CN207818877U - 一种灵活赋形的一体化集成数传天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种灵活赋形的一体化集成数传天线，包括空腔的波导，所述波导为圆柱形结构，沿所述圆柱形结构的波导侧部向内凹陷形成槽体，所述槽体与所述波导的中心轴平行，所述槽体形成圆极化器；所述槽体的深度>所述槽体的宽度>所述槽体的壁厚；所述圆极化器侧部贴设有介质支撑体，所述介质支撑体设于所述波导内且用于支撑所述波导；所述波导端部一体化连接有辐射单元。本实用新型具有一体化集成、灵活波束赋形、应用范围广、抗高强度振动和冲击等特点。

Description

一种灵活赋形的一体化集成数传天线

技术领域

本实用新型属于数传天线技术领域，涉及一种灵活赋形的一体化集成数传天线。

背景技术

当卫星进入地面接收站可视弧段以内时，数传分系统通过高速数据接口将存储器中的数据取出，由数传发射机完成信道编码，组成数据传输帧，对信号进行载波调制、功率放大后，最后经过高性能宽波束数传天线，把卫星有效载荷采集的数据传输给地面接收站。在宽波束宽角圆极化的前提约束条件下，要求实现超低纹波扇形赋形天线方向图。

为了满足整星宽带高速数传需求，数传天线工作频率通常较高，载波功率较大，为了实现高功率可靠设计，应当选择纯金属波导类天线方案，以避免系统大功率工作时出现微放电及耐受功率突破可承受极限等情况。同时，为了简化卫星姿控分系统设计压力和节省整星能源，避免卫星在对地数传模式下进行机动，要求数传天线方向图具有高效宽波束和宽角圆极化辐射特性，以实现在任意卫星姿态条件下对准地面接收站，完成高速数据下发。

数传发射天线是卫星天线的重要组成部分，国外卫星X波段数传发射天线是由比较成熟的赋形反射面加杯形偶极子馈源组成的。这种形式的天线方向图具有良好旋转对称性，但是结构复杂且需要在后端增加3dB电桥才可实现CP辐射；波导缝隙阵方案通过正交缝隙阵来实现圆极化赋形波束方向图的，但由于波导结构的局限性，该天线的两个正交面增益相差较大，方向图的周向极不均匀，随着工作频率升高对；双反射面结构天线难以实现宽波束覆盖；双臂螺旋天线虽然也可实现高性能宽波束宽角圆极化设计，也可以通过调整结构参数实现赋形波束设计，但是整个天线对结构设计和实现工艺要求较高，否则难以保证天线的可靠性。经过比较上述各种天线设计方案的优缺点，我们亟需对新型高性能、小型化、集成化，且易于实现宽波束和宽角圆极化辐射的新型天线辐射结构进行研究。高极化纯度对于整个数传系统链路性能影响至关重要，而研究具有高端口隔离度、高幅相一致性、良好阻抗匹配且尺寸小、结构紧凑的新型圆极化器，是实现系统性能最优的难点与关键点之一。高极化纯度辐射设计技术是对天线辐射机理和激励扰动控制方式进行分析，通过对各种性能优异的成熟辐射结构和后端圆极化馈网结构进行系统性能最优集成优化研究和改进，探寻在尽可能小的包络尺寸范围内实现最佳的极化纯度设计，并通过全波仿真手段对天线系统极化性能进行评估分析，使得天线形成高纯度LHCP或RHCP辐射。对于具有紧凑结构的星载高性能数传天线而言，除了应当具备体积小、重量轻和使用方便等特征外，另外一项非常重要的设计特征是其方向图和阻抗带宽应具有宽频带等化覆盖特性，大幅提高使用效能，现有天线技术无法满足上述要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其解决现有数传天线方向图旋转对称性差、方向图带宽窄、前后比小、波束宽度窄、增益效率低、不可承受大功率、需要额外引入圆极化器、圆极化纯度低、结构实现复杂、次级方向图难以二次赋形、重量重、结构刚度与强度差、材料线胀系数不一致引起的热性能差、电性能易受周围EM环境加载而劣化，无法满足星载、机载、车载及高机动终端大振动及冲击量级、宽范围温度冲击等苛刻环境条件下的最优电气性能和力热性能应用需求。

本实用新型所采用的技术方案是，

一种灵活赋形的一体化集成数传天线，包括空腔的波导，所述波导为圆柱形结构，沿所述圆柱形结构的波导侧部向内凹陷形成槽体，所述槽体与所述波导的中心轴平行，所述槽体形成圆极化器；

所述槽体的深度>所述槽体的宽度>所述槽体的壁厚；

所述圆极化器侧部贴设有介质支撑体，所述介质支撑体设于所述波导内且用于支撑所述波导；

所述波导端部一体化连接有辐射单元。

进一步地，还包括引向赋形结构，所述引向赋形结构与所述辐射单元远离波导的一端连接。

更进一步地，所述引向赋形结构朝向所述辐射单元内部延伸，并插入于所述辐射单元内。

更进一步地，所述引向赋形结构为非金属材质制作而成的圆柱形结构。

进一步地，所述辐射单元上套设有环波导，所述环波导与所述辐射单元形成扼流结构。

更进一步地，所述扼流结构为3-8圈的同心圆环结构，所述同心圆环结构包括若干个圆环结构，若干所述圆环结构的深度均不相等。

进一步地，所述波导远离辐射单元的一端连接加强结构，所述加强结构与所述波导垂直，且所述加强结构与所述波导一体设置。

进一步地，所述加强结构为渐扩径结构，且所述渐扩径结构中直径最小的一端与所述波导连接。

进一步地，所述圆极化器的内壁向内凹陷，并形成若干不连续的子槽体结构。

进一步地，所述辐射单元为渐变张开的同心圆结构。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的X频段一体化集成数传天线，提出的X波段宽带高速一体化集成天馈数传天线可全面应用于低轨、中轨和高轨卫星平台上及地面段移动终端设备上，具有宽频段、高增益、高极化纯度、宽波束、宽角圆极化、轻量化、集成化及抗高强度振动和冲击等特点。

本实用新型的数传天线可在140°宽波束范围内，增益大于1dB，实现常规天线方向图辐射特性无法满足的高性能技术指标要求。采用集成化独立辐射结构，该结构是指喇叭辐射结构、扼流结构、圆极化器结构、波导及同轴过渡馈电结构、引向赋形等结构一体化集成，具体采用加工中心一体化加工或离散螺接、拼接、胶结等方式进行集成对天线众多结构参数进行优化调谐并通过在单天线设计中加载引向赋形结构对天线口面场进行扰动并结合智能优化算法，建立优化目标适应度函数，多轮多次对其进行数值逼近，寻找满足要求的全局最优解实现电性能最优化设计；通过高性能圆极化器设计和与辐射结构一体化融合（即中心波导主结构+外侧圆环体辅结构），可进一步实现卫星数传天线扇形方向图赋形设计。

本实用新型在实现宽波束、高增益赋形设计的同时，满足天线高极化纯度CP辐射需求。

一般数传天线实现宽波束宽角圆极化来讲，当天线方向图特性改变后，当电磁波辐射至空间某一场点时，其E-theta和E-phi极化分量的幅度与相位特性已与原天线非赋形结构相比有所变化，幅度比及相位差远远偏离1和90°条件时，圆极化性能严重劣化，无法满足系统高数数据传输需求。本实用新型采用宽带高速一体化集成天馈数传天方案，满足上述要求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的主视图；

图2为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的左视图；

图3为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的常规高增益方向图；

图4为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的常规轴比图；

图5为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的驻波图；

图6为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的超宽波束赋形方向图；

图7为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的超宽波束赋形后轴比图；

图8为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的3D方向图；

图9为本实用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线的极坐标方向图；

图中：1、波导；2、圆极化器；3、介质支撑体；4、辐射单元；5、引向赋形结构；6、环波导；7、加强结构；8、波导同轴转换口；9、槽体。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参照附图1-9所示，本使用新型提供的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，包括空腔的波导1，所述波导1为圆柱形结构，沿所述圆柱形结构的波导1侧部向内凹陷形成槽体9，槽体9与所述波导1的中心轴平行，且所述槽体9形成圆极化器2；当然，槽体9仅与波导1的中心轴平行，但是其位置可以设置于波导1内周向的任一位置。

为了实现最佳的圆极化，所述槽体9的深度>所述槽体9的宽度>所述槽体9的壁厚；具体地，槽体9的深度即槽体9与波导1向内凹陷之前侧壁的距离；而槽体9的宽度，则指槽体9内部的宽度，槽体9的壁厚，必然小于槽体9的宽度。

进一步地，槽体9的深度=1/2槽体9的宽度=1/8槽体9的厚度。

优选地，槽体9的宽度与波导1的半径相近，上述数据，是按照最佳圆极化工作频点通过最优化数值计算和仿真来确定。

此时圆极化器2与波导1的腔体结构上合二为一设计，圆极化器2结构集成在波导1外壁上；

在所述圆极化器2侧部贴设有介质支撑体3，所述介质支撑体3设于所述波导1内且用于支撑所述波导1；

如果圆极化器2与介质支撑体3之间不紧贴，则会引入空气夹层，导致等效介电常数发生变化，影响两正交模式的相位差，进而影响圆极化纯度，一般情况下都会劣化。

为了保证波导1的支撑和稳固，沿所述圆柱形结构的波导1的中心轴设置有介质支撑体3，所述介质支撑体3用于支撑所述波导1；即在空腔结构内设置介质支撑体3，且沿着中心轴方向设置，实现空腔结构横向的稳固。

具体地，介质支撑体3的两端与波导1的内壁相顶。

介质支撑体3的材质为各种介电常数不等的非金属材料，用以实现各种不同数值的等效介电常数，优化两正交模式相位差指标，实现高性能圆极化。其结构与槽体9共形设计，与槽体9结构一致。

所述空腔的波导1端部一体化连接有辐射单元4，所述辐射单元4为渐变张开的同心圆结构。

进一步地，为了实现较好的辐射，辐射单元4选用同心圆型结构，而不是矩形结构。

进一步地，还包括设置于辐射单元4端部的引向赋形结构5，所述引向赋形结构5与所述辐射单元4一体设置。

更进一步地，引向赋形结构5可以朝向所述辐射单元4内部延伸，并插入所述辐射单元4内。

引向赋形结构5既可以在辐射单元4内，也可以仅与辐射单元4进行端部连接。而将引向赋形结构5设置于辐射单元4内时，其不仅可以引向，还可以提高机械强度，提升天线抗震抗冲击能力。

其中，引向赋形结构5为非金属材质制作而成的圆柱形结构。通过按照目标方向图要求，将引向赋形结构5直径、长度、集成位置等众多参数进行优化计算，扰动主辐射体口面场电流分布，达到目标赋形要求。

进一步地，为了实现扼流，所述辐射单元4上套设有环波导6，所述环波导6与所述辐射单元4形成扼流结构。

进一步地，所述扼流结构为3-8圈的同心圆环结构，所述同心圆环结构包括若干个圆环结构（包括环波导6、辐射单元4等等），若干所述圆环结构的深度均不相等。当扼流结构少于3个同心圆时，扼流效果并不显著，尤其是在本实用新型天线进行超宽波束赋形设计情况下；而且过少的同心圆数量难以实现方向图及超宽波束方向图宽带化设计，也不利于实现高精度高稳相心设计。

而每个圆环结构的深度不同，即高度不同，可以显著增强宽频带的扼流效果，提高天线性能。

进一步地，为实现外部的支撑稳定，所述空腔的波导1远离辐射单元4的一端连接加强结构7，所述加强结构7与所述波导1垂直，且所述加强结构7与所述波导1一体设置。

进一步地，所述加强结构7为渐扩径结构，且所述渐扩径结构中直径最小的一端与所述波导1连接。

更进一步地，所述波导1侧部设有波导同轴转换口8。通过波导同轴转换，方便与后端射频通道同轴接口集成连接，同时实现探针激励馈电。

进一步地，圆极化器2结构为腔体增生结构；具体地，圆极化器2的内壁向内凹陷，并形成若干不连续的子槽体结构。

比如TE10模在波导1中传播，通过圆极化器2后激励出正交的TE01模，通过结构参数优化设计实现上述两正交模幅度相等、相位相差90°，从而产生高纯度圆极化波。采用三维电磁全波仿真方法，通过模式匹配来精准设计圆极化器。

参照附图3-9可知，本实用新型的天线工作带宽完全覆盖卫星X波段数传发射天线工作带宽需求。图1给出了天线RHCP增益仿真结果，可以看出该天线增益近11dB，HPBW约为56°，天线方向图具有良好的旋转对称性，可以保证卫星在任意姿态下，数传天线都具有稳定且一致的发射性能，保证了卫星下行高速链路数据传输的可靠性。

从图4轴比计算结果可以看出，该天线在宽角范围内，E-theta和E-Phi分量具有良好的正交和相位特性，AR小于2dB，实现了很好的大角度、高纯度圆极化辐射，具有出色的下行链路高极化损失抑制度特性，是空间受限小卫星高速数传天线的理想形式，在300°波束范围内AR小于3dB，实现了良好的宽角圆极化辐射特性。

在上述高增益模式设计基础之上，引入重构技术，可实现天线宽角范围内扇形方向图覆盖。图3-9可以看出，在超过1GHz带宽范围内，VSWR小于1.5，完全满足200MHz工作带宽需求。

参照附图6可知，其给出了赋形方向图计算结果，在±75º波束覆盖范围内，增益大于0dB，在±70º波束覆盖范围内，增益大于2dB，各个切面具有近乎平顶的一致辐射特性，说明该天线设计实现了良好的电磁能量扇形分布集束设计，可满足卫星高速数传链路对于发射天线的宽波束、宽角圆极化和高增益需求。通过附图3和6对比可知，与常规轴比图相比，本实用新型具有波束灵活赋形能力的优势，是一般常规中等增益圆极化天线所不能比拟的。本实用新型的高性能平顶扇形方向图赋形设计，高性能宽角圆极化宽波束。

参照附图7，是天线AR特性仿真曲线图，在0°方向天线AR约为5dB。通过进一步优化调谐设计，天线AR可以调谐至小于3dB。

本实用新型的数传天线，由高性能辐射结构、波导激励转换结构、集成高性能圆极化器部件和加强结构体等我会更新补充箭头示意的各部分中文标识，四部分组成。辐射结构完成导行电磁波向空间的高效辐射，实现高增益、高前后比和优异的旋转对称性方向图分布；波导激励转换结构，通过匹配化和通用化设计，实现各种不同类型馈线和导行系统的转换与便捷匹配；集成高性能圆极化器，实现高隔离、高极化纯度的圆极化波变换与生产；加强结构体保障天线在各种不同恶劣环境性的高生存性。

本实用新型采用全金属（波导1和辐射单元4），其余部分均为全金属加固设计理念，在保持天线优异电性能设计的同时，显著提高天线在不同电磁、力学和热环境下的生存能力和性能保持能力；运用电磁、力学和热一体化融合设计与仿真技术实现天线自由空间理论数值仿真性能分析与工程化实现的高度统一；通过半物理仿真设计手段和高精度制造工艺实现天线产品批量化生产性能高度一致性和好用性设计。辐射结构完成导行电磁波向空间的高效辐射，实现高增益、高前后比和优异的旋转对称性方向图分布；波导激励转换结构，通过匹配化和通用化（因为天线主辐射结构馈线为圆波导1，通过圆极化器2可实现该天线从圆形到矩形波导变换，从圆形波导到同轴激励，从圆形波导到微带激励等多种方式变换与匹配设计，即具有通用化设计特征，可满足多种不同馈线结构接口设计）设计，实现各种不同类型馈线和导行系统的转换与便捷匹配；集成高性能圆极化器（具体在在波导1外壁开槽增加圆极化器2空腔结构。圆极化器2结构为长方空腔槽体结构；通过调整长方空腔槽体在主波导结构上的集成开槽安装方式、角度、位置及其自身长度、宽度、深度、厚度、相对角度等参数实现两正交模式幅度相等、相位相差90°，从而产生高纯度圆极化波。），实现高隔离、高极化纯度的圆极化波变换与生产；加强结构体保障天线在各种不同恶劣环境性的高生存性。通过四部分的集成化设计和系统级优化，实现具有方向图重构生成能力的高性能一体化集成天馈数传天线。

本发明具有方向图优异旋转对称性、方向图带宽宽、前后比大、宽波束、高辐射效率、可耐受大功率、不需要额外引入圆极化器、圆极化纯度高、结构实现集成度高、次级方向图易实现二次赋形、重量轻、结构刚度与强度好、材料线胀系数一致热性能良好、电性能不易受周围EM环境加载而劣化，通过尺寸变换设计可满足其他频段应用需求，可完全满足星载、机载、车载及高机动终端大振动及冲击量级、宽范围温度冲击等苛刻环境条件下的最优电气性能和力热性能应用需求。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，包括空腔的波导（1），所述波导（1）为圆柱形结构，沿所述圆柱形结构的波导（1）侧部向内凹陷形成槽体（9），所述槽体（9）与所述波导（1）的中心轴平行，所述槽体（9）形成圆极化器（2）；

所述槽体（9）的深度>所述槽体（9）的宽度>所述槽体（9）的壁厚；

所述圆极化器（2）侧部贴设有介质支撑体（3），所述介质支撑体（3）设于所述波导（1）内且用于支撑所述波导（1）；

所述波导（1）端部一体化连接有辐射单元（4）。

2.根据权利要求1所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，还包括引向赋形结构（5），所述引向赋形结构（5）与所述辐射单元（4）远离波导（1）的一端连接。

3.根据权利要求2所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，所述引向赋形结构（5）朝向所述辐射单元（4）内部延伸，并插入所述辐射单元（4）内。

4.根据权利要求3所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，所述引向赋形结构（5）为非金属材质制作而成的圆柱形结构。

5.根据权利要求1所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，所述辐射单元（4）上套设有环波导（6），所述环波导（6）与所述辐射单元（4）形成扼流结构。

6.根据权利要求5所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，所述扼流结构为3-8圈的同心圆环结构，所述同心圆环结构包括若干个圆环结构，若干所述圆环结构的深度均不相等。

7.根据权利要求1所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，所述波导（1）远离辐射单元（4）的一端连接加强结构（7），所述加强结构（7）与所述波导（1）垂直，且所述加强结构（7）与所述波导（1）一体设置。

8.根据权利要求7所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，所述加强结构（7）为渐扩径结构，且所述渐扩径结构中直径最小的一端与所述波导（1）连接。

9.根据权利要求1-8之一所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，所述圆极化器（2）的内壁向内凹陷，并形成若干不连续的子槽体结构。

10.根据权利要求9所述的一种灵活赋形的一体化集成数传天线，其特征在于，所述辐射单元（4）为渐变张开的同心圆结构。