CN111224229A - 一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线。天线的极化形式为双线极化且工作在Ku频段，主要由四个全铜结构的小型子阵列以2×2矩形阵列形式紧密排布构成，矩形阵列一个方向上的相邻子阵列之间互为镜像对称，矩阵阵列另一个相垂直方向上的相邻子阵列、布置相同且互为平移复制关系。本发明具有高Q值的情况下设计了基于方型同轴结构和镜像子阵列的双线极化卫星阵列天线，与卫星阵列天线辐射单元相集成的紧密嵌套型的馈电网络结构可以解决现存采用波导或同轴馈电的喇叭式动中通卫星阵列天线结构存在的难以集成、大尺寸、高损耗等技术难题，卫星阵列天线在天线结构只需一次反相的情况下实现了很低的交叉极化。

Description

一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线
技术领域
本发明设计了一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线，具有高增益、双极化、低副瓣、小尺寸以及低交叉极化等特性。
背景技术
卫星通信***中的关键技术之一就是天线技术，卫星通信天线往往要求天线具有高效率、低损耗、双线极化、圆极化等特点。动中通天线技术尤其需要天线具有小尺寸的特点。传统反射面天线虽然结构简单，容易实现高增益，但是体积较大，不易安装，因此具有小尺寸、高效率、易集成的平面阵列天线得到了广泛应用。在双极化平面阵列天线中要实现高Q值、低损耗需要选择基于波导的平面阵列天线，因为微带贴片平面阵列天线虽然易与射频后端集成，但是其天线辐射效率较低，单元间互耦较为强烈，随着天线的设计工作频率升高，天线整体的辐射性能会愈加恶化。然而双极化波导阵列天线馈电网络占用空间较大，重量大，因此传统形式的天线结构难以同时满足小尺寸、低旁瓣、低损耗等技术要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线，在集成馈电网络的情况下能够同时实现小尺寸、低旁瓣、低损耗等技术要求。
本发明采用的技术方案是：
天线的极化形式为双线极化且工作在Ku频段，主要由四个全铜结构的小型子阵列以2×2矩形阵列形式紧密排布构成，矩形阵列一个方向上的相邻子阵列、之间以垂直于该方向的中心线互为镜像对称，矩阵阵列另一个相垂直方向上的相邻子阵列、布置相同且互为平移复制关系。
每个子阵列中，是主要由16个辐射单元以4×4的形式排布而成，16个辐射单元之间均通过同一馈电网络连接，辐射单元形式为单侧阶梯背腔式的喇叭单元，每个辐射单元包括辐射外腔体和辐射内腔体，辐射内腔体固定设置于辐射外腔体的底面，多个辐射单元的辐射外腔体集成为同一个；辐射内腔体的一侧侧表面设置为阶梯式表面结构，多个辐射单元的辐射内腔体的阶梯式表面结构设置于同一侧。
馈电网络主要由两个含多个圆柱导体内芯的方型同轴构成，两个方型同轴结构为紧密嵌套式结构，方型同轴为水平极化功分馈电结构，方型同轴为垂直极化功分馈电结构；方型同轴按照自底而上四级功分结构设计，方型同轴的每一级功分处均位于方型同轴的同一级功分处的上层。方型同轴内部分别有由180和220个长度及内径不等的圆柱导体内芯沿轴线方向连接而成的匹配功分结构，圆柱导体内芯与方型同轴内壁间有环形特氟龙结构进行固定，长度及内径不相等使得不同圆柱导体内芯之间的阻抗不同；
方型同轴连接到辐射单元的辐射内腔体下侧，方型同轴连接到辐射单元外侧的馈电腔；方型同轴的馈电端口均位于整体结构的底部，准TEM波从馈电端口输入，沿圆柱导体内芯从底部向上沿功分结构传输直到辐射单元内部。
所述天线的辐射单元单个侧壁外侧与内侧均包含阶梯型表面结构。。
所述的阶梯式表面结构包含四个尺寸互不相同的阶梯。
所述馈电网络除固定需要的环形特氟龙结构外均为全铜结构。
所述方型同轴对辐射单元在位于阶梯式表面结构的对称侧的侧壁采用探针馈电，或者所述方型同轴对辐射单元在位于阶梯式表面结构的对称侧的馈电腔内采用探针馈电。
所述的馈电网络包括水平极化馈电端口和垂直极化馈电端口，互为镜像对称的子阵列的水平极化馈电端口馈电反相，互为镜像对称的子阵列的垂直极化馈电端口馈电同相。
所述的环形特氟龙结构的介电常数为2.1。
所述的Ku频段主要包括12.25GHz-12.75GHz和14GHz-14.5GHz两个频段。
本发明利用方型同轴与喇叭式辐射单元相结合，实现了十分紧凑的阵列天线结构和较高的辐射效率。
本发明能够解决现存动中通卫星阵列天线结构存在的问题，所具有的有益效果是：
1、在具有高Q值的情况下采用具有圆柱导体内芯的方型同轴结构可以克服现存采用波导或同轴馈电的喇叭式动中通卫星阵列天线结构存在的难以集成、大尺寸、高损耗等技术难题。
2、在低损耗、紧凑、小尺寸、馈电网络及子阵列只需一次反相的情况下在双频带内均实现了很低的交叉极化，在理想情况下甚至可以达到-70dB以下。
附图说明
附图1是8×8卫星阵列天线的结构示意图。
图中：1、2、3、4表示4×4子阵列。
附图2是辐射单元的结构示意图。
图中：5表示辐射外腔体，6表示辐射内腔体，7表示阶梯型表面结构，8表示水平极化馈电探针，9表示垂直极化馈电探针。
附图3是4×4子阵列在不同角度的结构示意图。
图中：10表示水平极化功分馈电结构，11表示垂直极化功分馈电结构，12表示水平极化功分馈电结构的圆柱导体内芯，13表示垂直极化功分馈电结构的圆柱导体内芯，14表示馈电腔，15表示水平极化馈电端口，16表示垂直极化馈电端口。
附图4是方型同轴结构圆柱导体内芯的结构示意图。
图中：(a)是水平极化功分馈电结构内部的圆柱导体内芯功分结构，(b)是垂直极化功分馈电结构的内部圆柱导体内芯功分结构，17表示环形特氟龙结构。
附图5是8×8卫星阵列天线水平极化的E面远场辐射方向图。
图中：(a)是8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处水平极化的E面主极化远场辐射方向图，(b)是8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处水平极化的E面交叉极化远场辐射方向图，(c)是8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处水平极化的E面主极化远场辐射方向图，(d)是8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处水平极化的E面交叉极化远场辐射方向图。
附图6是8×8卫星阵列天线水平极化的H面远场辐射方向图。
图中：(a)是8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处水平极化的H面主极化远场辐射方向图，(b)是8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处水平极化的H面交叉极化远场辐射方向图，(c)是8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处水平极化的H面主极化远场辐射方向图，(d)是8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处水平极化的H面交叉极化远场辐射方向图。
附图7是8×8卫星阵列天线垂直极化的E面远场辐射方向图。
图中：(a)是8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处垂直极化的E面主极化远场辐射方向图，(b)是8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处垂直极化的E面交叉极化远场辐射方向图，(c)是8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处垂直极化的E面主极化远场辐射方向图，(d)是8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处垂直极化的E面交叉极化远场辐射方向图。
附图8是8×8卫星阵列天线垂直极化的H面远场辐射方向图。
图中：(a)是8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处垂直极化的H面主极化远场辐射方向图，(b)是8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处垂直极化的H面交叉极化远场辐射方向图，(c)是8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处垂直极化的H面主极化远场辐射方向图，(d)是8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处垂直极化的H面交叉极化远场辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
图1展示了本实施例中所采用的卫星阵列天线结构，卫星阵列天线由8×8共64个辐射单元构成。该阵列天线由四个子阵列(1、2、3、4)构成，每个子阵列具有独立的馈电网络，沿水平极化方向的子阵列(1、2)、(3、4)镜像对称，馈电网络与辐射单元同时镜像对称。
图2展示了辐射单元的结构，主要由辐射外腔体(5)和辐射内腔体(6)构成。辐射外腔体是辐射单元向外辐射电磁波的位置，其口径相比辐射内腔体较大，以实现较高的增益和辐射效率。辐射内腔体的一侧设计为阶梯型表面结构(7)，使得辐射单元在Ku频段的两个分频段内均实现良好的辐射性能。水平极化馈电在辐射单元辐射内腔体阶梯型表面结构的对称表面下部，垂直极化馈电在辐射单元辐射内腔体阶梯型表面结构的对称表面上部。
图3从不同角度展示了图1中的子阵列结构，子阵列由4×4共16个辐射单元构成，子阵列中有两个馈电端口，馈电端口15为水平极化端口，馈电端口16为垂直极化端口，与端口相连的方型同轴结构(11、12)分别为水平和垂直极化的馈电网络，水平和垂直极化的馈电网络紧密嵌套，方型同轴按照自底而上四级功分结构设计，水平极化功分馈电结构每一级功分处均位于垂直极化同功分馈电结构同一级功分处的上层，圆柱导体内芯(13、14)沿轴线方向进行布置，方型同轴外导体与辐射单元连接集成。通过CSTTM Microwave Studio全波仿真软件对卫星阵列天线进行仿真可得到其辐射性能。
图4展示了方型同轴结构内部的圆柱导体内芯功分结构的示意图，图4(a)和图4(b)分别展示了180和220个长度及内径不等的圆柱导体内芯根据阻抗匹配理论设计的功分结构。自下而上进行功分馈电的结构大大减小了卫星阵列天线的面积尺寸并增强了馈电网络与辐射单元间的集成性。
根据图5、图6、图7、图8所示的方向图，可以看到本发明提出的卫星阵列天线结构在12.5GHz和14.5GHz频点处副瓣电平均低于13.3dB且最大辐射方向的交叉极化隔离度极大，水平极化在12.5GHz频点处的主瓣增益为27.1dB，最大辐射方向上的交叉极化约-70dB，水平极化在14.5GHz频点处的主瓣增益为28.4dB，最大辐射方向上的交叉极化约-80dB，垂直极化在12.5GHz频点处的主瓣增益为27.8dB，最大辐射方向上的交叉极化小于-100dB，垂直极化在14.5GHz频点处的主瓣增益为28.8dB，最大辐射方向上的交叉极化约-100dB。验证了所设计的小尺寸卫星阵列天线具有高增益、高隔离度等特性。
图5(a)所示为该8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处水平极化的E面主极化远场辐射方向图，图5(b)所示为该8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处水平极化的E面交叉极化远场辐射方向图，图5(c)所示为该8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处水平极化的E面主极化远场辐射方向图，图5(d)所示为该8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处水平极化的E面交叉极化远场辐射方向图。
图6(a)所示为该8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处水平极化的H面主极化远场辐射方向图，图6(b)所示为该8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处水平极化的H面交叉极化远场辐射方向图，图6(c)所示为该8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处水平极化的H面主极化远场辐射方向图，图6(d)所示为该8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处水平极化的H面交叉极化远场辐射方向图。
图7(a)所示为该8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处垂直极化的E面主极化远场辐射方向图，图7(b)所示为该8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处垂直极化的E面交叉极化远场辐射方向图，图7(c)所示为该8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处垂直极化的E面交叉极化远场辐射方向图，图7(d)所示为该8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处垂直极化的E面交叉极化远场辐射方向图。
图8(a)所示为该8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处垂直极化的H面主极化远场辐射方向图，图8(b)所示为该8×8卫星阵列天线12.5GHz频点处垂直极化的H面交叉极化远场辐射方向图，图8(c)所示为该8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处垂直极化的H面主极化远场辐射方向图，图8(d)所示为该8×8卫星阵列天线14.25GHz频点处垂直极化的H面交叉极化远场辐射方向图。

Claims (5)

1.一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线，其特征在于：天线的极化形式为双线极化且工作在Ku频段，主要由四个全铜结构的小型子阵列(1、2、3、4)以2×2矩形阵列形式紧密排布构成，矩形阵列一个方向上的相邻子阵列(1、2)、(3、4)之间互为镜像对称，矩阵阵列另一个相垂直方向上的相邻子阵列(1、3)、(2、4)布置相同且互为平移复制关系；
每个子阵列中，是主要由16个辐射单元以4×4的形式排布而成，16个辐射单元之间均通过同一馈电网络连接，每个辐射单元包括辐射外腔体(5)和辐射内腔体(6)，辐射内腔体固定设置于辐射外腔体的底面，多个辐射单元的辐射外腔体集成为同一个；辐射内腔体的一侧侧表面设置为阶梯式表面结构(7)，多个辐射单元的辐射内腔体的阶梯式表面结构设置于同一侧；馈电网络主要由两个含多个圆柱导体内芯的方型同轴(10、11)构成，两个方型同轴结构为紧密嵌套式结构，方型同轴(10)为水平极化功分馈电结构，方型同轴(11)为垂直极化功分馈电结构；方型同轴按照自底而上四级功分结构设计，方型同轴(10)的每一级功分处均位于方型同轴(11)的同一级功分处的上层。方型同轴内部分别有由180和220个长度及内径不等的圆柱导体内芯沿轴线方向连接而成的匹配功分结构(12、13)，圆柱导体内芯与方型同轴内壁间有环形特氟龙结构进行固定，长度及内径不相等使得不同圆柱导体内芯之间的阻抗不同；方型同轴(10)连接到辐射单元的辐射内腔体下侧，方型同轴(11)连接到辐射单元外侧的馈电腔(14)；方型同轴的馈电端口均位于整体结构的底部，准TEM波从馈电端口输入，沿圆柱导体内芯从底部向上沿功分结构(12、13)传输直到辐射单元内部。
2.根据权利要求1所述的一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线，其特征在于：所述的阶梯式表面结构包含四个尺寸互不相同的阶梯。
3.根据权利要求1所述的一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线，其特征在于：所述馈电网络除固定需要的环形特氟龙结构(17)外均为全铜结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线，其特征在于：所述方型同轴(10)对辐射单元在位于阶梯式表面结构的对称侧的侧壁采用探针(8)馈电，或者所述方型同轴(11)对辐射单元在位于阶梯式表面结构的对称侧的馈电腔(14)内采用探针(9)馈电。
5.根据权利要求1所述的一种基于镜像子阵列的卫星阵列天线，其特征在于：所述的馈电网络包括水平极化馈电端口(15)和垂直极化馈电端口(16)，互为镜像对称的子阵列的水平极化馈电端口(15)馈电反相，互为镜像对称的子阵列的垂直极化馈电端口(16)馈电同相。
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