CN116742362B - 宽带高功率容量双极化天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带高功率容量双极化天线阵列，包括多排天线组，相邻排的天线组之间交替布置呈二维陈列，天线组包括第一天线组和第二天线组，第一天线组和第二天线组均包括多个天线单元，天线单元的开口向上，主体部分***天线阵列内部；第一天线组的各个天线单元的波导开口长边沿第一直线延伸，第一天线组整体沿第三直线延伸，第一直线和第三直线的夹角为45°；第二天线组的各个天线单元的波导开口长边沿第二直线延伸，所述第二天线组整体沿第三直线延伸；第二直线和第三直线的夹角为45°，且第一直线与第二直线相互垂直；本发明具有宽带化、小型化、高功率容量、双极化、可实现双极化扫描的优势，能够满足K波段工作的要求。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带高功率容量双极化天线阵列。
背景技术
在EMC、电磁检测、对抗干扰等领域，对天线阵列提出了带宽宽、功率容量大、天线效率高、可双极化工作的要求。尤其在K波段，由于同轴线传输线的损耗比较大，通常使用基于矩形波导的开口波导天线组成天线阵列，开口波导天线具有体积小、结构紧凑、机械强度好、可靠性高、功率容量大的特点，但是天线口径和矩形波导的截止波长直接相关，在要求天线双极化工作时，存在一定设计难度。
传统的双极化实现形式通常有三种：第一种实现方式为直接由双极化天线单元组阵，在K波段，很难实现组阵不出现栅瓣的双极化天线馈电设计或宽带小型化正交模耦合器的设计；第二种实现方式为两个单极化的单元正交分布，后面由一套功放模块通过波导开关切换或者两套功放分别馈电，前者将引入额外的成本和波导开关损耗，后者需要两套功放模块，极大增加成本；第三种实现方式为单极化天线阵列通过机械旋转实现双极化，但该方式面对大型阵列应用场景时，往往较难实现。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能量损耗小、热传导性能高、口面利用率高的宽带高功率容量双极化天线阵列。
技术方案：一种宽带高功率容量双极化天线阵列，包括多排天线组，相邻排的所述天线组之间交替布置呈二维陈列，所述二维陈列包括X方向和Y方向；所述交替布置的天线组包括第一天线组和第二天线组，所述第一天线组和第二天线组均包括多个天线单元，所述天线单元采用矩形开口波导天线，其开口向上、主体部分垂直于X方向和Y方向***布置；
所述第一天线组的各个天线单元的波导开口长边沿第一直线方向延伸，所述第一天线组整体沿第三直线方向延伸，所述第一直线方向和第三直线方向的夹角为45°；
所述第二天线组的各个天线单元的波导开口长边沿第二直线方向延伸，所述第二天线组整体也沿第三直线方向延伸；所述第二直线方向和第三直线方向的夹角为45°，且所述第一直线方向与所述第二直线方向相互垂直。
进一步的，所述天线单元包括矩形开口波导天线和介质段；所述矩形开口波导天线包括射频连接器和馈电段，所述馈电段的波导腔体内设有金属匹配梯台，所述金属匹配梯台的中心线与波导腔体中心线重合并与波导内壁长边相连接，所述射频连接器的金属探针连接金属匹配梯台；所述介质段插嵌在馈电段的出口端，所述介质段的一端为燕尾结构，所述介质段的中间部分为和馈电段内径尺寸相同的长方体结构。更进一步的，所述介质段的长方体结构的开口向口径面外伸出并沿波导开口长边方向扩展形成凸台。
针对K波段工作的要求，所述介质段的燕尾结构长度为1.48λ0，所述介质段的中间部分长度为1.48λ0，所述介质段的开口向口径面外伸出0.07λ0长度，并沿波导开口长边方向扩展0.03λ0。所述金属匹配梯台距离波导内壁端面0.075λ0，宽度0.3λ0；所述金属匹配梯台包括依次连接的第一台阶、第二台阶和第三台阶，所述第一台阶高度0.15λ0，第二台阶高度0.13λ0，第三台阶高度0.09λ0，λ0为中心频率波长。
进一步的，还包括匹配销钉，所述匹配销钉为圆柱形，设置于相邻四个天线单元所围空间方格的中心，且不与天线口面干涉。
针对K波段工作的要求，所述匹配销钉半径为0.14λ0，高度为0.2λ0。
优选的，相邻两个天线单元共用外壁。
针对K波段工作的要求，所述天线单元的内口径为0.66λ0×0.22λ0，长度大于5.18λ0。在天线阵列平面上，相邻两个天线单元的几何中心间距为0.51λ0。
与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：
1、天线阵列排布方式紧凑，能够最大化地利用口径，整体产品具有小型化的优势，便于集成应用。
2、通过空间能量合成的方式形成双极化电磁波，可以最大化地利用输入能量。相比于水平垂直布置的双极化天线，显著降低了能量损失与***成本。
3、采用介质加载平滑过渡波导等效阻抗，经过介质段的过渡，波导阻抗和自由空间阻抗能够良好匹配，能够实现高功率容量的双极化工作模式，特别适用于天线阵列空间尺寸有限的情况使用。
4、具有宽带化、高功率容量、双极化、可实现双极化扫描的优点，能够满足K波段工作的要求。
附图说明
图1为本发明一实施例的天线阵列的立体结构示意图；
图2为图1所示天线阵列的俯视图；
图3为本发明的单极化天线组实现水平极化和垂直极化的原理图；
图4为本发明一实施例的天线单元结构示意图；
图5为图4 的俯视图；
图6为图4中介质段的局部放大图；
图7为本发明一实施例的10×10天线阵列上边频E面、H面方向图；
图8为本发明一实施例的10×10天线阵列中频E面、H面方向图；
图9为本发明一实施例的10×10天线阵列下边频E面、H面方向图。
实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语，为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1、图2，一种宽带高功率容量双极化天线阵列，包括多排交替布置的天线组，按照天线布置角度的不同，将天线组分为第一天线组A和第二天线组B。
其中，第一天线组A包括多个天线单元，每个天线单元采用矩形开口波导天线1，矩形开口波导天线1为长方体结构，中间为波导腔体，其开口向上，矩形开口波导天线1的主体部分沿垂直于纸面的方向嵌于天线阵列内部。定义波导长边为波导开口矩形边长较长的一边，波导短边为波导开口矩形边长较短的一边。第一天线组A的各个天线单元的波导长边沿第一直线方向倾斜布置，同组的相邻的天线之间相互平行，第一天线组A整体沿竖直方向（即y方向）延伸，即若干向左倾斜布置的天线单元沿着竖直方向延伸排布构成第一天线组A，第一直线方向和竖直方向的夹角为45°。
第二天线组B也由多个天线单元构成，各天线单元同样为长方体结构。第二天线组B的各天线单元的波导长边沿第二直线方向倾斜布置，同组的相邻天线之间相互平行，第二天线组B整体沿竖直方向延伸，即若干向右倾斜布置的天线单元沿着竖直方向延伸排布构成第二天线组B，第二直线方向和竖直方向的夹角为45°，且第一直线方向与第二直线方向的夹角为90°。
上述天线阵列由两种不同方向的天线单元正交布置构成，通过等幅同相馈电和等幅反相馈电分别实现水平极化和垂直极化，其工作原理如图3所示。两个天线单元分别以竖线为参照，按照斜-45°、斜+45°角相互垂直摆放，将单极化天线单元组成了一对单极化天线组（即一个双极化单元）；两个天线单元分别对应一个端口馈电，当两个单元同相时实现垂直极化，反相时实现水平极化（一个天线相位不变，另一个天线相移180°），由此完成水平极化和垂直极化两种极化的工作方式。在双极化工作方式的基础上，由于尺寸比较小，还可以进一步实现双极化扫描，即扫描10°左右且不出现栅瓣。
和普通天线相比，双极化天线需在同样的面积下布置两倍的天线数量才能确保其整体性能，因此需对天线间距提出要求。图1、图2所示的实施例中，第二天线组B中的各天线指向第一天线组A的天线中心，以此实现最紧凑的阵列分布。天线单元的外壁为金属壁，优选的，相邻两个天线单元共用一个外壁。
如图4-图6所示为本发明的天线单元在不同视角下的结构，天线单元包括矩形开口波导天线1和填充在矩形开口波导天线1内的介质段2。具体的，矩形开口波导天线1包括射频连接器11和馈电段12，馈电段12的波导腔体内设有金属匹配梯台121，金属匹配梯台121的中心线与波导腔体中心线重合并与波导内壁长边相连接。射频连接器11的金属探针连接金属匹配梯台121。馈电段12的出口端设有介质段2，该介质段2为实心介质板，介质段2嵌入馈电段12末端后整体由天线外壁包裹住，且馈电段12的开口和介质段2的端部齐平，图1中附图标记1所指为天线单元的所在位置（即矩形开口波导天线的位置），附图标记2所指即为介质段2的端面。进一步的，介质段2朝内一侧为切去三角结构形成的燕尾结构，介质段2的中间部分为和馈电段12内径尺寸相同的长方体结构，该长方体结构的右端向口径面外伸出并沿波导开口长边方向扩展形成凸台作为卡扣件，结合胶粘的方式固定介质段2。
通常情况下，波导开口天线和自由空间波阻抗差距较大，无法良好匹配，这将导致天线回波损耗增大，天线效率降低，在空间尺寸允许情况下，现有技术通常将波导开口天线口面张开向外延伸形成角锥喇叭天线，以得到良好的阻抗匹配过渡，但在紧凑布置的天线阵列条件下，没有空间供波导开口天线口径向外张开，为了平滑过渡波导等效阻抗，本发明通过加载介质，改变波导天线口面处的阻抗，经验证，波导开口天线和自由空间可以良好匹配。
进一步的，为了改善天线单元有源驻波，可添加圆柱状的匹配销钉3，每个匹配销钉3的位置为相邻四个天线单元所围空间方格的中心，不与天线口面干涉；匹配销钉3的数量由阵面规模决定，略多于单极化天线单元的数量即可，匹配销钉3与介质共同作用，能够使波导开口天线更好的与自由空间实现阻抗匹配，其加工方式为实心结构件。
基于上述内容设计一种工作在K波段18-26.5GHz的天线阵列，中心频率波长λ0=13.5mm。
该天线阵列由多排天线组斜45°正交布置形成，矩形开口波导天线1包括射频连接器11和馈电段12；介质段2填充于馈电段12出口处，可通过卡扣和胶粘固定在开口波导内壁；天线阵列上添加了多个半径为0.14λ0、高度为0.2λ0的匹配销钉3；在天线分布的平面上，相邻两个天线单元共用外壁，外壁采用金属壁，天线单元的几何中心间距为0.51λ0，内口径为0.66λ0×0.22λ0，长度应大于5.18λ0。可选的，针对K波段工作需求，介质段2可以用介电常数2.2、厚度3mm的介质板。
金属匹配梯台121的第一台阶端部距离波导内壁端面0.075λ0，宽度0.3λ0，其第一台阶高度为0.15λ0，第二台阶高度为0.13λ0，第三台阶高度为0.09λ0。介质段2端口向口面外伸出0.07λ0长度并沿长边方向扩展0.03λ0，作为卡扣固定结构，中间部分和开口波导内径尺寸相同，长度为1.48λ0，燕尾结构长度为1.48λ0。
如图7-图9所示分别为该天线阵列上边频、中频及下边频的E面、H面方向图。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，包括多排天线组，相邻排的所述天线组之间交替布置呈二维陈列，所述二维陈列包括X方向和Y方向；所述交替布置的天线组包括第一天线组和第二天线组，所述第一天线组和第二天线组均包括多个天线单元，所述天线单元采用矩形开口波导天线，其开口向上、主体部分垂直于X方向和Y方向***布置；
所述第一天线组的各个天线单元的波导开口长边沿第一直线方向延伸，所述第一天线组整体沿第三直线方向延伸，所述第一直线方向和第三直线方向的夹角为45°；
所述第二天线组的各个天线单元的波导开口长边沿第二直线方向延伸，所述第二天线组整体也沿第三直线方向延伸；所述第二直线方向和第三直线方向的夹角为45°，且所述第一直线方向与所述第二直线方向相互垂直；
所述天线单元包括矩形开口波导天线（1）和介质段（2）；所述矩形开口波导天线（1）包括射频连接器（11）和馈电段（12），所述馈电段（12）的波导腔体内设有金属匹配梯台（121），所述金属匹配梯台（121）的中心线与波导腔体中心线重合并与波导内壁长边相连接，所述射频连接器（11）的金属探针连接金属匹配梯台（121）；所述介质段（2）插嵌在馈电段（12）的出口端，所述介质段（2）的一端为燕尾结构，所述介质段（2）的中间部分为和馈电段（12）内径尺寸相同的长方体结构。
2.根据权利要求1所述的宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，所述介质段（2）的长方体结构的开口向口径面外伸出并沿波导开口长边方向扩展形成凸台。
3.根据权利要求1所述的宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，所述介质段（2）的燕尾结构长度为1.48λ0，所述介质段（2）的中间部分长度为1.48λ0，所述介质段（2）的开口向口径面外伸出0.07λ0长度，并沿波导开口长边方向扩展0.03λ0，λ0为中心频率波长。
4.根据权利要求1所述的宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，所述金属匹配梯台（121）距离波导内壁端面0.075λ0，宽度0.3λ0；所述金属匹配梯台（121）包括依次连接的第一台阶、第二台阶和第三台阶，所述第一台阶高度0.15λ0，第二台阶高度0.13λ0，第三台阶高度0.09λ0，λ0为中心频率波长。
5.根据权利要求1所述的宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，包括匹配销钉（3），所述匹配销钉（3）为圆柱形，设置于相邻四个天线单元所围空间方格的中心，且不与天线口面干涉。
6.根据权利要求5所述的宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，所述匹配销钉（3）半径为0.14λ0，高度为0.2λ0，λ0为中心频率波长。
7.根据权利要求1所述的宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，相邻两个天线单元共用外壁。
8.根据权利要求7所述的宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，所述天线单元的内口径为0.66λ0×0.22λ0，长度大于5.18λ0，λ0为中心频率波长。
9.根据权利要求7所述的宽带高功率容量双极化天线阵列，其特征在于，在天线阵列平面上，相邻两个天线单元的几何中心间距为0.51λ0，λ0为中心频率波长。
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