CN113140917B - 一种多层矩形波导天线馈电结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层矩形波导天线馈电结构，该结构包括：矩形波导‑平行板波导宽边离散化结构和E面矩形波导功率分配结构；矩形波导‑平行板波导宽边离散化结构用于平行板波导宽边方向上平面电磁波的离散化，包括平行板波导结构、金属隔板和多路输出端口；平行板波导结构的末端设置有匹配结构和若干等间距排布的金属隔板，相邻金属隔板之间中心位置对应的波导上表面设置有各路输出端口；E面矩形波导功率分配结构输入端口连接各路矩形波导‑平行板波导宽边离散化结构输出端口，用于能量在E面矩形波导传播方向的均匀或非均匀分配。本发明结构简单，加工容易，能实现高功率、低副瓣、增益可配置，可用于CTS天线的馈电。

Description

一种多层矩形波导天线馈电结构

技术领域

本发明涉及天线及天线馈源技术领域，尤其涉及移动和航空应用的平板天线。

背景技术

随着无线通信技术的发展，对于高速率数据传输的无线宽带信道的需求不断增长，特别是移动卫星通讯领域，缺少能够满足移动使用要求的天线，具体来说为增益高、尺寸小、重量轻的天线。持续增长的高通量通信需求使得毫米波在现代无线通信***应用广泛，毫米波的频率范围在30至300之间，总共约250的带宽，频段介于微波与红外光波之间，与传统的微波***相比，毫米波不仅具有全天候的优势，而且可以提供更广泛的可用频谱资源和更紧凑的设计尺寸；相较于红外光，毫米波不仅继承了其信息容量大、分辨率高等优点，而且受气候环境影响更小，能够更好地利用大气窗口进行通信。对于与卫星进行定向无线数据通信(例如，在Ku或Ka频带)由于必须可靠地防止相邻卫星之间的干扰，所以对天线的发射特性有极高的要求。在移动通信应用中，天线的重量和尺寸非常重要，因为它们可以降低移动载体的有效载荷，并且可以减少相应的操作费用。在卫星通信领域，管理规定移动卫星的定向发射操作期间在相邻的卫星之前不产生干扰，为此，需要设计的天线不能超过特定波瓣宽度的数值。这导致了根据该指标的天线特性的严格要求。随着波瓣宽度的减小，天线与目标卫星的分离角减小，天线增益也相应增高。通常，使用具有这些特性的抛物面天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器而言，抛物面天线由于其具有较大的尺寸而并不适用。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，由于抛物面天线尺寸较大带来了额外的空气阻力。

平面印刷天线，如微带贴片阵列是一种应用最为广泛的低剖面阵列，依靠成熟的印制电路板技术和光刻工艺，具有尺寸小精度高等特点，并且可以很容易地低成本制造，但是微带贴片阵列的馈电网络介质损耗较大，口径效率较低，在毫米波频段和较大的阵列中尤其明显。

在毫米波频段，传统的缝隙波导阵列设计较为复杂，自基片集成波导技术出现以来，缝隙波导阵列在20GHz以上开始得到了深入的研究，相比于贴片阵列，该类型天线具有更高的效率和功率容量。但是，受限于馈电网络和耦合单元的频率特性，缝隙波导阵列的整体带宽往往不是特别理想，阻抗带宽很少超过20％。

相反地，平板天线具有较为规则的几何形状和任意的纵横比，天线效率较高。特别地，能够实现高度很低的天线阵列。

已知使用波导技术设计的阵列天线馈电网络具有较低的导体损耗，较高的功率容量，同时剖面较低。

因此，对于移动的、特别是航空应用的小尺寸卫星天线，设计过程中的目标有：1.低损耗；2.高功率容量；3.结构紧凑、节省空间；4.天线增益可配置，实现天线口径可调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于动中通***特别是航空***的GHz频率范围的一种多层矩形波导天线馈电结构，该馈电辐射结构能够以最小的尺寸利用最大的功率密度进行符合规定的发射操作，在接收操作中具有较高的天线效率和低的背景噪声；同时，该馈电辐射结构在纵向易于扩展，可以根据应用场景不同调整其合适的辐射口径。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多层矩形波导天线馈电结构，该结构包括：矩形波导-平行板波导宽边离散化结构和E面矩形波导功率分配结构；所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构用于平行板波导宽边方向上平面电磁波的离散化，包括平行板波导结构、金属隔板和多路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口；平行板波导结构的末端设置有匹配结构和若干等间距排布的金属隔板，相邻金属隔板之间中心位置对应的波导上表面设置有各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口；所述E面矩形波导功率分配结构输入端口连接各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口，用于E面矩形波导传播方向上的能量均匀或非均匀分配。

进一步地，所述平行板波导结构一端馈入电磁波，平行板波导结构的宽和高分别为A和B，其中A＞λ0，B＜λ0/2，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长，A等于离散化间距D的整数倍，馈入电磁波的模式为TE10模式或准TEM模式；所述平行板波导结构的另一端设置波导拐角和匹配结构，用于离散结构的阻抗匹配和电磁波的传播方向转向90度。为了防止高次模，所述平行板波导结构的波导高度应小于半波长。

进一步地，所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构，一共包含M个离散化单元；所述金属隔板的作用是将相邻离散化单元的电磁波进行隔离，其中隔板可以由立方体或圆柱状结构组成，所述金属隔板高度与平行板波导结构高度相同；相邻金属隔板之间的距离d等于离散化间距D，d＜λ0；通过调节金属隔板的长度和宽度，实现阻抗匹配。所述的阻抗匹配实现了平行板波导与矩形波导的阻抗匹配；能量转向，所述的能量转向实现了平行板波导传播方向到平行板波导窄边方向的转向；极化转向，所述的极化转向实现了平行板波导窄边方向到平行板波导传播方向的电场方向转向。

进一步地，所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构，相邻金属隔板之间中心位置对应的波导上表面开矩形槽，作为各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口，各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口分别与各路E面矩形波导功率分配结构输入端口相连接。

进一步地，所述E面矩形波导功率分配结构为层叠状结构，该结构为具有E面T型功率分配器的二叉树形式，所述E面T型功率分配器分支波导平面与TE10模电场E所在平面平行，E面矩形波导功率分配结构的输入端口连接各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口，馈电方式为并行方式，E面矩形波导功率分配结构一共有N个输出，其中N为偶数；所述E面矩形波导功率分配结构为单级或多级级联结构；所述E面矩形波导功率分配结构为等分或不等分功率分配结构，其作用为均分或不等分配电磁波能量。

进一步地，所述E面矩形波导功率分配结构由于层叠状结构的特性，可以通过调整矩形波导功率分配结构的层数来调整辐射口径的大小。

进一步地，所述矩形波导E面功分结构可以是并联、串联、并联串联结合的馈电结构。

进一步地，所述多层矩形波导天线馈电结构，还包括辐射结构，所述辐射结构连接E面矩形功率分配结构的输出端口，用于将能量分配后的电磁波辐射到自由空间。

进一步地，所述E面矩形波导功率分配结构置于辐射结构的底部，将电磁波馈入波导喇叭，从波导喇叭顶部辐射到自由空间。

进一步地，所述辐射结构共包括N×M个辐射单元，所述辐射结构总开口面积S＝L×W，其中L<N×λ0，W<M×λ0，其中λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长。

进一步地，矩形波导功率分配结构与喇叭天线相结合，此种方式可以提供宽带和低剖面的性能，其中喇叭天线可以是阶梯喇叭也可以是渐近线(直线)喇叭。

进一步地，该天线馈电结构为多层结构，各层结构之间平行排布；通过调整层数，在不改变E面矩形波导功率分配结构和加工难度的情况下，实现天线口径的调节。

进一步地，所述多层矩形波导天线馈电结构，至少一些波导喇叭天线设置为加脊喇叭天线。

进一步地，所述多层矩形波导天线馈电结构，至少一些辐射结构采用TSA结构或鳍线结构。

进一步地，所述辐射结构的波导喇叭开口向上，相邻层数之间的波导喇叭由低于剖面高度的波导壁彼此隔离，在阵面上体现为阵元数量为N的矩形槽阵列。

进一步地，所述多层矩形波导天线馈电结构，矩形波导壁采用金属良导体。

进一步地，所述多层矩形波导天线馈电结构用于卫星通信应用。

本发明提供的多层矩形波导天线馈电结构的优点是结构简单，加工容易，能实现低剖面、高功率，增益可配置，可用于卫星通信阵列天线的馈电及辐射。

附图说明

图1示意地表示本发明实施实例用于辐射结构的整体结构透视图；

图2示意地表示本发明公开实施实例用于矩形波导-平行板波导宽边离散化结构剖面视图；

图3示意地表示本发明公开实施实例用于矩形波导-平行板波导宽边离散化结构侧视图；

图4示意地表示本发明公开实施实例用于矩形波导馈电网络透视图；

图5示意地表示本发明公开实施实例E面T型功率分配单元及其电场分布示意图；

图6示意地表示本发明公开实施实例用于辐射结构的结构图；

图7示意地表示本发明公开实施实例用于辐射结构剖面侧视图。

具体实施方式

由于本发明工作在微波毫米波频段，在设计过程中需要考虑传输线损耗的影响，因此采用波导结构作为传输线的主要结构进行设计。在一定的频带内，频率不变的情况下，不同的波导高度将会导致不同的传播常数和不同的波导特征阻抗，因此我们可以通过改变波导高度设计出损耗较低的等功率分配器和不等功率分配器，这就形成了我们所示的E面矩形波导功率分配结构。同时，由于天线增益随天线输出口径的增大而增大，多个E面矩形波导功率分配结构可以前后堆叠，每一层可以对应一个线阵列的辐射单元，在俯仰面组成天线阵列，这样，我们就可以通过改变E面矩形波导功率分配结构的层数来实现口径可调节，从而实现天线增益的可配置。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、水平、垂直等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参考图1-5所示，为本发明实施例提供的基于多层矩形波导的32x1阵列天线馈电结构，该结构包括矩形波导-平行板波导宽边离散化结构2和E面矩形波导功率分配结构3；所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构2包括1个平行板波导结构1、9个金属隔板5和8个矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口6，所述平行板波导结构1一端馈入电磁波，平行板波导结构1的宽和高分别为A和B，其中A＞λ0，B＜λ0/2，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长，A等于离散化间距D的整数倍，馈入电磁波的模式为TE10模式或准TEM模式；所述平行板波导结构1的另一端设置波导拐角和三角形匹配结构20，用于离散化结构的阻抗匹配和电磁波的传播方向转向；所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构2一共包含8个离散化单元，相邻离散化单元之间设置有金属隔板5，其中金属隔板5可以由立方体或圆柱状结构组成，所述金属隔板5高度与平行板波导结构1高度相同；相邻金属隔板5之间的距离d等于离散化间距D，d＜λ0；通过调节金属隔板5的长度和宽度，实现阻抗匹配。相邻金属隔板5之间中心位置对应的波导上表面设置有各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口6，该矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口6分别与E面矩形波导功率分配结构功分输入端口7相连接。所述E面矩形波导功率分配结构3一共有8层，其中每层的E面矩形波导功率分配结构3构造均相同，沿一个坐标轴方向均匀等间距排列，其中排列间距小于λmin，其中λmin表示发送或接收最高频率的电磁波自由空间波长；所述E面矩形波导功率分配结构3包括1个功分输入端口7、32个功分输出端口11、若干等功率分配器9、若干不等功率分配器8和若干波导弯头10。各路E面矩形波导功率分配结构功分输入端口7分别与各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口6相连接，单层E面矩形波导功率分配结构3沿功分输入端口7中心呈左右前后对称结构，由6级矩形波导功率分配器和若干波导弯头10级联而成，单层E面矩形波导功率分配结构设置有1个功分输入端口7和32个功分输出端口11，为32:1的功率分配器，其中32个功分输出端口11在输出阵面上呈等间距排列，所述E面矩形波导功率分配结构3用于将传导的电磁波分流；然而，可以设想E面矩形波导功率分配结构3拥有更少或更多层的实施例，通过更改层数，得到更大的辐射输出口径，整体辐射增益和整体体积也会相应提高。因此，根据应用，E面矩形波导功率分配结构3层数的适当设计能够建立不同方向图增益的天线。为了能够应用不同的应用场合，本发明可以很容易地改变功率分配结构的层数，从而使得整体结构仅为必要的大小。

所述基于多层矩形波导的32x1阵列天线馈电结构还包含辐射结构4，所述辐射结构4包含32个辐射单元，所述辐射单元偏振方式一致，分别连接各路E面矩形波导功率分配结构输出端口，1个辐射单元对应1个E面矩形波导功率分配结构功分输出端口11，用于将分流后的电磁波辐射到自由空间，选择合适的辐射元件尺寸及其孔径面积的大小，使得各辐射元件的相位中心之间的沿着两个坐标方向上的间隔比λmin小，其中λmin表示发送或接收最高频率的电磁波自由空间波长。该间隔保证了在天线方向图中的最大有用频率范围内，在任意方向上不会产生称为“栅瓣”的寄生旁瓣。所述辐射结构的总开口面积S＝L×W，其中L<N×λ，W<M×λ，其中λ为发射或接收电磁波的最小自由空间波长，所述辐射单元接收或发射一个极化方向上的电磁波，该极化方向与矩形波导功率分配结构平行，本发明实例中N＝32，M＝1。

参考图6和7所示的是本发明实施例的辐射结构，所述辐射结构的波导喇叭开口向上，相邻层数之间的喇叭由低于剖面高度的波导壁12彼此隔离，在阵面上体现为阵元数量为32的矩形槽阵列13。

然而，同样可以设想模块的其他布置和其他的辐射单元尺寸。例如还能够将方形的辐射单元布置成圆。也不需要所有的辐射单元具有相同的尺寸。

根据应用和要求的频率带宽，能够将诸如传统的矩形波导改为圆形波导或更加宽带的脊波导这样的多重波导作用于波导结构，其中脊波导可以设置为单脊波导或双脊波导。还可以设想填充有电介质的波导。

根据理论分析来说，波导结构全部填充或部分填充电介质是有利地。然后填充有电介质的波导的尺寸会明显减小，因此，这意味着使整体结构剖面更小，使要求的安装空间最小化。

如果整体多层矩形波导天线馈电结构的发射和接收频带分别位于分开很远的频带上，则可能产生如下情况：辐射单元和波导的尺寸需要调整，以至于两个频带的较低频带接近或低于辐射单元和波导的截止频率。通过本实例的方式，传统的喇叭天线不再能够支持该频带，或可采用更宽带的加脊喇叭形式，与传统的喇叭天线相比，这样的喇叭天线可能具有极大地延伸的频率带宽。然后，是由天线物理的方法执行这样的加脊喇叭与自由空间的阻抗匹配。

例如，在K/Ka频带操作的情况下，接收频带大约是19-20GHz，发射频带大约是29-30GHz。为了满足辐射方向图在发射频带中没有寄生旁瓣的现象(“旁瓣”)的条件，相邻辐射单元的距离必须小于10mm×10mm。

以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及一些没有做出创造性劳动前提下的替代方式制作出一种多层矩形波导天线馈电结构。本发明结构具有低剖面、损耗小、剖面低、设计简单和易加工等特点，适合作为卫星阵列天线的馈电及辐射。

Claims (8)

1.一种多层矩形波导天线馈电结构，其特征在于，该结构包括：矩形波导-平行板波导宽边离散化结构和E面矩形波导功率分配结构；所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构用于平行板波导宽边方向上平面电磁波的离散化，包括平行板波导结构、金属隔板和多路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口；所述平行板波导结构的一端馈入电磁波，平行板波导结构的宽和高分别为A和B，其中A＞λ0，B＜λ0/2，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长，A等于离散化间距D的整数倍，馈入电磁波的模式为TE10模式或准TEM模式；所述平行板波导结构的另一端设置波导拐角与匹配结构，用于离散化结构的阻抗匹配与电磁波传播方向的转向；所述平行板波导结构的末端设置有匹配结构和若干等间距排布的金属隔板，相邻金属隔板之间中心位置对应的波导上表面设置有各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口；所述E面矩形波导功率分配结构输入端口连接各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口，用于E面矩形波导传播方向上的能量均匀或非均匀分配。

2.如权利要求1所述的一种多层矩形波导天线馈电结构，其特征在于，所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构包含M个离散化单元，所述金属隔板的作用是将相邻离散化单元的电磁波进行隔离，所述金属隔板由立方体或圆柱状结构组成，所述金属隔板高度与波导结构高度相同；相邻金属隔板之间的距离d等于离散化间距D，d＜λ0；通过调节金属隔板的长度和宽度，实现阻抗匹配。

3.如权利要求1所述的一种多层矩形波导天线馈电结构，其特征在于，相邻金属隔板之间中心位置对应的波导上表面开矩形槽，作为各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口，各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口分别与各路E面矩形波导功率分配结构输入端口相连接。

4.如权利要求1所述的一种多层矩形波导天线馈电结构，其特征在于，所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构还能实现阻抗匹配，所述的阻抗匹配实现了平行板波导与矩形波导的阻抗匹配；能量转向，所述的能量转向实现了平行板波导传播方向到平行板波导窄边方向的转向；极化转向，所述的极化转向实现了平行板波导窄边方向到平行板波导传播方向的电场方向转向。

5.如权利要求1所述的一种多层矩形波导天线馈电结构，其特征在于，所述E面矩形波导功率分配结构为层叠状结构，该结构为具有E面T型功率分配器的二叉树形式，所述E面T型功率分配器分支波导平面与TE10模电场E所在平面平行，所述E面矩形波导功率分配结构的输入端口连接各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口，馈电方式为并行方式，所述E面矩形波导功率分配结构一共有N个输出，其中N为偶数；所述E面矩形波导功率分配结构为单级或多级级联结构；所述E面矩形波导功率分配结构为等分或不等分功率分配结构，其作用为均分或不等分配电磁波能量。

6.如权利要求1所述的一种多层矩形波导天线馈电结构，其特征在于，矩形波导腔体剖面为矩形，矩形波导内壁采用金属良导体，所述矩形波导结构包括但不限于金属腔体结构或基片集成波导(SIW)结构。

7.如权利要求1所述的一种多层矩形波导天线馈电结构，其特征在于，所述天线馈电结构还包括辐射结构，所述辐射结构连接E面矩形波导功率分配结构的输出端口，共包括N×M个辐射单元，用于将能量分配后的电磁波辐射到自由空间。

8.根据权利要求1所述的一种多层矩形波导天线馈电结构，其特征在于，该天线馈电结构为多层结构，各层结构之间平行排布；通过调整层数，在不改变E面矩形波导功率分配结构和加工难度的情况下，实现天线口径的调节。

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