一种星载k波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种K波段相控阵天线圆极化波导辐射 阵列，主要应用方向为卫星星间、星低通信及测距。
【背景技术】
[0002] 在微波天线领域，相控阵辐射阵的典型应用在有源相控阵天线以及无源天线阵上 进行微波信号辐射及收集。主要特点为：信号辐射及收集、圆极化实现、支持波束扫描等。 [0003]伴随着星间、星地通信及测距的迫切需求，及星间通信的波束快速捷变要求。星载 相控阵天线及其天线辐射阵列技术需求迫在眉睫。
[0004]目前现有相控阵天线辐射阵列种类较多，但都无法满足星载要求，主要有以下技 术难点：
[0005] (1)现有相控阵天线辐射阵列扫描角度较小，无法满足星间、星地通信要求；
[0006] (2)现有相控阵天线辐射阵列不同扫描角增益掉落较大，在不同扫描角度工作时， 其天线单元的驻波性能差，性能无法满足星载通信、测距的链路要求；
[0007] (3)现有相控阵天线辐射阵列多为线极化，但是星间、星地通信，由于卫星姿态并 不是固定态，固无法采用线极化信号通信，必须要用圆极化通信，而且要求辐射阵列在工作 扫描范围内具有良好的圆极化特性，以降低极化损耗，故现有相控阵天线辐射阵无法满足 星载星间、星地通信要求；
[0008] (4)现有相控阵天线辐射阵列的馈电方式繁琐，辐射器、阻抗匹配器、波导同轴转 换等结构较为复杂、重量较重，且需要大量的调试，无法满足星载要求；
[0009] (5)现有相控阵天线辐射阵列工作频段往往都在L/S/X/C/KU波段，无法在K波段 工作。
【发明内容】
[0010] 本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种K波段相控阵天线圆 极化波导辐射阵列，结构简单可靠，具有二维±40°宽角扫描、低扫描增益掉落、优异圆极 化特性的等优点。满足星载星间、星地通信对相控阵天线性能的需求。
[0011] 本发明解决的技术方案为：一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，包 括多个完全相同的天线单元，每个天线单元为长方体，长方体中有贯通中空腔体，长方体的 内壁为正方形且上部开口，阵列天线单元之间采用正三角形栅布，每个天线单元包含匹配 膜片（I)、SMP同轴馈电插座（2)、方波导辐射器（3)、波同转换（4)、SMP馈电插座馈电端 (5)、阻抗匹配器（6)、圆极化器（7) ;SMP同轴馈电插座（2)包括底座和多个SMP插座和多 个通孔，底座的一面安装有多个天线单元的SMP插座，SMP插座从底座的另一面伸出一个馈 电针，每个SMP插座等间距；SMP同轴馈电插座（2)在底座的四个角开有四个通孔，用螺钉 穿过通孔将多个完全相同的天线单元组成的天线阵列和SMP同轴馈电插座（2)固定连接； 阻抗匹配器（6)为一短路薄片，薄片尺寸与长方体的内壁尺寸相匹配，且作为每个天线单 元的底面，与SMP同轴馈电插座⑵相接触；圆极化器（7)位于贯通中空腔体中间，一端连 接天线阵列的底面，另一端是自由端，圆极化器（7)的高度小于长方体中贯通中空腔体的 高度；波同转换（4)固定在圆极化器（7)上靠近底面处，且与底面有一定距离，为0. 7mm，波 同转换（4)所在的平面与圆极化器（7)所在的平面为正交面，SMP馈电插座馈电端（5)为 一盲孔，该盲孔开在波同转换（4)靠近天线单元的内壁位置，且该盲孔的孔端面对天线单 元的底面，该盲孔的尺寸与馈电针相匹配；方波导辐射器（3)位于圆极化器（7)上方，天线 单元内壁之间形成的腔体；匹配膜片（1)为突棱，沿长方体中的贯通中空腔体内壁延伸，平 行于波同转换（4)所在的平面，匹配膜片（1)的尺寸可调，用来调整天线单元互耦，从而改 变天线的辐射方向图和圆极化轴比；
[0012] 该星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列工作时，微波信号从SMP同轴馈电 插座⑵和SMP馈电插座馈电端（5)馈入天线单元的波同转换（4)，通过波同转换⑷将原 同轴传输的TEM模微波信号转换为TE模线极化微波信号，并馈入圆极化器（7)，其中通过阻 抗匹配器（6)调节天线单元的阻抗匹配性能，从而将反射的微波信号的降为最低，再通过 圆极化器（7)将TE模线极化微波信号转变为圆极化微波信号，馈入方波导辐射器（3)辐射 向空间，多个天线阵元的空间能量矢量合成，形成不同扫描角度的波束。其中匹配膜片（1) 用来调节天线阵列的特性，使得天线阵获得较好的驻波性能和辐射特性。
[0013] 圆极化器（7)包括5阶矩形隔片，从高到低分别为第一阶矩形、第二阶矩形、第 三阶矩形、第四阶矩形、第五阶矩形；第一阶矩形长3. 6mm，宽I. 07mm;第二阶矩形尺寸：长 3. 85mm，宽2. 27mm;第三阶矩形尺寸：长2. 65mm，宽3. 55mm;第四阶矩形尺寸：长I. 4mm，宽 5. 3mm;第五阶矩形尺寸：长13. 6mm，宽7. 3mm，该尺寸的圆极化器在K波段中的中心工作频 率形成的圆极化波法向轴比优于〇. 5dB。
[0014] 方波导辐射器（3)、波同转换（4)、圆极化器（7)为一体化，不需要任何连接及过 渡。
[0015]SMP同轴馈电插座（2)为背馈接触式馈电，即依靠馈电针和波同转换器上的盲孔， 即SMP馈电插座馈电端（5)，进行接触馈电。
[0016] 阻抗匹配器（6)采用波导短路式匹配，并且同圆极化器（7)、方波导辐射器（3) - 体化。
[0017] 天线单元（A)采用正三角形栅布，间距为0? 646M人为波长）。
【主权项】
1. 一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于：包括多个完全相同 的天线单元，每个天线单元为长方体，长方体中有贯通中空腔体，长方体的内壁为正方形且 上部开口，阵列天线单元之间采用正三角形栅布，每个天线单元包含匹配膜片（1)、SMP同 轴馈电插座（2)、方波导辐射器（3)、波同转换（4)、SMP馈电插座馈电端（5)、阻抗匹配器 (6)、圆极化器（7) ;SMP同轴馈电插座（2)包括底座和多个SMP插座和多个通孔，底座的一 面安装有多个天线单元的SMP插座，SMP插座从底座的另一面伸出一个馈电针，每个SMP插 座等间距；SMP同轴馈电插座（2)在底座的四个角开有四个通孔，用螺钉穿过通孔将多个完 全相同的天线单元组成的天线阵列和SMP同轴馈电插座（2)固定连接；阻抗匹配器（6)为 一短路薄片，薄片尺寸与长方体的内壁尺寸相匹配，且作为每个天线单元的底面，与SMP同 轴馈电插座（2)相接触；圆极化器（7)位于贯通中空腔体中间，一端连接天线阵列的底面， 另一端是自由端，圆极化器（7)的高度小于长方体中贯通中空腔体的高度；波同转换（4)固 定在圆极化器（7)上靠近底面处，且与底面有一定距离，波同转换（4)所在的平面与圆极化 器（7)所在的平面为正交面，SMP馈电插座馈电端（5)为一盲孔，该盲孔开在波同转换（4) 靠近天线单元的内壁位置，且该盲孔的孔端面对天线单元的底面，该盲孔的尺寸与馈电针 相匹配；方波导辐射器（3)位于圆极化器（7)上方，天线单元内壁之间形成的腔体；匹配膜 片（1)为突棱，沿长方体中的贯通中空腔体内壁延伸，平行于波同转换（4)所在的平面，匹 配膜片（1)的尺寸可调，用来调整天线单元互耦，从而改变天线的辐射方向图和圆极化轴 比； 该星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列工作时，微波信号从SMP同轴馈电插座 (2)和SMP馈电插座馈电端（5)馈入天线单元的波同转换（4)，通过波同转换（4)将原同轴 传输的TEM模微波信号转换为TE模线极化微波信号，并馈入圆极化器（7)，其中通过阻抗匹 配器（6)调节天线单元的阻抗匹配性能，从而将反射的微波信号的降为最低，再通过圆极 化器（7)将TE模线极化微波信号转变为圆极化微波信号，馈入方波导辐射器（3)辐射向空 间，多个天线阵元的空间能量矢量合成，形成不同扫描角度的波束。
2. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于： 圆极化器（7)包括5阶矩形隔片，从高到低分别为第一阶矩形、第二阶矩形、第三阶矩形、 第四阶矩形、第五阶矩形；第一阶矩形长3. 6mm，宽I. 07mm ;第二阶矩形尺寸：长3. 85mm，宽 2. 27mm;第三阶矩形尺寸：长2. 65mm，宽3. 55mm;第四阶矩形尺寸：长1.4mm，宽5. 3mm;第五 阶矩形尺寸：长13. 6_，宽7. 3_，该尺寸的圆极化器在K波段中的中心工作频率形成的圆 极化波法向轴比优于0. 5dB。
3. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于： 所述方波导辐射器（3)、波同转换（4)、圆极化器（7)为一体化，不需要任何连接及过渡。
4. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于： 所述SMP同轴馈电插座（2)为背馈接触式馈电，即依靠馈电针和波同转换器上的盲孔，即 SMP馈电插座馈电端（5)，进行接触馈电。
5. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于： 所述阻抗匹配器（6)采用波导短路式匹配，并且同圆极化器（7)、方波导辐射器（3) -体化。
6. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于： 所述天线单元（A)采用正三角形栅布，间距为0.646 λ，λ为波长。
7. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于： 所述圆极化器（7)高度为天线阵列高度的
8. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于： 所述匹配膜片（1)的高度为0.6mm，厚度为0.3mm。
9. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在于： 所述波同转换（4)与底面的距离为0.7mm。
10. 如权利要求1所述的一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，其特征在 于：波同转换（4)包含四阶矩形台阶，从高到低分别为第一阶台阶、第二阶台阶、第三阶台 阶、第四阶台阶，四个台阶的厚度都为〇· 9mm，长度都为I. 2mm，第一阶台阶高0· 42mm ;第二 阶台阶高〇. 84mm ;第三阶台阶高I. 84mm ;第四阶台阶高2. 3mm ;该尺寸的波同转换在K波段 所需要的工作频率内的驻波特性优于1. 5。
【专利摘要】本发明一种星载K波段相控阵天线圆极化波导辐射阵列，可以将微波信号辐射向空间，也可以接收来及空间的微波信号。相控阵天线辐射阵列由多个天线单元组成，其中每个单元每个天线单元包含匹配膜片、SMP同轴馈电插座、方波导辐射器、波同转换、SMP馈电插座馈电端、阻抗匹配器及圆极化器，并采用一体化设计，天线单元之间采用了匹配膜片来调配辐射单元之间的耦合特性，以达到更理想的驻波性能和辐射特性。该天线阵结构简单可靠，具有二维±40°宽角扫描、低扫描增益掉落、优异圆极化特性的等优点。满足星载星间、星地通信对相控阵天线性能的需求。天线本身采用铝结构，在轨空间环境的原子氧腐蚀、紫外辐照等因素不会对天线性能造成影响。
【IPC分类】H01Q21-24, H01Q23-00, H01Q3-08, H01Q1-36
【公开号】CN104852124
【申请号】CN201510206021
【发明人】薛欣, 韩运忠, 江涛, 智国平, 陈腾博, 张 杰
【申请人】北京空间飞行器总体设计部
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月27日