基于Ka波段的双圆极化阵列天线单元

基于ka波段的双圆极化阵列天线单元
技术领域
1.本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元。


背景技术：

2.随着无线通信技术的快速发展，越来越多的无线电子设备正在研发和生产。目前商业卫星通信广泛使用的c频段以及ku频段频谱资源日渐饱和。国外的一些机构从上世纪70年代就开始扩展卫星通信频段的研究，探索新一代大容量卫星通信系统的体制。近年来，我国也加紧了对ka频段卫星进行开发与研制。现有技术中需要采用额外的正交模转换器才能实现左旋和右旋圆极化信号的转换和分离，造成器件结构复杂、重量大等问题。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元，能同时实现左旋和右旋圆极化信号的转换和分离，不需要额外的正交模转换器，具有小型化和质量轻等特点。
4.为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：第一方面，提供一种双圆极化阵列天线单元，包括矩形波导、隔板圆极化器、喇叭天线、三角形金属板和蜂窝孔板，所述隔板圆极化器安装在所述矩形波导的内部，所述矩形波导的输出端依次设置喇叭天线、三角形金属板和蜂窝孔板；所述隔板圆极化器具有高度依次降低的多个阶梯，其中高度最小的阶梯位于所述喇叭天线一侧；所述三角形金属板有多个，每个所述三角形金属板分别与所述喇叭天线和所述蜂窝孔板固定连接。
5.进一步地，所述隔板圆极化器的阶梯的数量小于等于六个。
6.进一步地，所述隔板圆极化器的阶梯的数量为六个，其中各个阶梯按照由低到高的顺序，高度依次为： 0.15mm、1.2mm、3.29mm、4.57mm、5.8mm、9mm，长度依次为：5.59mm、1.98mm、3.6mm、6.67mm、1.78mm、3mm；所述隔板圆极化器的厚度为1.57mm。
7.进一步地，所述三角形金属板有四个，四个所述三角形金属板分别位于所述喇叭天线的四个侧面的中心线上。
8.进一步地，所述蜂窝孔板上对称设置四个蜂窝型孔状输出口。
9.第二方面，提供一种天线装置，所述天线装置配置有第一方面所述的双圆极化阵列天线单元。
10.第三方面，提供一种设备，所述设备配置有第一方面所述的双圆极化阵列天线单元。
11.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：（1）本发明通过在矩形波导内设置隔板圆极化器并配合喇叭天线、三角形金属板和蜂窝孔板，实现了左旋和右旋圆极化信号的转换和分离，不需要额外的正交模转换器，具有小型化和质量轻等特点；
（2）本发明天线单元具有频带宽，轴比性能良好，体积小和能够实现收发共用等特点。
附图说明
12.图1是本发明实施例提供的一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元的立体结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元的输入端的平面结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元的输出端的平面结构示意图；图4是图2的a
‑
a剖面图；图5是本发明实施例提供的一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元的输出端不含蜂窝孔板的立体结构示意图；图6是本发明实施例提供的一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元的隔板圆极化器的立体结构示意图；图7是本发明实施例提供的一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元的蜂窝孔板的立体结构示意图；图8是本发明实施例提供的一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元的隔板圆极化器的平面结构示意图；图9是本发明实施例提供的一种基于ka波段的双圆极化阵列天线单元的隔板圆极化器的工作原理示意图；图10是本发明实施例中隔板圆极化器的s参数差；图11是本发明实施例中隔板圆极化器的相位差；图12是本发明实施例仿真结果中的天线单元的回波损耗；图13是本发明实施例仿真结果中的天线单元的隔离度；图14是本发明实施例仿真结果中的接收频段天线单元的增益；图15是本发明实施例仿真结果中的接收频段天线单元的轴比；图16是本发明实施例仿真结果中的发射频段天线单元的增益；图17是本发明实施例仿真结果中的发射频段天线单元的轴比。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
14.实施例一：如图1~图8所示，一种双圆极化阵列天线单元，包括矩形波导1、隔板圆极化器2、喇叭天线3、三角形金属板4和蜂窝孔板5，隔板圆极化器2为金属材质，安装在矩形波导1的内部，用于实现电磁波的圆极化；矩形波导1的输出端依次设置喇叭天线3、三角形金属板4和蜂窝孔板5，矩形波导1配合喇叭天线3用于实现电磁波的传播，以及扩大增益；隔板圆极化器2具有高度依次降低的多个阶梯，其中高度最小的阶梯位于喇叭天线3一侧；三角形金属
板4有多个，每个三角形金属板4分别与喇叭天线3和蜂窝孔板5固定连接，本实施例中，三角形金属板4有四个，材质为金属，四个三角形金属板4分别位于喇叭天线3的四个侧面的中心线上，贴在喇叭天线3上的三角形金属板4用于抑制天线的回波损耗；蜂窝孔板5上对称设置四个蜂窝型孔状输出口51，本实施例中，蜂窝孔板5的材质为金属，使用了一分四的结构，减小了每个单元的尺寸，有效抑制了栅瓣。
15.本实施例中，天线单元实现圆极化主要是通过隔板圆极化器2实现的。隔板圆极化器2的工作原理，可以利用奇偶模法进行分析，发射端口的左右端口信号可以看作奇偶模激励的叠加，奇模经te01过隔板圆极化器2方向不变，最终形成水平极化分量；偶模经过隔板，逐渐向中间靠拢，最终形成垂直极化分量，同时伴随相位落后。其具体分极化过程如图9所示，从右向左看，当线极化波通过隔板圆极化器2到达另一端，需要将电场te10模旋转90
°
并且进行90
°
的相位延迟，左端口作为发送时右端口作为匹配，同理右端口作为发送时左端口作为匹配，这使得两个端口分别得到右旋和左旋圆极化波，实现双圆极化。隔板圆极化器2一般很容易实现功率的等分，但是要保证相位差为 90
°
就需要对隔板圆极化器2进行细致的设计，包括隔板圆极化器的厚度，隔板圆极化器的阶梯数及每一阶隔板的尺寸等，都需要根据工作频段对其尺寸进行比较精细的调整。
16.衡量隔板圆极化器2的两个重要参数就是输出端口te10波与te01波的s参数差尽可能小，且相位差为90
°
是最好，在仿真中，发现增加隔板圆极化器2的阶梯的级数可以改善隔板圆极化器2的性能和增加带宽，但是阶梯总级数大于5时这种改善效果不再明显，隔板圆极化器2的阶梯的数量小于等于6个时，性能和带宽均具有较好的提高，考虑到高频下使用，尽量使结构简单便于加工，本实施例选择了6阶梯的隔板，此外，薄的隔板圆极化器2可以减小隔板圆极化器2的插入损耗，而为了保证机械强度，隔板圆极化器2需要有一定的厚度；本实施例中，天线单元的尺寸为12
×
12
×
46mm，采用的隔板圆极化器2的厚度为δ=1.57mm，其中各个阶梯按照由低到高的顺序，高度依次为： b1=0.15mm、b2=1.2mm、b3=3.29mm、b4=4.57mm、b5=5.8mm、b6=9mm，长度依次为：a1=5.59mm、a2=1.98mm、a3=3.6mm、a4=6.67mm、a5=1.78mm、a6=3mm。经过仿真后，在发送频率28.1 ~ 30ghz，与接收频率17.3 ~ 20.2ghz，都能满足要求。如图10、图11所示，是本实施例中隔板圆极化器的s参数差和相位差，s参数差在1db以内，在工作频段的相位差基本在正负10
°
之间，圆极化性能良好，能满足实际需要。
17.喇叭天线3具有效率高，驻波底，带宽宽，功率大等优势，用它来做阵列单元天线比较合适，喇叭天线3结构简单，容易调整，又因为长度不大，损耗也相对比较小，对于单元天线来说，我们需要它有着较低的轴比和较好的增益。本实施例将喇叭天线3加在上述发射与接收双圆极化阵列天线单元的输出端口上，从原理上来说tem波通过一端的馈电进入一侧的波导输入口，另一侧的波导输入口作为匹配，经过隔板圆极化器2后，tem波分解为两个正交的电磁波，由于隔板圆极化器2适合电磁波的传播，在输出端口形成两个波振幅相对相位相差90
°
，形成比较好的圆极化波。本实施例设计的双圆极化天线单元为了提高天线的效率，减小回波损耗，创新采用了蜂窝型孔状输出口，即蜂窝孔板5，蜂窝孔板5使用了一分四的结构，蜂窝孔板5上的每个蜂窝型孔状输出口51的直径r=2mm，减小了每个单元的尺寸，有效抑制了栅瓣，另外，在喇叭天线3的输出口的四个边上增加了三角形金属板4结构，三角形金属板4的尺寸是直角边长度分别为1.25mm和4.6mm，厚度为0.8mm，降低了天线单元的回波
损耗，相对于传统的喇叭天线而说，大大增加了天线单元的辐射效率，提升了隔离度。对于天线单元来说，需要保证它的回波损耗与隔离度尽可能小，经优化，该天线单元的回波损耗与隔离度如图12与图13所示，回波损耗与隔离度在接收(17.5~20ghz)与发射(28~30ghz)这两个频段中间都低于
‑
15db。
18.增益与轴比对于双圆极化天线单元来说也是很重要的参数，理想的双圆极化天线单元应该轴比尽量小，主瓣增益尽量大且尽量去除栅瓣，对于方形喇叭阵列天线，天线辐射且不产生栅瓣的条件是辐射单元口径大于半个工作波长，辐射单元间距小于一个工作波长，本实施例中天线单元仿真的尺寸为12mm，增益与轴比如图14~图17所示，在发射与接收的中心频段内栅瓣维持在正负60
°
左右，主瓣轴比低于3db。
19.本实施例通过在矩形波导内设置隔板圆极化器并配合喇叭天线、三角形金属板和蜂窝孔板，实现了左旋和右旋圆极化信号的转换和分离，不需要额外的正交模转换器，具有小型化和质量轻等特点，实现了在收发两个频段回波损耗与隔离度均低于
‑
15db，且主瓣增益在30db左右，轴比低于5db以下，天线单元的圆极化效果好、辐射效率高。同时该天线结构简单，加工容易，可以通过子阵拼接满足不同通信系统对天线增益的需求。
20.实施例二：基于实施例一所述的双圆极化阵列天线单元，本实施例提供一种天线装置，所述天线装置配置有若干个实施例一所述的双圆极化阵列天线单元。
21.实施例三：基于实施例一所述的双圆极化阵列天线单元，本实施例提供一种设备，所述设备配置有若干个实施例一所述的双圆极化阵列天线单元或配置有实施例二所述的天线装置。
22.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。