CN114597636A - 一种宽频超低轮廓双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频超低轮廓双极化天线，包括从上至下依次层叠的天线罩层、四脊开口波导阵列层、x轴极化悬置带线馈电网络层、电磁波极化选择波导层、y轴极化悬置带线馈电网络层和双边双脊波导谐振腔层采用悬置微带线网络结构对平板波导阵卫星天线进行馈电，拓宽了双线极化平板卫星天线的工作带宽，在微波、毫米波波段实现了34%的中心带宽（FBW），将天线轮廓高度降低到小于25mm，使得天线单元的辐射效率达到了92%以上。
Description
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及涉及一种低轮廓高度、宽频带（10.5~14.8GHz）、双极化平板卫星通信天线，适用于固定安装或者移动载体（如车载、机载、船载等）装配的卫星通信天线。
背景技术
卫星通信利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现两个或多个地球站之间的通信，具有多址联接功能、覆盖范围广、通信稳定性好、质量高等优点。卫星通信对于地广人稀的场景，如海洋中的各类船只、沙漠或草原，以及道路崎岖的山地丘陵等地面通信设施不完善地区具有至关重要的作用。随着地面通信技术(5G、6G等未来通信***)与互联网技术的快速发展，卫星通信与蜂窝通信技术相融合的技术特征也越来越明显，世界各主要大国正在加快建设低轨道卫星星座，使其具有更宽的传输频带宽和更大的通信容量。因此，在移动载体上随时随地和卫星进行通信，已成为无人驾驶汽车、无人机等未来技术发展的基本需求。
卫星通信***的核心技术之一就是卫星天线技术，天线形式包括传统的抛物反射面天线、相控阵天线，以及平板波导阵列天线等。安装在移动载体上的卫星天线要求有很好的电性能，同时要求整个***的轮廓高度低、重量轻。传统的抛物反射面天线展开之后体积较大，由于引入机械伺服***，导致其重量也很大，运动状态下的风阻和搜星速度不尽人意；传统相控阵卫星天线的轮廓高度都很理想，但大角度扫描时其电扫描增益损失较大、收发（TR）组件的制造及维护成本高昂，一般民用市场难以接受；相对而言，平板波导阵列天线具备轮廓高度低、天线口面效率高、重量相对较轻，搜星速度快的优势，非常适合移动载体上的卫星通信***使用。
美国Raysat公司在专利PCT/BG2004/000011，US7307586B2和US2006/0152414A1中公布了一种平板波导阵卫星天线，该天线通过堆叠多层开口金属板形成喇叭状辐射通道，再利用间隔的两层微带线进行双极化馈电，并将初级放大器和LNB直接集成于天线面板后部，结构紧凑，但是微带线馈电的介质损耗相对较大，导致辐射效率偏低。韩国的IDOIT公司目前占据国际平板波导阵列天线主要市场，该公司在专利PCT/KR2008/001008和PCT/KR2008/005145中发布了一种波导喇叭天线阵平板天线。其辐射层采用具有内收倾斜面特征的喇叭状波导，该设计使得天线的总体轮廓高度比较厚，且大尺寸的喇叭辐射口使得天线辐射方向图有较高的旁瓣；其后，该公司在专利PCT/KR2008/003036中提出在喇叭波导口面加装金属网格的方案来降低旁瓣，但该设计进一步增加了产品复杂度和生产成本。IDOIT公司在公开的所有平板波导阵列天线专利中采用波导馈电网络，这些波导网络的电磁通道设计得极为狭窄，导致工作带宽受限，实际加工和电镀生产都很困难，而且波导馈电网络使得天线总体轮廓高度进一步增加。德国QEST公司在专利PCT/EP2010/002645和PCT/EP2013/001923中公布的平板波导阵天线在辐射喇叭口内设计了多个台阶，使得天线与空气之间的阻抗匹配更好，扩展了带宽；然后该公司进一步在专利PCT/EP2013/001939中运用悬置微带线和波导网络进行双极化馈电，结构复杂，总体厚度也较大。
电子科技大学在专利CN106356640B中公布了一种宽带双圆极化平板波导阵列天线，包括从上往下依次层叠的辐射口径、谐振腔、馈电方波导、圆极化器、双极化馈电网络和标准波导过渡接口，其-10dB中心带宽为16%，天线效率约为60%，其水平极化和垂直极化均采用波导馈电方式，导致轮廓高度较大。南京安天纳通信技术有限公司在专利CN107871935A中公布了一种双极化收发共用波导阵列天线，从上往下依次为辐射波导喇叭、垂直极化波导馈电网络、水平极化波导馈电网络，正交模转化器，但该方案的工作带宽相对较窄、整体轮廓高度也不尽人意。
因此，增加卫星天线的增益和工作带宽、降低卫星天线的轮廓高度和生产成本，是卫星天线研发工程师们的不断努力方向。
发明内容
发明目的：为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种宽频超低轮廓双极化天线，目的是为了增加双极化平板卫星天线的工作带宽（达到34%的中心带宽），实现超低轮廓高度的平板卫星天线，提高天线辐射效率，并优化平板卫星天线的结构，降低工艺复杂度和生产成本。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：一种宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：包括从上至下依次层叠的天线罩层、四脊开口波导阵列层、x轴极化悬置带线馈电网络层、电磁波极化选择波导层、y轴极化悬置带线馈电网络层和双边双脊波导谐振腔层，其中：
所述四脊开口波导阵列层，包括上层四脊波导辐射单元和下层四脊波导辐射单元，所述下层四脊波导辐射单元的内径相对上层四脊波导辐射单元缩小设计；
所述x轴极化悬置带线馈电网络层，设有与四脊开口波导阵列层中下层四脊波导辐射单元电磁波耦合的馈电网络；
所述电磁波极化选择波导层，包括上层波导结构和下层波导结构，所述上层波导结构为与四脊开口波导阵列层中下层四脊波导辐射单元尺寸一致的四脊开口波导，所述下层波导结构为双边双脊波导结构；
所述y轴极化悬置带线馈电网络层，设有与电磁波极化选择波导层中下层波导结构电磁波耦合的馈电网络；
所述双边双脊波导谐振腔层，设有与电磁波极化选择波导层中双边双脊波导结构一致的双边双脊波导谐振腔；
所述四脊开口波导阵列层的底部、电磁波极化选择波导层的顶部和底部、双边双脊波导谐振腔层的顶部，分别设有与对应馈电网络相匹配的空气凹槽，使得各馈电网络形成空气悬置带线结构。
作为优选，所述四脊开口波导阵列层为方形、圆形、六边形或八边形的对称规则结构。
作为优选，所述四脊开口波导阵列层采用2×2个方形四脊波导单元组成的阵列，每个方形四脊波导单元中的上层四脊波导辐射单元的平面周期p满足以下条件：
λ min≤p≤λ max
λ min=3×108/f H
λ max=3×108/f L
式中，λ min为最高工作频率f H对应的自由空间波长，λ max为最低工作频率f L所对应的自由空间波长。
所述四脊开口波导阵列层（2）采用2×2个方形四脊波导单元组成的阵列，每个方形四脊波导单元中的上层四脊波导辐射单元（21）的最佳平面周期为p=0.84λ 0，其实际值在λ min≤p≤λ max内都应该属于保护范围(λ min=3×108/f H和λ max=3×108/f L为最高工作频率f H和最低工作频率f L所对应的自由空间波长）；
作为优选，所述下层四脊波导辐射单元的边长为0.58λ 0，且上层四脊波导辐射单元与下层四脊波导辐射单元的高度差为0.2λ 0。下层四脊波导辐射单元的边长为0.58λ 0，且上层四脊波导辐射单元与下层四脊波导辐射单元的高度差为0.2λ 0。该高度差的台阶可以抑制x轴极化波在低频段的远场方向图畸变和毛刺，另外，该台阶还对加装天线罩之后的回波损耗有改善作用。
作为优选，所述x轴极化悬置带线馈电网络层的馈电网络包括x轴极化悬置带线馈电口，以及与x轴极化悬置带线馈电口连接的x轴极化一分二功率分配线、x轴极化末级一分二功率分配线和辐射贴片。
作为优选，所述电磁波极化选择波导层中的上层波导结构的深度为0.84λ 0。
作为优选，所述y轴极化悬置带线馈电网络层的馈电网络包括y轴极化悬置带线馈电口，以及与y轴极化悬置带线馈电口依次连接的y轴极化一分二功率分配线、y轴极化末级一分二功率分配线和辐射带线。
作为优选，所述双边双脊波导谐振腔层的波导深度为0.18λ 0。该层结构将y轴极化波完全反射向上至辐射口。
作为优选，所述四脊开口波导阵列层的顶部还设有金属垫片。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明中的波导辐射单元采用四脊波导，以及下层的极化选择腔采用双边双脊波导，均增加了波导的电高度，从而有效降低了天线的物理高度；同时通过脊波导的使用极大提升了两层极化电磁波之间的隔离度，相比传统波导设计具有明显优势。
（2）本发明在四脊开口波导阵列层、电磁波极化选择波导层和双边双脊波导谐振腔层巧妙的设计匹配的空气凹槽，从而使得x+y向两层馈电网络形成空气悬置带线结构。相比于传统的波导馈电结构极大降低了平板卫星天线的轮廓高度，在Ku波段实现总体轮廓高度小于25 mm，约为市场目前同类主流产品的一半。空气悬置带线结构相比于传统的介质悬置带线结构、微带线馈电结构***损耗小很多，又极大提高了天线效率，另外，其结构、工艺更加简单，生产成本更低。
（3）由于采用脊波导结构和悬置带线馈电网络，该双极化平板波导阵卫星天线的工作带宽进一步增加，可以覆盖绝大部分Ku收发波段（10.5~14.8 GHz），具有34%的中心带宽，明显优于现有同类设计。
（4）在采用空气悬置带线馈电网络的同时，对脊波导辐射结构的进行优化设计，从而提高本发明双极化平板波导阵卫星天线的辐射单元效率达到了92%以上。
附图说明
图1是本发明所述宽频超低轮廓高度双极化天线的2×2单元的结构示意图。
图2是本发明实施例中2×2方形四脊开口波导阵列的上视结构图。
图3是本发明实施例中2×2方形四脊开口波导阵列的下视结构图。
图4是本发明所述宽频超低轮廓高度双极化天线中x轴极化悬置带线馈电网络层的俯视图。
图5是本发明所述宽频超低轮廓高度双极化天线中电磁波极化选择波导层的上视图。
图6是本发明所述宽频超低轮廓高度双极化天线中电磁波极化选择波导层的下视图。
图7是本发明所述宽频超低轮廓高度双极化天线中y轴极化悬置带线馈电网络层的俯视图。
图8是本发明所述宽频超低轮廓高度双极化天线中的双边双脊波导谐振腔层。
图9是本实施例中超低轮廓双极化宽带平板卫星天线的单元结构。
图10是本实施例中所述宽频超低轮廓双极化天线的2×2单元的驻波比曲线图。
图11是本实施例中所述宽频超低轮廓双极化天线的2×2单元的两个端口之间的隔离度图；
图12是本实施例中所述宽频超低轮廓双极化天线的2×2子阵x极化波和y极化波的增益曲线图。
其中，天线罩层1、四脊开口波导阵列层2、x轴极化悬置带线馈电网络层3、电磁波极化选择波导层4、y轴极化悬置带线馈电网络层5、双边双脊波导谐振腔层6、上层四脊波导辐射单元21、下层四脊波导辐射单元22，金属垫片23、x轴极化悬置带线馈电口31，x轴极化一分二功率分配线32，x轴极化末级悬置带线一分二功率分配线（33、34），辐射贴片35、上层波导结构42，下层波导结构43、y轴极化悬置带线馈电口51，y轴极化一分二功率分配线52，y轴极化末级悬置带线一分二功率分配线（53、54），辐射带线55，双边双脊波导谐振腔62，空气凹槽（24,41,44,61）。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。本发明实施例为本发明的优选实施例，不因以此限定本发明的保护范围，凡在本发明的思路和方案之上所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明采用悬置微带线网络结构对平板波导阵卫星天线进行馈电，拓宽了双线极化平板卫星天线的工作带宽，在微波、毫米波波段实现了34%的中心带宽（FBW）、将天线轮廓高度降低到小于25mm（≈λ 0中心频率对应的自由空间波长），使得天线单元的辐射效率达到了92%以上。该天线的结构主要由三层脊波导夹着两层电路印刷版（PCB）层叠而成，结构紧凑而简洁。从而实现了宽频、超低轮廓高度、高效、易加工的双极化平板卫星天线。本文中，λ 0为中心频率12.6GHz所对应的自由空间波长，λ 0=23.8mm。
如图1所示，作为解决上述技术问题的具体技术方案，本实施例首先提供了工作在Ku波段的双线极化平板卫星天线，本发明的宽频超低轮廓双极化平板卫星天线从上往下可分为天线罩、方形四脊开口波导阵列层、x轴极化悬置带线馈电网络层、电磁波极化选择波导层、y轴极化悬置带线馈电网络层和双边双脊波导谐振腔层。本实施例中，本发明中，双线极化信号为水平极化电磁波信号和垂直极化电磁波信号。
如图2和3所示，所述四脊开口波导辐射层采用M×N（2×2）个方形四脊波导单元组成的阵列（如图2所示），每个方形四脊波导单元都可传输双线极化信号，其包括上层四脊波导辐射单元和内径缩小的下层四脊波导辐射单元。
为了增加天线增益、降低辐射方向图的旁瓣电平（SLL），并保证天线工作带宽，所述方形的上层四脊波导辐射单元的最佳平面周期为p=0.84λ 0，其实际值在λ min≤p≤λ max内都应该属于保护范围(λ min=3×108/f H和λ max=3×108/f L分别为最高工作频率f H和最低工作频率f L所对应的自由空间波长）；
所述下层四脊波导辐射单元边长为0.58λ 0，所述上层四脊波导辐射单元和内径缩小的下层四脊波导辐射单元之间的高度差为0.2λ 0，该台阶可以抑制x轴极化波在低频段的远场方向图畸变和毛刺，还使得加装天线罩之后的回波损耗S11有改善作用。另外，上层四脊波导辐射单元的顶部还设有金属垫片（即：天线罩与辐射波导阵列层之间的金属垫片）。
并在开口波导辐射层的底部设置空气凹槽，使得下方的x轴极化悬置带线馈电网络形成空气悬置带线结构。
如图4所示，所述四脊开口波导阵列层的下方设置有x轴极化悬置带线馈电网络层，其由金属走线印制在介质板上，用于传输x轴极化电磁波。该层馈电网络与开口波导辐射层和电磁波极化选择波导层上下的空气间隔24、41形成悬置带线。x轴极化悬置带线馈电网络层包括悬置带线馈电口，以及与悬置带线馈电口连接的一分二功率分配线、末级一分二功率分配线和矩形的辐射贴片，通过矩形金属贴片将水平极化电磁波耦合到上层与之相连的四脊波导辐射单元中。本层的馈电网络采用PCB工艺印制在介质基板上，并放置于图2所示的四脊开口波导阵列与图5所示的电磁波极化选择波导层之间，与PCB板金属走线的上下方的空气凹槽形成空气悬置带线，相较于传统的介质悬置带线或微带线馈电网络，本发明所采用空气悬置带线方案具有介质损耗小、效率高、温度特性好的优点。
如图5和6所示为设在x轴极化悬置带线馈电网络层下方的电磁波极化选择波导层。该电磁波极化选择波导层可分为上下两层不同结构，上层结构同辐射波导层一样的四脊波导，深度为0.21λ 0（电磁波极化选择波导单元中的上层结构的深度），下层结构为双边双脊波导结构，该层结构可阻止水平极化波往下层传播，同时允许垂直极化波从下层往上层传播。并在电磁波极化选择波导层的底部设置有空气凹槽44。
在电磁波极化选择波导层的下方则是y轴极化悬置带线馈电网络层，如图7所示。y轴极化悬置带线馈电网络层由若干级一分二功率分配悬置带线构成，末级一分二功率分配网络通过悬置带线将y轴极化电磁波耦合到上层与之相连的双边双脊波导中。
位于y轴极化悬置带线馈电网络层下方则是双边双脊波导谐振腔层，如图8所示。其结构与电磁波极化选择波导层的下层结构的双边双脊波导一致，其波导深度约为0.18λ 0，该层结构将y轴极化波完全反射向上至辐射口。
本发明中，x轴极化电磁波和y轴极化电磁波分别通过若干级一分二悬置带线功分网络汇总到整个卫星天线的x轴极化波导总口和y轴极化波导总口。因此，该平板卫星天线具备了双极化电磁波收发性能。
本发明的宽频超低轮廓高度双极化天线，由于采用空气悬置带线结构，其单元辐射效率略低于波导馈电结构，但高于微带线馈电结构，实验结果表明该天线单元的辐射效率大于92%。
图10是本发明所述宽频超低轮廓高度双极化平板卫星天线2×2子阵的驻波比曲线。由曲线图可知：本发明天线子阵工作于Ku波段，x极化波馈电端口在10.70~14.05GHz的回波损耗|S11|都低于-10dB；y极化波馈电端口在10.70~14.05GHz的回波损耗|S11|都低于-15dB。
图11是本发明所述平板卫星天线2×2子阵的两个馈电端口之间的隔离度曲线图。从图可知：在整个Ku工作波段10.50~14.80GHz的隔离度都低于-45dB，具有非常好的特性。
图12是本发明所述所述平板卫星天线2×2子阵x极化波和y极化波的增益曲线图。从图可知：在10.50~14.80GHz范围内其增益从14.0dB左右线性增加到16.4dB左右，具有基本完全一致的增益和效率。本发明的技术创新之处主要在于：
1、本发明中，所述的方形四脊波导单元在四边的中央有脊形突起，具有增加波导电尺寸的作用，从而有效减小了波导的物理尺寸，并拓宽了波导的工作频率范围。本发明中，所述的四脊波导单元通常呈方形，也可以设计为圆形、六边形、八边形或其带有倒角的对称规则结构，类似形状的四脊波导结构都应该属于本发明保护范围。
2、本发明中，x轴极化和y轴极化悬置带线馈电网络层可以交换，具体馈电网络的金属走线图案也可以改变，但采用空气悬置带线馈电和四脊波导、双边双脊波导的方案应该属于本发明的保护范畴。
3、x轴极化悬置带线馈电网络层（图4），在PCB板金属走线的上下方是空气凹槽，使其成为空气悬置带线，相较于传统的介质悬置带线或微带线馈电网络，本发明所采用空气悬置带线方案具有介质损耗小、效率高、温度特性好的优点。
4、y轴极化悬置带线馈电网络层的俯视图（图7），在金属走线的上下方也都有空气凹槽，使其成为空气悬置带线。
应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：包括从上至下依次层叠的天线罩层（1）、四脊开口波导阵列层（2）、x轴极化悬置带线馈电网络层（3）、电磁波极化选择波导层（4）、y轴极化悬置带线馈电网络层（5）和双边双脊波导谐振腔层（6），其中：
所述四脊开口波导阵列层（2），包括上层四脊波导辐射单元（21）和下层四脊波导辐射单元（22），所述下层四脊波导辐射单元（22）的内径相对上层四脊波导辐射单元（21）缩小设计；
所述x轴极化悬置带线馈电网络层（3），设有与四脊开口波导阵列层（2）中下层四脊波导辐射单元（22）电磁波耦合的馈电网络；
所述电磁波极化选择波导层（4），包括上层波导结构（42）和下层波导结构（43），所述上层波导结构（42）为与四脊开口波导阵列层（2）中下层四脊波导辐射单元（22）尺寸一致的四脊开口波导，所述下层波导结构（43）为双边双脊波导结构；
所述y轴极化悬置带线馈电网络层（5），设有与电磁波极化选择波导层（4）中下层波导结构（43）电磁波耦合的馈电网络；
所述双边双脊波导谐振腔层（6），设有与电磁波极化选择波导层（4）中双边双脊波导结构一致的双边双脊波导谐振腔（62）；
所述四脊开口波导阵列层（2）的底部、电磁波极化选择波导层（4）的顶部和底部、双边双脊波导谐振腔层（6）的顶部，分别设有与对应馈电网络相匹配的空气凹槽（24,41,44,61），使得各馈电网络形成空气悬置带线结构。
2.根据权利要求1所述宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：所述四脊开口波导阵列层（2）为方形、圆形、六边形或八边形的对称规则结构。
3.根据权利要求1所述宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：所述四脊开口波导阵列层（2）采用2×2个方形四脊波导单元组成的阵列，每个方形四脊波导单元中的上层四脊波导辐射单元（21）的平面周期p满足以下条件：
λ min≤p≤λ max
λ min=3×108/f H
λ max=3×108/f L
式中，λ min为最高工作频率f H对应的自由空间波长，λ max为最低工作频率f L所对应的自由空间波长；
优选p=0.84λ 0，λ 0=23.8mm，其为中心频率12.6GHz所对应的自由空间波长。
4.根据权利要求1所述宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：所述下层四脊波导辐射单元（22）的边长为0.58λ 0，且上层四脊波导辐射单元（21）与下层四脊波导辐射单元（22）的高度差为0.2λ 0。
5.根据权利要求1所述宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：所述x轴极化悬置带线馈电网络层（3）的馈电网络包括x轴极化悬置带线馈电口（31），以及与x轴极化悬置带线馈电口（31）连接的x轴极化一分二功率分配线（32）、x轴极化末级一分二功率分配线（33，34）和辐射贴片（35）。
6.根据权利要求1所述宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：所述电磁波极化选择波导层（4）中的上层波导结构（42）的深度为0.84λ 0。
7.根据权利要求1所述宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：所述y轴极化悬置带线馈电网络层（5）的馈电网络包括y轴极化悬置带线馈电口（51），以及与y轴极化悬置带线馈电口（51）依次连接的y轴极化一分二功率分配线（52）、y轴极化末级一分二功率分配线（53,54）和辐射带线（55）。
8.根据权利要求1所述宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：所述双边双脊波导谐振腔层（6）的波导深度为0.18λ 0。
9.根据权利要求1所述宽频超低轮廓双极化天线，其特征在于：所述四脊开口波导阵列层（2）的顶部还设有金属垫片（23）。
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