CN107658568B - 双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线，其包括：方形波导喇叭、波导正交模耦合器、由方形波导喇叭和波导正交模耦合器组合而成的天线单元、以及多个天线单元在平面上的排列方式。每个所述方形波导喇叭天线的喇叭口径的形状为方形，其结构为三层阶梯过渡的方形角锥喇叭；所述波导正交模耦合器为纵向锥变分支结构的正交模耦合器，所述波导正交模耦合器的公共端口与所述方形波导喇叭的波导端口相连接，组成一个支持双频双极化共口径的波导喇叭天线，即一个天线单元；将这个天线单元在平面上进行排列，组成平面阵列天线。本发明通过上述技术方案制成的平面阵列天线具有双频率、双极化和共口径的特点。

Description

双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线

技术领域

本发明属于卫星通信天线领域，尤其涉及一种双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线，特别针对在卫星应急机动通信中使用。

背景技术

平面阵列卫星天线在国际上已经开始少量生产和使用，并且正在形成一种新的发展趋势，代表着当前国际卫星通信应用的新方向。已有平面阵列卫星天线大都采用的是振子微带平面阵列技术和波导缝隙平面阵列技术。

振子微带平面阵列天线通过平板上排列有序的半波振子将电磁波辐射到空中。射频耦合馈电网络采用微波技术中的微带电路技术。

振子微带平面阵列天线中采用的微带是印制在电路板上的，采用双微带正交馈电方式，在方形辐射贴片上形成双频点谐振，可以实现双频双极化共口径平板天线。但是，微带振子式天线的馈电效率低，容易激励表面波，天线带宽窄，承载功率低。受国内技术条件和制造工艺的限制，常见的产品无法实现收发共口径，还是采用收发相分离的两块天线板。

波导缝隙平面阵列天线通过波导壁上排列有序的多个缝隙将电磁波辐射到空中。波导缝隙平面阵列天线采用波导馈电，有利于减少馈电损耗，提高天线效率和承载功率。但是同一根波导上的缝隙只能支持一个极化方向，为实现双极化就必须把相互正交极化的缝隙波导交替排列在平面内，无法通过天线阵列中的天线单元真正形成双频、双极化、共口径的平面阵列天线。而这样的缝隙波导排列拉大了辐射源的间隔，更容易出现栅瓣，影响天线的性能。

发明内容

为了至少解决现有技术中平面阵列卫星天线存在的不易实现双频双极化共口径的问题，本发明实施例提供了一种双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线，其由多个天线单元在平面上以阵列形式排列而形成；每个所述天线单元由方形波导喇叭和波导正交模耦合器组合而成。

在如上所述的波导喇叭平面阵列天线中，优选地，所述方形波导喇叭为三层阶梯过渡的方形角锥喇叭，其喇叭口径的形状为方形。

在每个所述方形波导喇叭的口径上添加了十字栅条。

在如上所述的波导喇叭平面阵列天线中，优选地，所述波导正交模耦合器为纵向锥变分支结构的正交模耦合器。

在如上所述的波导喇叭平面阵列天线中，优选地，所述波导正交模耦合器的公共端口的尺寸与所述方形波导喇叭的波导端口尺寸相同。

在如上所述的波导喇叭平面阵列天线中，优选地，所述平面阵列天线的天线单元排列方式为平面正方形排列。

在如上所述的波导喇叭平面阵列天线中，优选地，所述方形波导喇叭和所述波导正交模耦合器均采用了薄壁结构，各自的壁厚为1.5-2.5mm。

在如上所述的波导喇叭平面阵列天线中，优选地，所述平面阵列天线的的天线口面电场加权函数为泰勒分布函数。

在如上所述的波导喇叭平面阵列天线中，优选地，所述方形波导喇叭、所述十字栅条和所述波导正交模耦合器均由金属材料制成。

在如上所述的波导喇叭平面阵列天线中，优选地，所述波导喇叭平面阵列天线的外部轮廓尺寸长、宽、高分别为500mm、500mm、51.2mm。

综上所述，本发明带来的有益效果如下：

在卫星应急机动通信中，本发明产品的一体化天线结构，使天线在应用中不再需要像抛物反射面天线那样进行现场拼装和分解，为快速开通卫星应急通信提供了便利。

在平面阵列天线上实现了双频率、双极化、共口径，只需要一副天线就能满足卫星通信全双工的技术要求。

通过对天线口面照射函数以泰勒分布函数进行加权处理，对旁瓣的抑制效果可以达到-22dB，远低于CCIR的要求(14dB)，也明显低于传统反射面天线的第一旁瓣指标(14～17dB)。低旁瓣天线有利于提高接收信号的信噪比，同时减少发射电波对邻星的干扰。

通过在波导喇叭口上增加十字栅条的方法，提高天线口面有效辐射元的空间分布频率，从而拉大栅瓣的衍射角度，使栅瓣得到了很好地抑制。

波导喇叭平面阵列天线的天线单元，由方形波导喇叭和波导正交模耦合器组合而成，配以波导传输线组成的接收和发射馈电网络，整个天线全部由波导器件组成。波导器件传输插损小、承载功率大，提高了天线的整机效率。

天线效率的提高，有利于在同等天线口径下，获得更高的天线增益，实现更高的传输数率。本发明的天线口径面积为500mm×500mm，天线效率可以达到85％以上，天线增益可等效为口径为0.7m的普通抛物反射面天线(后者的天线有效面积是前者的1.5倍)。

方形波导喇叭和波导正交模耦合器的锥变波导段均采用阶梯过渡的方式。阶梯过渡方式的过渡段长度短、结构紧凑、薄壁结构，有利于减少天线的整体尺寸和重量。

低旁瓣和承载功率大的特点，有助于天线与大功率放大器配套使用，满足卫星通信高速业务传输需要。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种方形波导喇叭的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种正交模耦合器的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种天线单元的波导外部立体结构示意图(喇叭口未带金属十字栅条)；

图4为图发明实施例提供的一种天线单元的波导内部立体结构示意图(喇叭口未带金属十字栅条)；

图5为本发明实施例提供的另一种天线单元(喇叭口带金属十字栅条)的立体结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线的平面结构正面示意图；

图7为本发明实施例提供的一种双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线的平面结构斜侧面示意图；

其中，图中符号说明如下：

1天线单元、3双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线、11方形波导喇叭、12波导正交模耦合器、120公共端口、121直通端口、122耦合分支端口、201金属十字栅条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

参见图1～图7，本发明实施例提供了一种双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线，其由多个天线单元1在平面上以阵列形式排列而形成。每个天线单元1包括：方形波导喇叭11和波导正交模耦合器12，由方形波导喇叭11和波导正交模耦合器12组合在一起，形成天线单元1。

方形波导喇叭11的口径形状为方形，即喇叭的四个边长相等。在方形喇叭中可以激励两个相互垂直的线性极化波，以此满足双频双极化的要求。

在Ku波段卫星通信中，收发频段相隔2GHz，为展宽频段改善阻抗匹配，使该波导喇叭在接收和发射频段内都具有良好的阻抗匹配，方形波导喇叭11的开口没有采用渐变过渡的方式，而是采用了阶梯过渡的方式。本发明阵列天线中的方形波导喇叭11是一个三层阶梯过渡的方形角锥喇叭。

方形波导喇叭11是本平面阵列天线的基本辐射体。

波导正交模耦合器12用来分离方形波导喇叭11中的两个正交极化波，它是卫星通信天线中用来分离收/发信号(即收信号和发信号)的重要微波器件。本发明采用的波导正交模耦合器12是一种基于纵向锥变分支结构的波导正交模耦合器，它的公共端口120为方形波导端口，尺寸与方形波导喇叭11末端(图1中右端)的波导端口相同。这样，波导正交模耦合器12可以与方形波导喇叭11直接组合相接，不需要再添加过渡段。

从方形波导喇叭11进入波导正交模耦合器12的垂直极化波TE10可以通过锥变波导段，由波导正交模耦合器12的直通端口121输出。对于正交的水平极化波TE01，锥变波导段对它形成短路并且被反射，使其无法从直通端口121通过。它只能经由耦合分支窗口122被耦合到分支波导中。本发明中的锥变波导段采用了三级阶梯完成过渡。

波导正交模耦合器12是本平面阵列天线的基本耦合体。

将天线单元1排列在一个平面内，便组成了波导喇叭平面阵列天线的辐射面和耦合面。

为方便并联馈电，该波导喇叭平面阵列天线以方形阵列形式排列，即多个天线单元排列成一个方形阵列。下面以16×16个天线单元组成的方形阵列为例，对排列过程进行说明。

先以4个天线单元组成2×2元的天线基本阵列，再以4个2×2元的天线基本阵列组成一个4×4元的天线阵列，然后以4个4×4元的天线阵列组成一个8×8元的天线阵列，最后，以4个8×8元天线阵列组成16×16元平面阵列天线3，如图6-7所示。在其他的实施例中，还可以采用其他组成阵方式，本实施例对此不进行限定。

通过调整天线口面照射函数(天线面电场分布函数)，可以很好地抑制天线的旁瓣。本发明产品采用泰勒分布函数进行加权处理，使天线面中央区的口面照射幅度略高于边缘区域的照射幅度，使天线旁瓣得到了很好的抑制。

平面阵列天线的一个固有缺点是产生栅瓣。为将栅瓣远离天线主波束，方形波导喇叭在排列组阵时需要紧密相靠，即尽量减少辐射单元(即方形波导喇叭)之间的间隔。因此，本发明产品在方形波导喇叭等微波器件设计时均采用了薄壁结构，以最大限度地减少方形波导喇叭之间的中心间距，同时也减轻了天线的重量。天线单元1在排列组阵时，为使各天线单元紧密相靠，减少各天线单元之间的间隔，方形波导喇叭和其他微波器件均采用了薄壁结构设计，壁厚1.5-2.5mm。

为进一步改善天线的栅瓣指标，天线口面上又覆盖了一层栅格面，通过提高天线口面有效辐射元的空间分布频率，使电磁波衍射干涉后形成的栅瓣成份进一步远离主波束，从而起到对栅瓣的有效抑制作用。

天线口面上的栅格面的覆盖是通过在每一个喇叭口面上添加金属十字栅条201实现的，即十字栅条由金属材料制成，如图5所示。所以，本发明的波导喇叭平面阵列天线所采用的天线单元1均带有十字栅条，该栅条宽度1.5mm。

方形波导喇叭11和波导正交模耦合器12均由金属材料制成，图4所示的天线单元为未带有十字栅条的天线单元，此时可将其称为第一天线单元，图5所示的天线单元为带有十字栅条的天线单元，此时可将其称为第二天线单元。波导喇叭平面阵列天线的外部轮廓尺寸为500×500×51.2mm，前述三个尺寸值分别对应长、宽、高的尺寸。

综上所述，本发明带来的有益效果如下：

采用天线单元1制成的波导喇叭平面阵列天线，实现了双频率、双极化、共口径的特点，可以在同一副平面阵列天线上实现全双工卫星通信，克服了微带振子平面阵列天线和波导缝隙平面阵列天线的固有缺点和不足。

通过对天线口面照射函数进行泰勒分布加权处理，对平面阵列天线的旁瓣抑制可以达到-22dB，远低于CCIR的要求(14dB)，也明显低于传统反射面天线的第一旁瓣指标(14～17dB)。低旁瓣天线有利于提高接收信号的信噪比，同时减少发射电波对邻星的干扰。

通过在波导喇叭口上增加十字栅条的方法，提高天线口面有效辐射元的空间分布频率，从而拉大栅瓣的衍射角度。测试结果表明，在主波束±60°的范围内，栅瓣得到了很好地抑制。

方形角锥波导喇叭11和波导正交模耦合器12的锥变波导段均采用阶梯过渡的方式。阶梯过渡方式的过渡段长度短，结构紧凑，有利于减少天线的整体尺寸和重量。

波导喇叭平面阵列天线的辐射面和耦合面均由波导微波器件组成，配以波导传输线组成的接收和发射馈电网络，整个天线全部由波导器件组成。

波导器件传输插损小、承载功率大，提高了天线的整机效率，可与大功率放大器配套使用，满足卫星通信高速业务传输需要。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (4)

1.一种双频双极化共口径波导喇叭平面阵列天线，其特征在于，所述波导喇叭平面阵列天线由多个天线单元在平面上以阵列形式排列而形成；每个所述天线单元由方形波导喇叭和波导正交模耦合器组合而成；

所述方形波导喇叭为三层阶梯过渡的方形角锥喇叭；

在每个所述方形波导喇叭的口径上添加了十字栅条；

所述波导正交模耦合器的公共端口的尺寸与所述方形波导喇叭的波导端口尺寸相同；

所述方形波导喇叭和所述波导正交模耦合器均采用了薄壁结构，各自的壁厚为1.5-2.5mm；

所述平面阵列天线的天线口面电场加权函数为泰勒分布函数；

所述波导正交模耦合器为纵向锥变分支结构的正交模耦合器，所述波导正交模耦合器的锥变波导段采用阶梯过渡的方式；

所述波导正交模耦合器包括公共端口、直通端口和耦合分支窗口，沿第一方向，所述波导正交模耦合器具有两个相平行的第一平面，其中一个所述第一平面构成所述公共端口，另一个所述第一平面构成所述直通端口；

沿第二方向，所述波导正交模耦合器具有两个相对的呈阶梯状的台阶连续面，所述台阶连续面包括依次相连的第一面、第二面、第三面、第四面和第五面，所述第一面和所述公共端口相连，所述耦合分支窗口耦合于所述第一面、所述第二面以及所述第三面上，所述耦合分支窗口沿第一方向的两端分别形成有一个台阶槽；

沿第三方向，所述波导正交模耦合器具有两个相平行的第二平面；

所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的波导喇叭平面阵列天线，其特征在于，所述平面阵列天线的天线单元排列方式为平面正方形排列。

3.根据权利要求1所述的波导喇叭平面阵列天线，其特征在于，所述方形波导喇叭、所述十字栅条和所述波导正交模耦合器均由金属材料制成。

4.根据权利要求1所述的波导喇叭平面阵列天线，其特征在于，所述波导喇叭平面阵列天线的外部轮廓尺寸长、宽、高分别为500mm、500mm、51.2mm。