一種雙圓極化天線單元及大間距低柵瓣寬帶平板陣列天線的製作方法

2023-07-11 00:10:57 2

本實用新型設計涉及的領域為電子信息領域，可用於雷達、通信、測控等增益較高，雙極化共用、定向性強的固定波束天線中，為一種高效率的大間距、低柵瓣、寬帶雙圓極化陣列天線，通過擴展，還可用於電子波束掃描的圓極化相控陣天線。

背景技術：

在電子信息系統中，傳統陣列實現大間距低柵瓣的方式有多種，但每一種天線形式具有各自的特色和優缺點，具體表現為以下特點：

1、大間距非周期排布陣列。採用大口徑的天線單元進行非周期組陣，將天線單元波瓣的零深與天線陣列陣因子的柵瓣位置對齊，以進行柵瓣抑制，這種方法在天線帶寬較窄時具有一定的優勢，但天線的帶寬和柵瓣的水平受到天線口徑的限制，柵瓣抑制並不理想，且不利於實現寬帶圓極化信號。

2、不等尺寸單元組成的非周期陣。陣面上採用不同尺寸的單元，排列在同心圓環上，同一個圓環上的輻射單元具有相同的輻射尺寸。這種非周期陣列中採用了單元面積較大，方向性更強的單元，能獲得較高的單元增益，且能減少陣面所需要的單元數目。但是陣列不同部分採用不同的單元間距和不同尺寸的單元，對於大型陣列，其設計和建造會比較複雜。

3、隨機交錯子陣組成的非周期陣。在該種陣面中，同一個子陣的所有單元以等間距規則排列。每個子陣實際結構的選取利用了隨機數產生技術，為陣列的排布引入了非周期性，子陣間距的選取使子陣中心構成有規則的柵格。這種結構減少了單元數目並抑制了柵瓣，口徑效率比較高。但這種陣列結構中單元間距只有半個波長，並且當陣列規模很大時，劃分的子陣數目較多，這種隨機交錯結構可能會增加系統饋電網絡的複雜性。

技術實現要素：

本實用新型具有完全不同於上述幾種圓極化寬波束陣列天線的實現思路，提供一種大單元間距條件下，實現寬帶雙圓極化平板陣列天線，並採用柵瓣抑制措施，可有效的抑制柵瓣，並能克服以上天線中存在的缺點。

為解決以上問題，本實用新型所採用的技術方案為：一種雙圓極化天線單元包括柵瓣抑制隔板4、雙極化輻射腔體5、臺階狀的圓極化隔板移相器3和天線輻射口6，天線輻射口6的底端與雙極化輻射腔體5相連接，雙極化輻射腔體5側壁的中心線上設置有圓極化隔板移相器3，圓極化隔板移相器3將雙極化輻射腔體5的饋電埠分成左旋圓極化饋電埠7和右旋圓極化饋電埠8；柵瓣抑制隔板4為十字交叉排布的金屬膜片，柵瓣抑制隔板4的中心線與天線輻射口6的中心線相重合，柵瓣抑制隔板4的邊緣包絡形狀與天線輻射口6的內壁相同且固定連接在天線輻射口6的內壁上部，柵瓣抑制隔板4的寬度與天線輻射口6的內壁尺寸相同。

其中，所述的天線輻射口6為圓形或者方形的波導開口，包括用於設置柵瓣抑制隔板4的上部和位於柵瓣抑制隔板4與雙極化輻射腔體5之間的過渡段，過渡段為錐形、階梯臺階狀或者圓矩形；用於設置柵瓣抑制隔板4的上部底端通過錐形過渡段、階梯臺階狀過渡段或者圓矩形過渡段與雙極化輻射腔體5相連接。

其中，所述的天線輻射口6的口面尺寸為1.0至2.5倍波長；圓極化隔板移相器3的整體高度為1.0至2.0倍波長。

其中，所述的柵瓣抑制隔板4通過螺接或者焊接方式固定連接在天線輻射口6的內壁。

一種大間距低柵瓣寬帶雙圓極化平板陣列天線，包括m×n個雙圓極化天線單元2和饋電網絡，其中m，n均為大於1的自然數；所述的饋電網絡為雙層微帶、雙層E面波導或者雙層H面波導形式，每一層分別與左旋圓極化饋電埠7和右旋圓極化饋電埠8一一對應相連接。

本實用新型相比背景技術具有如下優點：

1、本實用新型採用金屬波導有利於提高天線的效率。

2、本實用新型利用金屬隔板進行移相，且圓極化埠可自由選擇，可根據不同的極化需求進行設計，軸比帶寬可覆蓋近2倍頻。

3、本實用新型在天線單元的口面加載十字金屬隔板，可實現良好的柵瓣抑制效果，有利於後端饋電網絡的設計。

4、本實用新型天線單元輻射的口面可以是圓形或方形，雙極化輻射腔體到輻射口面的過渡可以是方錐形，方錐與方形結合，圓錐形或者階梯臺形等。

5、天線陣列的實現方式可多樣化，機械加工、焊接、注塑、鑄造等均可以實現該實用新型。

附圖說明

圖1是本實用新型的一種大間距低柵瓣寬帶雙圓極化平板陣列天線兩維示意圖。

圖2是本實用新型的一種大間距低柵瓣寬帶雙圓極化平板陣列天線俯視圖。

圖3是本實用新型的所示方錐與方形口面結合的單元示意圖。

圖4是本實用新型的所示方錐形輻射口面的單元示意圖。

圖5為本實用新型的所示圓矩形輻射口面的單元示意圖。

圖6為本實用新型的所示階梯臺形輻射口面的單元示意圖。

具體實施方式

下面結合圖1至圖6對本實用新型做進一步詳細的說明。

參照圖1至圖6，一種大間距低柵瓣寬帶雙圓極化平板陣列天線1，由m×n個雙圓極化天線單元2組成，其中m，n均為大於1的自然數。雙圓極化天線單元2包括雙極化輻射腔體5、圓極化隔板移相器3、柵瓣抑制隔板4、天線輻射口6、左旋圓極化饋電埠7和右旋圓極化饋電埠8；

圓極化隔板移相器3為一個臺階狀的金屬隔板，位於雙極化輻射腔體5側壁的中心線上，圓極化隔板移相器3的底邊與雙極化輻射腔體5的饋電埠面相交，其底邊長度與饋電埠面的寬度相同；圓極化隔板移相器3將雙極化輻射腔體5的饋電埠分成左旋圓極化饋電埠7和右旋圓極化饋電埠8。

天線輻射口6為圓形或者方形的波導開口，天線輻射口6的底端與雙極化輻射腔體5相連接，天線輻射口6的上部接有柵瓣抑制隔板4；柵瓣抑制隔板4與雙極化輻射腔體5之間為過渡段，過渡段為錐形、階梯臺階或者圓矩形。

柵瓣抑制隔板4為十字交叉排布的金屬膜片，柵瓣抑制隔板4通過螺接、焊接等方式與天線輻射口6的四壁進行連接。

饋電網絡為雙層微帶、雙層E面波導或者雙層H面波導形式，每一層分別與左旋圓極化饋電埠7和右旋圓極化饋電埠8相連接。

天線輻射口6的口面尺寸為1.0至2.5倍波長，被柵瓣抑制隔板4分為4個相同面積的部分，圓極化隔板移相器3的整體高度為1.0至2.0倍波長。

以某頻段衛星通信大間距平板陣列天線的設計為例，採用該實用新型技術後，可以顯著降低柵瓣，並能實現寬帶雙圓極化。設計的天線案例帶寬覆蓋1.5倍頻，單元形式選取如圖3的形式，天線輻射口6的口面尺寸為1.3波長(低頻)到0.87波長(高頻)，柵瓣抑制隔板4的高度為0.5波長(低頻)到0.78波長(高頻)，若採用傳統的陣列排布，則天線陣列合成的柵瓣在整個頻帶內均大於-5dB；採用該技術後，低頻段的柵瓣低於陣列的第一副瓣，高頻段的柵瓣低於-12dB，同時天線陣列軸比特性在帶內均小於1dB，因此採用該技術後大大改善了陣列波束性能。

工作原理

當發射信號時，發射機產生的信號經雙層饋電網絡分別進入左旋圓極化饋電埠7和右旋圓極化饋電埠8。其中，經過左旋圓極化饋電埠7的信號，在波導腔內傳輸，到達圓極化隔板移相器3時，將線極化信號轉化為左旋圓極化信號，由雙極化輻射腔體5輻射到天線輻射口6，經過柵瓣抑制隔板4時，有效降低了大間距時的陣列柵瓣。經過右旋圓極化饋電埠8的信號，在波導腔內傳輸，到達圓極化隔板移相器3時，將線極化信號轉化為右旋圓極化信號，由雙極化輻射腔體5輻射到天線輻射口6，經過柵瓣抑制隔板4時，有效降低了大間距時的陣列柵瓣。

當接收信號時，空間來的圓極化極化信號到達天線輻射口6，經過柵瓣抑制隔板4時，有效降低了大間距時的陣列柵瓣，經過雙極化輻射腔體5中的圓極化隔板移相器3，左旋圓極化轉化為線極化，經由左旋圓極化饋電埠7進入其連接的饋電網絡，實現左旋圓極化信號的接收功能。信號經過雙極化輻射腔體5中的圓極化隔板移相器3，右旋圓極化轉化為線極化，經由右旋圓極化饋電埠8進入其連接的饋電網絡，實現右旋圓極化信號的接收功能。