一种低剖面高度宽频带的波导阵列卫星通信天线的制作方法

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种低剖面高度、宽频带（10.7~14.5ghz）波导阵列卫星通信天线，尤其适用于固定安装或者移动载体（如车载、船载等）装配的ku波段卫星通信天线。

背景技术：

现卫星通信具有传输距离远、覆盖范围广、受干扰小、通信质量稳定等优点，随着全球信息化的高速发展，越来越多的信息以卫星为载体（或者中间平台）进行传输，已经成为军民两用应急通信、实时通信的重要保障。卫星通信常用电磁频谱包括c波段（4.0-8.0ghz）、ku波段(12-18ghz)，以及ka波段(26.5-40ghz)。卫星通信系统的核心技术之一就是天线技术，而天线的物理尺寸与工作频率密切相关，一般而言，频率越低，实现同样增益所需的天线尺寸就越大，因此，c波段卫星天线的有效直径有2~3米，且带宽较窄。ka波段由于频率很高，其物理尺寸很小，信道宽，是发展方向，但是由于其频谱过于宽泛（接近一个倍频程），想要实现单一天线覆盖整个频段及其困难，往往需要将上行、下行天线分开设计。因此，市场对于使用单一天线就能覆盖整个ku波段的卫星天线仍有巨大需求。

卫星天线形式主要有反射面天线、透镜天线和相控阵天线、平板波导阵天线等。移动载体上的反射面天线需要伺服系统，体积和重量较大，且对星速度较慢；透镜天线无馈源遮挡，剖面高度较低、虽然有很好地发展前景，但目前天线效率还不占优势；相控阵天线体积小，可以波束赋形，但大角度电扫描时有增益损失、且制造及维护成本很高；相对而言，平板波导阵天线具备剖面低、口面效率高、伺服系统简单的优势，更加适合在移动载体上使用。

对于平板波导阵天线的研究目前国内外都比较关注，例如，韩国的idoit公司在专利pct/kr2008/001008和pct/kr2008/005145中公开了一种波导喇叭阵平板天线。其辐射层采用具有内收倾斜面特征的喇叭状波导，为保证波导天线的增益和工作带宽，该天线单元采用了坡度较缓的倾斜口面来实现其馈电口与辐射口的阻抗匹配，该设计使得天线的总体轮廓高度比较厚，而且较大尺寸的喇叭辐射口使得天线总体的辐射方向图有较差的旁瓣。其后，该公司在专利pct/kr2008/003036中进一步公开了一种在喇叭波导口面加装金属网格的方案，该设计增加了产品复杂度和生产成本。另外，idoit公司在这些平板波导阵天线的专利中也公布了波导馈电网络，这些波导网络的无线信号的通道较为狭窄，对于实际加工和电镀生产都很困难，且其若干设计细节也使得波动阵天线的工作带宽受到了很大限制，往往只能用于接收窄带的电视信号。美国专利no.5,872,545公开了一种多层平板堆叠的类似波导阵天线，其基本结构有三层，一层为开口辐射单元阵列，两层为馈电网络层，馈电网络层可以是微带线，平行波导，传输线，或者是它们的组合。美国raysat公司在专利pct/bg2004/000011，us7,307,586b2和us2006/0152414a1中也公开了一种平板卫星天线，该天线通过堆叠多层开口金属板形成辐射通道，再利用上下间隔分离的两层微带线进行双极化馈电，但是微带线馈电的介质损耗大，天线辐射效率也较低。德国qest公司在专利pct/ep2010/002645和pct/ep2013/001923中公布了一种喇叭天线阵平板卫星天线，通过对喇叭单元加载对称脊扩展工作带宽，通过多台阶设计实现辐射口与自由空间的阻抗匹配。该公司后来在专利pct/ep2013/001939中进一步公布了综合运用悬置微带线和波导网络进行馈电的方式，但其结构复杂，总体厚度较大。

国内很多公司也在波导阵天线方面做了很多研究，例如四川睿迪澳科技有限公司在专利cn209056613u中公开了一种圆极化波导阵天线，该天线包括多模谐振腔、开口波导和馈电波导这三种基本结构，其多模腔体连接有多个金属移相装置来实现圆极化，结构相对复杂，天线口面效率以及工作频带宽度也相对较低。电子科技大学在专利cn106356640b中公开了一种宽带双圆极化平板波导阵列天线，该设计包括上往下依次层叠有辐射波导、谐振腔、馈电方波导、圆极化器、双极化馈电网络，其-10db中心带宽（fbw）为16%，天线口面效率约为60%，该设计已经比较优秀，但电性能还有进一步挖掘空间。南京肯微弗通信技术有限公司在专利cn105161852b，cn106129597a，以及cn205039254u等一系列专利中公开了一种平板阵列天线，其从上到下也仍然是开口波导、多模谐振腔和馈电波导这三层基本结构，其中心带宽和天线口面效率有较大提升空间。

传统的反射面天线的体积大，带伺服系统时非常笨重，寻星速度也慢，且由于开口面向外，容易遭受雨、雪、沙尘等自然环境影响，其机械结构和电性能不稳定。相控阵天线大角度电扫描时有增益损失、制造及维护成本很高、能耗较大；现有的ku波段的波导阵列卫星天线工作带宽较窄，不能有效覆盖绝大部分ku波段卫星常用频谱。因此，增加卫星天线的工作带宽，提高天线口面效率，同时降低卫星天线的轮廓高度是目前波导阵列卫星天线的主要研究方向。

技术实现要素：

发明目的：为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种低剖面高度宽频带的波导阵列卫星通信天线，增加了波导阵平板卫星天线的工作带宽，使其能够覆盖全球绝大多数ku波段卫星的工作频段（10.7~14.5ghz），并进一步降低平板卫星天线的轮廓高度至50mm，优于目前市场上类似产品。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：一种低剖面高度宽频带的波导阵列卫星通信天线，包括从上至下依次层叠的天线罩层（1）、开口辐射波导阵列层（2）和波导馈电网络层，所述波导馈电网络层包括层叠的水平极化层（3）和垂直极化层（4）；所述开口辐射波导阵列层（2）、水平极化层（3）和垂直极化层（4）分别设有相同数量的开口波导喇叭单元（20）、水平极化单元（30）和垂直极化单元（40），对应的开口波导喇叭单元（20）、水平极化单元（30）和垂直极化单元（40）层叠构成天线单元；

所述开口波导喇叭单元（20）的口面为切角正方形，且所述开口波导喇叭单元（20）设有2×2个圆形的辐射口（21），所述开口波导喇叭单元（20）的底部中心设有谐振腔（22）；

所述开口波导喇叭单元（20）为单元口面是1.71λ0×1.71λ0×0.47λ0的切角正方形谐振腔体结构；所述圆形的辐射口（21）的直径φ=0.75λ0；所述谐振腔（22）尺寸为0.73λ0×0.73λ0×0.35λ0，其中：λ0=23.8mm为中心频率12.6ghz所对应的自由空间波长；

所述水平极化单元（30）包括依次连接的波导口（31）、波导功分网络（32）、水平极化馈电口（33）和水平极化耦合腔（34）；所述水平极化耦合腔（34）包括上下层叠的上层水平极化矩形腔和下层水平极化矩形腔；所述上层水平极化矩形腔的尺寸为0.70λ0×0.38λ0×0.27λ0；所述下层水平极化矩形腔的尺寸为0.69λ0×0.38λ0×0.21λ0；

所述垂直极化单元（40）包括依次连接的垂直极化馈电口（41）、一分二波导功分网络（42）、末级一分二波导功分网络（43）、垂直极化耦合腔（44）；所述垂直极化耦合腔（44）包括上下层叠的上层垂直极化矩形腔和下层垂直极化矩形腔；所述上层垂直极化矩形腔的尺寸为0.59λ0×0.24λ0×0.39λ0；所述下层垂直极化矩形腔的尺寸为0.53λ0×0.38λ0×0.33λ0。

作为优选，所述天线罩层（1）的材质采用树脂材料。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明对波导功分网络的转弯连接处设置台阶，并对尖锐的直角棱边采用倒角平滑的措施，有效抑制了高次模的产生，使得波导损耗极低，另外，矩形喇叭辐射口被进一步划分成2×2个直径约为0.75λ0的圆形辐射口，降低了副瓣，提高了增益。这些优化措施的综合运用拓宽了工作频带（10.7~14.5ghz），使其适用于全球绝大多数ku波段的卫星，且天线辐射效率接近100%，明显优于现有类似方案。

（2）天线罩的材质、厚度，以及天线罩距离波导辐射口的距离都对波导喇叭阵的辐射产生很大影响，本发明中天线罩采用εr=2.4±0.2，损耗正切为0.01的树脂材料，厚度为1.0mm，距离波导喇叭口0mm，使得电磁波在整个频段内透波效率最高，使其不仅仅作为天线的防护件，更成为电性能功能件，提高了天线的增益；

（3）得益于垂直极化耦合腔和水平极化耦合腔中脊波导结构，有效压缩了波长，使得本发明的剖面高度比目前业界绝大部分产品都薄（~50mm）。

附图说明

图1为本发明所述双极化波导阵列卫星通信天线的结构示意图；

图2为本发明所述单个天线单元的结构示意图；

图3为本发明所述开口波导喇叭单元的结构示意图；

图4为本发明实施例所述1×4天线子阵的馈电功分网络结构示意图；

图5为本发明实施例所述1×2天线子阵的水平极化单元的结构示意图；

图6为本发明实施例所述1×4天线子阵的垂直极化单元的结构示意图；

图7为本发明实施例4×8波导阵列卫星天线的辐射方向图。

其中，天线罩层1、开口辐射波导阵列层2、开口波导喇叭单元20、辐射口21、谐振腔22、水平极化层3、水平极化单元30、波导口31、波导功分网络32、水平极化馈电口33、水平极化耦合腔34、垂直极化层4、垂直极化单元40、垂直极化馈电口41、一分二波导功分网络42、末级一分二波导功分网络43、垂直极化耦合腔44。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。本发明实施例为本发明的优选实施例，不因以此限定本发明的保护范围，凡在本发明的思路和方案之上所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1~6所示，本发明的低剖面高度宽频带的波导阵列卫星通信天线，主要包括：从上至下依次层叠的天线罩层1、开口辐射波导阵列层2，以及由水平极化层3和垂直极化层4通过上下层叠而成的波导馈电网络层，其中，水平极化波导馈电网络层与垂直极化波导馈电网络层可以上下交换层叠次序。具体而言：

所述开口辐射波导阵列层2、水平极化层3和垂直极化层4分别设有相同数量的开口波导喇叭单元20、水平极化单元30和垂直极化单元40，对应的开口波导喇叭单元20、水平极化单元30和垂直极化单元40层叠构成单个的天线单元，多个天线单元构成1×2、1×4或2×4的波导阵列通信天线。

如图2和3所示，实施例中开口辐射波导阵列层2为多个可传输双线极化信号的开口波导喇叭单元20组成的阵列，所述开口波导喇叭单元20的口面呈切角正方形。为了降低辐射方向图的旁瓣电平和增加天线增益，所述开口波导喇叭单元20的辐射口被进一步划分成2×2个直径约为0.75λ0（λ0=23.8mm为中心频率12.6ghz所对应的自由空间波长）的圆形辐射口21。开口波导喇叭单元20的口面正下方是切角正方形的谐振腔22体结构，其尺寸约为0.73λ0×0.73λ0×0.35λ0，腔壁为垂直金属壁。

如图4和5所示，开口波导喇叭单元20的谐振腔22体下方是水平极化波导馈电网络层，用于传输水平极化电磁波信号。水平极化波导馈电网络层由多个水平极化单元30阵列组成，单个水平极化单元30包括波导口31、波导功分网络32、水平极化馈电口33和水平极化耦合腔34。

如图4和5所示，水平极化波导馈电网络层下方是垂直极化波导馈电网络层，用于传输垂直极化电磁波信号。垂直极化波导馈电网络层也是由一分二功分矩形波导构成，一分二功分网络将垂直极化电磁波也耦合到上层的谐振腔22体中。

水平极化电磁信号从波导功分网络32的进口处即波导口31进入水平极化耦合腔34，进而输送到喇叭单元辐射口21；与此同时，垂直极化电磁信号从一分二波导功分网络42的进口处，即垂直极化馈电口41进入，并经过一分二波导功分网络42、末级一分二波导功分网络43、和垂直极化耦合腔44，进入到各个水平极化耦合腔34，进而与水平极化电磁信号一起输送到喇叭单元辐射口21。

如图5所示，水平极化耦合腔34由上下两层的矩形腔体层叠构成，其中上层水平极化矩形腔的尺寸为0.70λ0×0.38λ0×0.27λ0，下层水平极化矩形腔的尺寸为0.69λ0×0.38λ0×0.21λ0。

如图6所示，为本发明1×4天线子阵的垂直极化电磁信号的波导馈电网络图，由图可知：本实施例的垂直极化单元40包括依次连接的垂直极化馈电口41、一分二波导功分网络42、末级一分二波导功分网络43、垂直极化耦合腔44，垂直极化电磁信号从垂直极化馈电口41进入一分二波导功分网络42，电磁信号的能量一分为二，通过末级一分二波导功率分配网络进入垂直极化耦合腔44，进而输送到最上层的喇叭单元辐射口21。作为优选方案，本实施例的垂直极化耦合腔44设有上下两层矩形腔体层叠构成，其中上层垂直极化矩形腔的尺寸为0.59λ0×0.24λ0×0.39λ0，下层垂直极化矩形腔的尺寸为0.53λ0×0.38λ0×0.33λ0。

本发明的波导阵天线可同时接收和发射电磁信号，双极化电磁信号的通路完全一致。当双极化波导阵平板卫星天线用于发射电磁信号时，水平极化和垂直极化电磁波分别进入水平极化馈电总端口和垂直极化馈电总端口，并通过若干级一分二功分网络分配到每个开口喇叭单元进行辐射，反之亦然。

图7给出了本发明导阵平板卫星天线在典型频点处的辐射方向图。其3db宽度只有8°左右，其副瓣小于15db,充分证明了本方案的高效性。

应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。