CN101083359A - 高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法 - Google Patents
高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，它涉及通信广播及测控领域中的一种波导阵列天线制造技术。本发明设计了辐射层、水平极化或圆极化馈电波导层、垂直极化馈电波导层、垂直极化馈电波导盖板，采用正方形或圆形波导谐振腔馈电方式，解决了双极化电磁信号的接收和发射；水平极化采用耦合馈电的方式，而垂直极化采用直接馈电的方式，完成两个极化分量的分离，同时可以实现双圆极化工作。本发明具有双极化辐射、馈电效率高、结构紧凑、低加工成本等优点，特别适用于工作在双线极化或双圆极化应用情况下的各种卫星通信或单收站天线的制造。
Description
技术领域
本发明涉及通信广播及测控领域中的一种高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，特别适用于工作在双线极化或双圆极化应用情况下的各种卫星通信或单收站天线的制造。
背景技术
通常电视直播卫星或通信广播卫星都工作在双线极化或双圆极化状态，而目前使用的平板阵列天线大都工作在单线极化或单圆极化状态，为完成双极化的接收一般采取两种办法完成：
一是采用机械控制的方法，即天线平常处于接收水平方向极化状态，当需要接收垂直方向极化时，天线利用旋转机构人工或电动转动90度。它的不足之处在于结构复杂，需要控制和转动机构，而且双极化不能同时兼容。
二是用两副天线分别接收两种极化信号，根据需要采用电子开关切换极化状态。它的不足之处在于天线占用体积大，成本高，等效口面效率低。
中国专利号为02805774.0、名称为《波导缝隙天线及其制造方法》专利中公开了一种波导缝隙天线，中国专利号为200520110435.8、名称为《高增益波导喇叭阵列平板天线》专利中公开了一种高增益波导喇叭阵列平板天线，这两种天线均具有高增益的特性，但这两种天线存在共同的不足之处：①辐射喇叭口、天线腔体、辐射缝隙均为导管结构，只能激励起单个极化的电磁信号；②两专利均只有一层馈电线路，每层只能传输一个极化的电磁信号，双圆极化与双线极化均不能同时传输，天线只能单线极化工作。
PCT中分类号(International patent classification)H01Q/13/10，21/00题目为DUAL POLARIZED SLOTTED ARRAY ANTENNA专利，它采用两种单极化波导缝隙天线组阵的形式，天线存在分层结构复杂，口面利用效率低等缺点。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种采用正方形或圆形波导谐振腔馈电方式，能进行双极化电磁信号辐射的高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法。本发明还具有当天线需要工作在圆极化时，可以增加圆极化器，实现双圆极化辐射，且馈电效率高、结构紧凑、低加工成本等特点。
本发明的目的是这样实现的，包括步骤：
①根据工作频率设计辐射层1，辐射层1根据天线增益的要求设计M×N个辐射单元11的阵列辐射口面，M或N为大于1的自然数，在每个辐射单元11上表面设计1至16个辐射口12，每个辐射单元11下表面设计谐振腔体13，辐射口12与谐振腔体13之间设计耦合通孔14；
②根据电磁耦合和波导传输线的原理设计水平极化或圆极化馈电波导层2，在水平极化或圆极化馈电波导层2上表面设计耦合通孔21，耦合通孔21与辐射层1下表面的谐振腔体13相对应，耦合通孔21下方设计波导孔22，耦合通孔21与波导孔22之间对应连接，水平极化或圆极化馈电波导层2下表面设计波导凹槽23，波导孔22侧壁上设计耦合通孔24，耦合波导馈电网络的水平极化信号，耦合通孔24与波导凹槽23相连接，波导凹槽23的弯角处设计过渡台阶25，波导孔22的另外侧壁设计水平耦合探针26、垂直耦合探针27，水平耦合探针26、垂直耦合探针27耦合微带线馈电网络、或带状线馈电网络的水平极化与垂直极化信号；
③根据电磁耦合和波导传输线的原理设计垂直极化馈电波导层3，在垂直极化馈电波导层3的上表面设计波导凹槽31，垂直极化馈电波导层3下表面设计波导凹槽32，波导凹槽31与水平极化或圆极化馈电波导层2下表面的波导凹槽23相对应，波导凹槽31的末端设计耦合孔35，耦合孔35与水平极化或圆极化馈电波导层2下表面设计的波导孔22相对应，波导凹槽32末端设计耦合孔33，耦合孔33与耦合孔35之间设计过渡台阶34，波导凹槽32的弯角处设计过渡台阶36；
④根据电磁耦合和波导传输线的原理设计垂直极化馈电波导盖板4，在垂直极化馈电波导盖板4上表面设计波导凹槽41，波导凹槽41与垂直极化馈电波导层3下表面的波导凹槽32相对应，波导凹槽41的弯角处设计过渡台阶42，垂直极化馈电波导盖板4下表面设计平板结构；
⑤把水平极化或圆极化馈电波导层2设置在辐射层1的下部，垂直极化馈电波导层3设置在水平极化或圆极化馈电波导层2的下部，垂直极化馈电波导盖板4设置在垂直极化馈电波导层3的下部，用紧固件把辐射层1、水平极化或圆极化馈电波导层2、垂直极化馈电波导层3、垂直极化馈电波导盖板4组装成天线整体结构，完成高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造。
本发明第①步骤中所述的在每个辐射单元11上表面设计的辐射口12，其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
本发明第①步骤中所述的辐射口12与谐振腔体13之间设计的耦合通孔14，其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
本发明第①步骤中所述的辐射单元11下表面设计的谐振腔体13，其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
本发明第②步骤中所述的在水平极化或圆极化馈电波导层2上表面设计的耦合通孔21，其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
本发明第②步骤中所述的耦合通孔21下方设计的波导孔22其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
本发明所述的辐射层1、水平极化或圆极化馈电波导层2、垂直极化馈电波导层3、垂直极化馈电波导盖板4由合成树脂材料、或铝合金板、或钢板、或铜板材料制成，合成树脂材料表面涂覆有导电层。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明采用了辐射单元11，使天线从谐振腔到辐射口面都同时存在水平极化和垂直极化两种极化方式，解决了双极化电磁信号的兼容问题。
2.本发明采用了波导分层馈电的方式，水平极化采用耦合馈电的方式，垂直极化采用直接馈电的方式，分离出两个极化分量，成功地解决了双极化馈电网络相互干涉的问题。
3.本发明在天线需要工作在圆极化时，增加圆极化器，可以实现双圆极化辐射，馈电效率高。
4.本发明辐射单元11采用水平耦合探针26、垂直耦合探针27馈电时，水平耦合探针26、垂直耦合探针27与微带线馈电网络、或带状线馈电网络连接，实现天线双极化传输，使天线剖面厚度大幅度降低，结构紧凑、加工成本低。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明辐射层1实施例2×2个辐射单元11的主视结构示意图。
图3是本发明图2中的A-A向剖视示意图。
图4是本发明水平极化或圆极化馈电波导层2结构示意图。
图5是本发明垂直极化馈电波导层3结构示意图。
图6是本发明垂直极化馈电波导盖板4结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图6，实施例本发明它包括辐射层1、水平极化或圆极化馈电波导层2、垂直极化馈电波导层3、垂直极化馈电波导盖板4。
本发明包括步骤：
①根据工作频率设计辐射层1，辐射层1用于完成天线和空间电磁波谐振。辐射层1根据天线增益的要求设计M×N个辐射单元11的阵列辐射口面，M或N为大于2的自然数。辐射单元11阵列越多增益越高，实施例为2×2个辐射单元11组合成阵列辐射口面，参见图2所示。每个辐射单元11采用铝合金材料精密加工制成，其尺寸长×宽×高为60mm×60mm×9mm。辐射层1完成水平、垂直两个极化电磁信号的谐振和辐射，实现信号的接收或发射。每个辐射单元11上表面设计1至16个辐射口12，实施例辐射口12为4个组成一个辐射单元11，每个辐射单元11下表面设计谐振腔体13，辐射口12与谐振腔体13之间设计耦合通孔14，参见图3所示。辐射口12的作用是辐射或接收水平、垂直两个极化的电磁信号，谐振腔体13的作用是使水平、垂直两个极化的电磁信号在腔体内谐振，耦合通孔14的作用是完成辐射口12和谐振腔体13之间水平、垂直两个极化电磁信号的耦合，实施例辐射口12与谐振腔体13、耦合通孔14加工成整体结构。
本发明辐射单元11上表面设计的辐射口12其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。实施例辐射口12加工成正方形，组合成阵列天线辐射口面，便于兼容水平、垂直两个极化电磁信号。
本发明辐射口12与谐振腔体13之间设计的耦合通孔14其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。实施例耦合通孔14加工成圆形，便于兼容水平、垂直两个极化电磁信号。
本发明辐射单元11下表面设计的谐振腔体13其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。实施例谐振腔体13加工成正方形，便于兼容水平、垂直两个极化电磁信号。
②根据电磁耦合和波导传输线的原理设计水平极化或圆极化馈电波导层2，水平极化或圆极化馈电波导层2作用为耦合出水平极化的电磁信号并进行合成，如图4所示。实施例水平极化或圆极化馈电波导层2采用一块铝合金材料精密加工成长×宽×高为120mm×120mm×7mm的水平极化馈电波导层。水平极化或圆极化馈电波导层2上表面设计耦合通孔21，耦合通孔21与辐射层1下表面的谐振腔体13相对应，耦合通孔21下方设计波导孔22，耦合通孔21与波导孔22之间对应连接，水平极化或圆极化馈电波导层2下表面设计波导凹槽23，波导孔22侧壁上设计耦合通孔24，耦合波导馈电网络的水平极化信号，耦合通孔24与波导凹槽23相连接，波导凹槽23的弯角处设计过渡台阶25。耦合通孔21的作用是完成谐振腔体13和波导孔22之间水平、垂直两个极化电磁信号的耦合，波导孔22的作用传输水平、垂直两个极化电磁信号，波导凹槽23的作用是传输水平极化电磁信号，耦合通孔24的作用是耦合水平极化电磁信号，隔离垂直极化电磁信号，过渡台阶25的作用是使电磁信号能够无损的传输。实施例耦合通孔21、波导孔22、波导凹槽23、耦合通孔24、过渡台阶25加工成整体结构。波导孔22的另外侧壁设计水平耦合探针26、垂直耦合探针27，水平耦合探针26、垂直耦合探针27耦合微带线馈电网络、或带状线馈电网络的水平极化与垂直极化信号。实施例水平极化耦合探针26、垂直极化耦合探针27采用黄铜片状材料制成，设置在波导孔22侧壁上与带状线馈电网络连接完成信号的收发。
本发明水平极化或圆极化馈电波导层2上表面设计的耦合通孔21其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。实施例耦合通孔21加工成正方形，便于兼容和耦合水平、垂直两个极化电磁信号。
本发明耦合通孔21下方设计波导孔22其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。实施例波导孔22加工成正方形，便于兼容和传输水平、垂直两个极化的电磁信号。
③根据电磁耦合和波导传输线的原理设计垂直极化馈电波导层3，垂直极化馈电波导层3作用为传输垂直极化的电磁信号并进行合成，如图5所示。实施例垂直极化馈电波导层3采用一块铝合金材料精密加工成长×宽×高为120mm×120mm×9mm的垂直极化馈电波导层3。垂直极化馈电波导层3的上表面设计波导凹槽31，垂直极化馈电波导层3下表面设计波导凹槽32，波导凹槽31与水平极化或圆极化馈电波导层2下表面的波导凹槽23相对应，波导凹槽31的末端设计耦合孔35，耦合孔35与水平极化或圆极化馈电波导层2下表面设计的波导孔22相对应，波导凹槽32末端设计耦合孔33，耦合孔33与耦合孔35之间设计过渡台阶34，波导凹槽32的弯角处设计过渡台阶36。波导凹槽31的作用是传输水平极化电磁信号，波导凹槽32的作用是传输垂直极化电磁信号，耦合孔33的作用是耦合垂直极化电磁信号，隔离水平极化电磁信号，过渡台阶34、过渡台阶36的作用是使电磁信号能够无损传输，耦合孔35的作用是传输垂直极化电磁信号。实施例波导凹槽31、波导凹槽32、耦合孔33、过渡台阶34、耦合孔35、过渡台阶36加工成整体结构。
④根据电磁耦合和波导传输线的原理设计垂直极化馈电波导盖板4，垂直极化馈电波导盖板4作用为传输垂直极化的电磁信号并进行合成，把阵列天线进行封闭，如图6所示。实施例垂直极化馈电波导盖板4采用一块铝合金材料精密加工成长×宽×高为120mm×120mm×6mm的垂直极化馈电波导盖板4。垂直极化馈电波导盖板4上表面设计波导凹槽41，波导凹槽41与垂直极化馈电波导层3下表面的波导凹槽32相对应，波导凹槽41的弯角处设计过渡台阶42。波导凹槽41的作用是传输垂直极化电磁信号，过渡台阶42的作用是使垂直极化电磁信号能够无损的传输。实施例波导凹槽41、过渡台阶42加工成整体结构。垂直极化馈电波导盖板4下表面设计平板结构，完成天线的封闭。
⑤把水平极化或圆极化馈电波导层2设置在辐射层1的下部，垂直极化馈电波导层3设置在水平极化或圆极化馈电波导层2的下部，垂直极化馈电波导盖板4设置在垂直极化馈电波导层3的下部，用紧固件把辐射层1、水平极化或圆极化馈电波导层2、垂直极化馈电波导层3、垂直极化馈电波导盖板4组装成天线整体结构，安装结构参见图1所示，完成高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造。
本发明所述的辐射层1、水平极化或圆极化馈电波导层2、垂直极化馈电波导层3、垂直极化馈电波导盖板4由合成树脂材料、或铝合金板、或钢板、或铜板材料制成，合成树脂材料表面涂覆有导电层。实施例辐射层1、水平极化或圆极化馈电波导层2、垂直极化馈电波导层3、垂直极化馈电波导盖板4均采用铝合金材料精密加工而成。
本发明实施例加工过程中在辐射层1、水平极化或圆极化馈电波导层2、垂直极化馈电波导层3、垂直极化馈电波导盖板4的耦合传输结构以外的空余部分，加工不同的孔形、或槽形结构，以便减轻天线的重量。
本发明在天线需要工作在圆极化时，通过两种办法可以实现双圆极化电磁辐射，一是在水平极化或圆极化馈电波导层2的波导孔22内增加圆极化器；二是在波导凹槽31和波导凹槽23、波导凹槽41和波导凹槽32相对应的水平极化与垂直极化馈电网络输出端增加圆极化器，可以实现双圆极化辐射。
本发明的简要工作原理：
当采用波导馈电网络接收时，来自空间的水平、垂直双极化无线电信号通过辐射层1的辐射口12进入天线，信号通过耦合通孔14耦合并聚集到谐振腔体13，通过水平极化或圆极化馈电波导层2的耦合通孔21传递到波导孔22。波导孔22内部同时存在水平、垂直双极化无线电信号，水平极化无线电信号通过耦合通孔24进入波导凹槽23与垂直极化馈电波导层3上表面设有的波导凹槽31所组成的波导馈电网络中进行同相叠加输出。波导孔22中的垂直极化无线电信号直接进入垂直极化馈电波导层3的耦合孔33，经过渡台阶34进入波导凹槽32与垂直极化馈电波导盖板4上表面设有波导凹槽41所组成的波导馈电网络中进行同相叠加输出。发送时，信号工作流程与接收相反。
当天线采用微带线馈电网络、或带状线馈电网络接收时，来自空间的水平、垂直双极化无线电信号通过辐射层1的辐射口12进入天线，信号通过耦合通孔14耦合并聚集到谐振腔体13，通过水平极化或圆极化馈电波导层2的耦合通孔21传递到波导孔22。波导孔22内部同时存在水平、垂直双极化无线电信号，水平极化耦合探针26把耦合到的水平极化无线电信号传送给水平极化微带线馈电网络、或水平极化带状线馈电网络，在水平极化微带线馈电网络、或水平极化带状线馈电网络中进行同相叠加输出；垂直极化耦合探针27把耦合到的垂直极化无线电信号传送给垂直极化微带线馈电网络、或垂直极化带状线馈电网络，在垂直极化微带线馈电网络、或垂直极化带状线馈电网络中进行同相叠加输出。发送时，信号工作流程与接收相反。
本发明安装结构如下：本发明辐射层1、水平极化或圆极化馈电波导层2、垂直极化馈电波导层3、垂直极化馈电波导盖板4采用紧固件安装成整体结构，组装成阵列天线。
Claims (7)
1.一种高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，其特征在于包括步骤：
①根据工作频率设计辐射层(1)，辐射层(1)根据天线增益的要求设计M×N个辐射单元(11)的阵列辐射口面，M或N为大于1的自然数，在每个辐射单元(11)上表面设计1至16个辐射口(12)，每个辐射单元(11)下表面设计谐振腔体(13)，辐射口(12)与谐振腔体(13)之间设计耦合通孔(14)；
②根据电磁耦合和波导传输线的原理设计水平极化或圆极化馈电波导层(2)，在水平极化或圆极化馈电波导层(2)上表面设计耦合通孔(21)，耦合通孔(21)与辐射层(1)下表面的谐振腔体(13)相对应，耦合通孔(21)下方设计波导孔(22)，耦合通孔(21)与波导孔(22)之间对应连接，水平极化或圆极化馈电波导层(2)下表面设计波导凹槽(23)，波导孔(22)侧壁上设计耦合通孔(24)，耦合波导馈电网络的水平极化信号；耦合通孔(24)与波导凹槽(23)相连接，波导凹槽(23)的弯角处设计过渡台阶(25)，波导孔(22)的另外侧壁设计水平耦合探针(26)、垂直耦合探针(27)，水平耦合探针(26)、垂直耦合探针(27)耦合微带线馈电网络、或带状线馈电网络的水平极化与垂直极化信号；
③根据电磁耦合和波导传输线的原理设计垂直极化馈电波导层(3)，在垂直极化馈电波导层(3)的上表面设计波导凹槽(31)，垂直极化馈电波导层(3)下表面设计波导凹槽(32)，波导凹槽(31)与水平极化或圆极化馈电波导层(2)下表面的波导凹槽(23)相对应，波导凹槽(31)的末端设计耦合孔(35)，耦合孔(35)与水平极化或圆极化馈电波导层(2)下表面设计的波导孔(22)相对应，波导凹槽(32)末端设计耦合孔(33)，耦合孔(33)与耦合孔(35)之间设计过渡台阶(34)，波导凹槽(32)的弯角处设计过渡台阶(36)；
④根据电磁耦合和波导传输线的原理设计垂直极化馈电波导盖板(4)，在垂直极化馈电波导盖板(4)上表面设计波导凹槽(41)，波导凹槽(41)与垂直极化馈电波导层(3)下表面的波导凹槽(32)相对应，波导凹槽(41)的弯角处设计过渡台阶(42)，垂直极化馈电波导盖板(4)下表面设计平板结构；
⑤把水平极化或圆极化馈电波导层(2)设置在辐射层(1)的下部，垂直极化馈电波导层(3)设置在水平极化或圆极化馈电波导层(2)的下部，垂直极化馈电波导盖板(4)设置在垂直极化馈电波导层(3)的下部，用紧固件把辐射层(1)、水平极化或圆极化馈电波导层(2)、垂直极化馈电波导层(3)、垂直极化馈电波导盖板(4)组装成天线整体结构，完成高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造。
2.根据权利要求1所述的高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，其特征在于：第①步骤中所述的在每个辐射单元(11)上表面设计的辐射口(12)，其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
3.根据权利要求1所述的高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，其特征在于：第①步骤中所述的辐射口(12)与谐振腔体(13)之间设计的耦合通孔(14)，其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
4.根据权利要求1所述的高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，其特征在于：第①步骤中所述的辐射单元(11)下表面设计的谐振腔体(13)，其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
5.根据权利要求1所述的高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，其特征在于：第②步骤中所述的在水平极化或圆极化馈电波导层(2)上表面设计的耦合通孔(21)，其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
6.根据权利要求1所述的高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，其特征在于：第②步骤中所述的耦合通孔(21)下方设计的波导孔(22)其形状为正方形、或正多边形、或圆形、或十字缝隙形、或带有倒角的正方形、或带有倒角的正多边形。
7.根据权利要求1所述的高增益双线极化或双圆极化波导阵列天线制造方法，其特征在于：所述的辐射层(1)、水平极化或圆极化馈电波导层(2)、垂直极化馈电波导层(3)、垂直极化馈电波导盖板(4)由合成树脂材料、或铝合金板、或钢板、或铜板材料制成，合成树脂材料表面涂覆有导电层。
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Legal Events
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