一种用于宽角扫描相控阵的双圆极化宽带天线辐射单元

摘要

一种用于宽角扫描相控阵的双圆极化宽带天线辐射单元，包括波导壳体、左旋圆极化输入端口、右旋圆极化输入端口、圆极化膜片、填充介质、扼流槽和阻抗匹配介质层。左旋圆极化输入端口和右旋圆极化输入端口为对称结构，圆极化膜片位于波导壳体的中轴线上；左旋圆极化输入端口或者右旋端口输入的线极化信号经过圆极化膜片转化为圆极化信号后，经过扼流槽和阻抗匹配介质层进行阻抗匹配之后向外辐射左旋或右旋圆极化电磁波。通过电磁仿真优化阻抗匹配介质层的厚度、扼流槽的厚度、半径及其与阻抗匹配介质层的距离，可以保证在大角度扫描的情况下不会出现扫描盲区。

说明书

技术领域

本发明属于微波通信领域，涉及一种低轨道卫星通信系统中使用的圆极化宽角扫描相控阵天线辐射单元。

背景技术

低轨道通信卫星可以采用行波管放大器结合低增益天线、机械扫描点波束天线或点波束相控阵天线进行对地数传。与另外两种天线相比，相控阵数传天线具有功耗小、可靠性高、对平台没有扰动等优点，因此具有广泛的市场前景。

为了尽可能长时间的实现对地数传，相控阵天线应能够实现二维扫描，且波束扫描范围为±67.5°的锥角。为了避免在波束扫描时出现栅瓣，必须对天线辐射单元的最大间距进行严格控制。由相控阵天线原理可知，当波束扫描范围为±67.5°锥角时，单元最大间距约为0.52个波长，从而要求辐射单元的口径不能超过0.5个波长。同时为了保证远角扫描时的波束增益，要求天线辐射单元的波束尽可能的宽。

目前常用的相控阵天线单元包括伞形振子、单点或双点馈电微带天线、平面螺旋天线、波导天线单元等形式。对称振子天线只能工作于线极化，因此无法满足圆极化相控阵的要求；单点馈电和双点馈电微带天线虽然能够通过多种方法使其工作于圆极化，但其带宽有限，无法达到15％的相对带宽；平面螺旋天线也是一种圆极化天线，其带宽通常可以达到几个倍频程，但这种天线单元的横向尺寸大，在宽角扫描相控阵天线(一般指扫描范围大于45度的相控阵天线)上无法应用；国外自七十年代开始在宽角扫描相控阵天线上采用了波导开口辐射器，在这种天线单元中采用了介质片周期加载技术产生圆极化电磁波，但其缺点在于带宽窄(一般指频带宽度大于10％)且重量大。

申请号为US5,276,455，名称为“Packaging Architecture for PhasedArrays”的美国专利涉及了一种天线辐射单元。该天线辐射单元采用圆波导中加载介质膜片的方式，使波导内两个正交的线极化电磁场分量产生了90度的相位差，实现了圆极化工作。但该天线辐射单元只能工作于单一的圆极化模式，且工作带宽有限。

申请号为US6,300,918，名称为“Conformal，Low RCS，Wideband，Phased Array Antenna for Satellite Communications Applications”的美国专利涉及了一种天线辐射单元。该天线辐射单元采用双臂平面螺旋天线(Multiplespiral arm antenna)，由其对称结构使该天线工作于圆极化且带宽能够达到若干个倍频程。但该天线辐射单元间距较大，无法应用于宽角扫描相控阵。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可以应用于宽角扫描相控阵的双圆极化宽带天线辐射单元。

本发明的技术解决方案是：一种用于宽角扫描相控阵的双圆极化宽带天线辐射单元，其特征在于包括：波导壳体、左旋圆极化输入端口、右旋圆极化输入端口、圆极化膜片、填充介质、扼流槽和阻抗匹配介质层；阻抗匹配介质层紧贴在波导壳体的左侧端面上，波导壳体的右端侧壁上对称布置左旋圆极化输入端口和右旋圆极化输入端口，圆极化膜片位于波导壳体的轴线上并靠近波导壳体的右侧端面，圆极化膜片为阶梯状的金属膜片并与波导壳体的右端面固定连接；靠近阻抗匹配介质层的波导壳体的内壁上设置环形凸起形成扼流槽，填充介质充满了波导壳体内部除圆极化膜片和扼流槽之外的全部空间；由左旋圆极化输入端口或者右旋圆极化输入端口输入的线极化信号首先经过圆极化膜片转化为圆极化信号，然后经过扼流槽和阻抗匹配介质层进行阻抗匹配后向外辐射左旋圆极化电磁波或者右旋圆极化电磁波。

所述的波导壳体为方形结构，阻抗匹配介质层为方形薄板或圆形薄板。

所述的阻抗匹配介质层的厚度为1～3mm，扼流槽的厚度小于3mm。

所述的填充介质和阻抗匹配介质层均为相对介电常数为3.8～4.2的材料。

所述的波导壳体和圆极化膜片的材料均为铝合金。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用波导型介质加载圆极化器，从而在较宽的频带内激励起圆极化电磁场(相对带宽达到15％以上)。该圆极化器为阶梯阻抗变换膜片式结构，在左旋圆极化输入端口激励的情况下，辐射单元工作于左旋圆极化模式；反之在右旋端口激励的情况下，辐射单元工作于右旋圆极化模式，即该天线辐射单元可以实现双圆极化的工作模式；

(2)本发明采用了介质填充、扼流槽与阻抗匹配层相结合的宽角扫描阻抗匹配方式。采用介质填充开口波导的天线形式，有效减小了天线的横截面积，使辐射单元的口径减小到0.5个波长以下，满足了低轨道卫星通信中宽角度扫描时避免栅瓣出现的天线阵列间距要求。扼流槽与阻抗匹配层相结合的阻抗匹配方式，使得相控阵天线在宽角度扫描范围内不会出现扫描盲区；

(3)通过电磁仿真优化所得到的阻抗匹配介质层的厚度、扼流槽的厚度、半径及其与阻抗匹配介质层的距离，可以进一步保证在大角度扫描的情况下不会出现扫描盲区。

附图说明

图1为本发明相控阵天线辐射单元的结构图；

图2为本发明圆极化膜片的结构图；

图3为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内下变频的增益方向图；

图4为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内下变频的轴比方向图；

图5为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内上变频的增益方向图；

图6为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内上变频的轴比方向图；

图7为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内驻波比性能。

具体实施方式

如图1所示，为本发明相控阵天线辐射单元的结构图。

从功能上来说，本发明相控阵天线辐射单元主要由介质加载宽带圆极化器和介质加载方口辐射单元构成，具体而言由波导壳体1、左旋圆极化输入端口2、右旋圆极化输入端口3、圆极化膜片4、填充介质5、扼流槽6和阻抗匹配介质层7组成。波导壳体1为一方形结构，阻抗匹配介质层7为一方形或圆形薄板，阻抗匹配介质层7紧贴在波导壳体1的左侧端面上；填充介质5靠近阻抗匹配介质层7的一侧开有环形扼流槽6，填充介质5充满了波导壳体1内部除了扼流槽6和圆极化膜片4之外的全部空间，起到了减小天线尺寸的作用。波导壳体1中靠近左旋圆极化输入端口2和右旋圆极化输入端口3一侧与圆极化膜片4焊接在一起或采用一体化加工方式，圆极化膜片4为一阶梯结构的金属膜片。左旋圆极化输入端口2或右旋圆极化输入端口3输入的线极化信号经过圆极化膜片4转化为圆极化信号后，经过扼流槽6和阻抗阻抗匹配介质层7进行阻抗匹配之后向外辐射左旋或右旋圆极化电磁波。

阻抗匹配介质层7与扼流槽6起到了宽角度阻抗匹配的作用，通过电磁仿真软件优化阻抗匹配介质层7的厚度、扼流槽6的厚度、半径及其与阻抗匹配介质层7的距离，可以保证在大角度扫描的情况下(一般指扫描范围大于45度)，不会出现扫描盲区。

左旋圆极化输入端口2和右旋圆极化输入端口3为对称结构，圆极化膜片位于波导壳体1的中轴线上。在左旋圆极化输入端口2激励的情况下，天线辐射单元工作与左旋圆极化模式，反之在右旋圆极化输入端口2激励的情况下，天线辐射单元工作与右旋圆极化模式。通过这种对称性结构，实现了天线辐射单元的双圆极化特性。与介质膜片式圆极化器或对称销钉式圆极化器相比，阶梯形膜片式阻抗变换器具有宽频带的特性，其结构如图2所示。

填充介质5采用相对介电常数为3.8～4.2的、经过抗辐照试验的高强度介质材料，例如Emerson & Cumming公司的HiK材料。采用这种材料，使得天线辐射单元的口径减小为11.3mm×11.3mm。波导壳体1的厚度为1mm。采用电磁仿真软件分析了天线口面阻抗匹配层7不同厚度情况下的S参数，并采用统计方法对不同扫描角度下的数据进行了分析，最终选定天线口面阻抗匹配层7的厚度应在1～3mm的范围内，而扼流槽6的厚度应小于3mm，实验证明，在此情况下天线辐射单元在考虑相邻单元互耦效应情况下反射系数最小。

波导壳体1、圆极化膜片4的材料均为铝合金，也可以为铝镁合金或殷钢等材料。

图3～7为本发明相控阵天线辐射单元的电性能，包括增益方向图、轴比方向图和驻波性能。

图3为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内下变频的增益方向图，从图中可以看到，该天线辐射单元在±67.5度处的增益大于-1dB。

图4为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内下变频的轴比方向图，从图中可以看到，该天线辐射单元在±67.5度处的轴比小于5dB。

图5为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内上变频的增益方向图，从图中可以看到，该天线辐射单元在±67.5度处的增益大于-1dB。

图6为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内上变频的轴比方向图，从图中可以看到，该天线辐射单元在±67.5度处的轴比小于4dB。

图7为本发明相控阵天线辐射单元工作频带内驻波比性能，从图中可以看到，该天线辐射单元在20％的相对带宽内驻波小于1.3。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。