一種雙頻圓極化陣列天線的制作方法

本發明涉及衛星通信技術領域，特別是指一種雙頻圓極化陣列天線。

背景技術：

目前在衛星通信系統中，要求天線具有高增益、高效率、雙極化等電氣特性，特別是要求收發頻段間隔較大(1.5-2倍頻左右)，且為圓極化輻射。目前，實現上述性能的天線主要有以下幾種天線形式，但各有優缺點：

1、波導縫隙天線。該形式天線是在波導寬邊或窄邊進行開縫，通常有行波、駐波兩種陣列形式，但輻射單元縫隙的增益相對較低，通常只有7db左右，由于為串饋形式，帶寬內出現頻掃現象，隨著工作頻率的增高，要求加工精度也越高，需借助較高的焊接工藝加工制造，成品率較低，導致成本較高。

2、微帶貼片天線。該天線形式具有輪廓低、可集成有源器件、可實現輻射單元與網絡一體化設計的，但天線的介質損耗較大，且存在漏波效應，天線單元增益低、饋電網絡損耗大，不利用實現較高頻段的高增益天線設計。

3、喇叭陣列陣列天線。該形式的天線通常以角錐喇叭最為輻射器，借助同軸探針波導腔體微擾的方法實現圓極化激勵，該方法實現圓極化激勵結構簡單，效率較高，但饋電網絡橫向尺寸較大，導致單單元輻射間距較大，寬帶輻射時頻段高端方向圖會出現較高的柵瓣，導致天線口徑效率較大，且此種天線圓極化軸比帶寬相對較窄，通常在10％以內。

可見，現有技術中的天線都存在各種各樣的弊端，具有較大的改進空間。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提出一種雙頻圓極化陣列天線，其具有圓極化軸比帶寬寬、輻射效率高、雙圓極化輻射的特點。

基于上述目的，本發明提供的技術方案是：

一種雙頻圓極化陣列天線，其包括四個方型口徑的位于天線最上方的角錐喇叭，角錐喇叭呈2×2陣列形式排布，每個角錐喇叭的下方均設有一個波導極化器，波導極化器的下方依次設有右旋極化饋電網絡、波導過渡段、左旋極化饋電網絡以及背腔層，波導過渡段的上表面設有第一溝槽，波導過渡段的下表面均設有第二溝槽，背腔層的上表面設置有與第二溝槽同構的第三溝槽，第一溝槽構成右旋極化饋電網絡的同軸外導體，第二溝槽和第三溝槽分別構成左旋極化饋電網絡的同軸外導體。

可選的，波導極化器為方波導內部嵌入階梯隔片的極化器形式，波導極化器的方形波導口的一端與角錐喇叭的底部饋接，另一端被階梯隔片分隔為左旋矩形波導口和右旋矩形波導口，左旋矩形波導口饋入波導過渡段，右旋矩形波導口饋入右旋極化饋電網。

可選的，左旋極化饋電網絡的饋線和右旋極化饋電網絡的饋線均為印制板敷銅結構，左旋極化饋電網絡的饋線饋入波導過渡段，右旋極化饋電網絡的饋線饋入波導極化器的矩形波導口。

從上面的敘述可以看出，本發明技術方案的有益效果在于：

本發明由角錐喇叭、波導極化器、左右旋極化饋電網絡、波導過渡段、背腔構成，能在寬頻帶內產生高質量的定向波束，收發頻段間隔大于1.5個倍頻，單頻段軸比帶寬大于15％，輻射效率高，結構緊湊。

本發明可作為大型陣列天線的子陣單元，整個天線結構簡單、緊湊，同時可以實現天線與網絡的一體化設計。該陣列天線包括四個角錐喇叭單元呈2×2排列，同樣與其一一對應有四個波導極化器位于角錐喇叭下方；為了方便與饋電網絡的排布，左右旋極化饋電網絡可以采用印制板加工工藝，加工精度較高，且占用物理空間較小，易于陣元小間距設計，能夠實現天線陣列的高增益、低副瓣、高效率。

附圖說明

為了更加清楚地描述本專利，下面提供一幅或多幅附圖，這些附圖旨在對本專利的背景技術、技術原理和/或某些具體實施方案做出輔助說明。需要注意的是，這些附圖可以給出也可以不給出一些在本專利文字部分已有描述且屬于本領域普通技術人員公知常識的具體細節；并且，因為本領域的普通技術人員完全可以結合本專利已公開的文字內容和/或附圖內容，在不付出任何創造性勞動的情況下設計出更多的附圖，因此下面這些附圖可以涵蓋也可以不涵蓋本專利文字部分所敘述的所有技術方案。此外，這些附圖的具體內涵需要結合本專利的文字內容予以確定，當本專利的文字內容與這些附圖中的某個明顯結構不相符時，需要結合本領域的公知常識以及本專利其他部分的敘述來綜合判斷到底是本專利的文字部分存在筆誤，還是附圖中存在繪制錯誤。特別地，以下附圖均為實例性質的圖片，并非旨在暗示本專利的保護范圍，本領域的普通技術人員通過參考本專利所公開的文字內容和/或附圖內容，可以在不付出任何創造性勞動的情況下設計出更多的附圖，這些新附圖所代表的技術方案依然在本專利的保護范圍之內。

圖1是本發明實施例中一種雙頻圓極化陣列天線的結構示意圖；

圖2是本發明實施例中角錐喇叭和波導極化器的一種結構示意圖；

圖3是圖2中階梯隔片的一種結構示意圖；

圖4是本發明實施例中右旋極化饋電網絡的一種結構示意圖；

圖5是本發明實施例中波導過渡段的一種結構示意圖；

圖6是本發明實施例中左旋極化饋電網絡的一種結構示意圖；

圖7是本發明實施例中背腔層的一種結構示意圖。

具體實施方式

為了便于本領域技術人員對本專利技術方案的理解，同時，為了使本專利的技術目的、技術方案和有益效果更加清楚，并使權利要求書的保護范圍得到充分支持，下面以具體案例的形式對本專利的技術方案做出進一步的、更詳細的說明。

需要說明的是，本專利中所采用的“第一”“第二”等用語僅僅是為了區分多個/組/類具有相同名稱的不同對象而使用的文字標記，從而便于對技術方案作出準確描述。顯然，這些標記性質的用語不具有任何排序或計數的含義，也不具有相當于冠詞或指示代詞的語義內涵。

如圖1～7所示，一種雙頻圓極化陣列天線，其包括包括四個方型口徑的位于天線最上方的角錐喇叭1，角錐喇叭1呈2×2陣列形式排布，每個角錐喇叭1的下方均設有一個波導極化器6，波導極化器6的下方依次設有右旋極化饋電網絡2、波導過渡段3、左旋極化饋電網絡4以及背腔層5，波導過渡段3的上表面設有第一溝槽7，波導過渡段3的下表面均設有第二溝槽(在圖5的紙背面，未圖示)，背腔層5的上表面設置有與第二溝槽同構的第三溝槽8，第一溝槽7構成右旋極化饋電網絡2的同軸外導體(結構如圖4所示)，第二溝槽和第三溝槽8分別構成左旋極化饋電網絡4的同軸外導體(結構如圖6所示)。

該實施例中，右旋極化饋電網絡2和左旋極化饋電網絡4可以采用準空氣同軸結構，且二者皆可采用介質厚度為0.127mm的印制板工藝來實現，在圖4和圖6中，右旋極化饋電網絡和左旋極化饋電網絡分別與相應溝槽形成功率分配網絡，而溝槽則分布于極化饋電網絡的上下表面，實現同軸外導體的功能。

該實施例中，波導過渡段3位于左、右旋極化饋電網絡之間，其結構為波導極化器6波導口的延伸，同時其隔離了兩極化的饋電空間，分離饋電網絡于上下兩層，易于饋電網絡走線，防止二者交疊，其上下設置有與兩極化網絡上下表面對應的溝槽，實現同軸外導體的功能；背腔層5位于天線的最底層，上表面設置有左旋極化網絡所需的溝槽，其內部結構為兩極化饋電網絡所需短路面，能夠保證電磁波可低向輻射。

如圖2所示，波導極化器可以采用在方波導內部嵌入階梯隔片的極化器形式，階梯隔片具有若干臺階a1～a6，每級臺階距離方形波導口側邊的距離分別為b1～b6；該波導極化器的方形波導口的一端與角錐喇叭的底部饋接，另一端被階梯隔片分隔為左旋矩形波導口和右旋矩形波導口，其中左旋矩形波導口饋入波導過渡段，右旋矩形波導口饋入右旋極化饋電網。

該階梯隔片在設計時滿足如下關系：

a1＝0.3λ，b1＝0.04λ，

a2＝0.24λ，b2＝0.11λ，

a3＝0.35λ，b3＝0.28λ，

a4＝0.28λ，b4＝0.3λ，

a5＝0.15λ，b5＝0.35λ，

b6為方波導尺寸，并根據饋電空間選擇合適的尺寸a6。

上述關系中，λ為天線中心頻率f0對應的波長，滿足：

f0＝(fl+fh)/2,

其中，fl為天線工作頻段低端的中心頻率，fh為天線工作頻段高端的中心頻率。當天線工作在k波段時，階梯隔片厚度的取值范圍為0.5mm～1mm。

上述實施例中，左旋極化饋電網絡的饋線和右旋極化饋電網絡的饋線可采用印制板敷銅結構，其中左旋極化饋電網絡的饋線饋入波導過渡段，右旋極化饋電網絡的饋線饋入波導極化器的矩形波導口，兩極化的饋線均采用等幅、反相饋電的方式。

上述實施例中，四個方型口徑角錐喇叭1和四個波導極化器6可以采用一體加工工藝，從而保證極化器與角錐喇叭的高精度設計；右旋極化饋電網絡印制板放置在背腔層和波導過渡段之間，左旋極化饋電網絡印制板放置在波導過渡段與角錐喇叭之間，部件之間可以采用銷釘或螺釘進行定位裝配，保證各部件之間的緊配合。

上述工作原理如下：當發射信號時，發射機通過同軸饋線發射信號，左旋極化饋電網絡，經由波導變換段至波導極化器并由角錐喇叭輻射到自由空間；天線的接收與發射為互易過程，外部信號由經角錐喇叭、波導極化器，右旋極化饋電網絡最終進入到同軸電纜輸出到外接接收機。

上述實施例提供了一種準空氣同軸線饋電的2×2喇叭陣列天線，通過優化波導極化器使其滿足1.5倍頻的帶寬內實現高效率圓極化輻射，具有損耗低、輻射效率高的特點，可以作為大型天線陣列的子陣，整個天線結構簡單、緊湊，同時實現了天線與網絡的一體化設計，是對現有技術的一種重要改進。

需要理解的是，上述對于本專利具體實施方式的敘述僅僅是為了便于本領域普通技術人員理解本專利方案而列舉的個例性描述，并非暗示本專利的保護范圍僅僅被限制在這些個例中，本領域普通技術人員完全可以在對本專利技術方案做出充分理解的前提下，以不付出任何創造性勞動的形式，通過對本專利所列舉的各個例采取組合技術特征、替換部分技術特征、加入更多技術特征等等方式，得到更多的具體實施方式，所有這些具體實施方式均在本專利權利要求書的涵蓋范圍之內，因此，這些新的具體實施方式也應在本專利的保護范圍之內。

此外，出于簡化敘述的目的，本專利也可能沒有列舉一些尋常的具體實施方案，這些方案是本領域普通技術人員在理解了本專利技術方案后能夠自然而然想到的，顯然，這些方案也應包含在本專利的保護范圍之內。

出于簡化敘述的目的，上述各具體實施方式對于技術細節的公開程度可能僅僅達到本領域技術人員可以自行決斷的程度，即，對于上述具體實施方式沒有公開的技術細節，本領域普通技術人員完全可以在不付出任何創造性勞動的情況下，在本專利技術方案的充分提示下，借助于教科書、工具書、論文、專利、音像制品等等已公開文獻予以完成，或者，這些細節是在本領域普通技術人員的通常理解下，可以根據實際情況自行作出決定的內容。可見，即使不公開這些技術細節，也不會對本專利技術方案的公開充分性造成影響。

總之，在結合了本專利說明書對權利要求書保護范圍的解釋作用的基礎上，任何落入本專利權利要求書涵蓋范圍的具體實施方案，均在本專利的保護范圍之內。