CN117712715A - 应用于k波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，包括同轴转波导、绕线层和波导天线阵列，同轴转波导分区域布置，每个区域包括若干排列设置的同轴转波导结构，同轴转波导将同轴线缆传输的射频信号转换为波导传输的射频信号；绕线层包括若干K波段波导，K波段波导的输入端与同轴转波导结构的输出端连接；波导天线阵列包括若干排列设置的波导喇叭阵列结构和若干金属十字挡块，每排波导喇叭阵列结构包括若干波导喇叭单元；本发明能够覆盖整个K波段，具有宽带特性和双极化特性，可应用在电磁兼容系统应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，属于天线阵列技术领域。
背景技术
根据GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》的要求，应用于电磁兼容测试的系统要求具备产生一定的场强和焦斑的能力，并能实现辐射水平极化电磁波和垂直极化电磁波。针对K波段场强生成系统，现有天线阵列难以覆盖K波段全频段的频率范围18GHz-27GHz。
同时，为实现水平极化和垂直极化电磁波切换功能，往往采用双极化天线阵列设计，双极化天线阵列受限于栅瓣条件、平台有限空间等因素，需要将双极化天线阵列单元紧密放置，这将导致双极化天线阵列单元间有强互耦。强互耦会对阵列性能产生一系列影响，如口径效率降低、电源驻波比恶化等。
此外，在天线领域，小型化和宽带化是相对矛盾的指标，现实工程需求下很难同时满足，具有较难的实现性。本发明提出一种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列给毫米波双极化宽带天线提供了一个很好的解决方案。
上述问题是在应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列解决现有技术中存在的对K波段场强生成系统现有天线阵列难以覆盖K波段全频段的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，包括同轴转波导、绕线层和波导天线阵列，同轴转波导分区域布置，每个区域包括若干排列设置的同轴转波导结构，同轴转波导将同轴线缆传输的射频信号转换为波导传输的射频信号；绕线层包括若干K波段波导，K波段波导的输入端与同轴转波导结构的输出端连接，波导喇叭连接K波段波导的输出端；波导天线阵列包括若干排列设置的波导喇叭阵列结构和若干金属十字挡块，每排波导喇叭阵列结构包括若干波导喇叭单元，每个波导喇叭单元包括成对的正交布置的波导喇叭即波导喇叭一和波导喇叭二，波导喇叭将射频信号转换成空间传波的电磁波信号，金属十字挡块隔离正交布置的波导喇叭辐射的电磁波。
进一步地，同轴转波导结构包括金属壳体、同轴馈电和设于金属壳体内的脊曲线台阶，同轴馈电穿过金属壳体并插入脊曲线台阶内。
进一步地，脊曲线台阶采用高度递减渐变的台阶。
进一步地，脊曲线台阶的纵剖面采用首尾相接的第一直线边、第二直线边和脊曲线边，且脊曲线边的方程为y=a×ec×t+b，其中，t是函数自变量，y是函数因变量，（t，y）表示直角坐标系下脊曲线包络上各个点的位置，e是数学常数，a、 b和c为常数系数。
进一步地，波导喇叭包括依次设置的直波导段和开口喇叭段，直波导段内设有若干等间距排列的匹配调节块，匹配调节块为金属结构，开口喇叭段设有长方形开口。
进一步地，波导天线阵列的波导喇叭阵列结构共同形成边数为偶数的多边形结构。
进一步地，同一波导喇叭阵列结构中波导喇叭单元沿着波导喇叭一和波导喇叭二的夹角的角平分线排列。
进一步地，同一波导喇叭阵列结构中相邻的波导喇叭单元的波导喇叭一平行设置且之间设有金属十字挡块，同一波导喇叭阵列结构中相邻的波导喇叭单元的波导喇叭二平行设置且之间设有金属十字挡块，金属十字挡块采用十字形金属结构件。
进一步地，波导喇叭单元中的一个波导喇叭辐射+45°斜极化电磁波，另一个波导喇叭辐射-45°斜极化电磁波，根据极化合成原理，通过控制波导喇叭单元中的波导喇叭的相位差值，实现水平极化电磁波和垂直极化电磁波，即实现天线阵列的双极化特性。
本发明的有益效果是：该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，能够覆盖整个K波段，具有宽带特性和双极化特性，能够同时实现小型化和宽带化，能够降低能量损耗，可以改善天线的电压驻波比，可应用在电磁兼容系统应用领域。该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，进行电磁兼容测试结果表明，具有大功率耐功率特性，辐射的电场强度能够满足GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》对应频段的测试要求，具有很高的工程实用价值。
附图说明
图1是本发明实施例应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的结构示意图；
图 2是实施例应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的顶面示意图；
图 3是实施例应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的底面示意图；
图 4是实施例中同轴转波导、绕线层和波导喇叭的结构示意图；
图 5是实施例中同轴转波导、绕线层和波导喇叭的剖面结构示意图；
图 6是实施例中波导喇叭单元的结构示意图；
图 7是实施例中绕线层的结构示意图；
图8是实施例中波导天线阵列的结构示意图；
图9是图8中A处的局部放大示意图；
图10是实施例应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的K波段全频段内电压驻波比仿真结果示意图；
图11是实施例应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的增益仿真结果示意图；
图12是实施例应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的焦斑仿真结果示意图；
其中：1-同轴转波导，2-绕线层，3-波导天线阵列；
11-金属壳体，12-同轴馈电，13-脊曲线台阶；
131-第一直线边，132-第二直线边，133-脊曲线边；
21-K波段波导；
31-波导喇叭阵列结构，32-金属十字挡块；
311-波导喇叭一，312-波导喇叭二；
3111-直波导段，3112-开口喇叭段，3113-匹配调节块。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，如图1、图2和图3，包括同轴转波导1、绕线层2和波导天线阵列3，同轴转波导1分区域布置，每个区域包括若干排列设置的同轴转波导结构，同轴转波导1将同轴线缆传输的射频信号转换为波导传输的射频信号；绕线层2包括若干K波段波导21，K波段波导21的输入端与同轴转波导结构的输出端连接；波导天线阵列3包括若干排列设置的波导喇叭阵列结构31和若干金属十字挡块32，每排波导喇叭阵列结构31包括若干波导喇叭单元，每个波导喇叭单元包括成对的正交布置的波导喇叭即波导喇叭一311和波导喇叭二312，波导喇叭连接K波段波导21的输出端，波导喇叭将射频信号转换成空间传波的电磁波信号，金属十字挡块32隔离正交布置的波导喇叭辐射的电磁波。
该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，能够覆盖整个K波段，具有宽带特性和双极化特性，能够同时实现小型化和宽带化，能够降低能量损耗，可以改善天线的电压驻波比，可应用在电磁兼容系统应用领域。该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，进行电磁兼容测试结果表明，具有大功率耐功率特性，辐射的电场强度能够满足GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》对应频段的测试要求，具有很高的工程实用价值。
如图4，同轴转波导结构包括金属壳体11、同轴馈电12和设于金属壳体11内的脊曲线台阶13，SMP型射频连接器的探针穿过金属壳体11插入脊曲线台阶13内，并通过导电胶焊接。金属壳体11的端部作为同轴转波导结构的输出端，采用同轴馈电12馈入信号到K波段波导21，过程中两两之间需要匹配，匹配越好，电压驻波比越好，能量损耗越小，由于同轴标准阻抗是50欧姆，而K波段波导21的阻抗不是50欧姆，本发明采用的是脊曲线台阶，实现阻抗转变，脊曲线台阶是一个线性渐变的过程，渐变过程有利于保持信号的连续性，实现良好的电压驻波比，即减小能量损耗。
同轴馈电12采用SMP型射频连接器，SMP型射频连接器的探针长度为0.35mm~0.4mm。脊曲线台阶13采用高度递减渐变的台阶。脊曲线台阶13的纵剖面采用首尾相接的第一直线边131、第二直线边132和脊曲线边133，且脊曲线边133的方程为y=a×ec×t+b，其中，t是函数自变量，y是函数因变量，（t，y）表示直角坐标系下脊曲线包络上各个点的位置，e是数学常数，a、 b和c为常数系数。该采用脊曲线台阶13优化设计同轴转波导结构，脊曲线台阶13比常阶梯型台阶过渡平缓，能够保证射频信号转变过程中的渐变特性和连续特性，从而在K波段全频段内实现良好的电压驻波比。
如图5和图6，波导喇叭包括依次设置的直波导段3111和开口喇叭段3112，直波导段3111内设有若干等间距排列的匹配调节块3113，匹配调节块3113为金属结构，开口喇叭段3112设有长方形开口。电磁信号在直波导段3111内传输时，匹配调节块3113表面产生感应电流，使自由电子在金属中移动，从而产生反向电磁场和磁场，与原有电磁波相抵消，通过优化匹配调节块3113的大小及间距，可以改善电压驻波比。
如图7，绕线层2由K波段标准波导构成，波导型号为BJ220。绕线层2实现功放输出的大口径到波导天线阵列3的输入端小口径的转换。K波段波导21的输入端与同轴转波导结构的输出端连接，波导喇叭连接K波段波导21的输出端一或波导喇叭二312，绕线层2通过合理弯折与布置，本发明在布置K波段波导21时，由内到外逐一对K波段波导21进行布置，单根K波段波导21弯角最多不超过4个，实现每一路波导转同轴结构与波导喇叭一311或波导喇叭二312直接的连接。
如图8和图9，同一波导喇叭阵列结构31中波导喇叭单元沿着波导喇叭一311和波导喇叭二312的夹角的角平分线排列。同一波导喇叭阵列结构31中相邻的波导喇叭单元的波导喇叭一311平行设置且之间设有金属十字挡块32，同一波导喇叭阵列结构31中相邻的波导喇叭单元的波导喇叭二312平行设置且之间设有金属十字挡块32。
波导喇叭单元的波导喇叭一311和波导喇叭二312是紧耦合结构，相互之间有很强的互耦，强互耦会恶化电压驻波比、降低口径辐射效率等。常规去耦选用EBG结构结构来调节，或者增加吸波材料来吸收耦合能量。由于EBG结构对微带天线比较容易实现，波导形式的天线不容易加工。加吸波材料的手段针对于该天线使用环境，以及天线辐射单元之间的小间距安装上容易产生影响。所以本发明采用十字挡块的方式来调节去耦。金属十字挡块32为十字形金属结构件。当电磁波遇到金属时，会产生电场和磁场的振荡，使自由电子在金属中移动，从而产生反向电场和磁场，与原有电磁波相抵消，因此通过优化设计，可以降低波导喇叭之间的相互影响，提高波导喇叭之间的极化隔离和波导喇叭本身的电压驻波比等。
如图6，波导喇叭单元中的波导喇叭一311辐射+45°斜极化电磁波，波导喇叭二312辐射-45°斜极化电磁波，根据极化合成原理，通过控制波导喇叭一311和波导喇叭二312输入的相位差值，可以实现水平极化电磁波和垂直极化电磁波，即实现天线阵列的双极化特性。如图 6，当波导喇叭一311和波导喇叭二312的输入信号同相时，辐射垂直极化电磁波，相位差180°时，辐射水平极化电磁波。
该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，同轴转波导1是馈电信号转换结构，将同轴线缆传输的射频信号转换为波导传输的射频信号。绕线层2是一种口径过渡结构件，本发明提出的绕线层2用波导代替射频线缆，实现功放输出的大口径到波导天线阵列3输入端小口径的转换，同时降低了系统能量损耗。波导喇叭单元既是一种能量转换装置，可以将射频信号转换成空间传波的电磁波信号，也是一种能量集中装置，使辐射的电磁波信号在某个特定的方向能量更集中。金属十字挡块32是一种十字型金属角件，能有效隔离正交布置的波导喇叭辐射的电磁波，提高天线的极化隔离度；同时金属十字挡块32产生的感应磁场和电场抵消反射电磁波，可以改善天线的电压驻波比。
该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，天线形式为波导喇叭，在波导喇叭内设计匹配调节块3113，匹配调节块3113是金属材质，当电磁波遇到金属时，会产生电场和磁场的振荡，使自由电子在金属中移动，从而产生反向电磁场，与原有电磁波相抵消，通过优化设计匹配调节块3113结构和位置，进一步改善了天线的电压驻波比；同轴转波导结构与连接对应的K波段波导21以及K波段波导21连接的波导喇叭一311或波导喇叭二312构成天线单元，以两个正交的天线单元组成一组双极化天线单元，通过控制双极化天线单元的相位进行极化合成，可以实现辐射水平极化和垂直极化电磁波，即实现天线阵列的双极化特性。
该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，针对K波段场强生成系统功放口径大（尺寸2160mm×1507.5mm），为适应天线小口径（尺寸228.13mm×228.13mm），采用绕线层2结构实现口径变换，绕线层2采用纯波导结构代替损耗较大的射频电缆，实现口径变换的同时大大降低了系统能量损耗。
该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，每组双极化天线单元口面处设计有金属十字挡块32，金属十字挡块32原理同匹配调节块3113，产生感应电场和磁场，通过优化设计该结构，有效的提高了天线阵列的极化隔离，进一步改善了电压驻波比。
波导天线阵列的波导喇叭阵列结构共同形成六边形边数为偶数的多边形。天线阵列通常为矩形阵列，如图8，本发明的波导天线阵列是六边形，是在正方形的基础上切掉了四个正方形的直角而形成的六边形，也可以切成八边形等其他偶数多边形，电场焦斑利用率更高，天线数量降低且满足近场场强要求，降低研制成本。
实施例的该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的一个具体示例及实验仿真结果如下：
如图2，同轴转波导1采用模块化设计，分为8个区域，每个区域有96（分布为24×4）个同轴转波导结构，总共有768个同轴转波导结构。每个同轴转波导结构对应绕线层2中的一个K波段波导21，即总共有768个K波段波导21。每个K波段波导21对应一个波导喇叭一311或波导喇叭二312。波导天线阵列3包含384个波导喇叭单元，每个波导喇叭单元包括两个正交布置的波导喇叭即波导喇叭一311与波导喇叭二312。
如图5，从侧面看，可以看到脊曲线台阶13包络有3条线，分别为第一直线边131、第二直线边132和脊曲线边133，且脊曲线边133的方程为y=a×ec×t+b，其中a、 b和c为常熟系数。第一直线边131的长度为0.8mm~0.9mm，第二直线边132的长度为0.9mm~10mm，a取值为11~11.5，b取值为0.01~0.02，c取值为13~13.5，a和b的值决定脊曲线的收敛快慢，即a和c的值影响脊曲线台阶13渐变大小，通过合理的优化设计，可以使台阶由高到低连续渐变，保证电磁波在转化过程中的连续特性，从而在K波段全频段内实现良好的电压驻波比。本发明提出的一种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列电压驻波比仿真结果如图10所示，图10中横坐标X为频率，纵坐标Y为电压驻波比。通常非标K波段同轴转波导电压驻波比最大在1.3~1.5，甚至更大，采用本发明的脊曲线台阶方案，全频段内电压驻波比最大1.2。
直波导段3111为标准BJ220直波导，直波导段3111内部包含尺寸相同、等间距排列的4个匹配调节块3113，每个匹配调节块3113高度为0.4mm~0.5mm、长度为2.7mm~2.9mm，宽度为1.2mm~1.4mm，匹配调节块3113的间距4.5mm~4.7mm。开口喇叭段3112是一个渐变的张口结构。天线张口尺寸越大，天线增益越高，相同输入功率条件下系统产生的场强越大，但是形成的焦斑越小。通过平衡场强和焦斑大小，波导喇叭的长方形开口尺寸10mm×3.7mm。
该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的增益仿真结果如图11，图11中的横坐标X为频率，纵坐标Y为增益大小。该种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列的焦斑仿真结果如图12，图12中，水平面坐标[X，Y]为尺寸，单位m，纵坐标Z为场强大小E，单位V/m，表示在某距离空间上的场强分布上，中间最高的是场强方向图的主瓣，是能量最为集中的区域，其余为副瓣，主瓣上所有3dB场强内的点在水平面坐标（x，y）的投影即焦斑区域。采用本发明的双极化天线阵列，不需要极化转台即可满足不同极化（国军标通常要求测试极化为垂直极化、水平极化，采用双极化阵列进行相控，可以实现任意极化，包括水平极化、垂直极化等任意线极化，圆极化等任意椭圆极化）测试要求，采用电控的方式实现极化控制，设备集成度高，操作便捷。本发明提供的双极化天线阵列，是通过切角构成六边形均匀阵列，减小单元数目、降低系统尺寸和重量的同时，系统增益和波束宽度满足要求，通过接收馈入的射频信号，转化成电磁波对外辐射，可以产生符合GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》的场强和焦斑。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：包括同轴转波导、绕线层和波导天线阵列，同轴转波导分区域布置，每个区域包括若干排列设置的同轴转波导结构，同轴转波导将同轴线缆传输的射频信号转换为波导传输的射频信号；绕线层包括若干K波段波导，K波段波导的输入端与同轴转波导结构的输出端连接；波导天线阵列包括若干排列设置的波导喇叭阵列结构和若干金属十字挡块，每排波导喇叭阵列结构包括若干波导喇叭单元，每个波导喇叭单元包括成对的正交布置的波导喇叭即波导喇叭一和波导喇叭二，波导喇叭连接K波段波导的输出端，波导喇叭将射频信号转换成空间传波的电磁波信号，金属十字挡块隔离正交布置的波导喇叭辐射的电磁波。
2.如权利要求1所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：同轴转波导结构包括金属壳体、同轴馈电和设于金属壳体内的脊曲线台阶，同轴馈电穿过金属壳体并插入脊曲线台阶内。
3.如权利要求2所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：脊曲线台阶采用高度递减渐变的台阶。
4. 如权利要求3所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：脊曲线台阶的纵剖面采用首尾相接的第一直线边、第二直线边和脊曲线边，且脊曲线边的方程为y=a×ec×t+b，其中，t是函数自变量，y是函数因变量，（t，y）表示直角坐标系下脊曲线包络上各个点的位置，e是数学常数，a、 b和c为常数系数。
5.如权利要求2所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：同轴馈电采用SMP型射频连接器。
6.如权利要求1-5任一项所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：波导喇叭包括依次设置的直波导段和开口喇叭段，直波导段内设有若干等间距排列的匹配调节块，匹配调节块为金属结构，开口喇叭段设有长方形开口。
7.如权利要求1-5任一项所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：波导天线阵列的波导喇叭阵列结构共同形成边数为偶数的多边形结构。
8.如权利要求1-5任一项所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：同一波导喇叭阵列结构中波导喇叭单元沿着波导喇叭一和波导喇叭二的夹角的角平分线排列。
9.如权利要求7所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：同一波导喇叭阵列结构中相邻的波导喇叭单元的波导喇叭一平行设置且之间设有金属十字挡块，同一波导喇叭阵列结构中相邻的波导喇叭单元的波导喇叭二平行设置且之间设有金属十字挡块，金属十字挡块采用十字形金属结构件。
10.如权利要求1-5任一项所述的应用于K波段场强生成系统的宽带双极化天线阵列，其特征在于：波导喇叭单元中的一个波导喇叭辐射+45°斜极化电磁波，另一个波导喇叭辐射-45°斜极化电磁波，根据极化合成原理，通过控制波导喇叭单元中的波导喇叭的相位差值，实现水平极化电磁波和垂直极化电磁波，即实现天线阵列的双极化特性。
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