CN216450816U - 一种Ku宽带喇叭阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了卫星通信领域的一种Ku宽带喇叭阵列天线，包括Ku宽带辐射单元与Ku宽带功分网络，所述Ku宽带辐射单元包括阵面栅格、宽带辐射角锥喇叭、紧凑型正交模耦合器，所述阵面栅格架设在Ku宽带辐射单元的口面上，所述Ku宽带功分网络包括宽带功分网络与转接头。本实用新型中，采用宽带喇叭阵列设计方案，收发频段共用同一阵面，由垂直和水平极化的两层宽带功分网络馈电，实现了Ku频段的收发实时共用，解决了Ku收发信号在宽带下无法收发共用的问题，同时解决了喇叭阵列天线副瓣较高的问题，使得该天线可以在Ku宽频带内实现收发共用，同时具有较低副瓣，成为一种Ku宽带低副瓣收发共用喇叭阵列卫星通信天线。
Description
技术领域
本实用新型属于卫星通信技术领域，具体为一种Ku宽带喇叭阵列天线。
背景技术
喇叭阵列天线是卫星通信系统的一个重要组成部分。它的作用是将来自射频功放的信号以电磁波的形式向空间辐射，同时来自卫星信号经过阵面进入后端射频器件；用于卫星通信天线主要有反射面和平板阵列天线，其中喇叭阵列天线解决了天线低剖面的问题，采用宽带喇叭阵列天线解决了Ku宽带实时收发共用的问题。
目前，平板阵列天线的形式主要有微带阵列，波导缝隙阵列也有波导辐射单元与微带功分网络相结合的阵列天线，由于微带阵列天线的工作带宽小，波导缝隙的辐射效率低，波导辐射单元结合微带馈电网络在Ku甚至更高频段实现难度大且损耗高，为有效解决上述问题，我们设计了这样一种Ku宽带喇叭阵列天线。
实用新型内容
基于此，有必要针对当下由于微带阵列天线的工作带宽小，波导缝隙的辐射效率低，波导辐射单元结合微带馈电网络在Ku甚至更高频段实现难度大且损耗高的问题，提供一种Ku宽带喇叭阵列天线。
本实用新型采用的技术方案如下：一种Ku宽带喇叭阵列天线，包括Ku宽带辐射单元与Ku宽带功分网络，所述Ku宽带辐射单元包括阵面栅格、宽带辐射角锥喇叭、紧凑型正交模耦合器，所述阵面栅格架设在Ku宽带辐射单元的口面上，Ku宽带功分网络包括功分网络与转接头。
在一优选的实施方式中，所述阵面栅格的栅格厚度为工作波长的1/15,高度为工作波长的1/10。
在一优选的实施方式中，所述宽带辐射角锥喇叭的阶梯变换高度为Ku频段中心频率工作波长的1/4,辐射单元的口径为Ku频段中心频率波长的2/3。
在一优选的实施方式中，所述紧凑型正交模耦合器耦合窗长度为中心频率工作波长的1/5～1/3,宽度为中心频率工作波长的1/30～1/25。
在一优选的实施方式中，所述功分网络通过加载多级阶梯来进行宽带工作，同时多级阶梯的宽度为标准BJ120矩形波导宽边的长度，高度约为波导窄边的1/5～1/6。
在一优选的实施方式中，所述转接头为直角弯波导。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
本实用新型中，由于Ku喇叭阵列天线的辐射单元为宽带角锥喇叭，与常见的辐射单元相比宽带角锥喇叭采用多级阶梯变换实现宽频带内的阻抗匹配及宽频带内的方向图稳定；利用角锥喇叭口面上方架设十字栅格可消除阵列天线的栅瓣；而宽带角锥喇叭与紧凑型宽带正交模耦合器相连，宽带正交模耦合器可实现收发电磁信号分离开；功分网络中采用多级阶梯变换实现在宽带内阻抗匹配，与现有喇叭阵列相比，辐射单元采用多级阶梯变换的角锥喇叭，小型宽带正交模耦合器和宽带功分网络，实现了在宽频带内具有较高的辐射效率，较小的网络损耗；
综上，此设计采用宽带喇叭阵列设计方案，收发频段共用同一阵面，由垂直和水平极化的两层宽带功分网络馈电，实现了Ku频段的收发实时共用，解决了Ku收发信号在宽带下无法收发共用的问题，同时解决了喇叭阵列天线副瓣较高的问题，使得该天线可以在Ku宽频带内实现收发共用，同时具有较低副瓣，成为一种Ku宽带低副瓣收发共用喇叭阵列卫星通信天线。
附图说明
图1为喇叭反射阵列结构图；
图1-1为Ku宽带喇叭阵列天线整体图；
图2为宽带辐射单元结构图；
图3为辐射单元、十字栅格和正交模耦合器结构图；
图4为功分网络结构图；
图5为转接件结构图；
图6为方形小阵结构图；
图7为辐射单元方接收频段方向图；
图8为辐射单元方发射频段方向图；
图9为辐射单元电压驻波比仿真图；
图10为方形阵电压驻波比仿真图；
图11为阵列天线接收频段方向图；
图12为阵列天线发射频段方向图。
图中标记：1、Ku宽带辐射单元；2、Ku宽带功分网络；3、阵面栅格；4、宽带辐射角锥喇叭；5、紧凑型正交模耦合器；6、功分网络；7、转接头。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
一种Ku宽带喇叭阵列天线，包括Ku宽带辐射单元1与Ku宽带功分网络2，Ku宽带辐射单元1包括阵面栅格3、宽带辐射角锥喇叭4、紧凑型正交模耦合器5，阵面栅格3架设在Ku宽带辐射单元1的口面上，Ku宽带功分网络2功分网络6与转接头7。
具体实施如下：
如图1以及图1-1所示，Ku宽带喇叭阵列天线由Ku宽带辐射单元1，即阵面栅格3、宽带辐射角锥喇叭4、紧凑型正交模耦合器5以及Ku宽带功分网络2，即功分网络6与转接头7组成，其中信号经辐射单元输入，通过紧凑型正交模耦合器5将正交的输入信号区分开来，通过宽带馈电网络传输到后端的射频器件。同理发射信号通过宽带馈电网络传输到Ku宽带辐射单元1，然后辐射出去。
Ku宽带辐射单元1包括宽带辐射角锥喇叭4及多级阶梯匹配段2；宽带辐射角锥喇叭4采用方形喇叭，为减小整个反射阵天线的厚度，辐射喇叭尽量短，经优化后辐射喇叭长度为0.5λ0，口面尺寸为1.4λ0(λ0为中心频率工作波长)辐射喇叭后端接宽带匹配段，应用λ0/4阻抗变化原理，经多级阶梯变换段实现宽带匹配，λ0为中心频率工作波长。
阵面栅格3置于宽带辐射角锥喇叭4上方，阵面栅格3厚度为中心频率工作波长的1/25,高度为中心频率工作波长的1/4，阵面栅格3的作用是在不影响喇叭辐射性能的前提下，减少Ku宽带辐射单元1的间距(相邻喇叭间距小于一个工作波长)，从而减小阵列天线辐射方向图中的栅瓣。
紧凑型正交模耦合器5接于宽带辐射角锥喇叭4下边的多级阶梯变换器，紧凑型正交模耦合器5实现两正交的电磁信号分离开来；而为保证紧凑型正交模耦合器5中仅有主模传输，需满足如下条件：fL≥1.05(fL为最低工作频率)，且fH＜fCTE11(fH为最高工作频率)，由该条件得出正交器方口尺寸a≈0.5λL(λL为最低工作频率对应的工作波长)。
方波导中主模为TE10、TE01。次高模为TE11、TM11。根据截止频率公式
其中c为电磁波在真空中的传播速度3.0*108m/s，m和n为波型指数，其中a和b分别为矩形波导的宽边长度和窄边长度，为方形波导所以a＝b；耦合窗的尺寸选择很关键，耦合窗的位置，耦合窗的尺寸。耦合窗窄边的尺寸决定了高次模的谐振频率，适当的减小耦合窗窄边的尺寸有利于降低高次模谐振带来的不利影响。耦合窗的宽边a≈0.3～0.4λg，耦合窗的窄边b≈0.05～0.1λg(λg为中心频率波导波长，
)。
喇叭天线的馈电网络为多级级联功分器。一分二功分网络由于级联效应导致在宽频带内无法实现良好的匹配，本文中采用宽带匹配技术实现了多级功分网络在宽带内匹配。
宽带匹配技术的应用：多级渐变。多级渐变是多级波导通过阻抗匹配实现宽频带工作。渐变波导级联数目，波导截面尺寸和波导的长度是依据切比雪夫多项式，相对带宽
输入输出端的阻抗比，以及工作带宽内所需的电压驻波比来选取的。
低副瓣技术。整块喇叭天线是由四块方形小喇叭沿长边方向组阵而成，天线长边方向的副瓣较高。通过对功分网络6赋形，实现四块方形喇叭被不等幅馈电，从而降低副瓣。
转接头7中采用波导H面加载阶梯的方法，减小电磁波在波导折弯处的反射；这样由于Ku喇叭阵列天线的辐射单元为宽带角锥喇叭，与常见的辐射单元相比宽带角锥喇叭采用多级阶梯变换实现宽频带内的阻抗匹配及宽频带内的方向图稳定；利用角锥喇叭口面上方架设十字栅格可消除阵列天线的栅瓣；而宽带角锥喇叭与紧凑型宽带正交模耦合器相连，宽带正交模耦合器可实现收发电磁信号分离开；功分网络6中采用多级阶梯变换实现在宽带内阻抗匹配，与现有喇叭阵列相比，辐射单元采用多级阶梯变换的角锥喇叭，小型宽带正交模耦合器和Ku宽带功分网络2，实现了在宽频带内具有较高的辐射效率，较小的网络损耗。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种Ku宽带喇叭阵列天线，包括Ku宽带辐射单元(1)与Ku宽带功分网络(2)，其特征在于：所述Ku宽带辐射单元(1)包括阵面栅格(3)、宽带辐射角锥喇叭(4)、紧凑型正交模耦合器(5)，所述阵面栅格(3)架设在Ku宽带辐射单元(1)的口面上，所述Ku宽带功分网络(2)包括功分网络(6)与转接头(7)。
2.如权利要求1所述的一种Ku宽带喇叭阵列天线，其特征在于：所述阵面栅格(3)的栅格厚度为工作波长的1/15,高度为工作波长的1/10。
3.如权利要求1所述的一种Ku宽带喇叭阵列天线，其特征在于：所述宽带辐射角锥喇叭(4)的阶梯变换高度为Ku频段中心频率工作波长的1/4,辐射单元(1)的口径为Ku频段中心频率波长的2/3。
4.如权利要求1所述的一种Ku宽带喇叭阵列天线，其特征在于：所述紧凑型正交模耦合器(5)耦合窗长度为中心频率工作波长的1/5～1/3,宽度为中心频率工作波长的1/30～1/25。
5.如权利要求1所述的一种Ku宽带喇叭阵列天线，其特征在于：所述功分网络(2)通过加载多级阶梯来进行宽带工作，同时多级阶梯的宽度为标准BJ120矩形波导宽边的长度，高度约为波导窄边的1/5～1/6。
6.如权利要求1所述的一种Ku宽带喇叭阵列天线，其特征在于：所述转接头(7)为直角弯波导。
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| CN115036679A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-09-09 | 西安航天天绘数据技术有限公司 | 一种多子阵拼装的平板天线 |
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