CN103474787A - 双极化平面阵列***接收天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极化平面阵列***接收天线，所述的极化馈电网络一和极化馈电网络二的极化方向相互垂直，极化馈电网络一和二分别位于上、下两个平面内并将辐射单元组合成2×2单元阵列天线，所述的极化馈电网络一和二位于辐射单元之间，极化馈电网络一和二的最后部分弯转在2×2单元阵列天线的背面，通过补偿使得极化馈电网络一和二几何长度相等，极化馈电网络一和二的输出口均在2×2单元阵列天线的背面，两个输出口与所述的双极化高频头的两个输入口相对应，并分别通过微带线连接。本发明具有良好的副瓣、交叉极化特性，天线效率比较高，经过补偿的双极化合成网络的几何长度基本相当，整个天线在带宽内获得了良好的圆极化轴比特性。
Description
技术领域
本发明涉及***的接收技术领域，尤其涉及一种双极化平面阵列***接收天线。
背景技术
***作为电视的三种传输方式之一，在世界各国都获得了广泛的应用。因为历史的原因，各个地区采用工作频率和极化方式都不尽相同，欧洲以及欧洲影响较大的地区，例如澳洲，非洲，中东，东南亚等都采用双线极化，而美国，俄罗斯，中国（直播星）采用双圆极化。
采用双极化是因为可以充分利用规划的频谱，传输更多，质量更好的节目。当采用线极化信号载波时，地球上不同地区的匹配极化与经纬度及卫星的位置相关。因此最初的卫星接收天线大多是双极化的，反射面天线，选择的高频头可以是双极化的，平板天线也是双极化的，例如Raysat公司的SR1000，采用微带天线阵列实现双极化。大多数情况下，固定接收的用户采用反射面天线较多，线极化的匹配可以通过旋转高频头来实现。车载移动接收多采用平面阵列天线。早期的移动***接收天线的价格很高，其原因就在于双极化平板阵列天线的制作成本过高。当塑料模具成型，表面金属化的生产工艺在民品天线领域获得广泛应用后，单圆极化或单一固定的斜极化天线都已经在市场上销售，但因为双极化设计的复杂性使得这种产品迟迟不能面世。采用与天线口径不相匹配，大得多的波导网络对较大口径的喇叭进行馈电，大大降低了双极化天线的设计难度，但是也带来副瓣较高，交叉极化较差，天线效率较低的问题，特别一个体积很大的天线实际获得的天线增益却不相匹配。使得这种天线只能用于信号较强的区域，并且比同类单极化天线体积大得多。用于固定接收的天线的极化匹配虽然可以靠人工旋转来实现，但双极化之间的切换不能也依靠人工旋转，这样给用户带来极大的不便。因此双极化天线才是收看***全部节目的关键。在车载领域，一个宽带的，基本满足全世界各地区***收看需求的双极化天线，特别其大小与单极化基本相当，且可以简单扩展，系列产品满足不同信号强弱地区的需求的产品才能真正满足市场的需求。当可以采用塑料模具成型，表面金属化的工艺，单个天线的成本也较低时，才能获得市场的认可。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种双极化平面阵列***接收天线。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种双极化平面阵列***接收天线，包括有双极化天线和双极化高频头，所述的双极化天线包括有辐射单元、两个十字形布置的矩形波导馈电口、极化馈电网络一和极化馈电网络二，所述的辐射单元为矩形辐射喇叭，所述的矩形波导馈电口给辐射单元双极化馈电，所述的极化馈电网络一和极化馈电网络二的极化方向相互垂直，极化馈电网络一和二均以E—T结构合成，极化馈电网络一和二分别位于上、下两个平面内并将辐射单元组合成2×2单元阵列天线，所述的极化馈电网络一和二位于辐射单元之间，极化馈电网络一和二的最后部分弯转在2×2单元阵列天线的背面，通过补偿使得极化馈电网络一和二几何长度相等，极化馈电网络一和二的输出口均在2×2单元阵列天线的背面，两个输出口与所述的双极化高频头的两个输入口相对应，并分别通过微带线连接。
所述的极化馈电网络一和二之间的间距为2mm。
所述的辐射单元矩形辐射喇叭的边长小于1λ。
通过2×2单元阵列天线的复制和宽带等分E—T结构组合成16×4单元阵列天线和16×8单元阵列天线，单元之间的合成E-T采用四级匹配，可以保证天线具有较宽的带宽。带宽覆盖10.95GHz—12.75GHz，可以满足世界各地的***的收看要求。
十字形馈电结构一馈一，2×2单元的双层合成网络都经过精心布置，位于辐射单元之间。这种设计的阵列天线的副瓣、交叉极化以及天线效率可以达到最佳。
两个极化的网络可以通过补偿，使得其几何长度基本相当，因此当两个极化等幅馈电，相位相差90°时，在上述整个频带内圆极化轴比小于1dB。
由于波导合成网络充分利用单元之间的空间，使得平面阵列天线其几何尺寸与天线辐射口面相当，因此可以通过肩并肩或前后板方式组合这种平面阵列天线。在控制模具大小和品种后，可以通过组合多个天线板，获得高增益卫星接收天线。
在同一外壳情形下，通过更换微带板获得双圆极化或双线极化跟踪的LNB与LNA。满足多板组合和系列天线的多重要求。
本发明的优点是：本发明采用了小于1λ的矩形喇叭，十字形馈电结构一馈一，因此具有良好的副瓣、交叉极化特性，天线效率比较高，经过补偿的双极化合成网络的几何长度基本相当，整个天线在带宽内获得了良好的圆极化轴比特性。
附图说明
图1为2×2双极化天线单元的结构图。
图2为四级匹配的E-T。
图3为上述E-T的驻波特性。
图4为16×4单元阵列天线的正面图。
图5为16×4单元阵列天线的反面图。
图6为16×8单元阵列天线的正面图。
图7为16×8单元频带内的驻波特性。
图8为16×8单元频带内的圆极化轴比特性。
图9为16×8单元频带内的增益特性。
图10为16×8单元10.9GHz的方向图。
图11为16×8单元11.2GHz的方向图。
图12为16×8单元11.7GHz的方向图。
图13为16×8单元12.2GHz的方向图。
图14为16×8单元12.7GHz的方向图。
具体实施方式
如图1所示，一种双极化平面阵列***接收天线，包括有双极化天线和双极化高频头，所述的双极化天线包括有辐射单元、两个十字形布置的矩形波导馈电口2、极化馈电网络一3和极化馈电网络二4，所述的辐射单元为矩形辐射喇叭1，所述的矩形波导馈电口2给辐射单元双极化馈电，所述的极化馈电网络一3和极化馈电网络二4的极化方向相互垂直，极化馈电网络一3和二4均以E—T结构合成，极化馈电网络一3和二4分别位于上、下两个平面内并将辐射单元组合成2×2单元阵列天线，所述的极化馈电网络一3和二4位于辐射单元之间，极化馈电网络一3和二4的最后部分弯转在2×2单元阵列天线的背面，通过补偿使得极化馈电网络一和二几何长度相等，极化馈电网络一3和二4的输出口均在2×2单元阵列天线的背面，两个输出口与所述的双极化高频头的两个输入口相对应，并分别通过微带线连接。
所述的极化馈电网络一3和二4之间的间距为2mm。
所述的辐射单元矩形辐射喇叭1的边长小于1λ。
通过2×2单元阵列天线的复制和宽带等分E—T结构组合成16×4单元阵列天线和16×8单元阵列天线，单元之间的合成E-T采用四级匹配，可以保证天线具有较宽的带宽。带宽覆盖10.95GHz—12.75GHz，可以满足世界各地的***的收看要求。
如图1所示。这是2×2单元的三维结构图，其中1代表辐射喇叭，2代表十字形双矩形波导馈电口，用于给喇叭双极化的馈电。3代表其中一个极化的馈电网络，极化方向与x轴平行，4代表另外一个极化的馈电网络，极化方向与y轴平行。两个极化从高度上分开，中间间隔2mm。两个极化网络都以E-T二合一结构为基础，可以看出因为一体化布置两个极化网络，整个空间比较紧凑，单元间距过小将无法获得良好性能，但单元间距超过1λ则会带来栅瓣和较大的交叉极化，降低天线的效率。考虑到车载平面阵列天线对垂直高度有限制，需尽量减小移动接收天线的高度，因此间距选择23mm（水平方向）和22mm（垂直方向），单个喇叭辐射单元的口径为19mm×17.4mm。合成波导的宽边尺寸为17.2mm。两层波导网络加上喇叭辐射单元总厚度为47.4mm。
可以通过各种方式组合上述2×2单元，我们已经组合的有16×4单元阵列，还有16×8单元阵列。这些组合阵列因为两个方向单元数都是2的几次方，因此只需要等分的E-T结构，而为了拓展带宽，采用多台阶匹配E-T结构是必须的，图2中5代表4台阶E-T结构，可以获得很好的带宽特性。这样多个E-T的组合的总的驻波才在可接受范围内。图3是4台阶匹配的E-T在频带内的驻波特性，在我们需求的带宽内驻波小于1.1。也可以有其它组合方式，例如8×6，甚至6×6单元的阵列也可以。只是需要不等分E-T结构，同样可以通过多台阶组合展宽带宽。
如图4~图6所示。可以通过2×2单元的复制加上宽带等分E-T获得16×4和16×8单元天线阵列。其中6是一种极化的合成网络，由2×2单元中的3和E-T结构5加上主传输波导（17.2mm×4.1mm）组成，因为垂直单元数较少，在左右两部分合成之前还需要一个E-90°弯，之后这层网络还需要一个H-90°弯，使得波导输出口朝向天线的背面。当7——另外一个极化合成网络在最后也通过一个H-90°弯朝向同一方向后，两个波导口将在一个平面上，相距较近，方便与双极化高频头连接。8就是x极化的合成网络6的输出口，9是y极化的合成网络7的输出口。
10是16×8单元阵列y极化的合成网络，12是其输出口；11是16×8单元阵列x极化的合成网络，13是其输出口。可以看出当单元数为16×8时，网络11在最后一级E-T之前都是平直的主传输波导，而网络10则多了一个E-90°弯，因此为了补偿网络11的长度，使得其与网络10在几何尺寸上基本相当，在最后补偿了一段波导长度。其两个输出端口12与13的口径尺寸以及间距都与16×4单元阵列的9与8一致。最后16×8单元阵列的外形尺寸为：367mm×174.4mm×50.9mm。厚度方面增加是因为下层网络最后一个H-90°弯需要一段过渡直波导，因此在连接高频头的部分增加了一个小台阶。
两个输出口的尺寸为17.2mm×4.1mm，两者相距27.32mm（中心对称线到中心对称线）。高频头具有同样尺寸的两个输入口，与天线输出口相对应。通过微带耦合最终在高频头内进行合成，极化变换和极化跟踪，高频头双输出，下变频的布置可以根据情况来确定。高频头尺寸为100mm×55mm×15mm。
在16×8单元阵列基础上可以进行多板组合设计，可以肩并肩，采用前后板方式，也可以两者都用，实现4个平板天线的组合。先LNA（与高频头结构尺寸一致）放大，用电缆转移到左右两边（双极化一个在左，一个在右），再分别进行组合合成。前后板合路器需要考虑补偿前后板的路程差，特别要考虑当两个板进行仰角机械扫时，路程差的变化，只有实际补偿路程差，才能保证在整个带宽内合成的有效性。前后板的设计可以降低移动***天线的高度，最早被Raysat的SR1000采用。但前板可能遮挡后板，前后板间距过大又影响高仰角的合成方向图，路程差的补偿也增加了难度，因此前后板的间距的选择需要综合考虑。前后板水平间距348.8mm（30度仰角无遮挡）时，仿真仰角20度时增益约为36.48dB，这时仰角70度时副瓣比较高。间距320mm时，20度仰角仿真增益36dB，间距300mm时，20度仰角仿真增益35.8dB，两种情形70度仰角的增益和副瓣都有改善。从上述分析可以看出，四板组合（两个肩并肩，前后双板组合）可以在移动天线高度不超过20cm的情况下实现较高的增益，大致相当于直径60cm的偏馈反射面的增益，可以针对卫星EIRP只有43-44dBW的情形，接收***。这给一些地区收看相对较偏远的卫星上的好看节目带来可能。
图7~图14给出了16×8单元的驻波，圆极化轴比，增益特性以及五个频率的方向图。
Claims (4)
1.一种双极化平面阵列***接收天线，其特征在于：包括有双极化天线和双极化高频头，所述的双极化天线包括有辐射单元、两个十字形布置的矩形波导馈电口、极化馈电网络一和极化馈电网络二，所述的辐射单元为矩形辐射喇叭，所述的矩形波导馈电口给辐射单元双极化馈电，所述的极化馈电网络一和极化馈电网络二的极化方向相互垂直，极化馈电网络一和二均以E—T结构合成，极化馈电网络一和二分别位于上、下两个平面内并将辐射单元组合成2×2单元阵列天线，所述的极化馈电网络一和二位于辐射单元之间，极化馈电网络一和二的最后部分弯转在2×2单元阵列天线的背面，通过补偿使得极化馈电网络一和二几何长度相等，极化馈电网络一和二的输出口均在2×2单元阵列天线的背面，两个输出口与所述的双极化高频头的两个输入口相对应，并分别通过微带线连接。
2.根据权利要求1所述的双极化平面阵列***接收天线，其特征在于：所述的极化馈电网络一和二之间的间距为2mm。
3.根据权利要求1所述的双极化平面阵列***接收天线，其特征在于：所述的辐射单元矩形辐射喇叭的边长小于1λ。
4.根据权利要求1所述的双极化平面阵列***接收天线，其特征在于：通过2×2单元阵列天线的复制和宽带等分E—T结构组合成16×4单元阵列天线和16×8单元阵列天线。
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