CN110943294B - 宽带低剖面双圆极化平板天线 - Google Patents

宽带低剖面双圆极化平板天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种宽带低剖面的双圆极化平板天线，从下到上包括水平垂直波导转换器、宽带双极化功分器、宽带互补移相器、低剖面四脊喇叭；宽带双极化功分器用于实现两对等幅正交同相的导波输出，宽带双极化功分器包括正交模耦合器腔体，十字缝隙腔体和四脊功分器腔体，正交模耦合器腔体设有切角结构，四脊功分器腔体在脊的两侧设有切角结构，宽带互补移相器包括一对+45°移相器和一对‑45°移相器，低剖面四脊喇叭用四脊结构来实现宽带互补移相器和空气之间的宽带阻抗匹配；本发明在实现低剖面同时实现了双端输入口在同一频带下的宽带阻抗匹配以及双圆极化辐射性能，也可以作为大规模双圆极化阵列天线的基本组成单元。

Description

宽带低剖面双圆极化平板天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波天线技术领域，具体涉及一种宽带低剖面双圆极化平板天线。
背景技术
相对于ku波段，Ka波段具有更宽的绝对带宽，这意味着Ka波段通信有着更高的信道容量。相对于线极化天线、双线极化天线，双圆极化天线具有抗干扰能力强，匹配容易等优点，还可以实现频率复用。相对于反射阵天线和透镜天线等其他形式的高增益天线，平板天线有着更低的剖面，这意味着其更易共形。传统的毫米波双圆极化平板天线主要有3种方式，他们在存在各自的优点的同时，也存在明显的带宽窄或剖面高的不足：
1、利用双线极化天线结合90°电桥。这种结构的优点是剖面相对较低，因为90°电桥可以水平放置。缺点是3dB轴比带宽很难超过20％，因为其形成相位差是在功分网络之前，其双线极化天线单元输入的正交导波的相位差受功分网络的影响。
2、利用隔片圆极化器结合喇叭天线。这种结构的优点是3dB轴比带宽可以达到18％，因为其利用的是矩形波导中间***渐变膜片来形成相位差，形成相位差是在功分网络之后，其天线单元的相位差不受馈电网络的影响。缺点是剖面过高，因为隔片圆极化器必须垂直于水平面放置。
3、利用旋转馈电技术的径向线缝隙天线。其优点剖面极低；轴比带宽较宽，通常达20％以上；其缺点是阻抗带宽较窄，-10dB以下反射系数带宽难以达到15％。因为单个缝隙的耦合量和频率密切相关而且在长方形口径下，口径利用率较低。
因此，对于Ka波段双圆极化平板天线，同时实现低剖面，宽的阻抗带宽，宽的轴比带宽是研究的难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现低剖面，宽的阻抗带宽，宽的轴比带宽的Ka波段双圆极化平板天线。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种宽带低剖面双圆极化平板天线，从下到上包括水平垂直波导转换器1、宽带双极化功分器2、宽带互补移相器3、低剖面四脊喇叭4；
水平垂直波导转换器1连接双圆极化馈电端口和宽带双极化功分器2；
宽带双极化功分器2用于实现两对等幅正交同相的导波输出，宽带双极化功分器2从下到上包括正交模耦合器腔体201，十字缝隙腔体202和四脊功分器腔体203，正交模耦合器腔体201设有切角结构2011，能够容纳两个正交的模式TE120模和TE210模，从而实现双输入端口的高隔离度，十字缝隙腔体202设置在正交模耦合器腔体201和四脊功分器腔体203之间，十字缝隙腔体202连接四脊功分器腔体203和正交模耦合器腔体201；
四脊功分器腔体203位于十字缝隙腔体202正上方且采用四脊结构，在四脊功分器腔体的脊2031的两侧设有四脊功分器腔体切角结构2032，4个四脊功分器腔体切角结构2032关于四脊功分器腔体203中心旋转对称，使TE120模和TE210模的分布更加均匀，用来输出两对正交的导波，4个四脊功分器腔体切角结构2032的上方分别设有一个四脊功分器腔体输出端口2033，四脊功分器腔体输出端口2033的长边方向与四脊功分器腔体切角结构2032方向一致；
宽带互补移相器3包括一对+45°移相器301和一对-45°移相器302，两对移相器301,302正交设置，两对移相器301,302分别位于4个输出端口2033正上方，通过在矩形波导的宽边***虹膜构成+45°移相器301，使输出导波的相位超前45°；通过在矩形波导的窄边***虹膜构成-45°移相器302，使输出导波的相位滞后45°，从而形成±90°相位差；
低剖面四脊喇叭4用四脊结构来实现宽带互补移相器3和空气之间的宽带阻抗匹配。
作为优选方式，正交模耦合器的切角结构2011采用45°切角，四脊功分器腔体切角结构2032采用45°切角。
作为优选方式，正交模耦合器腔体的切角结构2011和四脊功分器腔体切角结构2032的切角方向相同。
作为优选方式，馈电端口包括右旋圆极化馈电端口101，左旋圆极化馈电端口102，均采用标准波导WR28；辐射端口采用低剖面四脊喇叭4。
水平垂直波导转换器1用来实现双极化功分器的两个波导输入端口和标准波导WR28的过渡。
宽带双极化功分器2用来形成两对正交等幅同相的导波输出，正交模耦合器内TE120和TE210模的正交性保证了双输入端口的高隔离度。双馈电端口由十字缝隙的两条边分别匹配。全对称的宽带双极化功分器腔体使两种模式分布更加均匀。
宽带互补移相器3包括一对+45°移相器301和一对-45°移相器302，以使一对导波移相+45°，一对导波移相-45°，从而形成±90°相位差。移相器位于宽带双极化功分器之上，从而使天线轴比性能不受馈电网络影响，扩展了轴比带宽。经过宽带互补移相器的两对等幅正交导波的相位随频率变化，但是相位差在保持稳定，从而进一步扩展了的轴比带宽。此外，采用互补移相也降低了天线的剖面。
低剖面四脊喇叭用来实现互补移相器和空气的宽带阻抗匹配。喇叭采用四脊匹配，而非渐变过渡，这进一步降低了天线的剖面。
本发明的有益效果：在实现低剖面同时实现了双端输入口在同一频带下的宽带阻抗匹配以及双圆极化辐射性能。天线剖面高度仅2.95cm,使其易于和各种平面载体共形。左旋圆极化输入端口和右旋圆极化输入端口-10dB以下反射系数重合带宽超过30％，即25.25GHz-34.25GHz，隔离度大于20dB。天线的左旋圆极化增益和右旋圆极化增益在10.5dB-14.5dB之间，轴比优于1dB。为Ka波段大容量高速通信提供了硬件支持。此外，该天线还可以作为大规模阵列天线的基本组成单元，双极化功分器的两个输入端口位于不同的高度，为以后更大规模组阵安置馈电网络留下了空间。
附图说明
图1是本发明宽带低剖面双圆极天线的外部馈电结构示意图；
图2是本发明宽带低剖面双圆极天线的外部辐射结构示意图；
图3是本发明宽带低剖面双圆极天线的内部腔体结构示意图；
图4是本发明宽带低剖面双圆极天线的内部腔体结构侧视图；
图5是本发明双极化功分器的内部腔体的结构示意图；
图6是本发明双极化功分器的内部腔体的侧视图；
图7为本发明正交模耦合器的内部腔体结构示意图；
图8为本发明十字缝隙的内部腔体结构示意图；
图9为本发明四脊功分器的内部腔体结构示意图；
图10为本发明互补移相器的内部腔体结构示意图；
图11为本发明低剖面四脊喇叭结构示意图；
图12为本发明S参数随频率变化示意图；
图13为本发明左右旋圆极化增益随频率变化示意图；
图14为本发明左右旋圆极化轴比随频率变化示意图；
图15为本发明在中心频率29.75GHz的左右旋圆极化归一化方向图；
1为水平垂直波导转换器，2为宽带双极化功分器，3为宽带互补移相器，4为低剖面四脊喇叭，101为右旋圆极化馈电端口，102为左旋圆极化馈电端口，201为正交模耦合器腔体，2011为正交模耦合器腔体的切角结构，202为十字缝隙腔体，203为四脊功分器腔体，2031为四脊功分器腔体的脊，2032为四脊功分器腔体切角结构，2033为四脊功分器腔体输出端口，301为+45°移相器，302为-45°移相器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种宽带低剖面的双圆极化平板天线，从下到上包括水平垂直波导转换器1、宽带双极化功分器2、宽带互补移相器3、低剖面四脊喇叭4；
水平垂直波导转换器1连接双圆极化馈电端口和宽带双极化功分器2；
宽带双极化功分器2用于实现两对等幅正交同相的导波输出，宽带双极化功分器2从下到上包括正交模耦合器腔体201，十字缝隙腔体202和四脊功分器腔体203，正交模耦合器腔体201设有切角结构2011，能够容纳两个正交的模式TE120模和TE210模，从而实现双输入端口的高隔离度，十字缝隙腔体202设置在正交模耦合器腔体201和四脊功分器腔体203之间，十字缝隙腔体202连接四脊功分器腔体203和正交模耦合器腔体201；
四脊功分器腔体203位于十字缝隙腔体202正上方且采用四脊结构，在四脊功分器腔体的脊2031的两侧设有四脊功分器腔体切角结构2032，4个四脊功分器腔体切角结构2032关于四脊功分器腔体203中心旋转对称，使TE120模和TE210模的分布更加均匀，用来输出两对正交的导波，4个四脊功分器腔体切角结构2032的上方分别设有一个四脊功分器腔体输出端口2033，四脊功分器腔体输出端口2033的长边方向与四脊功分器腔体切角结构2032方向一致；
宽带互补移相器3包括一对+45°移相器301和一对-45°移相器302，两对移相器301,302正交设置，两对移相器301,302分别位于4个输出端口2033正上方，通过在矩形波导的宽边***虹膜构成+45°移相器301，使输出导波的相位超前45°；通过在矩形波导的窄边***虹膜构成-45°移相器302，使输出导波的相位滞后45°，从而形成±90°相位差；
低剖面四脊喇叭4用四脊结构来实现宽带互补移相器3和空气之间的宽带阻抗匹配。
正交模耦合器的切角结构2011采用45°切角，四脊功分器腔体切角结构2032采用45°切角。
正交模耦合器的切角结构2011和四脊功分器腔体切角结构2032的切角方向相同。
馈电端口包括右旋圆极化馈电端口101，左旋圆极化馈电端口102，均采用标准波导WR28；辐射端口采用低剖面四脊喇叭4。
如图1所示，该宽带低剖面双圆极化平板天线采用底馈模式，右旋圆极化馈电端口101和左旋圆极化馈电端口102均为标准波导WR28。
如图2所示，该宽带低剖面双圆极化平板天线的辐射口径为两对旋转对称的四脊喇叭。
如图3、图4所示，该宽带、低剖面双圆极化平板天线的内部腔体主要由4部分构成：一对水平垂直波导转换器1；一个宽带双极化功分器2；两对宽带互补移相器3；两对低剖面四脊喇叭4。
如图5、图6所示，双极化功分器用来实现4等功分，能够在宽带内输出两对等幅同相正交的导波。从下到上包括正交模耦合器腔体201，十字缝隙腔体202和四脊功分器腔体203。
如图7所示，正交模耦合器201，能够容纳TE120模和TE210模两个正交的模式，模式的正交性保证了左旋圆极化馈电端口和右旋圆极化馈电端口的高隔离度。
如图8所示十字缝隙腔体202，其每条边分别用来实现每个馈电端口的宽带阻抗匹配。
如图9所示，45°切角的四脊功分器腔体203，采用的全对称的结构，这使模式场分布更加均匀。
如图10所示，宽带互补移相器用来实现两对正交导波的宽带相位差。包括一对+45°移相器301和一对-45°移相器302。通过在矩形波导的宽边***虹膜，等效为并联电感，使通过它的导波的相位相对超前45°；通过在矩形波导的窄边***虹膜，等效为并联电容，使通过它的导波的相位相对滞后45°，从而形成±90°相位差。首先，互补移相器位于馈电网络之后，使天线的轴比带宽不受馈电网络的影响。其次，使两对导波各移相而不是其中一对导波移相，这降低了天线的剖面。最后，虽然移相器的终端相位和移相器的终端相位都会随频率变化，但他们的相位差几乎不变，这极大地扩展了天线的轴比带宽。
如图11所示，低剖面四脊喇叭用来把两对等幅正交相位差的导波转化为双圆极化波。方口径喇叭的效率高，四个金属脊用来实现空气、方口径喇叭和差分移相器的宽带阻抗匹配，同时也降低了剖面。
如图12所示，天线中心频率29.75GHz，双圆极化馈电端口-10dB以下反射系数带宽超过30％，隔离度大于20dB。
如图13所示，在30％的带宽内,即25.25GHz-34.25GHz，左旋圆极化增益和右旋圆极化增益在10.5dB-14.5dB之间。在中心频率29.75GHz处获得13.6dB增益；在高频边频34.25GHz处获得14dB的增益；在低频段边频25.25GHz处获得10.5dB的增益。
如图14所示，在30％的带宽内,即25.25GHz-34.25GHz，左旋圆极化增益和右旋圆极化轴比小于1dB。在中心频率29.75GHz处法向轴比为0.4dB；在高频边频34.25GHz处法向轴比为0.85dB，在低频段边频25.25GHz处法向轴比为0.95dB。
如图15所示，天线在中心频率29.75GHz的双圆极化归一化方向图具有一致性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种宽带低剖面双圆极化平板天线，其特征在于：从下到上包括水平垂直波导转换器(1)、宽带双极化功分器(2)、宽带互补移相器(3)、低剖面四脊喇叭(4)；
水平垂直波导转换器(1)连接双圆极化馈电端口和宽带双极化功分器(2)；
宽带双极化功分器(2)用于实现两对等幅正交同相的导波输出，宽带双极化功分器(2)从下到上包括正交模耦合器腔体(201)，十字缝隙腔体(202)和四脊功分器腔体(203)，正交模耦合器腔体(201)设有切角结构(2011)，能够容纳两个正交的模式TE120模和TE210模，从而实现双输入端口的高隔离度，十字缝隙腔体(202)设置在正交模耦合器腔体(201)和四脊功分器腔体(203)之间，十字缝隙腔体(202)连接四脊功分器腔体(203)和正交模耦合器腔体(201)；
四脊功分器腔体(203)位于十字缝隙腔体(202)正上方且采用四脊结构，在四脊功分器腔体的脊(2031)的两侧设有四脊功分器腔体切角结构(2032)，4个四脊功分器腔体切角结构(2032)关于四脊功分器腔体(203)中心旋转对称，使TE120模和TE210模的分布更加均匀，用来输出两对正交的导波，4个四脊功分器腔体切角结构(2032)的上方分别设有一个四脊功分器腔体输出端口(2033)，四脊功分器腔体输出端口(2033)的长边方向与四脊功分器腔体切角结构(2032)方向一致；
宽带互补移相器(3)包括一对+45°移相器(301)和一对-45°移相器(302)，两对移相器(301,302)正交设置，两对移相器(301,302)分别位于4个输出端口(2033)正上方，通过在矩形波导的宽边***虹膜构成+45°移相器(301)，使输出导波的相位超前45°；通过在矩形波导的窄边***虹膜构成-45°移相器(302)，使输出导波的相位滞后45°，从而形成±90°相位差；
低剖面四脊喇叭(4)用四脊结构来实现宽带互补移相器(3)和空气之间的宽带阻抗匹配；
正交模耦合器的切角结构(2011)采用45°切角，四脊功分器腔体切角结构(2032)采用45°切角；
正交模耦合器腔体的切角结构(2011)和四脊功分器腔体切角结构(2032)的切角方向相同。
2.根据权利要求1所述的宽带低剖面双圆极化平板天线，其特征在于：馈电端口包括右旋圆极化馈电端口(101)，左旋圆极化馈电端口(102)，均采用标准波导WR28；辐射端口采用低剖面四脊喇叭(4)。
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