CN115693160A - 平面波导同轴宽带双极化天线及共口径阵列天线 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种平面波导同轴宽带双极化天线及共口径阵列天线，平面波导同轴宽带双极化天线包括：用于激励高频段信号的底部波导腔，以及叠设在该底部波导腔上的用于激励低频段信号的四脊波导组件；四脊波导组件中设有两个相互垂直的T型微带枝节以形成相互垂直的双极化模式，四脊波导组件中还设有分别与两个T型微带枝节一一连接且相互垂直的平面波导同轴线以用于分别对低频段信号进行双极化激励。本申请提提供的平面波导同轴宽带双极化天线的结构紧凑且损耗低，阻抗带宽较宽且能够实现双极化，并且能够应用于双频共口径。

Description

平面波导同轴宽带双极化天线及共口径阵列天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，尤其涉及平面波导同轴宽带双极化天线及共口径阵列天线。

背景技术

近年来，卫星通信系统技术的应用发展迅速，对新型天线技术、微波/毫米波电路技术，带来前所未有的发展机遇。但更要面对市场对其小型化、高度集成化、宽带化等多方面要求的挑战。双线极化是一种广泛应用的技术，由于其对抗多路径衰落的能力，能够提高给定频谱内的通信容量和接收信号的质量。微带线和介质集成波导(SIW)被常用于实现双极化天线阵列，然而，由于介质基板的高介电损耗，特别是在高微波波段，这些天线的效率和增益往往受到限制。

目前，现有的波导双极化阵列天线大多采用十字形槽、方形槽或磁电偶极子实现双极化。为了便于馈电网络的布局，在所有这些工作中都使用了一分四的背腔来激发2×2子阵列。考虑到光栅波瓣抑制，相关平面中的阵列元件之间的周期应尽可能减小，导致可实现的工作带宽较窄。因此，实现宽带双极化天线对卫星通信应用尤为重要。平面同轴波导具有较高的Q值，损耗小。由于其具有同轴线特性，传播TEM模，因此在保证低损耗的同时在小型化方面具有更多的潜力。

随着卫星通信技术的快速发展，大容量、高速度成为未来要求，需要研发新的卫星通信系统，建立多频段的卫星通信网络，开拓新的频段(如Ka频段)，从而提高数据传输速度。目前，双频双极化共口径技术是卫星通信天线的一个重要发展方向，其可以扩大通信容量，实现一站多用，以大大降低成本。

发明内容

鉴于此，本申请实施例提供了一种平面波导同轴宽带双极化天线及共口径阵列天线，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本申请的一个方面提供了一种平面波导同轴宽带双极化天线，包括：用于激励高频段信号的底部波导腔，以及叠设在该底部波导腔上的用于激励低频段信号的四脊波导组件；

所述四脊波导组件中设有两个相互垂直的T型微带枝节以形成相互垂直的双极化模式，所述四脊波导组件中还设有分别与两个T型微带枝节一一连接且相互垂直的平面波导同轴线以用于分别对所述低频段信号进行双极化激励。

在本申请的一些实施例中，所述四脊波导组件包括：依次叠设的第一四脊波导腔、第一介质基板、第二四脊波导腔、第二介质基板、第三四脊波导腔和第三介质基板；

所述第一四脊波导腔与所述第一介质基板之间，以及所述第二四脊波导腔与所述第二介质基板之间，均设有互相垂直且相接的T型微带枝节和平面波导同轴线；

所述第三四脊波导腔与所述第三介质基板之间设有十字形贴片组，起到抑制栅瓣和提高增益的作用；

所述第一四脊波导腔叠设在所述底部波导腔上。

在本申请的一些实施例中，所述第一四脊波导腔中靠近所述第一介质基板的一侧设有相互垂直且相接的第一T型微带枝节和第一平面波导同轴线，且该第一平面波导同轴线作为所述平面波导同轴宽带双极化天线的第一输入端口以对Ku频段信号进行水平极化激励；

所述第一四脊波导腔的高度初始设置为预设工作频率的四分之一波长；

其中，当激励所述第一输入端口时，输入信号通过所述第一平面波导同轴线中TEM模式转换到所述第一四脊波导腔的TE₀₀₁模式，通过调节所述第一T型微带枝节的长度来控制所述第一平面波导同轴线到所述第一四脊波导腔的能量耦合以实现水平极化的辐射。

在本申请的一些实施例中，所述第二四脊波导腔中靠近所述第二介质基板的一侧设有相互垂直且相接的第二T型微带枝节和第二平面波导同轴线，所述第二T型微带枝节与所述第一T型微带枝节相互垂直，所述第一平面波导同轴线与所述第二平面波导同轴线相互垂直，且该第二平面波导同轴线作为所述平面波导同轴宽带双极化天线的第二输入端口以对Ku频段信号进行垂直极化激励；

所述第二四脊波导腔的高度初始设置为预设工作频率的八分之一波长；

其中，当激励所述第二输入端口时，输入信号通过所述第二平面波导同轴线中TEM模式转换到所述第二四脊波导腔的TE₀₁₀模式，通过调节所述第二T型微带枝节的长度来控制所述第二平面波导同轴线到所述第二四脊波导腔的能量耦合以实现垂直极化的辐射。

在本申请的一些实施例中，所述底部波导腔包括：方形波导腔；

所述方形波导腔内设有第三输入端口；该第三输入端口用于激励Ka频段信号并拓展为另一个毫米波频段天线的输入端口。

在本申请的一些实施例中，所述平面波导同轴线包括：依次设置的上层波导、下层波导和中间介质基板；

所述中间介质基板上靠近所述下层波导的一侧同轴设有悬置微带线；

所述上层波导和所述下层波导内部均充满空气以构成外导体；所述悬置微带线在所述外导体的中心构成所述平面波导同轴线的内导体。

在本申请的一些实施例中，所述十字形贴片组由包括：四个十字形贴片；

各个所述十字形贴片均印制在所述第三介质基板上靠近所述第三四脊波导腔的一侧且位于所述第三四脊波导腔的辐射口径面上。

本申请的另一个方面还提供一种共口径阵列天线，包括：共口径且相接的多个所述平面波导同轴宽带双极化天线。

在本申请的一些实施例中，所述四脊波导组件包括：依次叠设的第一四脊波导腔、第一介质基板、第二四脊波导腔、第二介质基板、第三四脊波导腔和第三介质基板；所述第一四脊波导腔与所述第一介质基板之间，以及所述第二四脊波导腔与所述第二介质基板之间，均设有互相垂直且相接的T型微带枝节和平面波导同轴线；

各个所述平面波导同轴宽带双极化天线中的所述第一四脊波导腔与所述第一介质基板之间的各个T型微带枝节之间基于预设的第一馈电网络相接；

各个所述平面波导同轴宽带双极化天线中的所述第二四脊波导腔与所述第二介质基板之间的各个T型微带枝节之间基于预设的第二馈电网络相接。

在本申请的一些实施例中，所述第一馈电网络和所述第二馈电网络均为串并联结合的混联结构；

所述第一馈电网络和所述第二馈电网络中均设有馈电延迟线，以保证串联激励的单元相位一致。

本申请提供的平面波导同轴宽带双极化天线，通过采用平面波导同轴线作为宽带双极化天线的馈电结构，平面波导同轴线具有宽带的特性，不仅具有低损耗，小型化的优势，且由于该同轴线没有截止频率，尺寸大小不受频率的限制，因此在设计大规模阵列天线中具有更好的优势；通过采用四脊波导腔组件作为整个天线的主体腔，且通过在主体腔中设置两个相互垂直的T型微带枝节实现波平面波导同轴线的TEM模式与四脊波导腔的能量耦合，从而获得两个相互垂直的极化模式；此外采用四脊波导组件不仅使天线结构更加紧凑，而且拓展了天线的带宽；通过在天线底部设置可以拓展为另一个毫米波频段天线的输入端口的底部波导腔，从而在紧凑的结构中能够实现多个极化。也就是说，本申请提供的平面波导同轴宽带双极化天线的结构紧凑且损耗低，阻抗带宽较宽且能够实现双极化，并且能够应用于双频共口径。

本申请的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本申请的实践而获知。本申请的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本申请实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本申请能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本申请的原理。为了便于示出和描述本申请的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本申请实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本申请实施例提供的平面波导同轴宽带双极化天线的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的平面波导同轴线的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的2*2共口径阵列天线的举例结构示意图。

图4为天线回波损耗示意图。

图5为天线隔离度示意图。

图6为第三输入端口的两个正交模式回波损耗示意图。

图7(a)为第一输入端口的方向示意图。

图7(b)为第二输入端口的方向示意图。

附图标号：

1、第一四脊波导腔；

2、第二四脊波导腔；

3、第三四脊波导腔；

4、底部波导腔；

5、第一介质基板；

6、第二介质基板；

7、第三介质基板；

8、第一输入端口；

9、第二输入端口；

10、第三输入端口；

11、十字形贴片组；

12、第一T型微带枝节；

13、第二T型微带枝节；

21、下层波导；

22、上层波导；

23、中间介质基板；

24、悬置微带线；

31、第一馈电网络；

32、第二馈电网络；

33、馈电延迟线；

①、第二馈电网络32中的上层内部的T型微带枝节；

②、第二馈电网络32中的上层外部的T型微带枝节；

③、第二馈电网络32中的下层内部的T型微带枝节；

④、第二馈电网络32中的下层外部的T型微带枝节。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本申请做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本申请，在附图中仅仅示出了与根据本申请的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本申请关系不大的其他细节。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本申请的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

针对现有的微带双极化天线插入损耗过大，而波导双极化天线带宽较窄的问题，本申请分别提供一种平面波导同轴宽带双极化天线及共口径阵列天线的实施例，其结构紧凑，损耗低，阻抗带宽较宽且能够实现双极化，并且能够应用于双频共口径的天线设计。采用平面波导同轴线作为宽带双极化天线的馈电结构，四脊波导腔作为整个天线的主体腔。主体腔中的两个相互垂直的T型微带枝节实现了波导同轴结构的TEM模式与四脊波导腔的能量耦合，从而获得两个相互垂直的极化模式。平面波导同轴结构具有宽带的特性，此外采用四脊波导结构不仅使天线结构更加紧凑，而且拓展了天线的带宽。天线底部的方形波导腔可以拓展为另一个毫米波频段天线的输入端口，从而在紧凑的结构中能够实现多个极化。

具体通过下述实施例进行详细说明。

为了设计一种结构紧凑且损耗低，阻抗带宽较宽且能够实现双极化，并且能够应用于双频共口径的天线，本申请实施例提供一种平面波导同轴宽带双极化天线，所述平面波导同轴宽带双极化天线具体包含有如下内容：

用于激励高频段信号的底部波导腔，以及叠设在该底部波导腔上的用于激励低频段信号的四脊波导组件；通过在天线底部设置可以拓展为另一个毫米波频段天线的输入端口的底部波导腔，从而在紧凑的结构中能够实现多个极化。

所述四脊波导组件中设有两个相互垂直的T型微带枝节以形成相互垂直的双极化模式，所述四脊波导组件中还设有分别与两个T型微带枝节一一连接且相互垂直的平面波导同轴线以用于分别对所述低频段信号进行双极化激励。其中，通过采用平面波导同轴线作为宽带双极化天线的馈电结构，平面波导同轴线具有宽带的特性，不仅具有低损耗，小型化的优势，且由于该同轴线没有截止频率，尺寸大小不受频率的限制，因此在设计大规模阵列天线中具有更好的优势。通过采用四脊波导腔组件作为整个天线的主体腔，且通过在主体腔中设置两个相互垂直的T型微带枝节实现波平面波导同轴线的TEM模式与四脊波导腔的能量耦合，从而获得两个相互垂直的极化模式；此外采用四脊波导组件不仅使天线结构更加紧凑，而且拓展了天线的带宽。

可以理解的是，本申请提供的平面波导同轴宽带双极化天线由波导结构和易加工的平面微带线组成，结构简单，设计方法灵活简单。

为了进一步提高四脊波导组件的应用可靠性及结构紧凑性，在本申请实施例提供的一种平面波导同轴宽带双极化天线中，参见图1，所述平面波导同轴宽带双极化天线中的四脊波导组件具体包含有如下内容：

依次叠设的第一四脊波导腔1、第一介质基板5、第二四脊波导腔2、第二介质基板6、第三四脊波导腔3和第三介质基板7；

所述第一四脊波导腔1与所述第一介质基板5之间，以及所述第二四脊波导腔2与所述第二介质基板6之间，均设有互相垂直且相接的T型微带枝节和平面波导同轴线；

所述第三四脊波导腔3与所述第三介质基板7之间设有十字形贴片组11，以起到抑制栅瓣和提高增益的作用；

所述第一四脊波导腔1叠设在所述底部波导腔4上。

也就是说，所述平面波导同轴宽带双极化天线的整体结构包括：三个四脊波导腔、两个平面波导同轴线、三层介质基板、一组十字形贴片组11以及位于整个天线底部的底部波导腔4。

为了进一步提高第一四脊波导腔1的应用可靠性及结构紧凑性，在本申请实施例提供的一种平面波导同轴宽带双极化天线中，参见图1，所述第一四脊波导腔1中靠近所述第一介质基板5的一侧设有相互垂直且相接的第一T型微带枝节12和第一平面波导同轴线，且该第一平面波导同轴线作为所述平面波导同轴宽带双极化天线的第一输入端口8以对Ku频段信号进行水平极化激励；

所述第一四脊波导腔1的高度初始设置为预设工作频率的四分之一波长；

其中，当激励所述第一输入端口8时，输入信号通过所述第一平面波导同轴线中TEM模式转换到所述第一四脊波导腔1的TE₀₀₁模式，通过调节所述第一T型微带枝节12的长度来控制所述第一平面波导同轴线到所述第一四脊波导腔1的能量耦合以实现水平极化的辐射。

为了进一步提高第二四脊波导腔2的应用可靠性及结构紧凑性，在本申请实施例提供的一种平面波导同轴宽带双极化天线中，参见图1，所述第二四脊波导腔2中靠近所述第二介质基板6的一侧设有相互垂直且相接的第二T型微带枝节13和第二平面波导同轴线，所述第二T型微带枝节13与所述第一T型微带枝节12相互垂直，所述第一平面波导同轴线与所述第二平面波导同轴线相互垂直，且该第二平面波导同轴线作为所述平面波导同轴宽带双极化天线的第二输入端口9以对Ku频段信号进行垂直极化激励；

所述第二四脊波导腔2的高度初始设置为预设工作频率的八分之一波长；

其中，当激励所述第二输入端口9时，输入信号通过所述第二平面波导同轴线中TEM模式转换到所述第二四脊波导腔2的TE₀₁₀模式，通过调节所述第二T型微带枝节13的长度来控制所述第二平面波导同轴线到所述第二四脊波导腔2的能量耦合以实现垂直极化的辐射。

为了进一步提高底部波导腔4的应用可靠性及结构紧凑性，在本申请实施例提供的一种平面波导同轴宽带双极化天线中，参见图1，所述底部波导腔4具体为一种方形波导腔；

所述方形波导腔内设有第三输入端口10；该第三输入端口10用于激励Ka频段信号并拓展为另一个毫米波频段天线的输入端口。

具体来说，底部波导腔4是尺寸较小的正方形波导结构，位于四脊波导腔组件的底部，作为另一个毫米波频段天线的输入端口，即第三输入端口10。

也就是说，所述平面波导同轴宽带双极化天线的整体结构具有三个输入端口。两个平面同轴波导口分别激励水平极化和垂直极化，即第一输入端口8和第二输入端口9。底部的方形波导腔的端口是高频输入端口，即第三输入端口10。四脊波导腔分为三层波导结构加工，即：第一四脊波导腔1、第二四脊波导腔2和第三四脊波导腔3。第一波导腔的高度h1初始设置为工作频率的四分之一波长。第二波导腔的高度h2初始设置为工作频率的八分之一波长。三层介质基板从下到上分别是第一介质基板5、第二介质基板6和第三介质基板7。其中第一介质基板5和第二介质基板6作为垂直极化和水平极化馈线的载体。

为了进一步提高平面波导同轴线的应用可靠性及结构紧凑性，在本申请实施例提供的一种平面波导同轴宽带双极化天线中，参见图2，所述平面波导同轴线具体包含有如下内容：

依次设置的上层波导22、下层波导21、悬置微带线24和中间介质基板23。

所述中间介质基板23上靠近所述下层波导21的一侧同轴设有悬置微带线24。

所述上层波导22和所述下层波导21内部均充满空气以构成外导体；所述悬置微带线24在所述外导体的中心构成所述平面波导同轴线的内导体。

具体来说，平面同轴波导线是内导体和外导体组成。外导体是由填充空气的方形波导构成，内导体是位于中心的悬置微带线24，其中的悬置微带线24印制在中间介质基板23下方。两个平面波导同轴线分别作为宽带双极化天线的馈电结构，分为第一馈电结构和第二馈电结构。第一馈电结构激励垂直极化，第二馈电结构激励水平极化。第一馈电结构的悬置线印制在第一介质基板5的下方，第一平面波导同轴线的均末端连接着一个T型微带枝节，即第一T型微带枝节12。第二馈电结构的悬置线印制在第二介质基板6的下方，第二平面波导同轴线末端连接着一个T型微带枝节，即第二T型微带枝节13。

为了进一步提高十字形贴片组11的应用可靠性及有效性，在本申请实施例提供的一种平面波导同轴宽带双极化天线中，所述十字形贴片组11具体包含四个十字形贴片；

各个所述十字形贴片均印制在所述第三介质基板7上靠近所述第三四脊波导腔3的一侧且位于所述第三四脊波导腔3的辐射口径面上。

也就是说，四个十字形贴片均位于第三波导腔的上方且印制在第三介质基板7下表面。

基于上述实施例提供的平面波导同轴宽带双极化天线，本申请还提供一种共口径阵列天线的实施例，该共口径阵列天线具体包含有共口径且相接的多个前述实施例提及的平面波导同轴宽带双极化天线。

为了进一步提高共口径阵列天线的结构紧凑性及应用可靠性，在本申请实施例提供的一种共口径阵列天线中，各个所述平面波导同轴宽带双极化天线中的所述第一四脊波导腔1与所述第一介质基板5之间的各个T型微带枝节之间基于预设的第一馈电网络31相接；

各个所述平面波导同轴宽带双极化天线中的所述第二四脊波导腔2与所述第二介质基板6之间的各个T型微带枝节之间基于预设的第二馈电网络32相接。

为了进一步提高共口径阵列天线的应用可靠性及有效性，在本申请实施例提供的一种共口径阵列天线中，所述第一馈电网络31和所述第二馈电网络32均为串并联结合的混联结构；可以理解的是，上述串并联结合的混联结构是指串联和并联混合结构，例如，参见图3，以2*2的共口径阵列天线为例进行说明，第二馈电网络32中的上层内部的T型微带枝节①和第二馈电网络32中的上层外部的T型微带枝节②之间并联，第二馈电网络32中的下层内部的T型微带枝节③和第二馈电网络32中的下层外部的T型微带枝节④之间也并联，而第二馈电网络32中的上层内部的T型微带枝节①和第二馈电网络32中的下层内部的T型微带枝节③之间串联，且所述第二馈电网络32中的上层外部的T型微带枝节②和所述第二馈电网络32中的下层外部的T型微带枝节④之间也串联。所述第一馈电网络31和所述第二馈电网络32中均设有馈电延迟线33，以保证串联激励的单元相位一致。

具体来说，共口径阵列天线的馈电网络采用了串并联馈电，为了保持单元结构之间的相位一致，在相邻的单元之间设置180度延长线，如第一延迟线和第二延迟线。两个延迟线的尺寸是相同的，长度大约为工作频段的一倍波长。

两组基于平面同轴波导的串并联馈电网络结构相同，垂直方向放置，实现对双极化天线阵列的垂直极化和水平极化馈电。

为了便于阵列功分网络的设计，该平面同轴波导的特性阻抗为100欧姆。外导体腔的尺寸为W_a,悬置线的宽度为W_s。

当激励第一输入端口8时，输入信号通过平面同轴波导中TEM模式转换到四脊波导腔的TE₀₀₁模式，通过调节第一T型微带枝节12的长度来控制平面同轴波导线到四脊波导腔的能量耦合，从而实现水平极化的辐射。

当激励第二输入端口9时，输入信号通过平面同轴波导中TEM模式转换到四脊波导腔的TE₀₁₀模式，通过调节第二T型微带枝节13的长度来控制平面同轴波导线到四脊波导腔的能量耦合，从而实现垂直极化的辐射。

基于此，本申请实施例提供的平面波导同轴宽带双极化天线及共口径阵列天线，具备如下有益的技术效果：

1)使用平面波导同轴线不仅具有低损耗，小型化的优势。由于该同轴线没有截止频率，尺寸大小不受频率的限制，因此在设计大规模阵列天线中具有更好的优势。

2)结构紧凑易加工。天线整体分为四层波导和三层介质基板。悬置微带线印制在介质基板上，相比传统的同轴线更易加工。

3)较宽的工作带宽。该双极化天线的辐射腔采用四脊波导结构，相比与传统的方形波导，不仅结构更加紧凑，而且拓展了天线的工作频带。此外，平面波导同轴线本身也具有宽带的特性，因此更容易设计宽带的阵列天线。

4)该双极化天线能够应用于双频共口径天线设计。低频段通过平面波导同轴结构激励，高频率通过底部的方形波导腔激励，从而实现更紧凑的双频共口径阵列天线。

为了进一步说明上述实施例提供的平面波导同轴宽带双极化天线及共口径阵列天线，本申请还提供一种该平面波导同轴宽带双极化天线和共口径阵列天线的具体应用实例，在该应用实例中，波导材质为铝，介质基板选择Roger RT5880，介电常数为2.2，介质损耗0.0009。本申请利用波导和介质板结合实现，具有结构紧凑、低损耗、宽带性能优于传统微带波导等优点，具有广阔的应用前景。具体来说，所述平面波导同轴宽带双极化天线的具体应用实例的内容如下：

参见图1，平面波导同轴线用于第一个频段的宽带双极化馈线，位于底部的波导腔(第三输入端口10)作为第二个频段的输入设计。第一四脊波导腔1，第二四脊波导腔2和第三四脊波导腔3作为两个频段的公共谐振腔。其中，第一T型微带枝节12和第一介质基板5位于第一四脊波导腔1和第二四脊波导腔2之间，第二T型微带枝节13和第二介质基板6位于第二四脊波导腔2和第三四脊波导腔3之间，十字形贴片组11位于第三介质基板7的下表面和第三四脊波导腔3的上表面。第一输入端口8和第二输入端口9用于平面波导同轴馈电，分别激励水平极化和垂直极化。第三输入端口10用于另一个毫米波频段天线的输入端口。

本应用实例中共设置三个输入端口，分别为第一输入端口8，第二输入端口9和第三输入端口10。第一输入端口8和第二输入端口9激励Ku频段的双极化天线，第三输入端口10激励Ka频段天线。

由于传统的微带双极化虽然具有生产成本低，体积小，重量轻等优点，但同时也有较高的插入损耗。然而金属波导结构的双极化天线体积大、成本高，带宽低。因此更需要研究性能优异的传输线实现低损耗和宽带的特性，从而更好的实现大容量高速率的通信需求。

参见图2，平面波导同轴线由下层波导21、上层波导22、中间介质基板23和悬置微带线24组成。上下波导内部充满空气，构成同轴的外导体。悬置微带线是同轴的内导体，位于外导体的中心。与传统的同轴线性能类似，具有宽带和传播TEM模式的特性。

在本应用实例中，设定平面波导同轴线的阻抗为100欧姆。即外导体尺寸W_a＝1.5毫米，内部悬置微带线的宽度W_s＝0.4毫米。

基于此，在一种可能的应用实例中，本申请应用实例提供的平面波导同轴宽带双极化天线由波导结构和易加工的平面微带线组成，结构简单，设计方法灵活简单。本应用实例提供的平面同轴波导具有固有封闭性，因此在设计大规模阵列中能够实现更紧凑的馈电网络设计，如图3为申请应用实例中的2*2阵列天线示意图。双极化天线馈电网络采用平面同轴波导线。第一馈电网络31和第二馈电网络32采用串并联混合一分四的结构，并相互垂直放置。为了使天线单元被激励相同的相位，一个弯折的延迟线加载在馈电网络中，即馈电延迟线33，弯折走线的长度为工作频段的一个波长。

示例性的，在一种可能的应用实例中，为了更好实现第一T型微带线12与四脊波导腔的阻抗匹配，第一四脊波导腔1的高度是工作频段的四分之一波长。因此设定第一四脊波导腔1的高度h₁＝5毫米，第二四脊波导腔2的高度为h₂＝1.8毫米，第三四脊波导腔3的高度h₃＝6.2毫米。底部波导腔10采用方形波导结构，作为Ka频段的信号输入，为了防止上层Ku频段的信号从底部泄露，底部波导腔10的尺寸设置为5.3毫米，从而实现两个频段共用四脊波导腔的同时，具有较高的隔离度。

天线底部的方形波导腔拓展为Ka频段天线的输入端口，从而在紧凑的结构中能够实现多个极化，本申请中对该输入端口馈入两个正交模式(TE₀₁模和TE₁₀模)。在其他应用实例中，可以根据需求改变输入模式实现不同的极化。

当激励第一输入端口8和第二输入端口9时，输入信号通过平面同轴波导中TEM模式转换到四脊波导腔的TE₀₀₁模式和TE₀₁₀模式，通过调节第一T型微带枝节12和第二T型微带枝节13的长度来控制平面同轴波导线到四脊波导腔的能量耦合，从而实现水平极化的辐射。第一T型微带枝节的长度为0.9毫米。第二T型微带枝节的长度为3毫米。

选用该应用实例，可以通过垂直放置两个T型微带枝节，从而实现两个垂直的宽带双极化。微带线相比于传统波导同轴的探针更易加工，更加灵活的进行阵列天线馈电网络的设计。

具体地，第一T型微带枝节12和第二T型微带枝节13印制在第一介质基板5和第二介质基板6的下表面。第一介质基板5和第二介质基板6的材料选择Roger RT5880，介电常数为2.2，厚度0.254mm。十字形贴片组11位于第三介质基板7的下表面，实现栅瓣的抑制和增益的提高。第三介质基板7的材料选择Roger RT5880，介电常数为2.2，厚度0.508mm。

本申请应用实例提供的基于平面波导同轴的宽带双极化天线结构，整体结构尺寸紧凑，多个频段和多个极化在相同的口径面辐射，且容易构建更大规模的阵列天线设计。

在本申请的一些应用实例中，平面波导同轴宽带双极化天线除了可以呈2*2阵列排布。在其他应用实例中，基于平面波导同轴的宽带双极化天线的数值可以根据增益的需要进行改变。

对本应用实例中的平面波导同轴宽带双极化天线结构进行试验，得到的试验数据能够表明本应用实例中的缝隙天线具有良好的辐射性能，具体如下：

(1)该天线在Ku频段实现水平极化和垂直极化，工作频段为13.9-16.4GHz和14-17.1GHz，如图4所示。

(2)在中心频段内，该天线垂直极化和水平极化的隔离度为15dB，如图5所示。

(3)该天线能够实现双频共口径设计，如图6所示，通过在底部增加小尺寸的波导输入端口，实现工作Ka频段的天线，工作带宽为32.75-34.5GHz。

(4)垂直极化和水平极化的方向图分别如图7(a)和图7(b)所示，交叉极化隔离度大于20dB，具有良好的辐射性能。

综上所述，本申请应用实例提出的平面波导同轴宽带双极化天线，包括：四脊波导腔体，平面同轴波导线，微带馈线和高频波导腔。采用平面波导同轴线作为双极化天线的馈电结构，四脊波导作为天线的主体腔。同轴结构具有宽带的特性，此外采用四脊波导结构不仅使天线结构更加紧凑，而且拓展了天线的带宽。两层载有微带馈线的介质基板夹在四脊波导腔体中间，其中第一微带馈线激励水平极化，第二微带馈线激励垂直极化。天线底部的高频波导腔可以拓展为另一个毫米波频段天线的输入端口，从而在紧凑的结构中能够实现多个极化。通过本申请中的技术方案，提供一种基于平面波导同轴的宽带双极化天线，具有宽带，低损耗，小型化的优势。本申请解决了波导双极化天线宽带设计及其共口径应用的难点。

需要明确的是，本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

本申请中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平面波导同轴宽带双极化天线，其特征在于，包括：用于激励高频段信号的底部波导腔，以及叠设在该底部波导腔上的用于激励低频段信号的四脊波导组件；

所述四脊波导组件中设有两个相互垂直的T型微带枝节以形成相互垂直的双极化模式，所述四脊波导组件中还设有分别与两个T型微带枝节一一连接且相互垂直的平面波导同轴线以用于分别对所述低频段信号进行双极化激励。

2.根据权利要求1所述的平面波导同轴宽带双极化天线，其特征在于，所述四脊波导组件包括：依次叠设的第一四脊波导腔、第一介质基板、第二四脊波导腔、第二介质基板、第三四脊波导腔和第三介质基板；

所述第一四脊波导腔与所述第一介质基板之间，以及所述第二四脊波导腔与所述第二介质基板之间，均设有互相垂直且相接的T型微带枝节和平面波导同轴线；

所述第三四脊波导腔与所述第三介质基板之间设有十字形贴片组；

所述第一四脊波导腔叠设在所述底部波导腔上。

3.根据权利要求2所述的平面波导同轴宽带双极化天线，其特征在于，所述第一四脊波导腔中靠近所述第一介质基板的一侧设有相互垂直且相接的第一T型微带枝节和第一平面波导同轴线，且该第一平面波导同轴线作为所述平面波导同轴宽带双极化天线的第一输入端口以对Ku频段信号进行水平极化激励；

所述第一四脊波导腔的高度初始设置为预设工作频率的四分之一波长；

其中，当激励所述第一输入端口时，输入信号通过所述第一平面波导同轴线中TEM模式转换到所述第一四脊波导腔的TE₀₀₁模式，通过调节所述第一T型微带枝节的长度来控制所述第一平面波导同轴线到所述第一四脊波导腔的能量耦合以实现水平极化的辐射。

4.根据权利要求3所述的平面波导同轴宽带双极化天线，其特征在于，

所述第二四脊波导腔中靠近所述第二介质基板的一侧设有相互垂直且相接的第二T型微带枝节和第二平面波导同轴线，所述第二T型微带枝节与所述第一T型微带枝节相互垂直，所述第一平面波导同轴线与所述第二平面波导同轴线相互垂直，且该第二平面波导同轴线作为所述平面波导同轴宽带双极化天线的第二输入端口以对Ku频段信号进行垂直极化激励；

所述第二四脊波导腔的高度初始设置为预设工作频率的八分之一波长；

其中，当激励所述第二输入端口时，输入信号通过所述第二平面波导同轴线中TEM模式转换到所述第二四脊波导腔的TE₀₁₀模式，通过调节所述第二T型微带枝节的长度来控制所述第二平面波导同轴线到所述第二四脊波导腔的能量耦合以实现垂直极化的辐射。

5.根据权利要求1所述的平面波导同轴宽带双极化天线，其特征在于，所述底部波导腔包括：方形波导腔；

所述方形波导腔内设有第三输入端口；该第三输入端口用于激励Ka频段信号并拓展为另一个毫米波频段天线的输入端口。

6.根据权利要求1所述的平面波导同轴宽带双极化天线，其特征在于，所述平面波导同轴线包括：依次设置的上层波导、下层波导，悬置微带线和中间介质基板；

所述中间介质基板上靠近所述下层波导的一侧同轴设有悬置微带线；

所述上层波导和所述下层波导内部均充满空气以构成外导体；所述悬置微带线在所述外导体的中心构成所述平面波导同轴线的内导体。

7.根据权利要求2所述的平面波导同轴宽带双极化天线，其特征在于，所述十字形贴片组由包括：四个十字形贴片；

各个所述十字形贴片均印制在所述第三介质基板上靠近所述第三四脊波导腔的一侧且位于所述第三四脊波导腔的辐射口径面上。

8.一种共口径阵列天线，其特征在于，包括：共口径且相接的多个如权利要求1至7任一项所述的平面波导同轴宽带双极化天线。

9.根据权利要求8所述的共口径阵列天线，其特征在于，所述四脊波导组件包括：依次叠设的第一四脊波导腔、第一介质基板、第二四脊波导腔、第二介质基板、第三四脊波导腔和第三介质基板；所述第一四脊波导腔与所述第一介质基板之间，以及所述第二四脊波导腔与所述第二介质基板之间，均设有互相垂直且相接的T型微带枝节和平面波导同轴线；

各个所述平面波导同轴宽带双极化天线中的所述第一四脊波导腔与所述第一介质基板之间的各个T型微带枝节之间基于预设的第一馈电网络相接；

各个所述平面波导同轴宽带双极化天线中的所述第二四脊波导腔与所述第二介质基板之间的各个T型微带枝节之间基于预设的第二馈电网络相接。

10.根据权利要求9所述的共口径阵列天线，其特征在于，所述第一馈电网络和所述第二馈电网络均为串并联结合的混联结构；

所述第一馈电网络和所述第二馈电网络中均设有馈电延迟线，以保证串联激励的单元相位一致。

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