CN119864645A - 一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，属于星载天线技术领域。该相控阵天线由多个基本共口径单元周期性排列扩展组成，构成双频段双圆极化结构。每个基本共口径单元包括接收天线单元、发射天线单元和短路接地π型去耦网络。此收发共口径相控阵天线具有单元隔离度高、阵列扫描角度大的优点，可以满足卫星通信、遥感遥测以及手机直连卫星通信等对于宽角扫描收发双工共口径相控阵的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，属于星载天线技术领域。
背景技术
收发双工共口径阵列设计和宽角扫描阵列设计均是当前星载相控阵领域的研究热点。共口径天线阵列可以在同一口径区域内集成不同用途的天线阵列，显著提高阵面的空间利用率，充分利用卫星平台资源。因此收发双工共口径相控阵天线在星载天线技术领域十分重要。此外，相控阵的宽角扫描能力在低轨卫星中尤其必要，可满足卫星对于地面波束覆盖范围的要求。
将这两者结合起来，即宽角扫描收发双工共口径相控阵天线设计，在遥测遥感、手机直连卫星通信等领域具有广阔的应用前景和研究价值，但在实现上十分困难。首先，将发射天线和接收天线共口径设计之后，会导致天线单元密度增大。其次，受大扫描角度的制约，同频单元的间距必须比较小，在对应工作频率的半波长附近。较小的单元间距以及收发单元共口径会导致单元之间的隔离度降低，耦合加强，进而导致阵列性能的降低，直接影响发射EIRP和接收G/T值。并且较强的单元间耦合也会显著降低相控阵天线的波束扫描范围，反而使得宽角扫描难以实现。在宽角扫描收发双工共口径相控阵天线设计中，单元间去耦，包括接收单元之间、发射单元之间、收发单元之间的去耦成为急需解决的技术难点。当前国内外相关研究绝大多数还仅仅停留在实现共口径设计上，对于如何进一步解决共口径后在满足大角度扫描条件下同频之间、异频之间隔离度差的研究还十分有限。如在IEEETransactions on Antennas and Propagation发表的文献“AShared Aperture Dual-Frequency Circularly-Polarized Microstrip Array Antenna”、“Dual-band dual-circularly polarized antenna array with printed ridge gap waveguide”中分别设计了双频谐振单元，利用该单元进行组阵实现收发共口径。但是并未进行专门的去耦设计以及大角度波束扫描分析，固定的单元间距会导致高频段相对间距变大，进而导致阵列在高频段出现明显副瓣。文献“Dual-Band Multipolarized Aperture-Shared AntennaArray for Ku-/Ka-Band Satellite Communication”通过在一个低频天线四周紧凑地放置多个高频天线，实现多频段共口径辐射，但未讨论交叉排布之后单元间的互耦问题，也并未进行波束扫描分析。
为了使相控阵天线系统在具备收发双工共口径的基础上，进一步实现收发波束同时宽角扫描能力，重点需要解决以下技术问题：小间距条件下共口径天线阵列单元间去耦。包括发射天线单元间去耦、接收天线单元间去耦、收发单元间去耦。共口径设计之后，为满足大角度扫描要求，单元排布变得十分紧密，导致单元之间的耦合增强。这会导致天线有源驻波变差、增益下降、扫描范围下降等一些列问题。收发单元之间隔离度差还会导致发射信号对于接收信号产生干扰，影响接收系统正常工作。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，使宽角扫描收发双工共口径相控阵天线单元间具有高隔离度，实现收发波束同时宽角扫描能力。
本发明的技术解决方案是：
一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，由多个基本共口径单元周期性排列扩展组成；所述基本共口径单元包括接收天线单元、发射天线单元和短路接地π型去耦网络；其中：
所述接收天线单元采用圆极化辐射；
多个所述发射单元呈顺序旋转方式环绕在接收天线单元外围，共同构成双频段双圆极化结构；
所述短路接地π型去耦网络设置于每两个相邻的发射天线单元之间。
进一步地，所述发射天线单元包括发射天线和用于激励发射天线的馈电结构；
所述发射天线为圆形贴片天线；
所述馈电结构包括F型带状线和两个相互垂直的U型缝隙；两个U型缝隙长度对应于发射天线工作频段的半介质波长，通过F型带状线激励后获得两个相互正交、相位差90°的电场分量，激励发射天线的圆极化辐射模式。
进一步地，所述接收天线单元包括接收天线和用于激励接收天线的馈电结构；
所述接收天线采用四周切角的异形开槽贴片天线；
所述馈电结构采用同轴馈电方式直接激励。
进一步地，所述基本共口径单元设有4个发射单元，4个发射单元呈顺序旋转方式环绕在1个接收天线单元外围，按逆时针方向馈电相位依次相差+90°。
进一步地，4个所述基本共口径单元中的接收单元顺序旋转排布后组合，形成一个2×2的组合矩阵；组合矩阵周期性排列扩展，组成大规模宽角扫描收发双工共口径相控阵。
进一步地，短路接地π型去耦网络通过金属化过孔与地板短路连接，提高相邻发射天线单元之间的隔离度。
进一步地，基本共口径单元还包括金属化过孔隔离腔，所述金属化过孔隔离腔位于基本共口径单元最外侧，将发射天线单元、短路接地π型去耦网络包围。
进一步地，相邻发射天线单元的间距对应于发射频段的波长。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明是为我国开展的手机直连卫星通信项目而攻关设计的，提出了一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线设计方法，补充了相关领域技术空白，解决了收发双工共口径天线单元间耦合强、收发波束同时大角度扫描难以实现的技术难题。满足了所有技术指标，在天线技术上具有创新性；
(2)本发明通过在相邻发射单元间加载短路接地π型去耦网络，显著提高相邻发射单元之间的隔离度。该方案具有创新性，且可以应用于其他小间距同频阵列单元间去耦；
(3)本发明通过在设计时发射天线和接收天线采用不同的馈电方式，分别为缝隙耦合馈电方式和同轴激励馈电方式。用于激励发射天线所用的两个U型缝隙，其半波长谐振特性所呈现的频率选择性显著提高了发射天线和接收天线之间的隔离度。该方案对于其他不同频段共口径阵列的设计具有可借鉴性；
(4)本发明采用的天线结构，基本共口径单元实现了双频段双圆极化辐射，通过采用共口径单元内部4个发射单元顺序旋转馈电，以及2×2个接收单元顺序旋转馈电方式，分别改善了发射频段和接收频段天线阵列的轴比特性和大角度扫描时辐射性能。对于其他大角度扫描圆极化阵列具有可借鉴性；
(5)该天线的设计方法不仅可用于手机直连卫星通信项目星载相控阵的设计，也可以用于其他如卫星通信、遥测遥感等需要实现收发共口径大角度扫描的领域。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例共口径阵列天线基本单元示意图；
图2为本发明实施例发射天线馈电结构示意图；
图3为本发明实施例共口径阵列4×4子阵结构示意图；
图4为本发明实施例子阵中S频段与C频段单元激励端口对应图；
图5为本发明实施例子阵内S频段单元间耦合度曲线；
图6为本发明实施例子阵内C频段单元间耦合度曲线；
图7为本发明实施例子阵内S频段单元与相邻C频段单元间耦合度曲线；
图8为本发明实施例子阵在S频段扫描方向图和轴比曲线，(a)为增益方向图，(b)为轴比随扫描角度变化曲线；
图9为本发明实施例子阵在C频段扫描方向图和轴比曲线，(a)为增益方向图，(b)为轴比随扫描角度变化曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提出了一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，以S频段接收左旋圆极化波、C频段辐射右旋圆极化波宽角扫描共口径阵列设计为例，如图1～图3所示，一个基本单元包含1个S频段单元和4个C频段单元、4组短路接地π型去耦网络、1个金属化过孔隔离腔。基本共口径单元边长80mm，使得组阵之后S单元间距对应于接收频段1.97GHz的0.525波长，C单元间距对应于发射频段3.55GHz的0.473波长，以保证收发波束都可以实现不小于±51°的扫描范围。
C频段单元作为发射天线单元，包括缝隙耦合馈电激励的圆形微带贴片天线1-3及其馈电结构1-4，即缝隙耦合激励的圆形贴片实现左旋圆极化。S频段单元作为接收天线单元，包括表面开槽的异形微带贴片天线1-1及其馈电结构1-2，为同轴馈电的异形圆形贴片，利用表面开槽实现右旋圆极化。发射天线单元环绕在接收天线单元周围，构成双频段双圆极化基本共口径单元。S频段单元与C频段单元通过交叉排布的方式共享同一辐射口径。
在每两个相邻的发射天线1-3之间，加载一组短路接地π型去耦网络1-5，用以提高发射单元间同频隔离度。短路接地π型去耦网络1-5由印刷在介质板内的金属线和金属化过孔构成。每一个基本单元内包含4组该去耦网络。π型去耦网络通过金属化过孔与地板短路连接，可提高相邻发射天线之间的隔离度。
发射天线馈电结构1-4包括F型带状线和两个正交的U型缝隙。在地板上有两个相互垂直的U型缝隙，利用F型带状线分别激励起两组幅度相等、相互正交、相差90°的电场，进而实现左旋圆极化辐射。这两个U型缝隙的长度2×L1+L2和2×L3+L4均对应于发射天线工作频段的半个介质波长左右，半波长U型缝隙的频率选择特性提高了发射天线和接收天线之间的隔离度，减小共口径设计后发射天线对接收天线的影响。
金属化过孔隔离腔1-6位于基本共口径单元外侧，将共口径基本单元包围，可限制介质板内部的电场传播以及沿介质表面的表面波传播，使得组阵之后接收天线之间隔离度提高。
发射单元之间、接收单元之间以及收发单元之间高隔离度特性，使得所设计共口径阵列发射和接收波束都可以实现大扫描时增益不显著下降。采用顺序旋转馈电方式结合双频段双圆极化基本共口径单元，可以改善发射天线和接收天线在大角度扫描时的轴比。
4个C频段单元按照顺序旋转方式排布并按逆时针方向馈电相位依次相差+90°。将2×2个接收天线及其馈电网络呈顺序旋转方式排布，按逆时针方向馈电相位依次相差-90°。以此2×2个共口径基本单元周期排布，可获得如图3所示的由8×8个S频段单元和16×16个C频段单元组成的收发双工共口径子阵结构。利用该子阵可进一步拼接出大规模阵列。图4给出了该子阵中S频段单元和C频段单元端口对应图。
如图4和图5所示，S1为处于子阵中心位置的S频段单元，其与周围其他S单元之间的隔离度在整个1.92～2.025GHz范围内均大于18.2dB。
如图4和图6所示，C2为处于子阵中心位置的C频段单元，在使用短路π型去耦网络后，其与周围其他C单元之间的隔离度在整个3.44～3.66GHz范围内均大于16.7dB。
如图4和图7所示，S1单元其与周围C频段单元间在1.92～2.025GHz范围内隔离度均大于37dB。
如图8中(a)、(b)所示，为子阵在S频段扫描方向图和轴比曲线。可见从0°扫描至51°时，增益下降小于4dB，轴比小于1.54dB。
如图9中(a)、(b)所示，为子阵在C频段扫描方向图和轴比曲线，可见从0°扫描至51°时，增益下降小于3dB，轴比小于4dB。
本发明针对宽角扫描收发双工共口径相控阵天线需求而设计攻关，解决了收发共口径星载相控阵天线面临的收发波束均可大角度扫描条件制约下，阵中单元间隔离度差的技术瓶颈，不仅适用于卫星通信、遥感遥测以及手机直连卫星通信等领域，也可以应用在地面通信领域，因而具有很强的实用性和广泛的市场应用价值。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，例如可以通过简单的比例变换得到L/S双频共口径、Ku/Ka双频共口径阵列等其他双频段频率比接近1:2的收发双工共口径阵列天线，也可以将馈电结构简单加以镜像从而改变天线的极化方式，从而获得接收右旋圆极化波、辐射左旋圆极化波的特性。所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，其特征在于，由多个基本共口径单元周期性排列扩展组成；所述基本共口径单元包括接收天线单元、发射天线单元和短路接地π型去耦网络；其中：
所述接收天线单元采用圆极化辐射；
多个所述发射单元呈顺序旋转方式环绕在接收天线单元外围，共同构成双频段双圆极化结构；
所述短路接地π型去耦网络设置于每两个相邻的发射天线单元之间。
2.根据权利要求1所述的一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，其特征在于，所述发射天线单元包括发射天线和用于激励发射天线的馈电结构；
所述发射天线为圆形贴片天线；
所述馈电结构包括F型带状线和两个相互垂直的U型缝隙；两个U型缝隙长度对应于发射天线工作频段的半介质波长，通过F型带状线激励后获得两个相互正交、相位差90°的电场分量，激励发射天线的圆极化辐射模式。
3.根据权利要求1所述的一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，其特征在于，所述接收天线单元包括接收天线和用于激励接收天线的馈电结构；
所述接收天线采用四周切角的异形开槽贴片天线；
所述馈电结构采用同轴馈电方式直接激励。
4.根据权利要求1所述的一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，其特征在于，所述基本共口径单元设有4个发射单元，4个发射单元呈顺序旋转方式环绕在1个接收天线单元外围，按逆时针方向馈电相位依次相差+90°。
5.根据权利要求4所述的一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，其特征在于，4个所述基本共口径单元中的接收单元顺序旋转排布后组合，形成一个2×2的组合矩阵；组合矩阵周期性排列扩展，组成大规模宽角扫描收发双工共口径相控阵。
6.根据权利要求1所述的一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，其特征在于，短路接地π型去耦网络通过金属化过孔与地板短路连接，提高相邻发射天线单元之间的隔离度。
7.根据权利要求1所述的一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，其特征在于，基本共口径单元还包括金属化过孔隔离腔，所述金属化过孔隔离腔位于基本共口径单元最外侧，将发射天线单元、短路接地π型去耦网络包围。
8.根据权利要求1所述的一种宽角扫描收发双工共口径相控阵天线，其特征在于，相邻发射天线单元的间距对应于发射频段的波长。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120914500A (zh) * | 2025-10-10 | 2025-11-07 | 南通大学 | 一种圆极化共口径贴片天线 |
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2025
- 2025-02-25 CN CN202510211583.0A patent/CN119864645A/zh active Pending
Cited By (1)
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