CN104143695A - 双圆极化波导阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双圆极化波导阵列天线，包括波导，所述波导包括依次层叠设置的辐射层、圆极化转换层、水平极化和垂直极化波导传输层；所述辐射层和圆极化转换层波导横截面为正方形；所述水平极化和垂直极化波导传输层波导横截面为矩形；所述辐射层为正方形喇叭用于接收双圆极化电磁信号；所述圆极化转换层包括介质片，所述介质片与波导轴线平行、其两侧边连接于波导该层内壁对角处、将波导该层内腔分隔成二个空间，所述介质片介电常数为5.5-6.5，通过介质片将双圆极化信号分离为等幅的垂直极化信号和水平极化信号；水平极化和垂直极化波导传输层包括上下两层正交模耦合器。一副天线能同时接收处理双圆极化电磁信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星信号接收天线，尤其涉及一种双圆极化波导阵列天线。
背景技术
现在，通信及电视信号传输已经广泛使用卫星传输。卫星传输的信号有些是双圆极化信号，即包括左旋和右旋电磁信号，如常用的中星九号卫星的KU波段（11.7-12.3G）信号。地面信号接收需要使用圆极化信号波导阵列天线。目前使用的天线是一种圆极化信号平板阵列天线，其工作在单圆极化状态，即只能接收左旋或者右旋信号，不能同时接收、处理左旋和右旋信号。为实现双圆极化信号的接收，都是通过使用两副天线分别接收左旋或右旋电磁信号，然后分别通过各自的高频头输出，根据需要采用电子开关切换极化状态。它的不足之处在于：由于采用了两幅天线，结构复杂，体积大，而且等效面积天线面的工作效率低，成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、体积小、工作效率高、成本低、一副天线能同时接收处理双圆极化电磁信号的双圆极化波导阵列天线。
为了解决上述技术问题，本发明的双圆极化波导阵列天线，包括波导，所述波导包括依次层叠设置的辐射层、圆极化转换层、水平极化和垂直极化波导传输层；所述辐射层和圆极化转换层波导横截面为正方形；所述水平极化和垂直极化波导传输层波导横截面为矩形；所述辐射层为正方形喇叭用于接收双圆极化电磁信号；所述圆极化转换层包括介质片，所述介质片与波导轴线平行、其两侧边连接于波导该层内壁对角处、将波导该层内腔分隔成二个空间，所述介质片的介电常数为5.5-6.5，以通过介质片将双圆极化信号分离为等幅的垂直极化信号和水平极化信号；所述水平极化和垂直极化波导传输层包括上下两层正交模耦合器。
所述介质片两端为内凹形、两端最近点距离小于其两侧边长。
所述介质片两端内凹形剖线形状为等腰三角形的腰。
所述介质片的介电常数为5.5-6.5，超过该范围将影响接收效果，优选为5.8-6.2，更优选为6。
所述介质片两侧边长优选为12-16mm，超过该范围将影响接收效果或增加体积、提高成本，再优选为13-15mm，更优选为14mm。
所述介质片两端最近点距离优选为3-6mm，超过该范围将影响接收效果或增加体积、提高成本，再优选为4-5mm，更优选为5mm。
所述介质片厚度优选为1.5-2mm，超过该范围将影响接收效果或增加体积、提高成本，再优选为1.8-2mm，更优选为2mm。
所述圆极化转换层内壁对角处设有插槽，所述介质片两侧边插接固定于该插槽。
所述介质片用塑料介质材料制成。
所述正方形喇叭单元格的边长优先为25-30mm，再优先为26-28mm；不超过1.2倍工作电磁波波长。
所述天线为6×16的单元格阵列形式。
天线可以由表面涂镀导电层的合成树脂材料制成。
采用本发明的结构，由于依次层叠设置辐射层、圆极化转换层、水平极化和垂直极化波导传输层，圆极化转换层设置有介质片将波导该层内腔分隔成二个空间，辐射层信号接收口采用了正方形喇叭结构，通过辐射层的喇叭结构的辐射单元接收双圆极化电磁信号，使得进入天线面的电磁信号兼具左右旋信号，解决了双极化信号的兼容问题；通过圆极化转换层的介质片将双圆极化电磁信号转化为等幅的垂直和水平极化电磁信号便于下一层传输和接收，尤其是介质片采用燕尾形结构即介质片两端为内凹形、两端最近点距离小于其两侧边长、特别是介质片两端内凹形剖线形状为等边三角形的边，更有利于提高接收效果、减少体积、从而降低天线的高度和成本；传输层正交模耦合器用于传输第二层的耦合通孔传输下来的水平极化和垂直极化电磁信号，最后汇合于高频头，从而实现了一副天线同时接收处理双圆极化电磁信号的目的。采用波导分层传输的方式，正交模耦合器（OMT）层分上下两层分别传输水平极化和垂直极化电磁信号，能极大缩小天线的结构体积，也节省了制造成本，有利于制作出结构小巧、外观精美的卫星天线。本发明的天线克服了现有技术的缺陷，实现了一副天线同时接收处理双圆极化电磁信号的目的，而且结构简单，体积小，重量轻，工作效率高，双圆极化信号单面接收效率可达到95%，成本低。
附图说明
图1为本发明的天线波导结构示意图；
图2为本发明的天线波导俯视图；
图3为本发明天线的介质片一种燕尾形形状示意图；
图4为本发明的天线6×16单元格阵列形式俯视图
图5为本发明天线的波导传输层双层正交模耦合器其中一层的结构局部放大图；
图6为本发明天线的波导传输层双层正交模耦合器另一层的结构局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述：
如图1、图2和图3所示，本发明的双圆极化波导阵列天线，包括波导，波导包括依次层叠设置的辐射层1、圆极化转换层2、水平极化和垂直极化波导传输层4。辐射层和圆极化转换层波导横截面为正方形。水平极化和垂直极化波导传输层波导横截面为矩形。辐射层为正方形喇叭用于接收双圆极化电磁信号。圆极化转换层包括介质片3。介质片与波导轴线平行、其两侧边连接于波导该层内壁对角处、将波导该层内腔分隔成二个空间，以通过介质片将双圆极化信号分离为等幅的水平极化信号和垂直极化信号。水平极化和垂直极化波导传输层包括上下两层正交模耦合器（Orthogonal modular Transducer，即OMT）。水平极化和垂直极化波导传输层的每层正交模耦合器传输结构可以采用现有技术的结构。
辐射层为正方形喇叭，可以充分利用矩形平板天线面的面积以提高接收圆极化信号效果，实现等面积接收效果最大化。
介质片的介电常数为5.5-6.5，优选为5.8-6.2，更优选为6。介质片用塑料介质材料制成，这样可以减轻重量、降低成本，当然也可以采用其他介质材料制作。
介质片两侧边长优选为12-16mm，超过该范围将影响接收效果或增加体积、提高成本，再优选为13-15mm，更优选为14mm。
介质片厚度优选为1.5-2mm，超过该范围将影响接收效果或增加体积、提高成本，再优选为1.8-2mm，更优选为2mm。
天线波导用表面涂镀导电层的合成树脂材料制成，也可以采用其他常用的天线波导材料。
针对常用的ku波段信号，正方形喇叭单元格的边长优选为25-30mm，再优选为26-28mm，即不超过1.2倍工作电磁波波长。
如图2所示，介质片的连接方式优选为：在波导圆极化转换层内壁对角处设有插槽，介质片两侧边插接固定于该插槽。当然也可以用其他常用固定方式固定连接。
如图3所示，介质片的形状优选为两端为内凹形、两端最近点距离小于其两侧边长。最好的是介质片两端内凹形剖线形状为等腰三角形的腰。当然，介质片两端内凹形剖线形状也可以是其他形状如弧形。介质片两端内凹形的形状，可以提高天线的接收效果、减轻重量、降低成本。介质片两端最近点距离优选为3-6mm，超过该范围将影响接收效果或增加体积、提高成本，再优选为4-5mm，更优选为5mm。
如图4所示，本发明的天线可以制成6×16个单元格阵列形式。当然也可以制成其他常用的单元格阵列形式。单元格的数量可以根据对天线使用地区的卫星落地场强所需的增益要求设定。
如图5、图6所示，水平极化和垂直极化波导传输层的二层正交模耦合器传输结构为矩形波导传输结构，可以采用现有技术的常用结构，通过1:1或1:2功率合路器及阻抗匹配将各个单元接收的电磁波能量汇聚起来最终进入高频头。该二层正交模耦合器的位置是可以互换的，分别传输水平极化和垂直极化信号。其与高频头的连接方式是现有技术。
如96单元双圆极化卫星天线是针对中九卫星所做的电视接收天线，其接收频率为11.7G-12.3GHz的KU波段信号，根据频率设计单元格大小约为一个波长；根据使用地区的落地场强分析其增益要求，设置为6×16的96单元格形式。天线由表面涂镀导电层的合成树脂材料制成，体积大小为401mm×151mm×55.7mm。辐射单元为方形喇叭口，朝下将信号接受传入圆极化转换层。水平极化和垂直极化波导传输层的每层正交模耦合器传输结构为矩形波导传输结构，矩形截面为15㎜×3.2㎜，通过1:1或1:2功率合路器及阻抗匹配将各个单元接收的电磁波能量汇聚起来最终进入高频头。该天线实现了一副天线同时接收处理双圆极化电磁信号的目的，结构简单，体积小，重量轻，双极化信号单面接收效率可达到95%，成本低。
本发明的工作原理是：第一层辐射层为方形喇叭口阵列，用于接收双圆极化电磁信号，接收来的信号通过耦合通孔进入第二层，即圆极化转换层，此层结构是在方形喇叭后面方形对角线方向放置燕尾形介质片，通过改变介质片的介电常数和增加介质片厚度，可降低将圆极化信号转化为线极化接收所需的介质片长度，继而可以降低天线的高度，这对于实现高增益而外观小巧是很有帮助的。圆极化信号在经过介质片时，可分离为垂直于介质片方向的信号和平行于介质片的幅值相等的信号，但平行于介质片的信号相位领先或落后（由左右旋决定）于垂直于介质片的信号相位90度，经过特定设计的介质片后，使平行介质片的信号相位减慢90度，垂直介质片的信号则没有受影响，所以最后平行信号的相位与垂直信号相位相同或者相反，又因为他们由圆极化信号分离而来，是等幅的，所以最后合成的信号与介质片夹角为45度，为水平极化或垂直极化信号。转化而来的水平极化和垂直极化信号进入第三层中，在上下两层OMT结构中分别传输，最后汇合于高频头。
Claims (10)
1.一种双圆极化波导阵列天线，包括波导，其特征在于：所述波导包括依次层叠设置的辐射层（1）、圆极化转换层（2）、水平极化和垂直极化波导传输层（4）；所述辐射层和圆极化转换层波导横截面为正方形；所述水平极化和垂直极化波导传输层波导横截面为矩形；所述辐射层为正方形喇叭用于接收双圆极化电磁信号；所述圆极化转换层包括介质片（3），所述介质片与波导轴线平行、其两侧边连接于波导该层内壁对角处、将波导该层内腔分隔成二个空间，所述介质片的介电常数为5.5-6.5，以通过介质片将双圆极化信号分离为等幅的垂直极化信号和水平极化信号；所述水平极化和垂直极化波导传输层包括上下两层正交模耦合器。
2.根据权利要求1所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在于：所述介质片两端为内凹形、两端最近点距离小于其两侧边长。
3.根据权利要求2所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在于：所述介质片两端内凹形剖线形状为等腰三角形的腰。
4.根据权利要求1所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在于：所述介质片两侧边长为12-16mm。
5.根据权利要求2或3所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在：所述介质片两端最近点距离为3-6mm。
6.根据权利要求1所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在于：所述介质片厚度为1.5-2mm。
7.根据权利要求1所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在于：所述波导圆极化转换层内壁对角处设有插槽，所述介质片两侧边插接固定于该插槽。
8.根据权利要求1或2或3或4或6或7所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在于：所述介质片用塑料介质材料制成。
9.根据权利要求1或2或3或4或6或7所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在于：所述正方形喇叭单元格的边长为25-30mm。
10.根据权利要求1或2或3或4或6或7所述的双圆极化波导阵列天线，其特征在于：所述天线为6×16的单元格阵列形式。
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