CN111355024A - 一种宽频双圆极化平板卫星天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星天线技术领域，尤其涉及一种宽频双圆极化平板卫星天线，包括双线极化平板卫星天线和具有90°相位差的3dB等功分电桥，具有90°相位差的3dB等功分电桥与双线极化平板卫星天线的总端口相集成，具有90°相位差的3dB等功分电桥用于双圆极化信号和双线极化信号的转换。本发明进一步增加双圆极化平板波导阵卫星天线的工作带宽和增益，降低了平板卫星天线的轮廓高度，优化平板卫星天线的馈电网络结构，提高天线口面辐射效率。

Description

一种宽频双圆极化平板卫星天线

技术领域

本发明涉及卫星天线技术领域，尤其涉及一种低轮廓高度、宽频带(11.0～14.9GHz)、双圆极化平板卫星天线，适用于固定安装或者移动载体(如车载、机载、船载等)装配的卫星通信天线。

背景技术

卫星通信具有多址联接功能、覆盖范围广、传输频带宽、通信容量大、通信稳定性好、质量高等优点。卫星通信对于海洋、沙漠、草原等地广人稀，通信设施不完善地区具有至关重要的作用，而且正在快速发展的低轨卫星群与蜂窝通信技术相融合的技术特征也越来越明显。因此，在固定或者移动载体上随时随地和卫星进行通信，已成为应急通信、实时通信的迫切需求。移动载体的卫星移动通信系统往往又称为“动中通”，其核心技术之一就是卫星天线技术。动中通的天线形式包括抛物反射面天线、相控阵天线、平板波导阵列天线，以及透镜天线等。在移动载体上的卫星天线不仅要求天线有很好的电性能，同时要求整个系统体积小、轮廓高度低、重量轻。而传统的反射抛物面天线的主要缺点就是体积和重量大，快速运动情境下的风阻较大、搜星速度较慢；相控阵卫星天线的体积和高度都很理想，但其电扫描的增益在大角度扫描时损失较大、制造及维护成本高昂，民用市场难以承受；相对而言，平板波导阵列天线具备轮廓高度低、天线口面效率高、重量相对较轻，搜索速度快的优势，非常适合在动中通卫星通信系统中使用。

目前国际市场的平板波导阵列天线主要由韩国的IDOIT公司占据，该公司在专利PCT/KR2008/001008的PCT/KR2008/005145中发布了一种波导喇叭天线阵平板天线。其辐射层采用具有内收倾斜面特征的喇叭状波导，为保证波导天线的增益和工作带宽，该天线单元采用了坡度较缓的倾斜口面来实现其馈电口与辐射口的阻抗匹配，该设计使得天线的总体轮廓高度比较厚，而且较大尺寸的喇叭辐射口使得天线总体的辐射方向图有较差的旁瓣。其后，IDOIT公司提出了一种改进方案，即在专利PCT/KR2008/003036中公布了一种在喇叭波导口面加装金属网格的方案，该设计增加了产品复杂度和生产成本。另外，IDOIT公司在这些平板波导阵列天线的专利中也公布了波导馈电网络，这些波导网络的电磁通道较为狭窄，对于实际加工和电镀生产都很困难，且其若干设计细节也使得平板天线的工作带宽受到了限制。

美国专利NO.5,872,545公布了一种多层平板堆叠的微波天线，其基本结构有三层，一层为开口辐射单元阵列，两层为馈电网络层，馈电网络层允许两路交叉极化信号的接收。馈电网络层可以是微带线，平行波导，传输线，或者是它们的组合。美国Raysat公司在专利PCT/BG2004/000011，US 7,307,586 B2和US 2006/0152414 A1中公布了一种平板卫星天线，该天线通过堆叠多层开口金属板形成辐射通道，再利用上下间隔分离的两层微带线进行双极化馈电，并将初级放大器和LNB直接集成于天线面板后部，结构紧凑，但是微带线馈电的介质损耗大，天线辐射效率也较低。

德国QEST公司在专利PCT/EP2010/002645和PCT/EP2013/001923中公布了一种喇叭天线阵平板卫星天线，通过对喇叭天线单元加载对称脊扩展了工作带宽，在喇叭内设计多个台阶实现天线与空气的阻抗匹配。QEST公司在专利PCT/EP2013/001939中进一步公布了综合运用悬置微带线和波导网络进行馈电的方式，结构复杂，总体厚度较大。

四川睿迪澳科技有限公司在专利CN209056613U中公开了一种圆极化波导阵列天线，该方案包括多模腔体、开口波导和馈电波导这三种基本结构，其多模腔体连接有多个金属移相装置来实现圆极化，结构相对复杂，天线口面效率以及工作频带宽度也相对较低。电子科技大学在专利CN106356640B中公布了一种宽带双圆极化平板波导阵列天线，包括从上往下依次层叠的辐射口径、谐振腔、馈电方波导、圆极化器、双极化馈电网络和标准波导过渡接口，其-10dB中心带宽为16％，天线效率约为60％，该方案的潜力已经挖得较为充分。但还有进步空间厚度较大，其水平极化和垂直极化均采用波导馈电方式，但其水平极化的辐射是由垂直极化波进行极化旋转得来，结构较为复杂，且存在转极化损耗。南京安天纳通信技术有限公司在专利CN107871935A中公布了一种双极化收发公用波导阵列天线，该天线包括若干个宽带双极化天线子阵列和极化调整装置，其天线子阵及馈电网络的工作带宽和口面效率得到了一定提高，但该方案还没有充分挖掘出其优异的电性能，也没有应用于双圆极化天线设计。

总之，提高卫星天线的增益和工作带宽，同时降低卫星天线的轮廓高度是卫星天线设计领域的永恒目标。

发明内容

本发明提供一种宽频双圆极化平板卫星天线，进一步增加双圆极化平板波导阵卫星天线的工作带宽(达到30％的中心带宽)和增益，进一步降低平板卫星天线的轮廓高度(做到目前业界最低厚度<48mm)，优化平板卫星天线的馈电网络结构，提高天线口面辐射效率(接近100％)。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种宽频双圆极化平板卫星天线，包括双线极化平板卫星天线和具有90°相位差的3dB等功分电桥，具有90°相位差的3dB等功分电桥与双线极化平板卫星天线的总端口相集成，具有90°相位差的3dB等功分电桥用于双圆极化信号和双线极化信号的转换。

作为本发明的优化方案，双线极化平板卫星天线包括从上到下依次安装的天线罩层、开口辐射波导阵列层和网络馈电层，网络馈电层包括水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层。

作为本发明的优化方案，宽频双圆极化平板卫星天线的厚度＜48mm。

作为本发明的优化方案，开口辐射波导阵列层由若干个波导辐射单元组成，单个波导辐射单元包括开口波导单元的上口面、亚波长辐射开口、金属台柱和矩形谐振腔和内径缩小的谐振腔，矩形谐振腔设置在开口波导单元的上口面的下方，金属台柱设置在波导辐射单元的中心，内径缩小的谐振腔设置在矩形谐振腔的下方，金属台柱用于增加矩形谐振腔和开口波导单元的上口面的阻抗匹配。

作为本发明的优化方案，水平极化馈电网络层包括水平极化耦合腔、水平极化四单元天线子阵的波导传输口、内径缩小的水平极化耦合腔、第一水平极化传输口、第二水平极化传输口、末级一分二功率分配波导网络和四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络，末级一分二功率分配波导网络通过水平矩形狭缝将水平极化电磁波耦合到与自身相连的水平极化耦合腔中，水平矩形狭缝设置在水平极化耦合腔的侧壁上。

作为本发明的优化方案，垂直极化馈电网络层包括垂直极化耦合腔、垂直极化四单元天线子阵的波导传输口、内径缩小的垂直极化耦合腔、第一垂直极化传输口、第二垂直极化传输口、末级一分二功率分配波导网络和四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络，末级一分二功率分配波导网络通过垂直矩形狭缝将垂直极化电磁波耦合到与自身相连的垂直极化耦合腔中，垂直矩形狭缝设置在垂直极化耦合腔的侧壁上。

作为本发明的优化方案，宽频双圆极化平板卫星天线包括水平极化馈电总口和垂直极化馈电总口，水平极化信号通过若干级功分网络汇聚到水平极化馈电总口，垂直极化信号通过若干级功分网络汇聚到垂直极化馈电总口，水平极化信号和垂直极化信号通过具有90°相位差的3dB等功分电桥进行极化合成，输出为双圆极化信号。

本发明具有积极的效果：1)本发明通过将具有90°相位差的3dB等功分电桥与双线极化平板卫星天线集成，实现了双线极化与双圆极化电磁波信号的相互转化。现有的设计通过在波导中加载圆极化器来实现圆极化转换，其带宽和效率必然受限。因此本发明在工作频带(30％中心带宽)和天线辐射效率(约为100％)方面明显优于其它设计；

2)本发明将天线罩对波导阵列天线性能的影响考虑在内，使其不仅仅作为天线的防护件，更成为电性能功能件，提高了天线的增益，其轮廓厚度为目前业界最薄。

3)本发明中的水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层结构原理简单、沟道光滑、无尖锐凸起，传输损耗低和工作带宽，并可进一步降低设计生产成本。

4)本发明加载了金属台柱，进一步拓展了波导辐射单元的匹配阻抗带宽，使其可以覆盖更宽的卫星频段。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是具有90°相位差的3dB等功分电桥的结构示意图；

图3是双线极化平板卫星天线的结构示意图；

图4是开口辐射波导阵列层的俯视图；

图5是开口辐射波导阵列层的结构示意图；

图6是开口辐射波导阵列层的透视图；

图7是水平极化馈电网络层的结构示意图；

图8是水平极化馈电网络层的俯视图；

图9是垂直极化馈电网络层的结构示意图；

图10是垂直极化馈电网络层的俯视图；

图11是本发明的背面结构示意图；

图12是本发明天线的驻波比曲线；

图13是本发明天线的两个端口之间的隔离度；

图14是本发明天线的轴比带宽图；

图15是本发明天线的左旋极化及其交叉极化的增益曲线；

图16是本发明天线的右旋极化及其交叉极化的增益曲线。

其中：1、双线极化平板卫星天线，2、具有90°相位差的3dB等功分电桥，11、天线罩层，12、开口辐射波导阵列层，131、水平极化馈电网络层，132、垂直极化馈电网络层，121、开口波导单元的上口面，122、亚波长辐射开口，123、金属台柱，124、矩形谐振腔，125、内径缩小的谐振腔，1311、水平极化耦合腔，1312、水平极化四单元天线子阵的波导传输口，1313、内径缩小的水平极化耦合腔，1314、第一水平极化传输口，1315、第二水平极化传输口，1316、末级一分二功率分配波导网络，1317、四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络，1321、垂直极化耦合腔，1324、第一垂直极化传输口，1325、第二垂直极化传输口，1326、末级一分二功率分配波导网络，1327、四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络，3、水平极化馈电总口，4、垂直极化馈电总口。

具体实施方式

如图1-11所示，本发明公开了一种宽频双圆极化平板卫星天线，包括双线极化平板卫星天线1和具有90°相位差的3dB等功分电桥2，具有90°相位差的3dB等功分电桥2与双线极化平板卫星天线1的总端口相集成，具有90°相位差的3dB等功分电桥2用于双圆极化信号和双线极化信号的转换。其中，双线极化信号为水平极化电磁波信号和垂直极化电磁波信号。双圆极化信号为左旋极化电磁波信号和右旋极化电磁波信号。具有90°相位差的3dB等功分电桥2工作频宽要优于天线原带宽，插入损耗要尽可能小，形成90°相位差的时候，要求端口驻波性能优良，左旋圆极化和右旋圆极化之间的隔离度性能优良；另外，还要体积小，易于产品整体集成。

如图3所示，双线极化平板卫星天线1包括从上到下依次安装的天线罩层11、开口辐射波导阵列层12和网络馈电层，网络馈电层包括水平极化馈电网络层131和垂直极化馈电网络层132。其中：天线罩层11的厚度是非均匀设计，用于改善天线方向图特性。

如图4-6所示，开口辐射波导阵列层12由若干个波导辐射单元组成，单个波导辐射单元包括开口波导单元的上口面121、亚波长辐射开口122、金属台柱123和矩形谐振腔124和内径缩小的谐振腔125，矩形谐振腔124设置在开口波导单元的上口面121的下方，金属台柱123设置在波导辐射单元的中心，内径缩小的谐振腔125设置在矩形谐振腔124的下方，金属台柱123用于增加矩形谐振腔124和开口波导单元的上口面121的阻抗匹配。其中，开口波导单元的上口面121通常呈现方形或圆形，也可以设计为六边形或其它带有倒角的对称规则结构。为了增加天线增益和降低辐射方向图的副瓣电平，开口波导单元的上口面121进一步剖分为2×2个亚波长辐射开口122(～λ₀，λ₀为中心频率对应的自由空间波长)，亚波长辐射开口122也通常呈方形或圆形，也可以设计为六边形、八边形或其带有倒角的对称规则结构。

开口波导单元的上口面121剖分为四个亚波长辐射开口122，也可以剖分为其他形状的网格，如四边形、六边形、八边形或其带有倒角的上述结构，矩形谐振腔124的腔壁为垂直金属壁，为便于波导单元组阵和卫星天线生产，本发明的实施例对矩形的四个直角采取了倒角处理。金属台柱123通常呈圆柱、方柱状等对称规则形状。

如图7-8所示，水平极化馈电网络层131包括水平极化耦合腔1311、水平极化四单元天线子阵的波导传输口1312、内径缩小的水平极化耦合腔1313、第一水平极化传输口1314、第二水平极化传输口1315、末级一分二功率分配波导网络1316和四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络1317，末级一分二功率分配波导网络1316通过水平矩形狭缝将水平极化电磁波耦合到与自身相连的水平极化耦合腔1311中，水平矩形狭缝设置在水平极化耦合腔1311的侧壁上。通过使用水平矩形狭缝传输，使整体具有低剖面的优点。

如图9-10所示，垂直极化馈电网络层132包括垂直极化耦合腔1321、垂直极化四单元天线子阵的波导传输口、内径缩小的垂直极化耦合腔、第一垂直极化传输口1324、第二垂直极化传输口1325、末级一分二功率分配波导网络1326和四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络1327，末级一分二功率分配波导网络1326通过垂直矩形狭缝将垂直极化电磁波耦合到与自身相连的垂直极化耦合腔1321中，垂直矩形狭缝设置在垂直极化耦合腔1321的侧壁上。通过使用垂直矩形狭缝传输，使整体具有低剖面的优点。

垂直极化耦合腔1321与水平极化耦合腔1311接口处是不连续结构。水平极化电磁波在垂直极化耦合腔1321是倏逝波，在垂直极化波导馈电网络中不能传播；同理，垂直极化电磁波在水平极化波导馈电网络中也不能传播。其中，水平极化馈电网络层131与垂直极化馈电网络层132可以交换位置。

如图11所示，宽频双圆极化平板卫星天线包括水平极化馈电总口3和垂直极化馈电总口4，水平极化信号通过若干级功分网络汇聚到水平极化馈电总口3，垂直极化信号通过若干级功分网络汇聚到垂直极化馈电总口4，水平极化信号和垂直极化信号通过具有90°相位差的3dB等功分电桥2进行极化合成，输出为双圆极化信号。该电桥使得左侧输入的水平极化波和垂直极化波具有90°相位差，从而在右侧输出端得到左旋极化波或者右旋极化波；反之亦然。

电磁信号进入水平极化耦合腔1311和内径缩小的水平极化耦合腔1313，筛选出来的水平极化信号从水平极化四单元天线子阵的波导传输口1312进入水平极化馈电网络；同理，另外两个水平极化信号从水平极化四单元天线子阵的波导传输口1312也进入水平极化馈电网络，并通过末级一分二功率分配波导网络1316进行合成，进入单元天线子阵的一分二功率分配波导网络1317，进而输入到水平极化馈电总口3。

电磁信号经过水平极化耦合腔1311筛选后，进入垂直极化耦合腔1321，水平极化信号在此耦合腔内是倏逝波，不能进行传播。经过垂直极化耦合腔1321筛选出来的垂直极化信号从垂直极化四单元天线子阵的波导传输口进入垂直极化馈电网络；同理，另外两个垂直极化信号从第一垂直极化传输口1324和第二垂直极化传输口1325进入垂直极化馈电网络，并通过末级一分二功率分配波导网络1326进行合成，进入四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络1327，进而输入到垂直极化馈电总口4。在水平极化耦合腔1311的下方是垂直极化耦合腔1321。

水平极化馈电网络层131可设计为垂直极化、垂直极化馈电网络层132也可设计为水平极化，只要极化方式对应即可，另外网络馈电层的实现方式也包括波导、微带线、悬置带线等不同形式。

上述工作机理的表述是以接收电磁信号为例，反之，当宽频双圆极化平板卫星天线用于发射电磁信号时，圆极化电磁波信号通过有90°相位差的3dB等功分电桥2极化分解为水平极化和垂直极化电磁波进入水平极化馈电总口3和垂直极化馈电总口4，并通过若干级一分二功分网络分配到每个波导辐射单元进行辐射。

图12是本发明宽频双圆极化平板卫星天线的驻波比曲线，该天线工作于Ku波段，在12.25～14.75GHz的回波损耗都低于-20dB；而在其典型收发频段12.25～12.75GHz，14.0～14.5GHz处的回波损耗更是低于-25dB。

图13是本发明宽频双圆极化平板卫星天线的两个端口之间的隔离度。在Ku波段的典型收发频段12.25～12.75GHz，14.0～14.5GHz处的隔离度都低于-20dB。

图14本发明宽频双圆极化平板卫星天线的轴比带宽图。在Ku频段的12.00～14.75GHz处的轴比都低于2，具有良好的圆极化特性。

图15是本发明宽频双圆极化平板卫星天线的左旋极化及其交叉极化的增益曲线。在Ku波段的典型收发频段12.25～12.75GHz，14.0～14.5GHz处的交叉极化比大于35dB。

图16是本发明宽频双圆极化平板卫星天线的右旋极化及其交叉极化的增益曲线。在Ku波段的典型收发频段12.25～12.75GHz，14.0～14.5GHz处的交叉极化比大于35dB；充分验证了本发明的有效性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽频双圆极化平板卫星天线，其特征在于：包括双线极化平板卫星天线(1)和具有90°相位差的3dB等功分电桥(2)，所述的具有90°相位差的3dB等功分电桥(2)与双线极化平板卫星天线(1)的总端口相集成，所述的具有90°相位差的3dB等功分电桥(2)用于双圆极化信号和双线极化信号的转换。

2.根据权利要求1所述的一种宽频双圆极化平板卫星天线，其特征在于：所述的双线极化平板卫星天线(1)包括从上到下依次安装的天线罩层(11)、开口辐射波导阵列层(12)和网络馈电层，所述的网络馈电层包括水平极化馈电网络层(131)和垂直极化馈电网络层(132)。

3.根据权利要求2所述的一种宽频双圆极化平板卫星天线，其特征在于：所述宽频双圆极化平板卫星天线的厚度＜48mm。

4.根据权利要求2或3所述的一种宽频双圆极化平板卫星天线，其特征在于：所述的开口辐射波导阵列层(12)由若干个波导辐射单元组成，单个波导辐射单元包括开口波导单元的上口面(121)、亚波长辐射开口(122)、金属台柱(123)、矩形谐振腔(124)和内径缩小的谐振腔(125)，矩形谐振腔(124)设置在开口波导单元的上口面(121)的下方，所述的金属台柱(123)设置在波导辐射单元的中心，内径缩小的谐振腔(125)设置在矩形谐振腔(124)的下方，所述的金属台柱(123)用于增加矩形谐振腔(124)和开口波导单元的上口面(121)的阻抗匹配。

5.根据权利要求4所述的一种宽频双圆极化平板卫星天线，其特征在于：所述的水平极化馈电网络层(131)包括水平极化耦合腔(1311)、水平极化四单元天线子阵的波导传输口(1312)、内径缩小的水平极化耦合腔(1313)、第一水平极化传输口(1314)、第二水平极化传输口(1315)、末级一分二功率分配波导网络(1316)和四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络(1317)，末级一分二功率分配波导网络(1316)通过水平矩形狭缝将水平极化电磁波耦合到与自身相连的水平极化耦合腔(1311)中，所述的水平矩形狭缝设置在水平极化耦合腔(1311)的侧壁上。

6.根据权利要求5所述的一种宽频双圆极化平板卫星天线，其特征在于：所述的垂直极化馈电网络层(132)包括垂直极化耦合腔(1321)、垂直极化四单元天线子阵的波导传输口、内径缩小的垂直极化耦合腔、第一垂直极化传输口(1324)、第二垂直极化传输口(1325)、末级一分二功率分配波导网络(1326)和四单元天线子阵的一分二功率分配波导网络(1327)，末级一分二功率分配波导网络(1326)通过垂直矩形狭缝将垂直极化电磁波耦合到与自身相连的垂直极化耦合腔(1321)中，所述的垂直矩形狭缝设置在垂直极化耦合腔(1321)的侧壁上。

7.根据权利要求6所述的一种宽频双圆极化平板卫星天线，其特征在于：所述的宽频双圆极化平板卫星天线包括水平极化馈电总口(3)和垂直极化馈电总口(4)，水平极化信号通过若干级功分网络汇聚到水平极化馈电总口(3)，垂直极化信号通过若干级功分网络汇聚到垂直极化馈电总口(4)，水平极化信号和垂直极化信号通过具有90°相位差的3dB等功分电桥(2)进行极化合成，输出双圆极化信号。

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