两个正交矩形波导宽边分别为A1，A2，其中A1＞λ1/2，λ1为发射电磁波的最大自由空间波长；A2＞λ2/2，λ2为接收电磁波的最大自由空间波长。所述十字波导可以传输TE10模式与TE01模式电磁波，这里将波导中传输的TE10模式的电磁波称为垂直极化波，TE01模式的电磁波称为水平极化波。

参考图3所示，所述极化合成层2由十字波导正交模耦合器按照20mm的周期排列组成，十字波导正交模耦合器结构包含耦合输出端口21、垂直极化波输入端口22、水平极化输入端口23、第一介质基板241和第二介质基板242。第一介质基板241和第二介质基板242将十字波导正交模耦合器从上至下分为三层。第一层包括十字波导传输腔25；第二层包括垂直极化传输腔261与水平极化短路腔271；第三层包括垂直极化短路腔262。耦合输出端口21可以看作是十字波导传输腔25的上层截面，可以同时传播垂直极化波与水平极化波。在垂直空间上，十字波导正交模耦合器分为两部分，上方部分为十字波导结构，下方部分为矩形波导结构。

所述垂直极化波输入端口22，其结构为空气微带线结构。第一空气微带线221从垂直极化波输入端口22向十字波导正交模耦合器内部延伸，将第一空气微带线传输的准TEM模式电磁波转化为十字波导正交模耦合器传输的TE10模式垂直极化波，向上传输到十字波导正交模耦合器的输入端口21，通过调整第一空气走线在腔体内部区域222的宽度实现过渡结构的阻抗匹配。

所述水平极化输入端口23，其结构为空气微带线结构，位于十字波导正交模耦合器第一层与第二层之间，用于传输水平极化波；在垂直方向上位于极化合成器上方十字波导结构处。第二空气微带线231从水平极化输入端口23插入垂直极化传输腔261宽边的一侧插入，然后进行90°转弯结构延伸到水平极化短路腔271上方，通过形成的探针结构将第二空气微带线的准TEM模式电磁波转化为十字波导正交模耦合器的TE01模式水平极化波。垂直极化传输腔261的宽边尺寸在竖直方向上经过第二介质基板242附近区域会收缩，在通过第二介质基板242区域后宽边尺寸将扩展，形成对称凹陷结构，将90°转弯结构排除在十字波导结构之外，抑制转弯结构激发起垂直极化模式，保证极化隔离度。其中通过调整第二微带线在腔体内部区域232的宽度实现阻抗匹配。

参考图4所示，所述第一馈电网络层3包括第一并联级联空气微带线功分网络结构31，第一空气微带线波导过渡探针结构32和第一输入波导结构33；第一输入波导结构33的尺寸为WR-75波导尺寸端连接外部输入馈源，一端连接第一空气微带线波导过渡探针结构32；第一空气微带线波导过渡探针结构32将电磁波从波导TE10模式转换为空气微带线的准TEM模式，连接第一并联级联空气微带线功分网络结构31馈入电磁波；第一并联级联空气微带线功分网络结构31有1个输入端，64个输出端口，每个输出端口连接至十字波导正交模耦合器垂直极化波输入端口22。

参考图5所示，所述第二馈电网络层4包括第二并联级联空气微带线功分网络结构41，第二空气微带线波导过渡探针结构42和第二输入波导结构43；第二输入波导结构43的尺寸为WR-75波导尺寸端连接外部输入馈源，一端连接第二空气微带线波导过渡探针结构42；第二空气微带线波导过渡探针结构42将电磁波从TE01模式转换为空气微带线的准TEM模式，连接第二并联级联空气微带线功分网络结构41馈入电磁波；第二并联级联空气微带线功分网络结构41有1个输入端，64个输出端口，每个输出端口连接至十字波导正交模耦合器水平极化输入端口23。

参考图6所示，所述空气微带线波导过渡探针结构包括空气微带线321，介质基板322和波导腔体。空气微带线深入波导腔体中形成探针结构，承载探针结构的介质基板将波导腔体分成输出腔体323A，和短路面腔体323B。通过调整探针粗细与短路面腔体的高度，可以使空气微带线与波导阻抗匹配，探针末端设置感性传输线，用于补偿探针的容性阻抗。

参考图7所示，将8*8平板天线阵列5拓展成32*32阵列，在平板天线的最下方加入两层波导馈电网络。所述波导馈电网络分为第一波导馈电网络6和第二波导馈电网络7，第一、第二波导馈电网络输入端口为波导端口，将能量平均分到每个8*8子阵列的对应端口。第一波导馈电网络6为并联级联H面矩形波导功分网络，连接8*8平板天线阵列5的第一波导口，第二波导馈电网络7为H面波导功分网络，连接8*8平板天线阵列5的第二波导口。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、水平、垂直等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及一些没有做出创造性劳动前提下的替代方式制作出一种双极化共口径喇叭阵列天线，本发明结构具低剖面、损耗小、设计简单和易加工等特点。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，包括：辐射层、极化合成层、第一馈电网络层和第二馈电网络层；

所述辐射层为波导喇叭结构，辐射端口为方形，输入端口为十字波导；

所述极化合成层为十字波导正交模耦合器结构，包括水平极化波输入端口、垂直极化波输入端口和耦合输出端口，耦合输出端口为十字波导结构，连接辐射层输入端口，水平极化波输入端口与垂直极化波输入端口均为空气微带线端口；

所述第一馈电网络层与所述第二馈电网络层均为空气微带线结构，采用并联级联馈电的方式将输入信号分配到辐射阵元，其中第一馈电网络层连接至极化合成层的垂直极化波输入端口，第二馈电网络层连接至水平极化波输入端口。

2.根据权利要求1所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，所述辐射层的波导喇叭结构为多个阶梯过渡台阶构成，从输入端口到辐射端口的口径递增。

3.根据权利要求1所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，所述辐射层的十字波导用于传输垂直极化波和水平极化波，所述十字波导由两个正交的矩形波导组成，两个正交矩形波导宽边分别为A1，A2，其中A1＞λ1/2，λ1为发射电磁波的最大自由空间波长，A2＞λ2/2，λ2为接收电磁波的最大自由空间波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，所述极化合成层的十字波导正交模耦合器结构还包括第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板和第二介质基板将十字波导正交摸耦合器从上至下分为三层：

第一层为十字波导传输腔，包括垂直极化传输腔与水平极化传输腔，所述耦合输出端口为十字波导传输腔的输出端口；第二层包括垂直极化传输腔与水平极化短路腔；第三层包括垂直极化短路腔；第一介质基板位于第二、三层之间，传输垂直极化波，第二介质基板位于第一、二层之间，传输水平极化波。

5.根据权利要求4所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，所述垂直极化波输入端口为空气微带线结构，第一空气微带线印制于第一介质基板上，从垂直极化波输入端口向十字波导正交模耦合器腔体内部延伸到垂直极化短路腔上方，将第一空气微带线传输的电磁波转化为十字波导正交模耦合器传输的垂直极化波，通过控制第一空气微带线走线宽度实现过渡结构的阻抗匹配。

6.根据权利要求4所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，所述水平极化波输入端口为空气微带线结构，第二空气微带线印制于第二介质基板上，从垂直极化传输腔宽边的一侧插入，并通过90°转弯结构延伸到水平极化短路腔上方，将第二空气微带线传输的电磁波转化为十字波导正交模耦合器传输的水平极化波；通过控制第二空气微带线走线宽度实现过渡结构的阻抗匹配；且垂直极化传输腔在经过第二空气微带线90°转弯结构处的同时进行宽边尺寸的收缩形成对称凹陷结构，将90°转弯结构排除在十字波导结构之外，用于抑制转弯结构所激发的垂直极化模式，以保证极化隔离度。

7.根据权利要求1所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，所述第一馈电网络层包括第一并联级联空气微带线功分网络、第一空气微带线波导探针结构和第一波导端口；第一空气微带线波导探针结构连接第一波导端口与第一并联级联空气微带线功分网络输入端口；将电磁波从波导模式转化为空气微带线模式，传播方向从纵向转换为横向；第一并联级联空气微带线功分网络的输出端连接十字波导正交模耦合器的垂直极化波输入端口。

8.根据权利要求1所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，所述第二馈电网络层包括第二并联级联空气微带线功分网络、第二空气微带线波导探针结构和第二波导端口；第二空气微带线探针结构连接第二波导端口与第二并联级联空气微带线功分网络输入端口；将电磁波从波导模式转化为空气微带线模式，传播方向从纵向转换为横向；第二并联级联空气微带线功分网络的输出端连接十字波导正交模耦合器的水平极化波输入端口。

9.根据权利要求7-8任一项所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线能够根据需要作为子阵元排布成大规模阵列；需要配合设计波导功分馈电网络连接到第一、第二波导端口。

10.根据权利要求9所述的一种基于十字波导正交模耦合器结构的双极化共口径平板天线，其特征在于，波导功分馈电网络为矩形波导形式或是脊波导形式。