CN102738585B - 一种收发共用双线极化波导阵列天线 - Google Patents

一种收发共用双线极化波导阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种收发共用双线极化波导阵列天线，包括双极化天线单元和波导馈电网络，所述的双极化天线单元由辐射口、主波导、过渡波导、垂直极化波导、水平极化波导和极化转换波导组成。本发明利用水平极化与垂直极化共用同一孔径的方法，提高天线的孔径利用效率，水平极化与垂直极化均采用波导馈电方式，减小了馈电网络的损耗，具有很高天线效率，对辐射单元的两个极化，采用了同一极化的馈电方式，其中垂直极化为直接馈电，而对于水平极化的辐射，采用垂直极化馈电，通过波导阶梯过渡以及缝隙耦合的方式实现了辐射的极水平极化。

Description

一种收发共用双线极化波导阵列天线
技术领域
本发明设计涉及的技术领域不仅仅在通信领域，在电子对抗、雷达、遥感等也具有相当的应用背景。本发明特别适用于制造低轮廓卫星移动通信、雷达以及其他***中的双线极化阵列天线，也特别适用于双线极化一维或者两维相控阵天线或极化角可调的线极化阵列天线。
背景技术
目前在通信***中使用的双线极化天线或相控阵天线有以下几种形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。
1、利用两个方向的波导缝隙阵列天线可以形成双线极化天线，但是两个极化的天线无法共用孔径，因此孔径利用率低，并且无法用作相控阵天线。
2、利用波导宽边缝隙天线与窄边缝隙天线形式实现双线极化共用的孔径，但是两者一体化设计后，组阵间距至少为波导的宽边与窄边之和，如果用作相控阵天线，则无法满足扫描范围的要求，因此无法用作相控阵天线。
3、利用微带阵列形式可以形成共用孔径双线极化阵列天线，但是由于微带天线效率较低和微带馈电网络损耗较大，因此其效率较低。
4、利用窄边波导裂缝天线以及窄边波导壁组成喇叭天线实现双极化的阵列天线形式，这列天线效率相对较低，组装难度较大，工序稍显繁琐，做为相控阵天线使用时，只能实现一维相扫功能，不能实现两维扫描。
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，提供一种高效率、低损耗的双线极化阵列天线。
本发明所采用的技术方案为：
一种收发共用双线极化波导阵列天线，包括双极化天线单元和波导馈电网络，所述的双极化天线单元10由辐射口1、主波导2、过渡波导4、垂直极化波导5、水平极化波导9和极化转换波导7组成；主波导2的上端与辐射口1相连，主波导2的下端与过渡波导4的上端相连，过渡波导4的下端与垂直极化波导5相连；水平极化波导9与极化转换波导7的侧端口相连，极化转换波导7通过设置在主波导2侧壁的耦合缝隙6与主波导2相连通。
其中，在主波导2的腔体内的下部设置有极化片3。
其中，在水平极化波导9的顶部设置有用于调节信号电压驻波比的匹配块8。
其中，所述的阵列天线由M×N个双极化天线单元组成，M和N为自然数。
其中，辐射口1的口面尺寸为0.65至0.75倍波长，主波导2的截面尺寸为0.55至0.65倍波长；垂直极化波导5的馈电端口宽边尺寸为0.55至0.65倍波长，窄边尺寸0.15至0.2倍波长；水平极化波导9的馈电端口宽边尺寸为0.63至0.78倍波长；耦合缝隙6的长度尺寸为0.28至0.35倍波长，宽度尺寸0.08至0.1倍波长。
其中，所述的波导馈电网络为实现两个极化馈电的H-T双层波导槽洗结构，双总口的宽边尺寸均为0.63至0.78倍波长；窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长。
其中，所述的波导馈电网络由与射频总口相连接的一级垂直极化功分器、一级水平极化功分器和与双极化天线单元10相连接的二级垂直极化功分器、二级水平极化功分器组成；M个垂直极化波导与一个二级垂直极化功分器相连接，M个水平极化波导与一个二级水平极化功分器相连接；N个二级垂直极化功分器与一个一级垂直极化功分器相连接，N个二级水平极化功分器与一个一级水平极化功分器相连接。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1、本发明利用水平极化与垂直极化共用同一孔径的方法，提高天线的孔径利用效率。
2、本发明的水平极化与垂直极化均采用波导馈电方式，减小了馈电网络的损耗，具有很高天线效率。
3、本发明中，对辐射单元的两个极化，采用了同一极化的馈电方式，其中垂直极化为直接馈电，而对于水平极化的辐射，采用垂直极化馈电，通过波导阶梯过渡以及缝隙耦合的方式实现了辐射的极水平极化。
4、本发明的阵列在俯仰方向可以采用相控阵形式，可进行较大范围的电扫描，满足通信天线扫描范围的要求。
5、整个阵列可以采用一体加工的方式，简单可行，可以采用纯金属材料，或者塑料成型镀金属的形式。
附图说明
图1是本发明的双极化天线单元的两维示意图。
图2是本发明波导阵列的俯视图。
图3是本发明带有馈电网络的两维阵列组成示意图。
具体实施方式
参照图1至图3，本发明的一种收发共用双线极化波导阵列天线，包括双极化天线单元和波导馈电网络，所述的双极化天线单元10由辐射口1、主波导2、过渡波导4、垂直极化波导5、水平极化波导9和极化转换波导7组成；主波导2的上端与辐射口1相连，主波导2的下端与过渡波导4的上端相连，过渡波导4的下端与垂直极化波导5相连；水平极化波导9与极化转换波导7的侧端口相连，极化转换波导7通过设置在主波导2侧壁的耦合缝隙6与主波导2相连通。在主波导2的腔体内的下部设置有极化片3。在水平极化波导9的顶部设置有用于调节信号电压驻波比的匹配块8。
所述的阵列天线由M×N个双极化天线单元组成，M和N为自然数，实施例中，M为12，N为10。
辐射口1的口面尺寸为0.65至0.75倍波长，实施例中辐射口1的口面尺寸为可为0.65倍波长、0.7倍波长或0.75倍波长；主波导2的截面尺寸为0.55至0.65倍波长，实施例中主波导2的截面尺寸可为0.55倍波长、0.6倍波长或0.65倍波长；垂直极化波导5的馈电端口宽边尺寸为0.55至0.65倍波长，窄边尺寸为0.15至0.2倍波长；水平极化波导9的馈电端口宽边尺寸为0.63至0.78倍波长；耦合缝隙6的长度尺寸为0.28至0.35倍波长，宽度尺寸0.08至0.1倍波长。
所述的波导馈电网络为实现两个极化馈电的H-T双层波导槽洗结构，双总口的宽边尺寸均为0.63至0.78倍波长；窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长。
所述的波导馈电网络由与射频总口相连接的一级垂直极化功分器、一级水平极化功分器和与双极化天线单元10相连接的二级垂直极化功分器、二级水平极化功分器组成；M个垂直极化波导与一个二级垂直极化功分器相连接，M个水平极化波导与一个二级水平极化功分器相连接；N个二级垂直极化功分器与一个一级垂直极化功分器相连接，N个二级水平极化功分器与一个一级水平极化功分器相连接。
本发明的波导口内部实施倾斜设计，由波导口的宽度逐渐过渡到馈电波导的宽度；该波导阵列可以实现两维扫描，在不影响结构安装的情况下，单元的排布可以尽可能的紧凑，以实现较大的扫描范围；馈电网络采用双H面波导网络，两网路可以一体加工，并能实现良好的匹配和较小的***损耗。
本发明主要包括两个方面的内容，一是双极化天线单元10，如图1所示，二是由双极化天线单元10与波导馈电网络组成的波导阵列，馈电网络为普通1∶N的等功分或者不等功分波导网络。
双极化天线单元采用整体加工的方式，可以开磨具整体加工或者分段加工，在焊接拼装的方式均可。
馈电网络的实施方式：本发明可以用于阵列天线、一维相控阵天线以及二维相控阵天线。如对于两维阵列天线，如在图2和图3中，馈电网络可以一体化设计，首先在水平面方向上进行波导网络合成，即从H1到HN合成，各需2*M套水平面双极化波导功分器，即二级垂直极化功分器11和二级水平极化功分器12，如图3中所示的。将水平方向上的通道合成后，再在垂直方向上将每一行的双极化端口进行合成，即从V1到VM合成，共需2套双极化波导功分器，即一级垂直极化功分器13、一级水平极化功分器14，即可以完成整个阵列的网络设计。
如对一维相控阵天线，首先在不需要相控的方向上进行网络合成，合成后在端口接移相组件，即可以再进一步进行端口合成，基本原理与前述的阵列天线网络类似。如对于二维相控阵天线，则在每一个单元的馈电端连接移相器件后，按照阵列天线的馈电形式即可以完成整个阵列的信号合成。
工作原理：
以阵列天线为为例，阐述该发明的工作原理。
当发射信号时，发射机产生两路相同形式的信号(信号1和信号2)，两信号具有相同的极化形式，分别进入图3中的垂直极化总端口15和水平极化总端口16，通过图3中的13和14馈电网络进行一维的1∶M功率分配，并进入下一级的1∶N功率分配的馈电端口，而后到达各个单元的双极化馈电端口，如图1中所示。其中垂直极化信号经过阻抗变换的波导，到达辐射端口；而垂直极化信号进入水平极化馈电通道后，经过极化转换，此时原来的垂直极化形式的电磁波转化为水平极化的电磁波，并由耦合缝隙6进入主波导2，最终通过辐射口1辐射到空间中。
当接收信号时，空间来的两种线极化方式的信号经过如图1所示的辐射口1，进入主波导2，其中水平极化信号经过耦合缝隙6，耦合至极化转换波导7，信号转化为垂直极化，经过水平极化波导9，到达水平极化馈电端口，而后阵列信号经过以及1∶N的功分网络进行信号一维合成，再经过一级1∶M的功分网络进行信号两维合成，到达图3中的水平极化总端口16；而垂直极化信号经过过渡波导4后，到达垂直极化馈电端口，而后阵列信号经过以及1∶M的功分网络进行信号一维合成，再经过一级1∶N的功分网络进行信号两维合成，到达垂直极化馈电端，即图3中的水平极化总端口15。
如果所研究的阵列为由该发明单元部分组成的一维或者两维相控阵天线，则原理与上述类似，对于一维相控阵天线，只需在一维信号合成后连接，而后再通过馈电网络进行信号合成；而对于两维相控阵天线，则需在每一个单元的后端先连接有源或者无源器件(如TR组件、双工器以及移相器等)，然后再进行如图3所示的馈电网路进行信号合成即可。

Claims (7)

1.一种收发共用双线极化波导阵列天线，包括双极化天线单元和波导馈电网络，其特征在于：所述的双极化天线单元(10)由辐射口(1)、主波导(2)、过渡波导(4)、垂直极化波导(5)、水平极化波导(9)和极化转换波导(7)组成；主波导(2)的上端与辐射口(1)相连，主波导(2)的下端与过渡波导(4)的上端相连，过渡波导(4)的下端与垂直极化波导(5)相连；水平极化波导(9)与极化转换波导(7)的侧端口相连，极化转换波导(7)通过设置在主波导(2)侧壁的耦合缝隙(6)与主波导(2)相连通；其中垂直极化为直接馈电，而对于水平极化的辐射，采用垂直极化馈电，通过波导阶梯过渡以及缝隙耦合的方式实现了辐射的极水平极化。
2.根据权利要求1所述的一种收发共用双线极化波导阵列天线，其特征在于：在主波导(2)的腔体内的下部设置有极化片(3)。
3.根据权利要求1或2所述的一种收发共用双线极化波导阵列天线，其特征在于：在水平极化波导(9)的顶部设置有用于调节信号电压驻波比的匹配块(8)。
4.根据权利要求1或2所述的一种收发共用双线极化波导阵列天线，其特征在于：所述的阵列天线由M×N个双极化天线单元组成，M和N为自然数。
5.根据权利要求1所述的一种收发共用双线极化波导阵列天线，其特征在于：辐射口(1)的口面尺寸为0.65至0.75倍波长，主波导(2)的截面尺寸为0.55至0.65倍波长；垂直极化波导(5)的馈电端口宽边尺寸为0.55至0.65倍波长，窄边尺寸0.15至0.2倍波长；水平极化波导(9)的馈电端口宽边尺寸为0.63至0.78倍波长；耦合缝隙(6)的长度尺寸为0.28至0.35倍波长，宽度尺寸0.08至0.1倍波长。
6.根据权利要求1所述的一种收发共用双线极化波导阵列天线，其特征在于：所述的波导馈电网络为实现两个极化馈电的H-T双层波导槽洗结构，双总口的宽边尺寸均为0.63至0.78倍波长；窄边尺寸均为0.15至0.2倍波长。
7.根据权利要求4所述的一种收发共用双线极化波导阵列天线，其特征在于：所述的波导馈电网络由与射频总口相连接的一级垂直极化功分器(13)、一级水平极化功分器(14)和与双极化天线单元(10)相连接的二级垂直极化功分器(11)、二级水平极化功分器组成(12)；M个垂直极化波导与一个二级垂直极化功分器(11)相连接，M个水平极化波导与一个二级水平极化功分器(12)相连接；N个二级垂直极化功分器(11)与一个一级垂直极化功分器(13)相连接，N个二级水平极化功分器(12)与一个一级水平极化功分器(14)相连接。
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