一種Ka頻段的平板天線陣列的製作方法
2023-04-28 13:32:41
一種Ka頻段的平板天線陣列的製作方法
【專利摘要】本發明一種Ka頻段的平板天線陣列包括：第一層波導功率分配網絡、第二層波導功率分配網絡、喇叭輻射器：其中第一層波導功率分配網絡和第二層波導功率分配網絡由多個波導E面T形結構級聯而成；喇叭輻射器的個數與波導E面T形結構的數量相對應；每個波導E面T形結構有兩個輸出端，喇叭輻射器有兩個輸入端；喇叭輻射器的兩個波導輸入端分別連接第一層波導功率分配網絡與第二層波導功率分配網絡中波導E面T形結構的輸出埠。本發明的天線陣列具有高效率、低剖面、高增益、窄波束、易加工、跨寬頻帶等特點。
【專利說明】一種Ka頻段的平板天線陣列
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種Ka頻段的平板天線陣列，可用作Ka頻段衛星通信系統地面端的靜中通、動中通系統前端，屬於微波天線【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，應用Ka頻段的衛星通信技術擁有其他頻段不具備的優勢，如相比於傳統的Ku頻段通信衛星，Ka頻段衛星能夠支持的通信節點數量遠遠大於Ku頻段。而且，Ka頻段通信衛星具有4倍於Ku頻段衛星的通信帶寬。工作於K a頻段的通信衛星採用點波束後，單個點波束能夠覆蓋250km?100km半徑的區域，能夠提供10?25倍的頻率復用，能夠支持更小巧的終端設備。因此，一顆Ka頻段通信衛星具備相當於20?30顆普通通信衛星的能力。
[0003]衛星通信系統的地面端，較為常見的通信系統前端為反射面形式或平板形式。其中，反射面形式的通信前埠徑效率較低，體積較大，副瓣無法控制，遠區旁瓣差。而目前見諸報導的各種形式的平板天線，口徑效率一直較低(65%以下)，體積也比較大，當有圓極化需求時，天線陣列的厚度將更厚。另外，目前應用中的平板天線重量一直是最大的問題，難以克服。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了一種Ka頻段的平板天線陣列，該天線陣列具有高效率、低剖面、高增益、窄波束、易加工、跨寬頻帶等特點。
[0005]本發明的技術解決方案:
[0006]一種Ka頻段的平板天線陣列包括:第一層波導功率分配網絡、第二層波導功率分配網絡、喇叭輻射器:其中第一層波導功率分配網絡和第二層波導功率分配網絡由多個波導E面T形結構級聯而成；喇叭輻射器的個數與波導E面T形結構的數量相對應；每個波導E面T形結構有兩個輸出端，喇叭輻射器有兩個輸入端；
[0007]喇叭輻射器的兩個波導輸入端分別連接第一層波導功率分配網絡與第二層波導功率分配網絡中波導E面T形結構的輸出埠。
[0008]所述喇叭輻射器包括喇叭輻射器埠、喇叭輻射器側壁、喇叭輻射器饋電埠、波導正交模耦合器、第一調諧塊、方波導側壁饋電埠、側壁波導、第二調諧塊、方波導底面饋電埠、彎波導、彎波導調諧塊；
[0009]喇叭輻射器埠位於喇叭輻射器側壁的前段；喇叭輻射器饋電埠的一端與喇叭輻射器側壁的後端相連；喇叭輻射器饋電埠的另一端與波導正交模耦合器的一端相連；
[0010]第一調諧塊位于波導正交模耦合器內；緊貼在波導正交模耦合器與喇叭輻射器饋電埠相連一端的對側端的內表面以及波導正交模耦合器的側壁內表面；
[0011]第一調諧塊所在的波導正交模耦合器的側壁的對側壁與方波導側壁饋電埠的一端相連；波導正交模耦合器與喇叭輻射器饋電埠相連一端的對側端與方波導底面饋電埠的一端相連；
[0012]側壁波導與方波導側壁饋電埠的另一端相連用於通過方波導側壁饋電埠為波導正交模耦合器饋電；側壁波導寬邊所在平面平行于波導正交模耦合器的側壁所在平面；
[0013]第二調諧塊緊貼在側壁波導與方波導側壁饋電埠相連端的對側端的內表面以及側壁波導輸入埠的對側端的內表面；第二調諧塊長度與側壁直波導的寬邊長度相同；
[0014]彎波導為彎折波導；彎波導與方波導底面饋電埠的另一端相連用於通過方波導底面饋電埠為波導正交模耦合器饋電；彎波導窄邊所在的平面與波導正交模耦合器的側壁所在平面垂直；
[0015]彎波導調諧塊為立方體結構，緊貼彎波導的彎折處的內表面，彎波導調諧塊底面緊貼彎波導的底面，調諧塊的一頂角與彎波導的一個底角重合。
[0016]所述波導E面T形結構包括輸入波導，輸出波導，調諧結構；
[0017]輸入波導以一定形式與輸出波導相互連接,並且輸出波導兩端關於輸入波導的中心線對稱；
[0018]調諧結構為位於輸出波導表面的凹陷結構，其位於輸出波導與輸入波導連接位置對側的表面上；
[0019]每級波導E面T形結構工作在主模模式；所述調諧結構為立方體凹陷結構。
[0020]所述輸入波導與輸出波導相互連接的形式分為三種:
[0021](a)所述輸入波導立方體結構,輸入波導與輸出波導垂直連接,並在輸出波導埠的表面添加調諧臺階，調諧臺階位於調諧結構所在的輸出波導表面一側；所述調諧結構的長為波長，高為十分之一波長，寬為輸出波段寬度；所述調諧臺階的寬為輸出波段寬度，高約為十分之一波長；
[0022](b)所述輸入波導為異形結構，其外輪廓線由兩段相互外切的四分之一圓弧連接組成；同時在輸出波導與輸入波導的連接位置加入新的調節結構；所述調諧結構的長約為二分之一波長，高約為十分之一波長，所述調節結構的寬為輸出波段寬度，高約為十分之一波長;
[0023](C)所述輸入波導梯形結構，輸入波導以非垂直的角度與輸出波導相互連接所述調節結構的寬為輸出波段寬度，高約為十分之一波長；所述調節結構的長約為二十分之一波長，寬為輸出波段寬度，高約為二十分之一波長。
[0024]所述第一層波導功率分配網絡和第二層波導功率分配網絡中的多個波導E面T形結構可以採用輸入波導與輸出波導三種連接形式中的任意一種波導E面T形結構；
[0025]喇叭輻射器的兩個波導輸入端分別與第一層波導功率分配網絡、第二層波導功率分配網絡中波導E面T形結構的輸出埠進行連接的方式如下:第一層波導功率分配網絡、第二層波導功率分配網絡中最後一級的波導E面T形結構的輸出波導分別連接側壁波導和彎波導輸入埠 ；側壁波導和彎波導輸入埠作為喇叭輻射器的兩個波導輸入端。
[0026]所述喇叭輻射器埠為具有一定厚度的導體薄片連接組成的立方體結構；所述喇叭輻射器饋電埠、方波導側壁饋電埠、方波導底面饋電埠為方形埠，高度為1mm。
[0027]所述喇叭輻射器側壁、喇叭輻射器饋電埠、波導正交模耦合器的中心對稱線重八口 ο
[0028]所述波導正交模耦合器為截面為方形的長方體波導；第一調諧塊長度與波導正交模耦合器的方形截面邊長相同。
[0029]本發明與現有技術相比的優點在於:
[0030](I)本發明採用多層天線陣列結構，通過上下兩層跨越極寬頻帶的具有駐波賦形能力多級波導E面T形結級聯組成的功分網絡以及正交模耦合器來實現天線的圓極化工作要求，使得陣列省去了圓極化器的結構，極大的降低了陣列的剖面高度，同時實現了一般天線形式不能達到的覆蓋超寬頻帶的特性，以及實現了該天線陣列具有高效率、低剖面、高增益、窄波束、易加工、跨寬頻帶等特點；同時採用螺釘對各層進行連接，在波導寬邊對稱切開後，可以採用機銑工藝加工，對整機的電性能完全沒有影響，降低了加工難度，減少了加工成本，更適合於大規模生產加工，適用性更強。
[0031](2)本發明通過喇叭輻射器埠和喇叭輻射器側壁組成的喇叭輻射器結構使得耦合進來的電磁場分布更加均勻，進而實現了高口徑效率的喇叭輻射器，本發明喇叭輻射器的口徑效率能夠在較寬的頻帶內達到85 %，遠遠使得天線輻射口面的效率高於傳統的拋物面、平板衛星通信天線。
[0032](3)本發明通過採用新穎簡單的方波導正交模耦合器以及多個調諧塊，省略了傳統正交模耦合器中的電感、膜片等結構，使得加工難度、成本均有大幅度降低，實用性更強，可以適用於各種複雜的安裝環境。
[0033](4)本發明採用跨越極寬頻帶的具有駐波賦形能力多級波導E面T形結級聯組成的功分網絡，具有在整個覆蓋的頻段上邊頻響應良好，中心頻段響應較差的特性，能夠滿足Ka頻段衛星通信系統的工作需求。
[0034](5)本發明的整個功率分配網絡由波導E面T形結級聯而成，結構簡單，同時整個網絡的調諧量均由側壁上凹陷的調諧結構或者突出的調諧臺階調節，不包含探針、膜片等加工難度高的機械結構，使得本發明加工簡單，節省了成本，實用性大大增強。
[0035](6)本發明的整個波導網絡工作在主模式，可以在寬邊中心線處切開進行基於機銑工藝加工，切開後的波導結構依靠螺釘結構連接，而不會影響波導網絡的電性能。
[0036](7)本發明的輸入波導可以採用異形處理，當排布網絡空間有限時，可以對網絡的各部分進行彎折、彎曲等處理方式，大大節省了設計空間，提高了適應性；同時採用異形處理時增加新的調諧結構，能夠適應多種結構，通用性更強，。
[0037](8)本發明在波導輸出埠可以根據需求進行動態調整，該調整所引起的影響採用調節臺階和調諧結構進行調整，這樣該網絡就可以適用於多種應用。
[0038](9)本發明的波導功率分配網絡，當採用彎曲異形處理時，通過增加新的調節結構，既可以做成等幅功分，做成不等幅功分的，以適用於更多應用，適用性更強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1本發明結構組成示意圖；
[0040]圖2為本發明喇叭輻射器結構示意圖；
[0041]圖3為本發明輸入波導和輸出波導垂直連接的結構不意圖；
[0042]圖4為本發明輸入波導和輸出波導彎曲連接的結構示意圖；
[0043]圖5為本發明輸入波導和輸出波導以一定角度連接的結構示意圖；
[0044]圖6為本發明網絡連接結構示意圖。
【具體實施方式】
[0045]下面結合附圖對本發明的工作過程和工作原理做進一步解釋:
[0046]如圖1所示，一種Ka頻段的平板天線陣列包括:第一層波導功率分配網絡、第二層波導功率分配網絡、喇叭輻射器:其中第一層波導功率分配網絡和第二層波導功率分配網絡由多個波導E面T形結構級聯而成；喇叭輻射器的個數與波導E面T形結構的數量相對應；每個波導E面T形結構有兩個輸出端，喇叭輻射器有兩個輸入端；
[0047]喇叭輻射器的兩個波導輸入端分別連接第一層波導功率分配網絡與第二層波導功率分配網絡中波導E面T形結構的輸出埠。
[0048]喇叭輻射器
[0049]如圖2所示，喇叭輻射器包括喇叭輻射器埠 1、喇叭輻射器側壁2、喇叭輻射器饋電埠 3、波導正交模稱合器4、第一調諧塊5、方波導側壁饋電埠 6、側壁波導7、第二調諧塊8、方波導底面饋電埠 9、彎波導10、彎波導調諧塊11 ；
[0050]喇叭輻射器埠 I位於喇叭輻射器側壁2的前段；喇叭輻射器饋電埠 3的一端與喇叭輻射器側壁2的後端相連；喇叭輻射器饋電埠 3的另一端與波導正交模耦合器4的一端相連；
[0051]第一調諧塊5位于波導正交模I禹合器4內；緊貼在波導正交模I禹合器4與喇機福射器饋電埠 3相連一端的對側端的內表面以及波導正交模耦合器4的側壁內表面；
[0052]第一調諧塊5所在的波導正交模耦合器4的側壁的對側壁與方波導側壁饋電埠6的一端相連；波導正交模稱合器4與喇ΠΛ福射器饋電埠 3相連一端的對側端與方波導底面饋電埠9的一端相連；
[0053]側壁波導7與方波導側壁饋電埠 6的另一端相連用於通過方波導側壁饋電埠6為波導正交模耦合器4饋電；側壁波導7寬邊所在平面平行于波導正交模耦合器4的側壁所在平面；
[0054]第二調諧塊8緊貼在側壁波導7與方波導側壁饋電埠 6相連端的對側端的內表面以及側壁波導7輸入埠的對側端的內表面；第二調諧塊8長度與側壁直波導7的寬邊長度相同；
[0055]彎波導10為彎折波導；彎波導10與方波導底面饋電埠 9的另一端相連用於通過方波導底面饋電埠 9為波導正交模耦合器4饋電；彎波導10窄邊所在的平面與波導正交模耦合器4的側壁所在平面垂直；
[0056]彎波導調諧塊11為立方體結構，緊貼彎波導10的彎折處的內表面，彎波導調諧塊11底面緊貼彎波導10的底面，調諧塊11的一頂角與彎波導的一個底角重合。
[0057]喇叭輻射器埠 I為具有一定厚度的導體薄片連接組成的立方體結構；喇叭輻射器饋電埠 3、方波導側壁饋電埠 6、方波導底面饋電埠 9為方形埠，高度為1mm。
[0058]喇叭輻射器側壁2、喇叭輻射器饋電埠 3、波導正交模耦合器4的中心對稱線重八口 ο
[0059]波導正交模稱合器4為截面為方形的長方體波導；第一調諧塊5長度與波導正交模耦合器4的方形截面邊長相同。
[0060]波導功率分配網絡
[0061]如圖6所示，波導功率分配網絡由多級波導E面T形結構級聯而成，前一級波導E面T形結構的輸出端連接後一級波導E面T形結構的輸入端；
[0062]波導E面T形結構包括輸入波導12，輸出波導13，調諧結構14 ；
[0063]輸入波導12以一定形式與輸出波導13相互連接,並且輸出波導14兩端關於輸入波導12的中心線對稱；
[0064]調諧結構14為位於輸出波導13表面的凹陷結構,其位於輸出波導13與輸入波導12連接位置對側的表面上；
[0065]每級波導E面T形結構工作在主模模式；所述調諧結構14為立方體凹陷結構。
[0066]輸入波導12與輸出波導13相互連接的形式分為三種:
[0067](a)如圖3所不,輸入波導立方體結構,輸入波導12與輸出波導13垂直連接,並在輸出波導13埠的表面添加調諧臺階15，調諧臺階15位於調諧結構14所在的輸出波導13表面一側；所述調諧結構14的長為波長，高為十分之一波長，寬為輸出波段寬度；所述調諧臺階15的寬為輸出波段寬度，高約為十分之一波長；
[0068]將調諧臺階15的高度值進行固定，然後對調諧結構14的尺寸進行優選，關注工作頻段內典型頻點的駐波值，過程如表1所示。
[0069]表1調諧結構3尺寸對應的回波值變化(VSWR)
[0070]
【權利要求】
1.一種Ka頻段的平板天線陣列，其特徵在於包括:第一層波導功率分配網絡、第二層波導功率分配網絡、喇叭輻射器:其中第一層波導功率分配網絡和第二層波導功率分配網絡由多個波導E面T形結構級聯而成；喇叭輻射器的個數與波導E面T形結構的數量相對應；每個波導E面T形結構有兩個輸出端，喇叭輻射器有兩個輸入端； 喇叭輻射器的兩個波導輸入端分別連接第一層波導功率分配網絡與第二層波導功率分配網絡中波導E面T形結構的輸出埠。
2.根據權利要求1所述的一種Ka頻段的平板天線陣列，其特徵在於:所述喇叭輻射器包括喇叭輻射器埠(I)、喇叭輻射器側壁(2)、喇叭輻射器饋電埠(3)、波導正交模耦合器(4)、第一調諧塊(5)、方波導側壁饋電埠(6)、側壁波導(7)、第二調諧塊(8)、方波導底面饋電埠(9)、彎波導(10)、彎波導調諧塊(11)； 喇叭輻射器埠(I)位於喇叭輻射器側壁(2)的前段；喇叭輻射器饋電埠(3)的一端與喇叭輻射器側壁(2)的後端相連；喇叭輻射器饋電埠(3)的另一端與波導正交模耦合器(4)的一端相連； 第一調諧塊(5)位于波導正交模耦合器(4)內；緊貼在波導正交模耦合器(4)與喇叭輻射器饋電埠(3)相連一端的對側端的內表面以及波導正交模耦合器(4)的側壁內表面； 第一調諧塊(5)所在的波導正交模耦合器(4)的側壁的對側壁與方波導側壁饋電埠(6)的一端相連；波導正交模I禹合器(4)與喇機福射器饋電埠 3相連一端的對側端與方波導底面饋電埠(9)的一端相連； 側壁波導(7)與方波導側壁饋電埠(6)的另一端相連用於通過方波導側壁饋電埠(6)為波導正交模耦合器(4)饋電；側壁波導(7)寬邊所在平面平行于波導正交模耦合器(4)的側壁所在平面； 第二調諧塊(8)緊貼在側壁波導(7)與方波導側壁饋電埠(6)相連端的對側端的內表面以及側壁波導(7)輸入埠的對側端的內表面；第二調諧塊(8)長度與側壁直波導(7)的寬邊長度相同； 彎波導(10)為彎折波導；彎波導(10)與方波導底面饋電埠(9)的另一端相連用於通過方波導底面饋電埠(9)為波導正交模耦合器(4)饋電；彎波導(10)窄邊所在的平面與波導正交模耦合器(4)的側壁所在平面垂直； 彎波導調諧塊(11)為立方體結構，緊貼彎波導(10)的彎折處的內表面，彎波導調諧塊(11)底面緊貼彎波導(10)的底面，調諧塊(11)的一頂角與彎波導的一個底角重合。
3.根據權利要求1所述的一種Ka頻段的平板天線陣列，其特徵在於:所述波導E面T形結構包括輸入波導(12)，輸出波導(13)，調諧結構(14)； 輸入波導(12)以一定形式與輸出波導(13)相互連接,並且輸出波導(14)兩端關於輸入波導(12)的中心線對稱； 調諧結構(14)為位於輸出波導(13)表面的凹陷結構,其位於輸出波導(13)與輸入波導(12)連接位置對側的表面上； 每級波導E面T形結構工作在主模模式；所述調諧結構(14)為立方體凹陷結構。
4.根據權利要求3所述的一種Ka頻段的平板天線陣列，其特徵還在於:所述輸入波導(12)與輸出波導(13)相互連接的形式分為三種: (a)所述輸入波導立方體結構，輸入波導(12)與輸出波導(13)垂直連接,並在輸出波導(13)埠的表面添加調諧臺階(15)，調諧臺階(15)位於調諧結構(14)所在的輸出波導(13)表面一側；所述調諧結構(14)的長為波長，高為十分之一波長，寬為輸出波段寬度；所述調諧臺階15的寬為輸出波段寬度，高約為十分之一波長； (b)所述輸入波導(12)為異形結構，其外輪廓線由兩段相互外切的四分之一圓弧連接組成；同時在輸出波導(13)與輸入波導(12)的連接位置加入新的調節結構(16);所述調諧結構(14)的長約為二分之一波長，高約為十分之一波長，所述調節結構(16)的寬為輸出波段寬度，高約為十分之一波長； (c)所述輸入波導梯形結構，輸入波導(12)以非垂直的角度與輸出波導(13)相互連接所述調節結構(16)的寬為輸出波段寬度，高約為十分之一波長；所述調節結構(14)的長約為二十分之一波長，寬為輸出波段寬度，高約為二十分之一波長。
5.根據權利要求4所述的一種用於Ka頻段的平板陣列天線單元，其特徵在於:所述第一層波導功率分配網絡和第二層波導功率分配網絡中的多個波導E面T形結構可以採用輸入波導與輸出波導三種連接形式中的任意一種波導E面T形結構； 喇叭輻射器的兩個波導輸入端分別與第一層波導功率分配網絡、第二層波導功率分配網絡中波導E面T形結構的輸出埠進行連接的方式如下:第一層波導功率分配網絡、第二層波導功率分配網絡中最後一級的波導E面T形結構的輸出波導(13)分別連接側壁波導(7)和彎波導(10)輸入埠 ；側壁波導(7)和彎波導(10)輸入埠作為喇叭輻射器的兩個波導輸入端。
6.根據權利要求2所述的一種Ka頻段的平板天線陣列，其特徵在於:所述喇叭輻射器埠(I)為具有一定厚度的導體薄片連接組成的立方體結構；所述喇叭輻射器饋電埠(3)、方波導側壁饋電埠(6)、方波導底面饋電埠(9)為方形埠，高度為1mm。
7.根據權利要求2所述的一種Ka頻段的平板天線陣列，其特徵在於:所述喇叭輻射器側壁(2)、喇叭輻射器饋電埠(3)、波導正交模耦合器(4)的中心對稱線重合。
8.根據權利要求2所述的一種Ka頻段的平板天線陣列，其特徵在於:所述波導正交模耦合器(4)為截面為方形的長方體波導；第一調諧塊(5)長度與波導正交模耦合器(4)的方形截面邊長相同。
【文檔編號】H01Q13/02GK104201477SQ201410412631
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月20日 優先權日:2014年8月20日
【發明者】史永康, 李鵬飛, 王奇偉, 劉昊 申請人:北京遙測技術研究所, 航天長徵火箭技術有限公司