CN106877004A - 一种双极化宽带平板阵列天线馈电网络 - Google Patents

Abstract

本发明属于波导天线设计和制造技术领域，具体涉及一种双极化宽带平板阵列天线馈电网络。本馈电网络包括极化分离器，极化分离器形成四行四列状的基础阵列分布；垂直极化单元包括第一垂直极化功分器、第二垂直极化功分器、第三垂直极化功分器以及第四垂直极化功分器；水平极化单元包括第一水平极化功分器、第二水平极化功分器、第三水平极化功分器以及第四水平极化功分器；第二行及第三行上的相邻两个第一垂直极化功分器之间存有供第四水平极化功分器的两输入端口所在波导臂穿过的间隙；第四水平极化功分器的输出端口位于第三行与第四行极化分离器之间的预留区域处。本发明兼具结构紧凑、带宽宽剖面低的优点，可作为宽带双极化天线的馈电网络。

Description

一种双极化宽带平板阵列天线馈电网络

技术领域

本发明属于波导天线设计和制造技术领域，具体涉及一种双极化宽带平板阵列天线馈电网络。

背景技术

天线作为通信***中的一个重要的无线电设备，其性能的好坏将直接影响无线电设备的性能。相对于抛物面天线，平板阵列天线具有重量轻、效率高、体积小的优势，但是以往的平板阵列天线很难兼具双极化、宽频带和低剖面的特性。传统的平板阵列天线，要么只能在单一频带实现双极化，要么剖面尺寸大，要么使用结构复杂的微带和波导混合馈电方式。随着无线通信和雷达***的不断发展和完善，人们逐渐发现，要想实现兼具双极化、宽频带和低剖面性能的波导平板阵列天线，其关键在于是否具有双极化、宽频带和低剖面的馈电网络。因此，能否研制出一种兼具双极化、宽频带和低剖面的馈电网络，从而实现整体天线构造的高集成性需求，为本领域技术人员近年来所亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的双极化宽带平板阵列天线馈电网络，其兼具结构紧凑、带宽宽、剖面低的优点，可作为宽带双极化天线的馈电网络。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种双极化宽带平板阵列天线馈电网络，其特征在于：本馈电网络包括极化分离器，所述极化分离器上设置用于连接外部辐射器的公共端口、用于连接水平极化单元的水平极化端口以及布置于极化分离器底端面处的用于连接垂直极化单元的垂直极化端口，极化分离器形成四行四列状的基础阵列分布；

垂直极化单元包括由Y-T功分器构成的第一垂直极化功分器、由E-T功分器构成的第二垂直极化功分器、由H-T功分器构成的第三垂直极化功分器以及由H-T功分器构成的第四垂直极化功分器；在行方向上，各个第一垂直极化功分器的两输入端口分别连接两两相邻布置的各极化分离器的垂直极化端口；在列方向上，第一列与第二列上的两两相邻布置的第一垂直极化功分器的输出端口分别连通一个第二垂直极化功分器的两输入端口，第三列与第四列上的两两相邻布置的第一垂直极化功分器的输出端口连通另一个第二垂直极化功分器的两输入端口；在行方向上，相邻两个第二垂直极化功分器的输出端口分别连接第三垂直极化功分器的两输入端口；在列方向上，两个第三垂直极化功分器的输出端口连接第四垂直极化功分器的两输入端口；第四垂直极化功分器的输出端口构成该垂直极化单元的总输出端口；

水平极化单元包括由H-T功分器构成的第一水平极化功分器、由H-T功分器构成的第二水平极化功分器、由E-T功分器构成的第三水平极化功分器以及由H-T功分器构成的第四水平极化功分器；第一行与第二行之间以及第三行与第四行之间的两两相邻的极化分离器的水平极化端口均设置于各者的相邻侧面处；上述位于相邻侧面处的两个水平极化端口分别连接第一水平极化功分器的两输入端口；第二水平极化功分器外形呈开口方向与列方向平行的“U”字状结构，第二水平极化功分器的两U型端口构成其输入端口且U型底部构成其输入端口；在行方向上，两两相邻的第一水平极化功分器的输出端口分别连通相应第二水平极化功分器的两输入端口；两两相邻的第二水平极化功分器的输出端口分别连通一个第三水平极化功分器的两输入端口；在列方向上，两个第三水平极化功分器的输出端口连接第四水平极化功分器的两输入端口；第四水平极化功分器的输出端口构成该水平极化单元的总输出端口；

第二行上的相邻两个第一垂直极化功分器之间以及第三行上的相邻两个第一垂直极化功分器之间均存有供第四水平极化功分器的两输入端口所在波导臂穿过的间隙；所述第四水平极化功分器的输出端口位于第三行极化分离器与第四行极化分离器之间的预留区域处。

所述极化分离器包括方波导、分支波导以及方矩变换段，其中：

方波导的首端面形成上述公共端口，方波导的一侧设置波导阶梯且该波导阶梯的阶梯面高度由方波导首端向末端处依次降低；波导阶梯的阶梯面处耦合所述分支波导，所述分支波导的输出端口构成上述水平极化端口；在方波导的末端面设置有方矩变换段，所述方矩变换段由两个以上且沿方波导长度方向横截面面积逐个减小的矩形波导首尾衔接构成，方矩变换段的末端处的输出端口构成所述垂直极化端口；在方波导的波导阶梯所在侧，波导阶梯和方矩变换段所形成的连续的阶梯面高度的渐变取值拟合切比雪夫函数；在上述方波导的波导阶梯所在侧的相对侧，方矩变换段所形成的阶梯面高度的渐变取值同样拟合切比雪夫函数。

波导阶梯的阶梯面与方矩变换段所形成的阶梯面的阶梯宽度均为四分之一波导波长。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明在满足天线性能的前提下，为充分缩小整个馈电网络的体积，巧妙的使用E-T功分器和H-T功分器并对极化分离器的合成顺序进行了特殊设计，从而使得配合后的整体结构紧凑而体积小。由于水平极化单元完全包裹在垂直极化单元的内部，故整个馈电网络的剖面尺寸仅为垂直极化单元的剖面尺寸，故能够实现低剖面设计。在实际使用过程中，馈电网络为全波导结构，而极化分离器，则采用具备波导阶梯的阶梯锥变结构，由于各个垂直极化功分器和水平极化功分器均采用宽带H-T和E-T功分器，从而能够实现30％的带宽性能。

实践证明，采用上述设计结构后，当以极化分离器形成的4×4基础阵列分布的组数越多，整个阵列天线越庞大，本发明的这种间隙***嵌套式的设计结构所带来的对馈电网络体型的缩减效果就越明显。

具体而言，在水平极化单元和垂直极化单元嵌套布置过程中，本发明先使用宽带Y-T功分器及E-T功分器将极化分离器的垂直极化部分合成完毕，之后再通过在第一行与第二行极化分离器之间以及第三行与第四行极化分离器之间的安装空间内填设水平极化单元，最终达到了空间利用的最大化。在上述基础上，由于Y-T功分器的独特外形，使得相邻Y-T功分器之间自然存在了间隙，此时再将水平极化单元的第四水平极化功分器的两输入端口所在臂穿过该间隙并进入第二行极化分离器与第三行极化分离器之间的预留区域处。此外的，相邻Y-T功分器之间自然存在的间隙与上述第四水平极化功分器的两输入端口所在臂间空间上彼此避让，从而使得两种极化单元在该交汇配合处的部件壁厚更易于机械设计，显然也有利于提升整个馈电网络的加工可制造性能。

2)、在极化分离器的设计构造上，本发明摒弃了结构冗繁的传统宽带极化分离器设计，转而另辟蹊径的采用了阶梯锥变加分支波导的窄带OMT设计方案，从而使得本发明的结构更为简单和紧凑。通过合理选择方波导口的尺寸，使得本发明所需求的工作带宽落在方波导主模截止频率和第三次高次模之间。在从方波导到矩形波导的渐变中，通过将各台阶面高度的渐变取值拟合切比雪夫函数，一方面可以将工作频带内的第一及第二次高次模压下去，达到展宽带宽的目的。另一方面，也可实现公共端口的主模TE₁₀通过方矩变换段并馈给极化分离器的垂直极化端口，且正交主模TE₀₁在锥变区内消失并被反射和耦合到分支波导处的水平极化端口。具体操作时，可将水平极化端口及垂直极化端口尺寸进一步压缩，从而进一步的减小极化分离器的外形尺寸，以确保小型化需求。

通过上述方案，本发明可同时满足高工作带宽和结构简单紧凑及外形尺寸小的要求，无需额外匹配块或可调装置，设计工艺更为简单。本发明的外形尺寸比传统宽带OMT减小50％以上，显然更为适合如Ku波段卫星通讯收发一体的天线或大型阵列天线的馈电等有限空间内使用。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为水平极化单元的立体结构示意图；

图3是实施例1的立体结构示意图；

图4是图3的侧视图；

图5是实施例1的垂直极化馈电网络的立体结构示意图；

图6为第四水平极化功分器、第五水平极化功分器、第六水平极化功分器以及第七水平极化功分器的分布状态立体示意图；

图7是实施例1的水平极化馈电网络的立体结构示意图；

图8是实施例1的水平极化馈电网络的仰视图；

图9为极化分离器的三维仿真结构图。

图示各标号与本发明的具体部件名称对应关系如下：

10-极化分离器

11-公共端口 12-水平极化端口 13-垂直极化端口

10a-方波导 10b-分支波导 10c-方矩变换段 10d-波导阶梯

21-第一垂直极化功分器 22-第二垂直极化功分器

23-第三垂直极化功分器 24-第四垂直极化功分器

25-第五垂直极化功分器 26-第六垂直极化功分器

27-第七垂直极化功分器

31-第一水平极化功分器 32-第二水平极化功分器

33-第三水平极化功分器 34-第四水平极化功分器

35-第五水平极化功分器 36-第六水平极化功分器

37-第七水平极化功分器

具体实施方式

为便于理解，此处结合图示对本发明的具体结构及工作过程作以下进一步描述：

对于极化分离器10而言，其实际上就是一个OMT，特点在于方波导10a的渐变是双边不对称阶梯渐变。在更具体至如图9所示实施例中时，在方波导10a的一侧设置具备四个台阶的波导阶梯10d，同时，在方波导10a的末端面处还顺序设置有由两个横截面尺寸逐个减小的矩形波导沿方波导10a长度方向依次首尾衔接形成的方矩变换段10c。此时，无论是方波导10a的波导阶梯10d一侧还是相对波导阶梯10d所在侧的相对侧处，其阶梯面高度的渐变取值均拟合切比雪夫函数，而每个台阶面的纵向长度也即台阶面宽度为四分之一波导波长。上述渐变取值拟合的作用，一方面实现了公共端口11的主模TE₁₀通过方矩变换段10c并馈给极化分离器的垂直极化端口13，而正交主模TE01,在锥变区内消失,被反射并耦合到分支波导10b处的水平极化端口12。另一方面，则可实现将带内第一次及第二次高次模抑制的效果。

当极化分离器10组装至本发明所处的馈电网络处事，以两个极化分离器10为一对而在阵列天线上进行一一组装。两个极化分离器10处分支波导10b输出后通过波导HT合成而形成图1结构，两个极化分离器10间的最大间距为40mm。极化分离器10的方波导10a为两个角锥喇叭馈电，形成平板角锥喇叭阵列天线的一个天线单元，显然可满足该天线大规模高密度布局对宽带极化分离器结构小型化的要求。

结合上述，本发明实际上为四行四列极化分离器10形成一个基础阵列。当为四行八列时，也即在基础阵列上再沿行方向布置两组即可；同理，当为四行三十二列时，也即在基础阵列上再沿行方向布置八组即可，以此类推。

在图1-2所示结构中，本发明包括极化分离器10以及分别由水平极化单元和垂直极化单元组成的功分器网络。两类极化单元均由宽带E-T和H-T功分器组成。极化分离器10具有三个端口，分别为公共端口11、水平极化端口12和垂直极化端口13。公共端口11为方形，可直接与辐射器连接，从而构成阵列天线。水平极化端口12则位于极化分离器10的侧面，与第一水平极化功分器31构成的功分器网络相连接，构成双极化宽带平板阵列天线馈电网络的水平极化馈电网络部分。垂直极化端口13位于极化分离器10的底面，与第一垂直极化功分器21构成的功分器网络相连接，构成双极化宽带平板阵列天线馈电网络的垂直极化馈电网络部分。

对于垂直极化单元，首先是由垂直极化端口13与第一垂直极化功分器21相连接，第一垂直极化功分器21通过第二垂直极化功分器22两两合成，第二垂直极化功分器22再通过第三垂直极化功分器23两两合成，第三垂直极化功分器23再通过第四垂直极化功分器24两两合成，最终将垂直极化单元合成为一个端口输出。而对于水平极化单元而言，首先将水平极化端口12与第一水平极化功分器31相连接，第一水平极化功分器31通过第二水平极化功分器32两两合成，第二水平极化功分器32通过第三水平极化功分器33两两合成，第三水平极化功分器33再通过第四水平极化功分器34两两合成，最终将水平极化单元合成为一个端口输出。之后，通过将水平极化单元和垂直极化单元相互嵌套，也即由于组成第一垂直极化功分器21的Y-T功分器的独特外形，使得相邻的第一垂直极化功分器21之间自然存在了间隙，此时在首先将第一水平极化功分器31、第二水平极化功分器32以及第三水平极化功分器33嵌设至第一行与第二行以及第三行与第四行极化分离器10之间后，再将水平极化单元的第四水平极化功分器34的两输入端口所在波导臂穿过上述间隙并进入第二行极化分离器10与第三行极化分离器10之间的预留区域处。通过将水平极化单元嵌套在垂直极化单元的网络内部，以充分利用有限结构空间，最终达到结构布局紧凑、剖面尺寸足够低以及兼具足够带宽的目的。

实际使用时，需注意将第二水平极化功分器32设计为“U”字状，从而使其在不妨碍馈电网络正常工作性能的前提下，能以最小化的体积嵌入相应的两行第一垂直极化功分器21之间处，以确保整体结构的紧凑性。

实施例1

为便于进一步理解本发明，此处结合图3-8，以四行三十二列的阵列天线的馈电网络为例进行进一步说明：

图3-4为四行三十二列的阵列天线的馈电网络的三维结构示意图及侧视图；以图示位置放置方式来阐述，沿横向也即行方向布置三十二列极化分离器10，沿纵向也即列方向设置四行极化分离器10，极化分离器10数目为4×32个。

初始制作时，先按照上述方式制作出基础阵列，具体为：对于垂直极化单元，首先是由垂直极化端口13与第一垂直极化功分器21相连接，第一垂直极化功分器21通过第二垂直极化功分器22两两合成，第二垂直极化功分器22再通过第三垂直极化功分器23两两合成，第三垂直极化功分器23再通过第四垂直极化功分器24两两合成，最终将垂直极化单元合成为一个端口输出。而对于水平极化单元而言，首先是由水平极化端口12与第一水平极化功分器31相连接，第一水平极化功分器31通过第二水平极化功分器32两两合成，第二水平极化功分器32通过第三水平极化功分器33两两合成，第三水平极化功分器33再通过第四水平极化功分器34两两合成，最终将水平极化单元合成为一个端口输出。

在上述基础阵列布置完成后，再将第四垂直极化功分器24通过第五垂直极化功分器25两两合成，第五垂直极化功分器25通过第六垂直极化功分器26两两合成，第六垂直极化功分器26通过第七垂直极化功分器27两两合成。同理的，第四水平极化功分器34通过第五水平极化功分器35两两合成，第五水平极化功分器35通过第六水平极化功分器36两两合成，第六水平极化功分器36通过第七水平极化功分器37两两合成。

上述仅为四行三十二列的阵列天线的馈电网络，如需制作四行八列、四行十六列等阵列天线的馈电网络，相应的更改作为基础阵列的布置个数即可。

Claims (3)

1.一种双极化宽带平板阵列天线馈电网络，其特征在于：本馈电网络包括极化分离器(10)，所述极化分离器(10)上设置用于连接外部辐射器的公共端口(11)、用于连接水平极化单元的水平极化端口(12)以及布置于极化分离器(10)底端面处的用于连接垂直极化单元的垂直极化端口(13)，极化分离器(10)形成四行四列状的基础阵列分布；

垂直极化单元包括由Y-T功分器构成的第一垂直极化功分器(21)、由E-T功分器构成的第二垂直极化功分器(22)、由H-T功分器构成的第三垂直极化功分器(23)以及由H-T功分器构成的第四垂直极化功分器(24)；在行方向上，各个第一垂直极化功分器(21)的两输入端口分别连接两两相邻布置的各极化分离器(10)的垂直极化端口(13)；在列方向上，第一列与第二列上的两两相邻布置的第一垂直极化功分器(21)的输出端口分别连通一个第二垂直极化功分器(22)的两输入端口，第三列与第四列上的两两相邻布置的第一垂直极化功分器(21)的输出端口连通另一个第二垂直极化功分器(22)的两输入端口；在行方向上，相邻两个第二垂直极化功分器(22)的输出端口分别连接第三垂直极化功分器(23)的两输入端口；在列方向上，两个第三垂直极化功分器(23)的输出端口连接第四垂直极化功分器(24)的两输入端口；第四垂直极化功分器(24)的输出端口构成该垂直极化单元的总输出端口；

水平极化单元包括由H-T功分器构成的第一水平极化功分器(31)、由H-T功分器构成的第二水平极化功分器(32)、由E-T功分器构成的第三水平极化功分器(33)以及由H-T功分器构成的第四水平极化功分器(34)；第一行与第二行之间以及第三行与第四行之间的两两相邻的极化分离器(10)的水平极化端口(12)均设置于各者的相邻侧面处；上述位于相邻侧面处的两个水平极化端口(12)分别连接第一水平极化功分器(31)的两输入端口；第二水平极化功分器(32)外形呈开口方向与列方向平行的“U”字状结构，第二水平极化功分器(32)的两U型端口构成其输入端口且U型底部构成其输入端口；在行方向上，两两相邻的第一水平极化功分器(31)的输出端口分别连通相应第二水平极化功分器(32)的两输入端口；两两相邻的第二水平极化功分器(32)的输出端口分别连通一个第三水平极化功分器(33)的两输入端口；在列方向上，两个第三水平极化功分器(33)的输出端口连接第四水平极化功分器(34)的两输入端口；第四水平极化功分器(34)的输出端口构成该水平极化单元的总输出端口；

第二行上的相邻两个第一垂直极化功分器(21)之间以及第三行上的相邻两个第一垂直极化功分器(21)之间均存有供第四水平极化功分器(34)的两输入端口所在波导臂穿过的间隙；所述第四水平极化功分器(34)的输出端口位于第三行极化分离器(10)与第四行极化分离器(10)之间的预留区域处。

2.根据权利要求1所述的一种双极化宽带平板阵列天线馈电网络，其特征在于：所述极化分离器(10)包括方波导(10a)、分支波导(10b)以及方矩变换段(10c)，其中：

方波导(10a)的首端面形成上述公共端口(11)，方波导(10a)的一侧设置波导阶梯(10d)且该波导阶梯(10d)的阶梯面高度由方波导(10a)首端向末端处依次降低；波导阶梯(10d)的阶梯面处耦合所述分支波导(10b)，所述分支波导(10b)的输出端口构成上述水平极化端口(12)；在方波导(10a)的末端面设置有方矩变换段(10c)，所述方矩变换段(10c)由两个以上且沿方波导(10a)长度方向横截面面积逐个减小的矩形波导首尾衔接构成，方矩变换段(10c)的末端处的输出端口构成所述垂直极化端口(13)；在方波导(10a)的波导阶梯(10d)所在侧，波导阶梯(10d)和方矩变换段(10c)所形成的连续的阶梯面高度的渐变取值拟合切比雪夫函数；在上述方波导(10a)的波导阶梯(10d)所在侧的相对侧，方矩变换段(10c)所形成的阶梯面高度的渐变取值同样拟合切比雪夫函数。

3.根据权利要求2所述的一种双极化宽带平板阵列天线馈电网络，其特征在于：波导阶梯(10d)的阶梯面与方矩变换段(10c)所形成的阶梯面的阶梯宽度均为四分之一波导波长。