CN109119767A - 一种Ka频段圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka频段圆极化天线，包括辐射器和圆极化器，所述辐射器与所述圆极化器相连，其中所述辐射器包括阶梯喇叭和十字栅格；所述阶梯喇叭包括辐射口和至少一个过渡辐射口，所述十字栅格设置于所述辐射口内且其四个顶点与辐射口内表面相切。本发明所述Ka频段圆极化天线，具有双圆极化辐射、高效率、低剖面、易加工等优点。

Description

一种Ka频段圆极化天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，尤其是一种Ka频段圆极化天线。

背景技术

卫星通信***的地面终端天线主要采用反射面天线、平板天线、相控阵天线等天线形式。反射面天线轮廓较高，体积相对较大，不适用于高速移动载体平台。相控阵天线的剖面极低，二维的相控阵天线不需要机械伺服***便能实现天线波束的扫描，非常适用于飞机、高速列车等载体平台，但是相控阵天线制造和维护成本高，民用通信***难以承受。平板天线具有剖面低、效率高的优点，在卫星通信地面终端上应用越来越广泛，其设计的难点在于天线的栅瓣抑制、剖面压低和效率提高等方面。

实现平板天线的双圆极化辐射主要有两种方法：第一种是采用双线极化天线单元组阵，组阵后的两路线极化信号经3dB耦合器进行圆极化信号合成，实现平板阵列的双圆极化辐射；第二种是采用双圆极化辐射天线单元直接组阵，实现平板阵列的双圆极化辐射。

由于Ka频段对应的波长较短，若采用双线极化合成实现圆极化辐射，由于加工误差因素存在，可能会对天线的两路线极化信号相位产生较大影响。若两路线极化信号相位在进入3dB定向耦合器之前不一致，合成后的圆极化天线轴比将变差。

文献Partial dielectric loaded septum polarizer:, US 9640847 B2[P]中设计了一种双频双圆极化平板天线阵列，文献中采用的天线单元为加介质的喇叭天线接隔片圆极化器结构，隔片圆极化器可以实现单元天线的双圆极化辐射，加介质喇叭可以减小单元天线辐射口的尺寸。该阵列天线的单元间距和最低工作频率对应的波长相当，可以有效地抑制阵列栅瓣。但是这种阵列加入了介质，增加了天线的复杂度，介质的存在不可避免地降低了阵列天线的效率；另外，由于单元间距的减小，阵列的馈电网络布置更为复杂，增大了天线加工难度。

发明内容

基于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种Ka频段圆极化天线。

本发明的技术方案如下：

Ka频段圆极化天线，包括辐射器和圆极化器，所述辐射器与所述圆极化器相连，所述辐射器包括阶梯喇叭和十字栅格；所述阶梯喇叭包括辐射口和至少一个过渡辐射口，所述十字栅格设置于所述辐射口内。

其中，所述辐射器通过所述过渡辐射口与所述圆极化器相连。

进一步地，所述阶梯喇叭过渡辐射口到辐射口的口径呈递增趋势，辐射口的口径最大。

进一步地，所述十字栅格的四个顶点与所述辐射口内表面相切，所述十字栅格的十字中心和所述阶梯喇叭的中心位于同一竖直线上。所述十字栅格为金属材质。

其中，所述圆极化器包括波导和金属阶梯，所述金属阶梯设置于所述波导内表面。

进一步地，所述波导包括与所述辐射器相连的输出口和另一端的输入口；所述金属阶梯的最低一层将所述波导输入口均分为输入口一和输入口二，所述金属阶梯最高一层上设置有金属隔片，所述金属隔片将所述波导输出口均分为输出口一和输出口二，所述输入口一和输入口二分别与所述输出口一和输出口二对应。

进一步地，所述圆极化器还包括转弯波导一和转弯波导二，所述转弯波导一和转弯波导二的一端分别与所述输入口一和输入口二相连，所述转弯波导一和转弯波导二的另一端分别与位于所述圆极化器侧面的第一馈电端口和第二馈电端口相连。

进一步地，所述转弯波导为90°转弯，在所述90°转弯外角处设置有阶梯调配块。

进一步地，所述转弯波导一和转弯波导二沿波导方向的长度不同。

优选地，所述阶梯喇叭、波导和转弯波导的横截面均为矩形。

本发明技术方案的工作原理如下：

天线工作于接收模式时，辐射器可以接收天线工作频段内任意旋向的圆极化信号，该任意圆极化信号经圆极化器后分解为左旋圆极化信号和右旋圆极化信号，两路圆极化信号分别从第一馈电端口和第二馈电端口输出。天线工作于发射模式时，输入的信号经第一馈电端口和第二馈电端口进入隔片圆极化器并被转化为圆极化信号，接着辐射器将该圆极化信号辐射到空间中，实现信号发射。

每一个辐射器对应一个圆极化器，圆极化器可以实现双圆极化，圆极化器直接与辐射器相连，实现了单元天线的双圆极化辐射，相比于传统的采用OMT（正交模耦合器）先分极化，再用3dB电桥合成圆极化实现阵列圆极化辐射的方法，这种设计不需要3dB电桥，并且对整个天线馈电网络的相位没有要求，因此结构简单，加工误差容忍度大。

辐射器采用阶梯喇叭辐射口内设十字栅格的结构，十字栅格等效于将一个喇叭天线变为四个最小辐射子单元，最小辐射子单元之间的间距为喇叭口径的二分之一，因此等效辐射单元之间的间距大大缩减，从而抑制组阵后阵列的栅瓣。

圆极化器包括波导、金属阶梯、转弯波导一、转弯波导二和两个馈电端口，金属阶梯将波导均分为两部分，转弯波导一和转弯波导二与波导相连，实现将沿波导方向的输入口转换为垂直于波导方向的输入口。转弯波导一和转弯波导二沿波导方向的长度不同，实现圆极化器的第一馈电端口和第二馈电端口沿波导方向不在同一水平面上，可以容易地实现两层E面T形功分器网络分别对单元天线馈电，简化馈电网络复杂度。

圆极化器的金属阶梯尽量靠近阶梯喇叭的过渡辐射口，降低天线整体高度。

本发明的有益效果如下：

1）辐射器采用阶梯喇叭辐射口内设十字栅格的结构，无介质结构，损耗低，天线效率高；

2）辐射器采用阶梯喇叭辐射口内设十字栅格的结构，十字栅格的存在，使得最小辐射单元的口面电场更为均匀，进一步提高了天线的辐射效率；

3）本发明使用转弯波导将天线单元的馈电端口设计在圆极化器侧边，可以容易地采用E面T形功分网络对单元天线馈电，简化阵列设计难度；

4）本发明实现了双圆极化辐射。每一个喇叭天线对应一个隔片圆极化器，将圆极化器直接与喇叭天线单元连接，实现了单元天线的双圆极化辐射，且圆极化效果好。相比于传统的采用OMT（正交模耦合器）先分极化，再用3dB电桥合成圆极化实现阵列圆极化辐射的方法，这种设计不需要3dB电桥，并且对整个天线馈电网络的相位没有要求，因此结构简单，加工误差容忍度大。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实施例中单元天线仿真模型图。

图2为本发明实施例中单元天线剖面结构图。

图3为本发明实施例中单元天线立体结构图。

图4为本发明实施例中H面L形转弯波导剖面结构图。

图5为阵列天线的驻波仿真曲线图。

图6为阵列天线的主辐射方向轴比随频率变化的曲线图。

图7为天线的典型频点辐射方向图。

图8为天线的效率随频率变化的曲线图。

附图标记说明：

1、辐射器；2、圆极化器；11、十字栅格；12、阶梯喇叭；13、辐射口；14、倒角；21、金属阶梯；22、方口波导；23、转弯波导一；24、转弯波导而；25、阶梯调配模块一；26、阶梯调配模块二；3、第一馈电端口；4、第二馈电端口。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明要解决的技术问题：天线加入了介质，增加了天线的复杂度，介质的存在不可避免地降低了阵列天线的效率；另外，由于单元间距的减小，阵列的馈电网络布置更为复杂，增大了天线加工难度。

基础实施方式：

图1是本发明仿真模型图，包含辐射器（1）和圆极化器（2），图3是本发明立体结构图。本发明提供一种双圆极化辐射特性的天线单元，天线工作于接收模式时，阶梯喇叭天线可以接收天线工作频段内任意旋向的圆极化信号，该任意圆极化信号经隔片圆极化器后分解为左旋圆极化信号和右旋圆极化信号，两路圆极化信号分别从两个矩形端口第一馈电端口（3）、第二馈电端口（4）输出。天线工作于发射模式时，输入的信号经隔片圆极化器转化为圆极化信号，接着阶梯喇叭天线将该圆极化信号辐射到空间中，实现信号发射。

图2是双圆极化器辐射单元结构剖面图，包括十字栅格（11）、阶梯喇叭（12）、金属阶梯（21）、方口波导（22）、矩形转弯波导一（23）、矩形转弯波导二（24）、阶梯调配块一（25）、阶梯调配块二（26）。

十字栅格（11）位于阶梯喇叭（12）的辐射口（13）内，其四个顶点与阶梯喇叭（12）的辐射口内内表面相切；阶梯喇叭（12）为矩形口，包括辐射口（13）和至少一个过渡辐射口，辐射口（13）尺寸约为1.5个工作波长，十字栅格（11）将辐射口（13）分为4个矩形口，为了便于加工，在十字栅格（11）交叉处以及十字栅格（11）与辐射口（13）连接处加有倒角（14）。

阶梯喇叭（12）的口面尺寸由上到下，逐渐减小，即阶梯喇叭（12）的过渡辐射口和辐射口的口径呈递增趋势，辐射口（13）的口径最大，口径最小的一个过度辐射口和方口波导（22）连接，金属阶梯（21）位于方口波导内（22）的一个内表面上，方口波导（22）和金属阶梯（21）组合形成隔片圆极化器。金属阶梯（21）最高一层上设置有金属隔片，所述金属隔片将所述波导输出口均分为两个矩形输出口。同样，为了便于加工，隔片圆极化器的内角处均加有倒角。

图4是本发明H面L形转弯波导剖面结构图。矩形转弯波导一（23）和矩形转弯波导二（24）分别连接到隔片圆极化器的两个矩形输入口。阶梯调配块一（25）和阶梯调配块二（26）分别位于矩形转弯波导一（23）和矩形转弯波导二（24）的转弯处。第一馈电端口（3）和第二馈电端口（4）分别为单元天线的两个馈电端口。矩形转弯波导一（23）和矩形转弯波导二（24）的长度不同，这样实现天线单元的第一馈电端口（3）和第二馈电端口（4）不在同一层，可以容易地实现两层E面T形功分器网络分别对单元天线馈电，进而完成低剖面平板天线设计。

进一步的，隔片圆极化器的金属阶梯（21）尽量靠近阶梯喇叭的最小过渡辐射口，降低天线整体高度。

本实施例中的阶梯喇叭采用的是5个阶梯，但是阶梯喇叭的阶梯数不限于该数目，可以是大于1的任何数目。本实施例中的隔片圆极化器金属阶梯数目为4，该金属阶梯数的数目也不限于该数目，可以根据实际天线工作带宽需求调整金属阶梯的数目。本实施例中转弯波导的阶梯调配块的阶梯数目为2，同样的该阶梯调配块的阶梯数目不限于该数目，可以是任意整数。

阶梯喇叭的喇叭口尺寸从上往下逐渐减小，优选的，喇叭口为方形结构。

隔片圆极化器内的金属阶梯从上往下，其阶梯高度逐渐增高，进一步的，金属阶梯的上部紧靠阶梯喇叭的最小过渡辐射口，这种设计可以降低天线的剖面高度。

本实施例中所有的倒角方向为竖直方向，这种设计天线形状规整，加工工艺简单，适合大批量生产。

试验例：

为了验证本发明的正确性，设计了一个双圆极化单元天线。天线的主要参数为：

辐射口的口径面积为：14.4mm×14.4mm。

十字栅格厚度1mm，高度4.4mm，倒角R=1.5mm。

阶梯喇叭辐射口由上到下的边长分别为：14.4mm，13.9mm，11.2mm，9mm，7mm。

阶梯喇叭辐射口由上到下的高度分别为：4.4mm，2.7mm，2.5mm，1.3mm，3.2mm。

隔片圆极化器的方波导边长为6mm×6mm。

隔片圆极化器的金属阶梯宽度为1.6mm。

隔片圆极化器由上到下的阶梯高度分别为：0.84mm，1.98mm，2.56mm，2.68mm，3.44mm。

隔片圆极化器由上到下的阶梯长度分别为：2.58mm，1.99mm，1.48mm，1.57mm，1.26mm。

阶梯喇叭内角倒角R=1.5mm，隔片圆极化器内角倒角为1mm。

H面弯折波导的调配块阶梯数为2，单个阶梯高度1.55mm。

单元天线的高度为36.7mm。

仿真结果：

图5为单元天线的驻波仿真曲线，从该曲线可以看出天线的工作带宽（VSWR<2）为27.6GHz~33.4GHz。相对工作带宽达19%。

图6为单元天线的主辐射方向轴比随频率变化的曲线图，从该曲线图可以看出天线的工作频段（27.6GHz~33.4GHz）内天线的轴比小于3dB，说明天线在工作带宽内具有良好的圆极化辐射特性。

图7为天线的典型频点（31GHz）的辐射方向图，主辐射方向的交叉极化电平大于25dB。天线单元的E面和H面方向图等化程度高。

图8为天线的效率随频率变化的曲线，从该曲线可以看出仿真得到的天线的效率在工作频段内均大于90%，该结果反映了天线具有高效率的特性。

以上仿真结果充分证明了本发明专利的合理性和正确性。

本发明的优点众多。不同的方面、实施例或实施方式可以产生以下优点中的一个或多个优点。本发明的一个优点是：辐射器采用阶梯喇叭辐射口内设十字栅格的结构，无介质结构，损耗低，天线效率高。本发明的另一个优点是：辐射器采用阶梯喇叭辐射口内设十字栅格的结构，减小了最小辐射单元间距，有效抑制阵列栅瓣。本发明的又一个优点是：本发明使用转弯波导将天线单元的馈电端口设计在圆极化器侧边，可以容易地采用E面T形功分网络对单元天线馈电，简化阵列设计难度。本发明的又一个优点是：本发明实现了双圆极化辐射。每一个喇叭天线对应一个隔片圆极化器，将圆极化器直接与喇叭天线单元连接，实现了单元天线的双圆极化辐射，且圆极化效果好。相比于传统的采用OMT（正交模耦合器）先分极化，再用3dB电桥合成圆极化实现阵列圆极化辐射的方法，这种设计不需要3dB电桥，并且对整个天线馈电网络的相位没有要求，因此结构简单，加工误差容忍度大。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种Ka频段圆极化天线，包括辐射器和圆极化器，所述辐射器与所述圆极化器相连，其特征在于：所述辐射器包括阶梯喇叭和十字栅格；所述阶梯喇叭包括辐射口和至少一个过渡辐射口，所述十字栅格设置于所述辐射口内且其四个顶点与辐射口内表面相切。

2.根据权利要求1所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述辐射器通过所述过渡辐射口与所述圆极化器相连。

3.根据权利要求1所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述阶梯喇叭过渡辐射口到辐射口的口径呈递增趋势，辐射口的口径最大。

4.根据权利要求1所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述十字栅格的四个顶点与所述辐射口内表面相切，所述十字栅格的十字中心和所述阶梯喇叭的中心位于同一竖直线上。

5.根据权利要求1所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述圆极化器包括波导和金属阶梯，所述金属阶梯设置于所述波导内表面。

6.根据权利要求5所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述波导包括与所述辐射器相连的输出口和输入口；所述金属阶梯的最低一层将所述波导输入口均分为输入口一和输入口二，所述金属阶梯最高一层设置有金属隔片，所述金属隔片将所述波导输出口均分为输出口一和输出口二，所述输入口一和输入口二分别与所述输出口一和输出口二对应。

7.根据权利要求6所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述圆极化器还包括转弯波导一和转弯波导二，所述转弯波导一和转弯波导二的一端分别与所述输入口一和输入口二相连，所述转弯波导一和转弯波导二的另一端分别与位于所述圆极化器侧面的第一馈电端口和第二馈电端口相连。

8.根据权利要求7所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述转弯波导为90°转弯，所述90°转弯外角处设置有阶梯调配块。

9.根据权利要求7所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述转弯波导一和转弯波导二沿波导方向的长度不同。

10.根据权利要求1-9任一项所述的Ka频段圆极化天线，其特征在于：所述阶梯喇叭、波导和转弯波导的横截面均为矩形。