一种星载圆极化喇叭阵列天线的制作方法

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种星载圆极化喇叭阵列天线，主要应用方向为在轨卫星星地数据传输及通信测控。

背景技术：

20世纪60年代以来，卫星通信迅速发展，在军事和民用中得到了十分广泛的应用。尤其是在军事应用中，卫星通信仍然是其主要的通信手段，是其他通信手段无法取代的。在卫星数据传输、通信测控中都依赖于星载天线，随着信道容量的不断扩充、传输速率的不断提高、服务方式的日渐灵活，所以对星载天线的工作带宽、辐射增益、波束宽度等性能指标要求越来越高。

目前天线种类比较多，但能满足星载天线通信要求的不多，主要有以下技术问题：

1、由于卫星姿态并不固定以及无线信号需要穿越大气层，无法采用线极化信号通信，必须要用圆极化通信；

2、现有星载天线主要是螺旋天线、反射面天线，螺旋天线由于增益小，无法满足远距离通信要求，反射面天线由于反射面加工精度要求高，实现难度大、成本高；

3、现有星载天线由于频带宽度窄，无法满足大容量数据传输及扩频通信的要求；

4、现有星载天线应用在舱外，环境使用条件要求高，材料选择受到一定限制。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载圆极化喇叭阵列天线，实现其结构简单可靠，具有高增益、宽频带、优异的圆极化特性等优点，满足星载舱外环境使用条件及星地数据传输和通信测控的需求。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种星载圆极化喇叭阵列天线，其包括：安装底板6和设置在安装底板6上的至少2个天线单元，每个天线单元包括SMA同轴馈电插座1、圆极化器2、方形喇叭口3、SMA插座馈电端4、底端短路板5和方形波导7；SMA同轴馈线插座1包括SMA插座和通孔，SMA插座安装在圆极化器2的输入变化段，从SMA插座另一面伸出一个馈电探针，馈电探针深入到中空的方形波导7中，属于同轴－波导馈电端；圆极化器2位于中空的方形波导7中间，一端连接方形波导7的底面，另一端是自由端，圆极化器2的高度小于方形波导7的高度；方形喇叭口3底端连接在方形波导7自由端顶部，属于波束形成段；底端短路板5用于将方形波导底端短路；安装底板6与方形波导垂直，用于连接天线单元，并将天线阵列与星体固定。

其中，所述圆极化器为6阶阶梯型隔板结构，6阶阶梯型隔板从输入变化段到波束形成段包括第一阶矩形隔板、第二阶矩形隔板、第三阶矩形隔板、第四阶矩形隔板、第五阶矩形隔板、第六阶矩形隔板；第一阶矩形隔板长23mm，宽28.8mm；第二阶矩形隔板长17.4mm，宽5.5mm；第三阶矩形隔板长9.6mm，宽6.4mm；第四阶矩形隔板长8mm，宽7.5mm；第五阶矩形隔板长3.5mm，宽8mm；第六阶矩形隔板长1.7mm，宽12.1mm。

其中，采用所述六阶阶梯型隔板的喇叭天线单元方形波导7高度为90mm，方形喇叭口3高度为60mm。

其中，所述圆极化器2为渐变型隔板结构，渐变型隔板为直角梯形，上底边长41mm，下底边长82mm，高23mm。

其中，采用所述渐变型隔板的喇叭天线单元方形波导7高度为110mm，方形喇叭口3高度为40mm。

其中，所述底端短路板5厚度为1.5mm，安装底板6厚度为5mm。

其中，所述圆极化器2、方形喇叭口3、底端短路板5、安装底板6、方形波导7采用2A12铝材料制成，并对其表面进行导电氧化处理。

其中，所述天线单元有4个，4个天线单元采用一分四功分器同时供电。

其中，所述安装底板6开有安装孔，安装底板6使用钛合金螺钉与星体固定。

其中，所述圆极化器2、方形喇叭口3、方形波导7、安装底板6为一体化结构，一次成形。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的星载圆极化喇叭阵列天线，具有以下优点：

1、本星载圆极化喇叭阵列天线单元采用方形波导设计，提高了天线的辐射效率；

2、星载圆极化喇叭阵列天线单元采用了辐射器、圆极化器、波导同轴转换一体化，天线完成装配后不再进行调试；

3、馈电方式采用SMA插座直接馈电，馈电方式简单，容易实施、不需要调试；

4、本星载圆极化喇叭阵列天线的设计使得其在X波段具有优异的电性能；

5、本星载圆极化喇叭阵列天线具有较宽的工作带宽，3dB轴比带宽超过1GHz；

6、本星载圆极化喇叭阵列天线增益高，超过20dB；

7、本性在圆极化喇叭阵列天线采用2A12铝材加工，不但满足星载设备舱外环境技术条件要求，而且重量比同等体积的黄铜H62轻很多。

附图说明

图1是本发明的星载圆极化喇叭阵列天线(阶梯型隔板)。

图2是本发明的星载圆极化喇叭阵列天线(渐变型隔板)。

图3是本发明的阶梯型隔板圆极化器。

图4是本发明天线的辐射增益方向图仿真结果。

图5是本发明天线的轴比带宽仿真结果。

图中：1.SMA同轴馈电插座 2.圆极化器 3.方形喇叭口 4.SMA插座馈电端 5.底端短路板 6.安装底板 7.方形波导

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为了结局解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供的阵列天线的基本设计思路为：提供星载圆极化喇叭阵列天线，每个星载圆极化喇叭阵列天线单元的微波信号从SMA同轴馈电插座和SMA同轴馈电插座馈电端馈入天线单元的同轴-波导馈电端，输入的TEM模微波信号变换成TE模线极化波；输入的线极化波有TE01和TE10两种模式，对于TE10模，从矩形波导到隔板区域其传播常数几乎不变，而对于TE01模，经过一定长度、高度的隔板区域后，相位会变化90°，这样使得两个正交模式的线极化波通过圆极化器后相位差为90°，产生所需要的圆极化电磁波；再经过方形喇叭口波束形成段，形成一定形状的波束。通过调节圆极化器长度、高度尺寸、方形波导长度，优化圆极化波的阻抗匹配性能、轴比、带宽等特性；通过调节馈电探针长度，可以使天线工作在预定的频段；通过调节喇叭口尺寸，形成所需要的方向图、波束宽度等特性。

具体地，参照图1所示，本实施例星载圆极化喇叭阵列天线包括安装底板6和设置在安装底板6上的至少2个天线单元，本实施例设置4个相同的天线单元，每个天线单元包括SMA同轴馈电插座1、圆极化器2、方形喇叭口3、SMA插座馈电端4、底端短路板5和方形波导7。4个天线单元采用一分四功分器同时供电，SMA插座馈电端电磁波要求等幅同相。

本实施例中，圆极化器2、方形喇叭口3、底端短路板5、安装底板6、方形波导7采用2A12铝材料进行加工，并对其表面进行导电氧化处理。方形波导7采用标准波导尺寸，国家标准BF85153-IEC标准Q85，该波导频率范围为7.5GHz～8.96GHz。BF85标准波导加工材料不同，重量也不同，采用黄铜H62加工的方形波导7重量为1.425Kg/m，使用2A12铝加工的方形波导7重量为0.432Kg/m，所以，为了实现天线的轻质化，本实施例中方形波导7采用2A12铝加工。安装底板6开有8个φ3.2mm的孔，使用M3的标准钛合金螺钉与星体固定。

SMA同轴馈线插座1包括SMA插座和通孔，SMA插座安装在圆极化器2的输入变化段，从SMA插座另一面伸出一个馈电探针，馈电探针深入到中空的方形波导7中，属于同轴－波导馈电端；圆极化器2位于中空的方形波导7中间，一段连接方形波导7的底面，另一端是自由端，圆极化器2的高度要小于方形波导7的高度；方形喇叭口3底端连接在方形波导7自由端顶部，属于波束形成段；底端短路板5用于将方形波导底端短路；安装底板6与方形波导垂直，用于连接四个天线单元，并将天线阵列与星体固定。

该星载圆极化喇叭阵列天线工作时，微波信号从SMA馈电插座1和SMA馈电插座馈电端4馈入天线单元的同轴-波导馈电端，输入的TEM模微波信号变换成TE模线极化波；输入的线极化波有TE01和TE10两种模式，对于TE10模，从矩形波导到隔板区域其传播常数几乎不变，而对于TE01模，经过一定长度、高度的隔板区域后，相位会变化90°，这样使得两个正交模式的线极化波通过圆极化器后相位差为90°，产生所需要的圆极化电磁波；再经过方形喇叭口3波束形成段，形成一定形状的波束。通过调节圆极化器2长度、高度尺寸、方形波导7长度，优化圆极化波的阻抗匹配性能、轴比、带宽等特性；通过调节馈电探针长度，可以使天线工作在预定的频段；通过调节方形喇叭口3尺寸，形成所需要的方向图、波束宽度等特性。

本实施例中，圆极化器2可设置为两种结构形式，6阶阶梯型隔板或者渐变型隔板。

如图2所示，渐变型隔板为直角梯形，上底边长41mm，下底边长82mm，高23mm。采用渐变型隔板的喇叭天线单元方形波导7高度为110mm，方形喇叭口3高度为40mm。

如图3所示，6阶阶梯型隔板从输入变化段到波束形成段包括第一阶矩形隔板、第二阶矩形隔板、第三阶矩形隔板、第四阶矩形隔板、第五阶矩形隔板、第六阶矩形隔板；第一阶矩形隔板长23mm，宽28.8mm；第二阶矩形隔板长17.4mm，宽5.5mm；第三阶矩形隔板长9.6mm，宽6.4mm；第四阶矩形隔板长8mm，宽7.5mm；第五阶矩形隔板长3.5mm，宽8mm；第六阶矩形隔板长1.7mm，宽12.1mm。采用六阶阶梯型隔板的喇叭天线单元方形波导7高度为90mm，方形喇叭口3高度为60mm.

底端短路板5厚度为1.5mm，安装底板6厚度为5mm。

本实施例中，圆极化器2、方形喇叭口3、方形波导7、安装底板6为一体化结构，一次成形。

如图4所示，本实施例星载圆极化喇叭阵列天线辐射增益方向图仿真结果中，增益最大点为22dB，3dB波束宽度为±5°。

如图5所示，本实施例星载圆极化喇叭阵列天线轴比带宽仿真结果中，3dB轴比带宽超过1GHz。

本发明的星载圆极化喇叭阵列天线应用与中、低轨道卫星数据传输、通信测控中，极大的提高了卫星星地间的通信性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。