动中通卫星通信双极化四脊方喇叭阵列天线

摘要

本发明涉及一种动中通卫星通信双极化四脊方喇叭阵列天线，其特点是：192个四脊方喇叭呈等间距正方形正规阵列排布，方位面取32列，俯仰面取6行，在192个四脊方喇叭口处，设置有金属补偿栅格板，该金属补偿栅格板将每个四脊方喇叭划分成等份的四个小辐射单元，这样整个阵列面形成768个小辐射单元的间距小于一个波长，使得两个面等幅同相馈电时，在可见空间不会出现栅瓣，能满足国际电联对入网宽角旁瓣包络的技术指标要求。本发明天线系统各项技术指标先进，工作稳定可靠，插入损耗低，噪声小，天线为超薄形低剖面，特别适用于作小型汽车动中通卫星通信天线，可广泛地用于雷达、通信、遥感和遥测等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及移动式卫星通信(动中通)天线，尤其是双极化四脊方喇叭阵列天线。

背景技术

动中通卫星通信天线安装在飞机、火车、汽车和舰船上，而转发通信信息的卫星则在距离地面36000km的同步轨道上，由于同步轨道上卫星密度高，所以动中通卫星通信天线向卫星发送信息时，首先，天线宽角旁瓣包络必须满足国际电联规定的技术指标要求，超过这个要求，则会干忧同步轨道上相邻卫星的正常工作，国际电联将禁止入网工作。其次，天线正交极化隔离度也必须满足国际电联规定的技术指标的要求，否则会干扰同一颗卫星正交极化复用的用户正常工作，同样会被国际电联禁止入网工作。这两项技术指标要求是动中通卫星通信天线在发射状态必须满足的首要条件，否则无法入网使用。

通常，动中通卫星通信天线形式有：抛物面天线(含环焦双反射面天线)、赋形抛物面天线、波导隙缝阵列天线、波导阵列天线和相控阵天线等。其中波导阵列天线以其超薄形低剖面倍受关注。

发明内容

本发明目的是提供一种能安装在高速运动载体上的动中通卫星通信双极化四脊方喇叭阵列天线，该阵列天线既要实现超薄形低剖面，又要改善天线的宽角旁瓣包络和正交极化隔离度技术指标，以满足国际电联对通信卫星天线的入网要求。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：此种动中通卫星通信双极化四脊方喇叭阵列天线，其构成包括有，四脊方喇叭、正交模耦合器、垂直极化波导功率分配/组合网络、水平极化波导功率分配/组合网络、双工器、高频头（LNB）、上变频功率放大器（BUC）、极化自适应装置，其特征在于：所述四脊方喇叭呈等间距正方形正规阵列排布，方位面取32列，俯仰面取6行，整个阵列面共有192个四脊方喇叭，每个四脊方喇叭口径为38.60mm，每个四脊方喇叭与一个正交模耦合器（OMT）组合成一个整体，阵列面尺寸为1204.20mm×226.60mm。本技术方案虽然保证了天线收发增益达到技术指标要求和俯仰面物理尺寸小于300mm的超薄形低剖面的要求，但为了给垂直极化波导功率分配/组合网络和水平极化波导功率分配/组合网络留有必要的走线空间和加工余量，所以四脊方喇叭相邻单元间距d取为37.6mm，相当于d=1.53λ~1.82λ，如果将四脊方喇叭当作阵列辐射单元，而且192个辐射单元又采用两维等间距正方形正规排列（如附图11所示），那么在两个面扫描可见空间就会产生大的栅瓣，其结果首先导致大量能量漏失到栅瓣中去，使天线收发增益达不到技术指标要求，其次导致方位面的大栅瓣对同步卫星轨道上的邻星可能会造成强干忧，超出国际电联对入网宽角旁瓣包络技术指标的要求，故此技术方案需要进一步改进。

针对以上技术方案的不足，本发明进一步的改进技术方案是，在192个四脊方喇叭的喇叭口处，设置有金属补偿栅格板，该金属补偿栅格板将每个四脊方喇叭划分成等份的四个辐射单元，即使得阵列天线方位面和俯仰面单元口径都一分为二，从而使整个天线阵列面上形成了192×4=768个辐射单元，该金属补偿栅格板具备二维功分/组合功能。此技术方案使两个面单元间距在频带内都为0.77λl~0.91λh，这样两个面等幅同相馈电时，在可见空间不会出现栅瓣，方位面旁瓣包络亦满足国际电联对旁瓣包络的技术指标的要求。

在上述技术方案中，所述金属补偿栅格板是由水平条和垂直条构成，水平条十三个，水平条自上而下排布，具体编号为水平条₀₁、水平条₀₂、……、水平条₁₂、水平条₁₃，垂直条六十五个，垂直条自左向右排布，具体编号为垂直条₀₁、垂直条₀₂、……、垂直条₆₄、垂直条₆₅，水平条呈矩形，其长度为1204.20mm、厚度为1.00mm、宽度或深度为7.00mm，垂直条呈矩形，其长度为226.60mm、厚度为1.00mm、宽度或深度为7.00mm，水平条等间距纵向排列，垂直条等间距横向排列，水平条与垂直条呈十字交叉结构，水平条与垂直条将阵列天线的192个四脊方喇叭划分成等份的768个辐射单元。此技术方案中，水平条₀₁至水平条₁₃等间距开有六十五个缝槽，槽口向上，垂直条₀₁至垂直条₆₅等间距开有八个缝槽，槽口向下，垂直条的槽口与水平条的槽口相对插接组装成金属补偿栅格板，且将每个四脊方喇叭被划分成四个小辐射单元。

在上述技术方案中，所述水平条中，除水平条₀₁和水平条₁₃以外，其余位于中间的水平条₀₂至水平条₁₂的下部均等间距设置有三十二个倒等腰三角形，这些倒等腰三角形的底边长为15.50mm，这些倒等腰三角形的高为7.00mm，每个倒等腰三角形的顶角正对着四脊方喇叭的中心；所述垂直条中，除垂直条₀₁和垂直条₆₅以外，其余位于中间的垂直条₀₂至垂直条₆₄的下部均等间距设置有六个倒等腰三角形，这些倒等腰三角形的底边长为15.50mm，这些倒等腰三角形的高为7.00mm，每个倒等腰三角形的顶角正对着四脊方喇叭的中心。此技术方案中，水平条和垂直条下部的倒等腰三角形侧边分别与四脊方喇叭的四条脊相对，从而进一步加强了金属补偿栅格板的补偿作用。

在上述技术方案中，所述水平条₀₂至水平条₁₂等间距开有三十二个缝槽，槽口向上，所述垂直条₀₂至垂直条₆₄等间距开有六个缝槽，槽口向下，垂直条₀₂至垂直条₆₄的槽口与水平条₀₂至水平条₁₂的槽口相对插接组装，组装后，水平条下部的倒等腰三角形与垂直条下部的倒等腰三角形将每个四脊方喇叭划分成四个小辐射单元，水平条₀₁与垂直条上端部相连接，水平条₁₃与垂直条下端部相连接，垂直条₀₁与水平条的左端部相连接，垂直条₆₅与水平条的右端部相连接。

本发明优点是：由于本发明阵列天线系统各部分都是全波导馈电、功率分配/合成和联接，插入损耗低，电压驻波比小，768个辐射单元在方位面和俯仰面都是同相均匀幅度分布，决定天线效率的两项主要的指标：照射效率和截取效率都达到100%，能量没有一点浪费，所以天线收发增益最佳，从而使系统各项主要技术指标：天线收发增益、方位面旁瓣包络、正交极化隔离度和系统G/T比等技术指标要求都有足够的余量。本发明公开的双极化四脊方喇叭在ku频段12.25GHz~14.50GHz内，作为阵列天线末级两维功率分配/组合组件相对于光壁方/圆喇叭而言，具有以下几个优点：方向图、电压驻波比和增益都具有良好的宽频带性能、在一个倍频程内具有几乎相等的E面和H面方向图，喇叭欧姆损耗低和极化隔离度高，特别适用于宽频带卫星通信极化复用阵列天线。本发明实现了超薄形低剖面，天线性能优异，尤其是决定天线效率的截取效率和口径照射效率都为100%，口径相位分布为同相分布，所以天线效率相比其它几种天线为最高。天线收发增益都是最大，加之全波导馈电和联接，插入损耗低，电压驻波比小，所以系统G/T比当然亦最高。馈线工作在全波导馈电和联接状态，没有一根电缆，在汽车高速行驶和颠簸中，系统稳定可靠，发射时旋转式极化自适应装置，设备量少，体积尺寸小，自适应极化转动控制方便，噪声小，特别适用于作小型汽车动中通卫星通信天线，所以应用前景广阔，可广泛地用于雷达、通信、遥感和遥测等领域。

附图说明

图1是本发明天线系统构成框图。

图2是本发明单个四脊方喇叭结构示意图。

图3是本发明单个金属补偿栅格结构示意图。

图4是本发明金属补偿栅格单个水平隔板结构尺寸示意图。

图5是本发明金属补偿栅格单个垂直隔板结构尺寸示意图。

图6是本发明单个四脊方喇叭与单个金属补偿栅格连接结构示意图。

图7是本发明正方体正交模耦合器的结构示意图。

图8是本发明单个带金属补偿栅格的四脊方喇叭与单个正方体正交模耦合器结构成一个整体的结构示意图。

图9是本发明垂直V形功分网络结构示意图。

图10是本发明水平H形功分网络结构示意图。

图11是本发明单个带金属补偿栅格的四脊方喇叭正交模组合体与垂直V形功分网络连接结构示意图。

图12是本发明单个带金属补偿栅格的四脊方喇叭正交模组合体与水平H形功分网络连接结构示意图。

图13是本发明实施例一金属补偿栅格板的水平条（水平条₀₁和水平条₁₃）外形示意图。

图14是本发明实施例一金属补偿栅格板的水平条（水平条₀₂至水平条₁₂）外形示意图。

图15是本发明实施例一金属补偿栅格板的垂直条（垂直条₀₁和垂直条₆₅）外形示意图。

图16是本发明实施例一金属补偿栅格板的垂直条（垂直条₀₂至垂直条₆₄）外形示意图。

图17是本发明阵列天线外形示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例为一种发送和接收电磁波信号的动中通卫星通信双极化四脊方喇叭阵列天线，该天线系统的构成如附图1所示。该天线系统阵列天线有192个四脊方喇叭呈等间距正方形正规阵列排布，方位面取32列，俯仰面取6行（如附图17所示），每个四脊方喇叭口径为38.60mm，阵列面尺寸为1204.20mm×226.60mm，整个阵列面共有192个四脊方喇叭，每个四脊方喇叭与一个正交模耦合器相连接构成一个四脊方喇叭正交模组合体（即OMT脊喇叭）。制造时，将192个OMT脊喇叭与两个功分网络作为一个整体加工。先将这个整体分为左右两大块，每块共6×16的单元，两大块再各分为四层，四脊喇叭分为一层、正交模耦合器为一层、水平功分网络为一层、垂直功分网络为一层，上述四层结构都是在一块板中用数控加工和盐浴焊或真空焊制成的三维产品模块，从而保证了产品的加工精度。此外，阵列天线中喇叭单元与喇叭单元之间是共用一个壁，可以节省阵列天线的材料用量和总重量。

本实施例中，金属补偿栅格板由十三个水平条和六十五个垂直条构成，除水平条₀₁和水平条₁₃（如附图13所示）以外，其余位于中间的水平条₀₂至水平条₁₂（如附图14所示）的下部均等间距设置有三十二个倒等腰三角形，这些倒等腰三角形（如附图4所示）的底边长为15.50mm，这些倒等腰三角形的高为7.00mm，每个倒等腰三角形的顶角正对着四脊方喇叭的中心；除垂直条₀₁和垂直条₆₅（如附图15所示）以外，其余位于中间的垂直条₀₂至垂直条₆₄（如附图16所示）的下部均等间距设置有六个倒等腰三角形，这些倒等腰三角形（如附图5所示）的底边长为15.50mm，这些倒等腰三角形的高为7.00mm，每个倒等腰三角形的顶角正对着四脊方喇叭的中心。水平条₀₁和水平条₁₃如附图13所示，等间距开有三十二个缝槽，槽口向下，水平条₀₂至水平条₁₂如附图14所示，等间距开有三十二个缝槽，槽口向上，垂直条₀₁和垂直条₆₅如附图15所示，等间距开有六个缝槽，槽口向上，垂直条₀₂至垂直条₆₄如附图16所示，等间距开有六个缝槽，槽口向下，垂直条₀₂至垂直条₆₄的槽口与水平条₀₂至水平条₁₂的槽口相对插接组装，组装后，水平条下部的倒等腰三角形与垂直条下部的倒等腰三角形将每个四脊方喇叭划分成四个小辐射单元，水平条₀₁与垂直条上端部相连接，水平条₁₃与垂直条下端部相连接，垂直条₀₁与水平条的左端部相连接，垂直条₆₅与水平条的右端部相连接。

 为清楚描述本实施例中各单元结构特征，附图2给出了每个四脊方喇叭的结构示意图。附图3给出了在每个四脊方喇叭口处均设置有金属补偿栅格的结构示意图。金属补偿栅格将每个四脊方喇叭划分成等份的四个小辐射单元，每个带有金属补偿栅格的四脊方喇叭（如附图6所示）与各自的正交模耦合器（如附图7所示）结构成一体（如附图8所示）。

192个带金属补偿栅格的四脊方喇叭按方位面取32列，俯仰面取6行，纵横正规排列形成阵列。垂直V形功分网络（如附图9所示）的192个端口分别与192个正交模组合体的垂直模口相连接，水平H形功分网络（如附图10所示）的192个端口分别与192个正交模组合体的水平模口相连接，V形功分网络连接一个双工器和一个LNB（高频头），H形功分网络连接一个双工器和一个LNB（高频头），两个LNB与L波段极化自适应网络相连接，该L波段极化自适应网络与接收机相连接，而两个双工器又与同一个发射机极化自适应网络相连接，该发射机极化自适应网络还与BUC（上变频功率放大器）相连接，而BUC（上变频功率放大器）与发射机相连接。

为清楚地描述单元结构特征，附图11给出了单个带金属补偿栅格的四脊方喇叭正交模组合体与V形功分网络连接结构示意图。附图12给出了单个带金属补偿栅格的四脊方喇叭正交模组合体与H形功分网络连接结构示意图。

本实施例中的金属补偿栅格板将每个四脊方喇叭等份地划分成四个小辐射单元，以此作为阵列天线的小辐射单元，而192个四脊方喇叭仅作波导阵列天线的末级两维功率分配/合成组件，这样768个小辐射单元其单元间距小于一个波长，以此保证本实施例的两个面单元间距在频带内都为0.77λl~0.91λh，这样两个面等幅同相馈电时，在可见空间不会出现栅瓣，方位面旁瓣包络亦满足国际电联对旁瓣包络的技术指标的要求。本实施例金属补偿栅格板的水平条和垂直条都则是整个长条板一起加工的，整体组装方便。

本实施中给出的尺寸为理论上最佳尺寸，在工程上还存在着公差范围±0.2~ ±0.5。如果进行系统优化，还可以略微再提高一些天线的性能。

本实施例作为末级两维功率分配/合成组件的双极化四脊方喇叭与正交模组合体进行一体化仿真优化设计和加工，避免两者在宽频带内长度尺寸受限制的情况下，各自电压驻波比都较大的困难，两者进行互补后，产生双调谐驻波曲线，使收发各500MHz之内电压驻波比都小于1.3，正交极化隔离度大于33dB，插入损耗小于0.15dB。

本实施例阵列天线在ku频段12.25GHz~14.50GHz内，作为阵列天线末级两维功率分配/组合组件相对于光壁方/圆喇叭而言，具有以下几个优点：方向图、电压驻波比和增益都具有良好的宽频带性能、在一个倍频程内具有几乎相等的E面和H面方向图。喇叭欧姆损耗低和极化隔离度高，特别适用于宽频带卫星通信极化复用阵列天线。

本实施例阵列天线接收时，768个小喇叭接收的卫星通信电磁波信息经192个四脊喇叭、V形功分网络和H形功分网络分别送入两个双工器，再送入两个LNA（高频头），在Ku合成，然后下变频到L频段，在Ku频段实现接收极化自适应和极化复用。

本实施例发射时，BUC经全波导馈电和联接的旋转式极化自适应网络、双工器、H形功分网络图和V形功分网络图，给192个四脊喇叭即768个小辐射单元馈电，实现两个面都是同相均匀幅度分布，获得照射效率和截取效率都为100%。

实施例二

本实施例为一种发送和接收电磁波信号的动中通卫星通信双极化四脊方喇叭阵列天线，该天线系统的构成仍如附图1所示。本实施例中，192个四脊方喇叭、192个正交模耦合器、水平H功分网络和垂直V功分网络的结构特征以及相互之间的结构形式同实施例一。

本实施例区别于实施例一之处在于金属补偿栅格板形状，本实施例的金属补偿栅格板是由矩形水平条和矩形垂直条构成，水平条十三个，其形状如附图13所示，水平条自上而下排布，具体编号为水平条₀₁、水平条₀₂、……、水平条₁₂、水平条₁₃，垂直条六十五个，其形状如附图15所示，垂直条自左向右排布，具体编号为垂直条₀₁、垂直条₀₂、……、垂直条₆₄、垂直条₆₅，水平条呈矩形，其长度为1204.20mm、厚度为1.00mm、宽度或深度为7.00mm，垂直条呈矩形，其长度为226.60mm、厚度为1.00mm、宽度或深度为7.00mm，水平条等间距纵向排列，垂直条等间距横向排列。本实施例中，水平条与垂直条之间采取缝槽结构插接，水平条等间距开有三十二个缝槽，槽口向下，垂直条等间距开有六个缝槽，槽口向上，水平条与垂直条槽口相对，呈十字交叉结构拼装成金属补偿栅格板，水平条与垂直条将每个四脊方喇叭划分成四个小辐射单元，进而将阵列天线的192个四脊方喇叭划分成等份的768个辐射单元。

本发明上述两个实施例给出的阵列天线是超薄形低剖面，全波导馈电和联接，不含一根电缆，能确保天线收发增益余量大、馈电系统插损小，电压驻波比低、系统G/T比优异、加之系统稳定可靠，极化自适应转动控制方便，噪声低，特别适用于超薄形低剖面车载动中通卫星通信各个领诚的应用。本发明阵列天线效率高，各项技术指标明显优于抛物面天线、赋形抛物面天线、波导隙缝阵面天线和相控阵天线。在小汽车高速行驶和颠簸中，天线系统稳定可靠工作，旋转式极化自适应网络极化自适应旋转方便，噪声小，特别适用于小汽车，深受广大用户欢迎，具有广阔的市场前景。