一种宽覆盖高增益一维聚焦多波束天线及其实现方法

本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种宽覆盖高增益一维聚焦多波束天线及其实现方法。

背景技术：

1、在5g生态系统迅速发展的大背景下，地面用户数量和服务类型呈现爆发增长的趋势，但传统地面网络在建设成本、维修成本和覆盖范围等方面都开始呈现一定的局限性。因此，3gpp—ran会议上，非地面网络的解决方案已被纳入第五代移动通信标准。国内外都已开启“5g+卫星通信”以及6g的研究，旨在弥补地面网络在信号覆盖、服务质量等方面的不足。卫星通信网络在基站通信网络发展的基础上具有通信质量更高、覆盖范围更广的技术特点，天空海地一体化的发展渐成趋势。

2、多波束天线是低轨道卫星通信发展的必然趋势。在移动卫星通信系统中，低轨道卫星相对于中高轨道卫星，其卫星波束覆盖的张角更小。因此，覆盖空域在不同星下仰角的位置，由于传播路径而引起的损耗也不尽相同，仰角越低的位置传播损耗越大，这种损耗会对卫星接收天线的g/t值产生重要影响。所以，为了弥补低轨道卫星通信系统在星下空域的不同仰角位置造成的传播损耗的差异，在不同的仰角位置采用不同的波束赋形，形成不同增益的方向图，来实现等通量增益覆盖。采用多波束天线可以提高用户容量，并实现用户终端的小型化；但是现有的多波束天线交叠电平过小，为实现低交叠电平，只能通过损失天线增益属性或增加天线波束数量，加大复杂程度的方式；并且针对不同的仰角位置，波束覆盖不均匀且增益不均匀。

技术实现思路

1、为解决以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种宽覆盖高增益一维聚焦多波束天线及其实现方法，应用在卫星通信领域；本发明在保持高增益和固定波束数量的条件下，实现了低交叠电平的多波束特性，通过分层铣削工艺完成加工，结构简单，易于集成。

2、本发明的一个目的在于提出一种宽覆盖高增益一维聚焦多波束天线。

3、本发明的宽覆盖高增益一维聚焦多波束天线包括多个一维聚焦天线单元；

4、每个一维聚焦天线单元包括：基底、矩形波导、喇叭馈源天线、第一至第五通道和渐变辐射端口；其中，基底采用金属；在基底内分别开设第一至第五通道，第一、第三和第五通道的形状分别为长方体且沿xy平面互相平行，长和宽所在的平面平行于xy平面，第一、第三和第五通道依次沿z轴排列，长度、宽度和厚度分别沿x轴、y轴和z轴，第一通道的输入端打穿基底的一个侧壁，第五通道的输出端打穿基底与第一通道的输入端相对的另一个侧壁；第二通道连接第一和第三通道位于第一通道的输出端和第三通道的输入端之间，第四通道连接第三和第五通道位于第三通道的输出端和第五通道的输入端之间；位于第一通道与第三通道之间保留下来的基底作为第一挡板，第一挡板的末端在xy平面为一维双曲面，位于第三通道与第五通道之间保留下来的基底作为第二挡板，第二挡板的末端在xy平面为一维聚焦抛物面；第二通道具有四个侧面，第一侧面为第一挡板的输出端，形状为一维双曲面，第二侧面位于第一通道的输出端，在xy平面为一维双曲面且在xz平面为45度倾斜面，第三侧面正对着第一挡板，在xy面为一维双曲面且垂直于xy平面并平行于z轴，第四侧面位于第三通道的输入端，在xy平面为一维双曲面且在xz平面为45度倾斜面并且与第一侧面垂直，第二通道的第二至第四侧面构成一维双曲反射面；第四通道具有四个侧面，第一侧面为第二挡板的输出端，形状为一维聚焦抛物面，第二侧面位于第三通道的输出端，在xy面为一维聚焦抛物面且在xz平面为45度倾斜面，第三侧面正对着第二挡板，在xy面为一维聚焦抛物面且垂直于xy平面并平行于z轴，第四侧面位于第五通道的输入端，在xy面为一维聚焦抛物面且在xz平面为45度倾斜面且与第一侧面垂直，第四通道的第二至第四侧面构成一维聚焦抛物反射面；在第一通道的中间设置沿x轴连通的矩形波导和喇叭馈源天线，矩形波导的输入端位于基底的一个侧壁上与外界连通，喇叭馈源天线的输入端连接矩形波导，喇叭馈源天线的输出端沿y轴的宽度小于第一通道的宽度，且二者沿z轴的厚度相同，喇叭馈源天线的h面位于xy平面；在第五通道的输出端设置连通的渐变辐射端口，渐变辐射端口的尺寸在xz平面逐渐扩大，能够形成水平方向波束较窄的辐射方向，提高天线增益；

5、多个一维聚焦天线单元沿z轴排列，每个一维聚焦天线单元的渐变辐射端口以y轴为旋转轴旋转设定的角度，形成设定方向的辐射；

6、在卫星通信领域，电磁波通过矩形波导馈入至喇叭馈源天线，喇叭馈源天线通过第一至第五通道连接至渐变辐射端口，产生辐射能量，喇叭馈源天线沿水平方向渐变扩大，将能量通过第一通道，照射至一维双曲反射面，在实现双曲面反射特性的同时，改变辐射能量的方向，一维双曲反射面缩短一维聚焦多波束天线沿x方向的长度；一维双曲反射面反射的电磁波经过第三通道，照射至一维聚焦抛物反射面，在实现抛物面反射特性的同时，改变辐射能量的方向，一维聚焦抛物反射面在y轴方向将球面波变成平面波，从而实现聚焦；平面波的电磁波经过第五通道，从渐变辐射端口辐射出去，渐变辐射端口的尺寸在垂直方向即xz平面逐渐扩大，能够进一步在垂直方向产生聚焦特性，进一步提高增益；分别将每个一维聚焦天线单元的渐变辐射端口以y轴为旋转轴旋转设定的角度调整渐变辐射端口的指向，从而形成波束方向不同的子天线，电磁波分别以设定的方向辐射，在y轴方向具有高增益特性，z轴方向具有宽覆盖特性，因此能够实现以尽可能少的单元实现宽覆盖。

7、在卫星通信的应用场景中，波束的数量决定了信道数量，更多的信道意味着更加复杂的通信系统和难以处理的信息编码；波束的覆盖宽度，决定了卫星通信系统的覆盖范围，影响其在实际应用中的覆盖面积；增益决定了卫星通信系统的作用距离，更高的增益，意味着更远的距离。波束的数量、高增益在理论上与覆盖宽度是成反比的关系，本发明通过一维聚焦的设计方法，解决了他们之间的矛盾，使其在卫星通信的应用场景中，有了更加广泛的应用范围。

8、基底的长度、宽度和厚度分别为10～20倍、10～15倍和2～5倍的中心频率波长，根据工作频带的中心频率，相应改变基底的长度、宽度和厚度，从而在不同的工作频带下均适用。根据相应频段的矩形波导标准，设置喇叭馈源天线的尺寸。基底采用铝、铜或金。

9、第一、第三和第五通道的长度、宽度和厚度分别5～10倍、5～10倍和0.3～1倍的中心频率波长，根据工作频带的中心频率，相应改变基底的长度、宽度和厚度，从而在不同的工作频带下均适用。

10、第二通道的一维双曲反射面的双曲面扫掠线满足：

11、

12、其中，a为双曲面扫掠线顶点到原点的距离，c为双曲面扫掠线的虚焦点；一维双曲反射面的构建方式为：将双曲面扫掠线沿z轴上移，其路径所形成的扫掠面构成一维双曲反射面的第三侧面；沿中层上沿，将双曲面扫掠线沿z轴上移，同时沿x轴前移，其路径所形成的扫掠面构成一维双曲反射面的第四侧面；沿中层下沿，将双曲面扫掠线沿z轴下移，同时沿x轴前移，其路径所形成的的扫掠面构成一维双曲反射面的第二侧面。第一挡板构建方式为：将双曲面扫掠线沿z轴上移，其路径所形成的扫掠面构成挡板横截面。

13、一维聚焦抛物反射面的抛物面扫掠线满足：

14、y2＝4fx

15、其中，f为抛物面扫掠线焦距，一维聚焦抛物反射面的构建方式为：将抛物面扫掠线沿z轴上移，其路径所形成的扫掠面构成一维聚焦抛物反射面的第三侧面；沿中层上沿，将抛物面扫掠线沿z轴上移，同时沿x轴前移，其路径所形成的扫掠面构成一维聚焦抛物反射面的上层；沿中层下沿，将抛物面扫掠线沿z轴下移，同时沿x轴前移，其路径所形成的扫掠面构成一维聚焦抛物反射面的下层。第二挡板构建方式为：将抛物面扫掠线沿z轴上移，其路径所形成的扫掠面构成挡板横截面。

16、渐变辐射端口的渐变角为10～30°。

17、本发明的另一个目的在于提出一种宽覆盖高增益一维聚焦多波束天线的实现方法。

18、本发明的宽覆盖高增益一维聚焦多波束天线的实现方法，包括以下步骤：

19、1)设置宽覆盖高增益多波束天线：

20、a)设置一个一维聚焦天线单元：

21、i)在基底内分别开设第一至第五通道，第一、第三和第五通道的形状分别为长方体且沿xy平面互相平行，长和宽所在的平面平行于xy平面，第一、第三和第五通道依次沿z轴排列，长度、宽度和厚度分别沿x轴、y轴和z轴，第一通道的输入端打穿基底的一个侧壁，第五通道的输出端打穿基底与第一通道的输入端相对的另一个侧壁；

22、第二通道连接第一和第三通道位于第一通道的输出端和第三通道的输入端之间，第四通道连接第三和第五通道位于第三通道的输出端和第五通道的输入端之间；

23、ii)位于第一通道与第三通道之间保留下来的基底作为第一挡板，第一挡板的末端在xy平面为一维双曲面，位于第三通道与第五通道之间保留下来的基底作为第二挡板，第二挡板的末端在xy平面为一维聚焦抛物面；第二通道具有四个侧面，第一侧面为第一挡板的输出端，形状为一维双曲面，第二侧面位于第一通道的输出端，在xy平面为一维双曲面且在xz平面为45度倾斜面，第三侧面正对着第一挡板，在xy面为一维双曲面且垂直于xy平面并平行于z轴，第四侧面位于第三通道的输入端，在xy平面为一维双曲面且在xz平面为45度倾斜面并且与第一侧面垂直，第二通道的第二至第四侧面构成一维双曲反射面；第四通道具有四个侧面，第一侧面为第二挡板的输出端，形状为一维聚焦抛物面，第二侧面位于第三通道的输出端，在xy面为一维聚焦抛物面且在xz平面为45度倾斜面，第三侧面正对着第二挡板，在xy面为一维聚焦抛物面且垂直于xy平面并平行于z轴，第四侧面位于第五通道的输入端，在xy面为一维聚焦抛物面且在xz平面为45度倾斜面且与第一侧面垂直，第四通道的第二至第四侧面构成一维聚焦抛物反射面；

24、iii)在第一通道的中间设置沿x轴连通的矩形波导和喇叭馈源天线，矩形波导的输入端位于基底的一个侧壁上与外界连通，喇叭馈源天线的输入端连接矩形波导，喇叭馈源天线的输出端沿y轴的宽度小于第一通道的宽度，且二者沿z轴的厚度相同，喇叭馈源天线的h面位于xy平面；

25、iv)在第五通道的输出端设置连通的渐变辐射端口，渐变辐射端口的尺寸在xz平面逐渐扩大，能够形成水平方向波束较窄的辐射方向，提高天线增益；

26、b)将多个一维聚焦天线单元沿z轴排列，每个一维聚焦天线单元的渐变辐射端口以y轴为旋转轴旋转设定的角度，形成设定方向的辐射；

27、2)在卫星通信领域，电磁波通过矩形波导馈入至喇叭馈源天线，喇叭馈源天线通过第一至第五通道连接至渐变辐射端口，产生辐射能量，喇叭馈源天线沿水平方向渐变扩大，将能量传输至第一通道；

28、3)通过第一通道，照射至一维双曲反射面，在实现双曲面反射特性的同时，改变辐射能量的方向，一维双曲反射面缩短一维聚焦多波束天线沿x方向的长度；

29、4)一维双曲反射面反射的电磁波经过第三通道，照射至一维聚焦抛物反射面，在实现抛物面反射特性的同时，改变辐射能量的方向，一维聚焦抛物反射面在y轴方向将球面波变成平面波，从而实现聚焦；

30、5)平面波的电磁波经过第五通道，从渐变辐射端口辐射出去，渐变辐射端口的尺寸在垂直方向即xz平面逐渐扩大，能够进一步在垂直方向产生聚焦特性，进一步提高增益；

31、6)分别将每个一维聚焦天线单元的渐变辐射端口以y轴为旋转轴旋转设定的角度调整渐变辐射端口的指向，从而形成波束方向不同的子天线，电磁波分别以设定的方向辐射，在y轴方向具有高增益特性，z轴方向具有宽覆盖特性，从而实现以尽可能少的单元实现宽覆盖。

32、本发明的优点：

33、本发明的天线通过分层铣削工艺完成加工，结构简单，易于集成；天线的方向图采用一维聚焦形式，形成了水平面很窄，垂直面很宽的“饼”状方向图；各端口间具有良好的驻波特性和隔离度；在保持高增益，不增加波束数量的情况下，实现了低交叠电平的性能；本发明基于卡塞格伦天线的设计原理，采用一维聚焦的方式，实现了多波束天线宽覆盖高增益性能，避免了增益的损失和天线波束数量的增加，不同的仰角位置，波束覆盖均匀。