一种高效低剖面双线极化喇叭阵列天线

技术领域

本发明涉及到天线馈源技术领域，特别涉及一种高效低剖面双线极化喇叭阵列天线。

背景技术

随着移动通信，特别是卫星通信的发展，双线极化天线系统以及由双线极化衍生的双圆极化天线系统越来越受到关注。同时终端对天线低剖面、高效率的要求也越来越高，传统的反射面天线剖面较高，而微带阵列天线虽然可以做到低剖面，但由于存在介质损耗及工艺的严格要求，其效率难以达到较高的水平。

喇叭天线作为经典的天线形式，具有效率高、结构稳定、可靠性高与技术成熟等特点，将喇叭天线进行组阵可以得到更高增益的喇叭阵列天线。近些年来喇叭天线已经广泛应用在了如卫星通信、雷达、导弹遥测遥控等众多无线电设备中。但传统喇叭天线阵存在剖面高，低轮廓内不易提高口面面积等问题，为此急需解决喇叭阵列天线在低剖面条件下的高效率问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高效低剖面双线极化喇叭阵列天线，该天线实现了阵列的高效低剖面双线极化特性，并且具有交叉极化隔离度高与结构紧凑等特点。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种高效低剖面双线极化喇叭阵列天线，包括十字栅格层1、波导喇叭层2、馈电网络层、背腔层5以及波导转带状线馈电结构；所述十字栅格层、波导喇叭层、馈电网络层、背腔层从上到下依次设置；

所述十字栅格层1，包括作为其主体的第一介质基板，第一介质基板的下表面设有垂直交错的多根金属条带，金属条带的十字交叉点位于波导喇叭层中对应的喇叭口中心位置的正上方；

所述波导喇叭层，由多个阶梯喇叭构成，阶梯喇叭与十字栅格层的十字栅格一一对应，十字形栅格的十字交叉点位于每个阶梯喇叭口的中心，并且十字栅格的金属条带与喇叭口边缘电接触；

所述馈电网络层，从上至下依次包括水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层；其中，水平极化馈电网络层包括作为其主体的第二介质基板，第二介质基板上设有水平极化馈电网络，水平极化馈电网络的枝节末端设有第一金属圆片，其中第一金属圆片位于背腔层的金属腔体中心的正上方；垂直极化馈电网络层位于水平馈电网络层的下方，包括作为其主体的第三介质基板，第三介质基板上设有垂直极化馈电网络，垂直极化馈电网络末端的枝节末端设有第二金属圆片，其中第二金属圆片位于背腔层的金属腔体中心的正上方，垂直极化馈电网络的末端支节与水平极化馈电网络的末端支节正交排布；

所述背腔层包括多个金属腔体，金属腔体内部设有金属匹配块，金属匹配块位于腔体底部中心轴线位置并与金属腔体底部连接；所述金属匹配块与水平馈电网络的末端支节平行；

所述波导转带状线馈电结构由波导与馈电网络的合路端构成，其中馈电网络的合路端有波导的宽壁一侧伸入波导腔内，并距离波导腔的短路壁一定距离。

进一步的，所述波导喇叭为多级阶梯喇叭。

进一步的，所述水平极化馈电网络层与垂直极化馈电网络层均由一单面板蚀刻而成。

进一步的，波导转带状线馈电结构中的波导腔穿过背腔层、馈电网络层，其短路壁端位于波导喇叭层。

进一步的，所述第一金属圆片和第二金属圆片的直径相同。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1.本发明通过十字栅格层的加载，改善了喇叭口面的场分布，使口面场更加均匀，提升了天线的口面效率。

2.本发明通过对传统角锥喇叭的改进，采用多级阶梯喇叭的形式在降低喇叭剖面高度的同时，保证了天线的高效辐射特性。

3.本发明通过将介质基板，特别是第二与第三介质基板的厚度变薄，使得带线的损耗减小到最低程度，进一步提高了阵列的效率，同时该种带线结构具有重量轻、可靠性高，便于制造和装配的特点。

4.本发明通过采用波导转带线的变换结构，实现上较传统的探针互连更方便，同时能量转换效率更高，进一步提升了阵列的效率。

附图说明

图1是本发明实施例中喇叭阵列天线的爆炸图。

图2是图1中第一介质基板与十字栅格的结构示意图。

图3是图1中波导喇叭层示意图。

图4是图1中水平馈电网络层结构示意图。

图5是图1中背腔层的结构示意图。

图6是本发明实施例的驻波曲线图。

图中：1、十字栅格层，2、波导喇叭层，3、水平馈电网络层， 4、垂直馈电网络层，5、背腔层，6、金属圆片，7、金属匹配块，8、馈电波导，9、背腔。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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。

一种高效低剖面双线极化喇叭阵列天线，包括十字栅格层1、波导喇叭层2、馈电网络层、背腔层5以及波导转带状线馈电结构；所述十字栅格层、波导喇叭层、馈电网络层、背腔层从上到下依次设置；

所述十字栅格层1，包括作为其主体的第一介质基板，第一介质基板的下表面设有垂直交错的多根金属条带，金属条带的十字交叉点位于波导喇叭层中对应的喇叭口中心位置的正上方；

所述波导喇叭层，由多个阶梯喇叭构成，阶梯喇叭与十字栅格层的十字栅格一一对应，十字形栅格的十字交叉点位于每个阶梯喇叭口的中心，并且十字栅格的金属条带与喇叭口边缘电接触；

所述馈电网络层，从上至下依次包括水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层；其中，水平极化馈电网络层包括作为其主体的第二介质基板，第二介质基板上设有水平极化馈电网络，水平极化馈电网络的枝节末端设有第一金属圆片，其中第一金属圆片位于背腔层的金属腔体中心的正上方；垂直极化馈电网络层位于水平馈电网络层的下方，包括作为其主体的第三介质基板，第三介质基板上设有垂直极化馈电网络，垂直极化馈电网络末端的枝节末端设有第二金属圆片，其中第二金属圆片位于背腔层的金属腔体中心的正上方，垂直极化馈电网络的末端支节与水平极化馈电网络的末端支节正交排布；

所述背腔层包括多个金属腔体，金属腔体内部设有金属匹配块，金属匹配块位于腔体底部中心轴线位置并与金属腔体底部连接；所述金属匹配块与水平馈电网络的末端支节平行；

所述波导转带状线馈电结构由波导与馈电网络的合路端构成，其中馈电网络的合路端有波导的宽壁一侧伸入波导腔内，并距离波导腔的短路壁一定距离。

进一步的，所述波导喇叭为多级阶梯喇叭。

进一步的，所述水平极化馈电网络层与垂直极化馈电网络层均由一单面板蚀刻而成。

进一步的，波导转带状线馈电结构中的波导腔穿过背腔层、馈电网络层，其短路壁端位于波导喇叭层。

进一步的，所述第一金属圆片和第二金属圆片的直径相同。

下面为一更具体的实施例：

参照图1～图5，一种高效低剖面双线极化喇叭阵列天线，从最顶层向下依次为：十字栅格层、波导喇叭层、馈电网络层、背腔层。

十字栅格层中，由横竖金属条带垂直交错而成，共2×4个十字交叉点，该交叉点位于下层波导喇叭层中各喇叭口的中心位置，十字栅格与第一介质基板由一单面板蚀刻而成。

波导喇叭层中各个波导喇叭完全相同，由2×4共8个单元组成波导喇叭阵，每个波导喇叭为五级阶梯形，波导口边缘与上层十字栅格电接触，这种结构可以在保证天线辐射效率的同时降低天线的高度。

馈电网络层由水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层构成，两套馈电网络位于不同层，均为等幅同相的1分8分路网络。其中，水平极化馈电网络层包括作为其主体的第二介质基板，第二介质基板上设有水平极化馈电网络，馈电网络末端由末端支节与金属圆片构成，其中金属圆片位于背腔层的中心；垂直极化馈电网络层位于水平馈电网络层的下方，包括作为其主体的第三介质基板，第三介质基板上设有垂直极化馈电网络，馈电网络末端由末端支节与金属圆片构成，其中金属圆片位于背腔层的中心，并于水平极化馈电网络的金属圆片大小相同且上下对应分布，其末端支节与水平极化馈电网络的末端支节位于不同高度且正交排布。

背腔层为一组金属腔体，并于与波导喇叭层的喇叭一一对应，规模也为2×4，腔体底部设有金属匹配块7，匹配块位于腔体底部中心轴线位置，与最上层馈电网络即水平馈电网络的末端支节平行，调节匹配块高度可以实现阵列的良好匹配，提高阵列的效率。

所述的波导转带状线馈电结构作为阵列能量的馈入口共两个，波导腔结构纵深方向穿过背腔层、馈电网络层，其短路壁端位于波导喇叭层，其中馈电网络的合路端由馈电波导的宽壁深入波导腔内，并距离波导腔的短路壁一定距离。

一种高效低剖面双线极化喇叭阵列天线的结构如图1所示，从上到下依次为：从最顶层向下依次为：十字栅格层1、波导喇叭层2、馈电网络层、背腔层5。

十字栅格位于第一介质基板的下表面，第一介质基板材质为 Arlon CLTE-XT，介电常数为2.95。如图2所示，第一介质基板尺寸为 100mm×200mm，厚度为0.127mm，十字栅格金属带线的宽度为 0.4mm。

波导喇叭层为全金属材质，本实施示例采用轻量化的铝合金材质。每个波导喇叭为五级阶梯形喇叭，自上而下每级阶梯喇叭的口径尺寸分别为49mm×49mm、45mm×45mm、40mm×40mm、35mm ×35mm、22mm×22mm。

馈电网络层的第二、第三介质基板材质为Arlon CLTE-XT，介电常数为2.95，尺寸为100mm×200mm，厚度为0.127mm，上层的水平极化馈电网络层与下层的垂直极化馈电网络层距离3.5mm。两套馈电网络均设计成1分8的等幅同相网络，末端断路，距离末端0.2mm 处设有圆形金属片，对馈电网络与波导喇叭的起到良好匹配效果，金属圆片半径为2.2mm。

背腔层中的背腔与波导喇叭层中的波导喇叭一一对应，截面尺寸与波导喇叭的第五级相同，纵向尺寸即深度为12mm。背腔层中每个腔体底部设有金属匹配块，匹配块成长方体形，长边与水平极化馈电网络的末端支节平行，长度为22mm,宽度为2mm,高度为6mm。

波导转带状线馈电结构共2个，分水平极化波导转带状线馈电结构与垂直极化波导转带状线馈电结构，波导腔尺寸分别为25mm× 8mm×20.2mm、25mm×8mm×24mm。两个极化馈电网络的合路端从波导的一侧的宽壁伸入波导腔内距波导的另一宽壁均为1mm，上端距各自波导腔短路壁均为6mm。

整个阵列如图1所示，图2～图5的各部分通过定位销精确定位，并通过螺钉整合为一体。由图6可以看出，天线正在7.25GHz～8.4GHz 频段内驻波比＜2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的修饰，均应均等变化与属于本发明权利要求的涵盖范围。