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CN108736163B - 一种Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线 - Google Patents

一种Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线，包括阶梯渐变的介质喇叭天线、上层平衡馈电网络和下层平衡馈电网络；阶梯渐变的介质喇叭天线通过多层阶梯状介质叠加而成，且每层介质中通过互不相连的金属化长槽围成喇叭的剖面结构；上层平衡馈电网络实现水平极化波，下层平衡馈电网络实现垂直极化波。本发明消除了传统波导喇叭天线组阵时带来的栅瓣问题；本发明天线尺寸大大减小，而且结构非常简单，加工和调试安装都很方便；本发明天线具有宽频带、高隔离度、低交叉极化和高效率的特点；本发明天线具有馈电网络简单、损耗低以及便于集成的特点。

Description

一种Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线。
背景技术
近年来，随着卫星通信业务的急剧增长以及卫星通信技术的迅猛发展，传统的微波低频段已经变得十分拥挤，所以在卫星通信中开始使用Ku波段甚至Ka波段，以此来满足日益增长的通信需求。如今，使用最为广泛的Ku波段天线主要是抛物面天线，抛物面天线具有重量大、体积大、成本高、安装调试困难等特点。在某些应用场合由于空间的局限，这种抛物面天线体积过大而不能满足某些技术要求，因此天线的小型化十分重要。在某些特殊的应用场合，比如战场上使用的单兵卫星通讯天线，要求天线具有重量轻、隐蔽性好、机动性强等特点，而这种传统的抛物面天线尺寸大、重量层、机动性和隐蔽性都较差，已经不再适合现代卫星通信的要求。
现在的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅需要小尺寸、轻重量、隐蔽性好、机动性强等特点，同时为了满足大容量通信的需求，更是要求天线具有多频段、双极化、宽带化以及低旁瓣等特性。传统的波导喇叭天线以其结构简单、频带宽、功率容量大、调整和使用方便等优点在卫星通信领域广泛使用。然而传统的卫星天线往往只工作在某个单一的频段，不能实现收发共用。为了实现收发共用一副天线，以处理同步接收和发射的两个不同频率的信号，这就需要天线能够实现双频工作，而喇叭天线很容易实现双频工作，能够很好地解决此问题。与此同时，为了适应卫星通信系统的不断升级和满足大容量的通信需求，减少天线数量、降低成本，实现极化分集和频分复用等特性，要求天线能够实现双极化工作。喇叭天线能够实现双极化工作，能够有效解决此问题。
宽带双频双极化的喇叭天线集合了宽带天线、双频天线和双极化天线的优点，不仅提高了天线的性能，更是降低了天线的成本。但是传统的波导喇叭天线单元在组阵实现阵列时，由于喇叭口径较大的缘故，使得单元与单元之间的间距超过一个工作波长，从而出现较大的栅瓣，而较大的栅瓣使得天线的性能大打折扣，也限制了其在卫星通信领域的使用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够消除栅瓣的Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线，包括阶梯渐变的介质喇叭天线、上层平衡馈电网络和下层平衡馈电网络；阶梯渐变的介质喇叭天线通过多层阶梯状介质叠加而成，且每层介质中通过互不相连的金属化长槽围成喇叭的剖面结构；上层平衡馈电网络实现水平极化波，下层平衡馈电网络实现垂直极化波。
进一步，所述阶梯渐变的介质喇叭天线顶端中心处设有十字交叉的金属条带或金属墙。这样使得喇叭天线口径平面的相位分布更加的均匀，从而提高天线增益和效率。
进一步，所述阶梯渐变的介质喇叭天线由多层介质基板粘接而成，且每层介质基板中间通过PCB工艺形成互不相连的金属化长槽围成喇叭的剖面结构。
进一步，所述上层平衡馈电网络和下层平衡馈电网络均采用基片集成同轴线实现。目的在于基片集成同轴线能传输TEM波，具有宽带特性，同时基片集成同轴线几乎是完全封闭的传输线，串扰较低，从而提高端口之间的隔离度。
有益效果：本发明公开了一种Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)本发明利用介质填充喇叭天线，由于介质的介电常数大于空气，所以相对于波导结构的喇叭天线，在相同天线增益的前提下，具有更小的口径尺寸，易于实现天线的组阵，从而消除了传统波导喇叭天线组阵时带来的栅瓣问题；
2)本发明天线尺寸大大减小，而且结构非常简单，加工和调试安装都很方便；
3)本发明天线具有宽频带、高隔离度、低交叉极化和高效率的特点；
4)本发明天线具有馈电网络简单、损耗低以及便于集成的特点。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中阶梯渐变的介质喇叭天线的正视图和俯视图；
图2(a)为正视图；
图2(b)为俯视图；
图3为本发明具体实施方式中阶梯渐变的介质喇叭天线的水平极化平衡馈电网络结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中阶梯渐变的介质喇叭天线的垂直极化平衡馈电网络结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中阶梯渐变的介质喇叭天线输入端口处的反射系数；
图6为本发明具体实施方式中阶梯渐变的介质喇叭天线的水平和垂直极化辐射方向图；
图6(a)为水平极化辐射方向图；
图6(b)为垂直极化辐射方向图；
图7为本发明具体实施方式中10×10的阶梯渐变的介质喇叭阵列的辐射方向图；
图7(a)为E面方向图；
图7(b)为H面方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线，如图1所示，包括自上而下设置的十字交叉的金属条带4或金属墙、阶梯渐变的介质喇叭天线1、上层平衡馈电网络2和下层平衡馈电网络3。十字交叉的金属条带4设于阶梯渐变的介质喇叭天线1的顶端中心处。阶梯渐变的介质喇叭天线1通过多层阶梯状介质叠加而成，且每层介质中通过互不相连的金属化长槽5围成喇叭的剖面结构。金属化长槽5的长度为L，宽为W，金属化长槽5两端是半径为R的圆弧，本具体实施方式中所有的金属化长槽5宽度均相同。上层平衡馈电网络2实现水平极化波，如图3所示。下层平衡馈电网络3实现垂直极化波，如图4所示。
阶梯渐变的介质喇叭天线1由多层介质基板6粘接而成，且每层介质基板中间通过PCB工艺形成互不相连的金属化长槽5围成喇叭的剖面结构，如图2(b)所示。多层介质基板6包括七层介质基板，如图2(a)所示，分别为第一层介质基板101、第二层介质基板102、第三层介质基板103、第四层介质基板104、第五层介质基板105、第六层介质基板106和第七层介质基板107。每层的介质基板厚度分别为d1-d7。
上层平衡馈电网络2和下层平衡馈电网络3均采用基片集成同轴线8实现。基片集成同轴线8两侧设置有用于隔离的金属化通孔9；同时，为了便于后期测试，需要一个基片集成同轴线转同轴电缆接头7。馈电网络采用基于基片集成同轴线技术的平衡馈电结构，这样不仅可以提天线端口之间的隔离度，而且还可以提高天线带宽。
图5为工作在12.25-12.75GHz频段和14.0-14.5GHz频段的双频双极化介质喇叭天线仿真S参数。具体实施方式中阶梯渐变的介质喇叭天线1使用的介质基片为F4BMX220，介电常数为2.2；两个平衡馈电网络使用的介质基片为F4BMX300，介电常数为3.0，厚度为0.508mm，其他关键的参数如表1所示。由仿真结果可以看出，天线在12.25-12.75GHz和14.0-14.5GHz频段都具有良好的(<-10dB)回波损耗。同时，这两个频段内的隔离度都优于-35dB。
图6为天线在12.5GHz和14.25GHz频率下的辐射方向图。仿真结果可以看出，当天线工作在12.5GHz时，天线增益为9.1dB，交叉极化分量相当于共极化分量小了几乎30dB，如图6(a)所示；当天线工作在14.25GHz时，天线增益为10.2dB，交叉极化分量相当于共极化分量也小了几乎30dB，如图6(b)所示。
图7为10×10的介质喇叭阵列的辐射方向图。图7(a)和图7(b)分别为阵列在12.5GHz和14.25GHz时的E面和H面方向图，从图可以看出，天线在两个频段的辐射方向图均没有出现较大的栅瓣，故该介质喇叭天线成功地解决了传统波导喇叭天线组阵时有较大栅瓣这一问题。
表1平衡馈电网络的其他参数
参数 值(mm) 参数 值(mm)
L 17.8 d3 3
S 0.16 d4 3
w 1 d5 3
R 0.5 d6 3
d1 4.5 d7 1.5
w1 0.69 g11 2.41
f11 2.50 g22 0.48
f22 1.14 g33 1.6
f33 1.37

Claims (3)

1.一种Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线，其特征在于：包括阶梯渐变的介质喇叭天线（1）、上层平衡馈电网络（2）和下层平衡馈电网络（3）；阶梯渐变的介质喇叭天线（1）通过多层阶梯状介质叠加而成，且每层介质中通过互不相连的金属化长槽（5）围成喇叭的剖面结构；上层平衡馈电网络（2）实现水平极化波，下层平衡馈电网络（3）实现垂直极化波；
上层平衡馈电网络（2）和下层平衡馈电网络（3）均采用基片集成同轴线（8）实现，基片集成同轴线（8）两侧设置有用于隔离的金属化通孔（9）；
利用介质填充喇叭天线，介质的介电常数大于空气。
2.根据权利要求1所述的Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线，其特征在于：所述阶梯渐变的介质喇叭天线（1）顶端中心处设有十字交叉的金属条带（4）或金属墙。
3.根据权利要求1所述的Ku频段平衡馈电双频双极化介质喇叭天线，其特征在于：所述阶梯渐变的介质喇叭天线（1）由多层介质基板（6）粘接而成，且每层介质基板中间通过PCB工艺形成互不相连的金属化长槽（5）围成喇叭的剖面结构。
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