阵列天线及波导转换装置的制作方法

1.本实用新型属于阵列天线技术领域，具体涉及一种阵列天线及波导转换装置。


背景技术：

2.近年来，随着自然灾害的不断增多，尤其我国经历汶川地震后，卫星通信技术在抗震救灾中体现出极大的优越性。因此，当前民用领域和军事领域对卫星通信终端都极具广泛的需求。现有卫星通信的地面终端天线主要采用抛物面天线形式，该类天线具有高效率特性，但其体积大、重量沉，无法满足一些新的应用需求，比如便携式卫星通信终端设备等。相比抛物面天线，微带平面阵列天线具有低剖面、轻重量、易于共形等优点，很适应于低剖面的卫星通信系统。
3.相关技术中，阵列天线已是现在天线研究的新方向，所谓的阵列不是简单的将天线排成熟悉的阵列的样子而是它的构成是阵列形式。阵列天线的天线单元的选取和设计在阵列设计中尤为重要，其特征极大地限制了整个阵列的实现性能，传统阵列天线利用印刷电路技术、波导技术、微带几何结构，通过馈电网络连接，使得天线的电磁辐射特性能够符合期望特性。在现有技术方案中，常用的阵列天线可选择的天线单元形式有微带和波导缝隙天线等，但由于天线一般工作在c、ku、ka等波段，微带天线的损耗大、辐射效率低。而波导裂缝天线尽管可在ku、ka等高频波段高效率的工作，但是要形成双极化却非常困难。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种阵列天线及波导转换装置，以解决现有技术中形成双极化的阵列天线较为困难的问题。
5.为实现以上目的，实用新型采用如下技术方案：一种阵列天线及波导转换装置，包括：在同一平面上以第一预设阵列排布的多个天线单元，所述天线单元包括：
6.在同一平面上以第二预设阵列排布的辐射单元；所述辐射单元包括：由上到下依次排列的辐射层、馈电层和底层；
7.所述馈电层包括上基板、中层结构、下基板，所述上基板、下基板上均设有微带线结构，所述中层结构两侧均设有凹槽，所述凹槽与微带线结构相实配；
8.所述辐射层相邻馈电层的一面、所述底层相邻馈电层的一面均设有与微带线结构相实配的凹槽；
9.其中，所述辐射层上的凹槽与其对应的微带线构成第一馈电网络，所述底层上的凹槽与其对应的微带线结构构成第二馈电网络。
10.进一步的，所述第一馈电网络与所述第二馈电网络极化正交。
11.进一步的，以第二预设阵列排布的辐射单元在所述馈电层形成所述第一馈电网络和第二馈电网络中，其中一个馈电网络的左右辐射单元采用等辐同相馈电，上下辐射单元采用等辐反相馈电；另一个馈电网络的左右辐射单元采用等辐反相馈电，上下辐射单元采用等辐同相馈电。
12.进一步的，所述微带线结构与每个凹槽构成微带线屏蔽腔。
13.进一步的，在同一平面上以第二预设阵列排布的辐射单元之间采用串馈、并馈或串/并馈的方式组成。
14.进一步的，所述辐射层和馈电层形成的空间腔体、所述馈电层和底层形成的空间腔体为调谐空气腔。
15.进一步的，所述天线单元采用方形波导辐射腔。
16.本技术实施例提供一种波导转换装置，包括上述任一实施例所述的多个阵列天线。
17.本实用新型采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：
18.本技术提供一种阵列天线及波导转换装置，包括多个天线单元，天线单元包括：在同一平面上以第二预设阵列排布的辐射单元；辐射单元包括：由上到下依次排列的辐射层、馈电层和底层；馈电层包括上基板、中层结构、下基板，上基板、下基板上均设有微带线结构，中层结构两侧均设有凹槽，凹槽与微带线结构相实配；辐射层相邻馈电层的一面、底层相邻馈电层的一面均设有与微带线结构相实配的凹槽；辐射层上的凹槽与其对应的微带线构成第一馈电网络，底层上的凹槽与其对应的微带线结构构成第二馈电网络；本实用新型采用微带 波导的方式，实现了天线阵列的大规模、双极化、收发共用、低损耗、高效率，提高了天线效率且天线口径效率高达90％。
19.本实用新型采用以上技术方案，所能达到的有益效果包括：
20.本技术实施例提供的一种阵列天线及波导转换装置，包括多个天线单元，天线单元包括：在同一平面上以第二预设阵列排布的辐射单元；辐射单元包括：由上到下依次排列的辐射层、馈电层和底层；馈电层包括上基板、中层结构、下基板，上基板、下基板上均设有微带线结构，中层结构两侧均设有凹槽，凹槽与微带线结构相实配；辐射层相邻馈电层的一面、底层相邻馈电层的一面均设有与微带线结构相实配的凹槽；辐射层上的凹槽与其对应的微带线构成第一馈电网络，底层上的凹槽与其对应的微带线结构构成第二馈电网络；本实用新型采用微带 波导的方式，实现了天线阵列的大规模、双极化、收发共用、低损耗、高效率，提高了天线效率且天线口径效率高达90％。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型一种天线单元的结构示意图；
23.图2为本实用新型提供的馈电层的结构示意图；
24.图3为本实用新型提供的去掉辐射层和上基板的天线单元的结构示意图；
25.图4为本实用新型提供的辐射层相邻馈电层的一面的结构示意图；
26.图5为本实用新型提供的底层的结构示意图；
27.图6为本实用新型提供的基板与微带线结构的结构示意图；
28.图7为本实用新型提供的串馈、并馈结合方式的天线阵列。
具体实施方式
29.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
30.下面结合附图介绍本技术实施例中提供的一个具体的正交极化阵列天线及波导转换装置。
31.如图1所示，本技术实施例中提供的正交极化阵列天线，包括：在同一平面上以第一预设阵列排布的多个天线单元1，所述天线单元1包括：
32.在同一平面上以第二预设阵列排布的辐射单元11；所述辐射单元11包括：由上到下依次排列的辐射层111、馈电层112和底层113；
33.如图2所示为馈电层示意图，图3所示为天线单元去掉辐射层111和上基板的露出下基板的结构示意图，所述馈电层112包括上基板1121、中层结构1122、下基板1123，所述上基板1121、下基板1123上均设有微带线结构101，所述中层结构1122两侧均设有凹槽102，所述凹槽102与微带线结构101相适配；
34.如图4和图5所示，所述辐射层111相邻馈电层112的一面、所述底层113相邻馈电层112的一面均设有与微带线结构101相适配的凹槽103；
35.其中，所述辐射层111上的凹槽103与其对应的微带线构成第一馈电网络，所述底层113上的凹槽103与其对应的微带线结构101构成第二馈电网络。
36.正交极化阵列天线的工作原理为：本技术中每2x2个的辐射单元11作为基本天线单元1，辐射单元11采用了3层结构设计，形成了2个馈电网络，结构上分为辐射层111、馈电层112、底层113，其中馈电层112由中间一层双面凹槽结构加放置在两侧的微带线基板组成，馈电层112与底层113和辐射层111之间，都依据微带线基板上的微带线结构101有相应的凹槽结构，微带线两侧的凹槽结构形成微带屏蔽腔，微带线基板上的微带线结构101和其对应的微带屏蔽腔组成馈电网络。辐射层111、馈电层112、底层113形成的空间腔体成为调谐空气腔，而调谐空气腔由于其设计尺寸与对应频带相匹配，从而还可以产生滤波作用。其中，辐射层111上设有辐射面，可以反射电磁波，提高天线增益。底层113每个方格槽里的横条为“短路面”，与两个馈电网络中的一个平行，高度需满足其与之信号极化方向相平行的馈电网络基板的距离为其信号频率的波长的1/4，同理即可理解为其与另一个馈电网络的信号极化方向是相互垂直的，这样做的目的是可以将与之信号极化方向相垂直的网络在其平行分量上的信号产生衰减作用，从而增加极化隔离度。例如上层馈电网络为a，下层馈电网络为b，短路面与a平行，当b在发射信号时，其信号在整个方形波导辐射腔内谐振，短路面由于和b垂直，可以将b信号在与短路面不相平行方向上的信号分量形成衰减，从而避免将b信号耦合进入a信号，从而增加了极化隔离度，一般这样的用法b会作为发射信号层，a信号会作为接收信号层，这样可以减少发射信号在接收信号中的耦合量。
37.底层113上也有凹槽结构，其形状和馈电层112下基板1123上的微带线相符合，用于和馈电层112下基板1123上的微带线形成馈电网络。
38.一些实施例中，所述第一馈电网络与所述第二馈电网络极化正交。
39.优选的，以第二预设阵列排布的辐射单元11在所述馈电层112形成所述第一馈电
网络和第二馈电网络中，其中一个馈电网络的左右辐射单元11采用等辐同相馈电，上下辐射单元11采用等辐反相馈电；另一个馈电网络的左右辐射单元11采用等辐反相馈电，上下辐射单元11采用等辐同相馈电。
40.具体的，每个基本天线单元1在馈电层112两侧形成的两个馈电网络中，其中一侧的馈电网络采用左右单元等辐同相馈电，上下单元采用等辐反相馈电；而馈电层112另一侧的馈电网络的左右单元采用左右单元等辐反相馈电，上下单元采用等辐同相馈电。从而使得馈电层112两侧形成两个正交的馈电网络，每个馈电网络结合辐射层111和底层113都形成了一个2x2的基本天线单元1，从而使两个基本天线单元1共用一个平面，并且两个馈电网络的极化正交。
41.每个基本天线单元1内均采用反向馈电方法，即每相邻的两个单元采用0
°
/180
°
反相馈电方法，反相馈电方法可以提高基本单元内天线的极化隔离度，降低主瓣内的正交极化电平。如图6中，上面左右两个辐射单元的信号相位相反，而左右两个辐射单元的合成馈电网络上，增加了右侧馈电网络的长度，既将右侧辐射单元的相位调节成与做成单元相位一致，由于两个网络在交点处相位相同，根据差分原理，可以将相同的信号幅度叠加放大，同时将不相同的信号产生抵消衰减，而这些不相同的信号主要来自另一馈电层112的信号，这样即实现了两个馈电层112信号间更大的隔离度。
42.优选的，所述微带线结构101与每个凹槽构成微带线屏蔽腔。
43.基于在同一平面形成的两个2x2的基本天线单元1，两个基本天线单元1可以工作于不同频段，对于不同频段，通过调节对应微带线的线宽以及对应的微带线屏蔽腔和每个辐射单元11的尺寸，就可以达到其适应不同频段的效果，从而实现在同一平面的2x2基本天线单元1内形成双频段正交极化。
44.优选的，在同一平面上以第二预设阵列排布的辐射单元11之间采用串馈、并馈或串/并馈的方式组成。
45.优选的，所述辐射层111和馈电层112形成的空间腔体、所述馈电层112和底层113形成的空间腔体为调谐空气腔。
46.优选的，所述天线单元1采用方形波导辐射腔。
47.过将多个基本天线单元1，按照mxn(m，n为自然整数)进行阵列排列，通过馈电网络合成一个大的阵列，即可形成一个大的正交极化阵列天线。天线单元1的排列考虑两个频段的整体辐射效率，最终选取合适的垂直间距和水平间距。最后各天线单元1之间采用串馈、并馈或串并馈相结合的方式组成4x4的阵列，在此基础上还可形成8x8的阵列，以此类推。本技术针对不同频段，可以改变不同的微带线宽，微带线槽宽，调谐空气腔尺寸以形成不同频段的应用。
48.具体说明，如图7所示，串馈方式1001和并馈方式1002，其中，并馈方式1002中每个天线单元1的馈电路径长度一致，能够保证每个单元的相位和信号激励相等，即使是大带宽的信号，都能保证个天线单元1的信号相位和信号激励相等，因此并馈方式适用带宽比较宽，但是每一级并馈导致的损耗会造成大规模阵列导致天线整体损耗越来越大，同时为了保证每一个天线单元1的信号路径相同，大规模阵列时会导致信号路径变长，每一个天线单元1的信号路径都是最长路径，而过长的信号传输路径会带来过多的信号衰减，整体效率降低。因此当阵列多个第二预设阵列排布时，当阵列数量小，且专用与宽频段时，可选用该方
式进行阵列；
49.串馈方式每级天线单元1信号路径长度不同，距离信号合成末端的信号路径最短，这样的方式可以降低信号路径导致的信号衰减，提升天线整体效率，但由于各天线单元1的信号路径长度不同，天线单元1之间信号相位必然不同，阵列设计时只能兼顾一个窄频段的信号相位保持基本一致，当遇到宽带信号时，不同频率信号的相位差变大，会因为各天线单元1之间的相位差导致信号衰减。因此当阵列多个第二预设阵列排布时，当阵列数量小，且专用与窄段时，可选用该方式进行阵列；
50.本专利采用通过串并结合的方式，运用串馈方式减少路径传输损耗，同时减少并联损耗，同时在串馈单元之间增加微带折线调节相位，避免了不同天线单元1之间的相位差带来的损耗。同时运用并馈方式相结合，避免过多串馈连接导致信号路径过长时，末端天线单元1与近端天线单元1相位差过大导致损耗，使得天线同时能适应宽带信号的同时减少了损耗，从而提高天线整体效率。
51.本技术实施例提供一种波导转换装置，包括上述任一实施例所述的多个正交极化阵列天线。
52.具体的，在天线阵列中，每个基本天线单元1组成一个末级功率分配网络，每个末级功率分配网络中有2个初级功率分配网络和1个次级功率分配网络，通过改变分配网络的微带线形状达到功率合成的效果，最终合成至一个微带探针
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波导转换装置，形成一个波导腔。
53.本技术中双馈电网络共用一个辐射单元11，辐射单元11可实现多频段，形成了高隔离度的极化正交的双馈电网络和阵列化馈电网络，本技术在单个辐射单元11可形成2个天线，实现收发共用；通过调节微带线形状和微带屏蔽腔尺寸，可实现收发工作在不同频段，微带 波导的方式，可灵活调节调谐空气腔尺寸，提高天线高频段工作的效率，降低了损耗阵列化的馈电网络，可实现低损耗阵列的同时，还可实现灵活的制定天线口径和形状。
54.综上所述，本实用新型提供一种正交极化阵列天线及波导转换装置，本实用新型包括多个天线单元，天线单元包括：在同一平面上以第二预设阵列排布的辐射单元；辐射单元包括：由上到下依次排列的辐射层、馈电层和底层；馈电层包括上基板、中层结构、下基板，上基板、下基板上均设有微带线结构，中层结构两侧均设有凹槽，凹槽与微带线结构相适配；辐射层相邻馈电层的一面、底层相邻馈电层的一面均设有与微带线结构相适配的凹槽；辐射层上的凹槽与其对应的微带线构成第一馈电网络，底层上的凹槽与其对应的微带线结构构成第二馈电网络；本实用新型采用微带 波导的方式，实现了天线阵列的大规模、双极化、收发共用、低损耗、高效率，提高了天线效率且天线口径效率高达90％。
55.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。