一种圆极化相控阵天线

技术领域

本发明涉及卫星通信天线领域，更具体地，涉及一种圆极化相控阵天线。

背景技术

相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线，控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。一般而言，相控阵天线由多个天线单元均匀顺序排列形成天线阵列。在相控阵天线中，接收天线阵如与发射天线阵分布在同一物理口面内，称为共口面天线阵，是为了减小无线设备的尺寸和重量而提出的一种天线阵。在共口面天线阵中，接收天线阵和发射天线阵之间的距离只有分口面天线阵的几十分之一甚至是几百分之一，为了减少收发天线之间的相互干扰问题，收发天线之间需要设置隔离部件，一般采用滤波部件实现。一般在共口面天线阵中，会在接收天线阵中设置滤波部件以实现收发天线之间的高隔离度，因此，会将接收天线与滤波部件设计为一体，称为接收天线单元，其中，滤波部件放置在收发天线单元间的方形空隙内，与接收天线形成长方形的整体。

在相控阵天线中，对收发天线会采用旋转布阵的方式，从而获得更好的波束方向图及圆极化轴比。但在共口面天线阵中，如用常规地将2×2的接收天线单元作顺时针或逆时针旋转，会出现如图1所示的滤波部件相互出现重叠导致交叉干涉的问题，因此亟待提出一种能够避免滤波部件出现交叉干涉的共口面天线阵中接收天线单元的旋转布阵方式。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种圆极化相控阵天线，用于解决在对共口面天线阵中接收天线阵进行旋转布阵时，与接收天线为一体设计的带阻滤波部件之间会出现交叉干涉的问题。

本发明采用的技术方案包括：

本发明提供一种圆极化相控阵天线，由若干个接收天线阵列和若干个发射天线阵列横纵向交错排布而成；所述接收天线阵列包括2×2个接收天线单元，所述接收天线单元包括相连接的一个接收天线及一个滤波部件；在所述接收天线阵列中，2×2个接收天线单元按照顺时针或逆时针的顺序，依次绕所述接收天线阵列的中心旋转0°、90°、270°、180°排布，以使各个接收天线单元的滤波部件之间不会出现重叠。

本发明所提供的圆极化相控阵天线，通过将2×2个接收天线单元按照顺时针或逆时针的顺序，依次绕接收天线阵列的中心旋转0°、90°、270°、180°，使得各个接收天线单元的滤波部件之间不会出现重叠，从而避免滤波部件之间交叉干涉的问题，本发明首创性地提出了对接收天线单元的依次旋转0°、90°、270°、180°的方式，与常规的仅顺时针或逆时针旋转存在极大区别，因而使滤波部件之间重叠的问题得以解决。其次，由于每个接收天线单元都包含0°、90°、180°、270°四种旋向，使得经过该方式旋转布阵得到的接收天线阵列波束方向图更具有对称性，且圆极化轴比得到改善。

进一步，在任意相邻的两个接收天线阵列中，其中一个接收天线阵列的2×2个接收天线单元按照顺时针方向的顺序，依次绕所述接收天线阵列的中心旋转0°、90°、270°、180°排布；另一个接收天线阵列的2×2个接收天线单元按照逆时针方向的顺序，依次绕所述接收天线阵列的中心旋转0°、90°、270°、180°排布。

任意相邻的两个接收天线阵列的接收天线单元旋向相反，既保证了接收天线单元的滤波部件不会出现交叉干涉，同时也保证了相邻接收天线阵列之间方向图的不对称部分会被抵消，使接收天线阵列作为整体时的总合成方向图更加对称。

进一步，任意相邻的两个接收天线阵列之间共用2个接收天线单元。

相邻的两个接收天线阵列共用2个接收天线单元，提高旋向相反的两个接收天线阵列之间的对称性。

进一步，在所述相控阵天线中，所述接收天线单元沿垂直和水平方向排布。

进一步，在所述相控阵天线中，所述发射天线沿±45°方向排布。

进一步，所述发射天线排布在水平方向上两个相邻的接收天线之间的中点位置，或排布在垂直方向上两个相邻的接收天线之间的中点位置。

发射天线沿±45°方向排布，与沿垂直和水平方向的接收天线单元的位置相互配合，且发射天线阵列中的发射天线设置在两个相邻的接收天线之间的中点位置，使组合得到的相控阵天线在位置排布上更加紧凑且合理。

进一步，所述发射天线与所述接收天线的数量之比为2：1；所述单位面积为在相控阵天线中的2×2方阵。

发射天线与接收天线的收发频率比约为

进一步，所述接收天线为右旋圆极化天线或旋圆极化天线，所述发射天线为右旋圆极化天线或左旋圆极化天线。

进一步，相邻的两个接收天线之间的间距范围在20mm～50mm之间。

本发明提供的圆极化相控阵天线能够将两个接收天线的间距即第一间距的取值范围保持在20mm～50mm之间，根据接收天线阵列与发射天线阵列之间的排布方向可确定相邻的两个发射天线之间的间距为第一间距的

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的圆极化相控阵天线在对发射天线阵列和接收天线阵列进行旋转布阵时，考虑到了与接收天线同步旋转的滤波部件可能会在收发天线阵列的间隙内出现重叠、交叉干涉的问题，因此在本发明提供的圆极化相控阵天线中，每个接收天线阵列的接收天线单元按照顺时针或逆时针的顺序依次绕接收天线阵列的中心旋转0°、90°、270°和180°，使接收天线单元中的滤波部件不会出现交叉干涉的问题，各自位于一个间隙中，保证收发天线阵列之间保持高隔离度，且该接收天线阵列不仅能够获得更加对称的波束方向图，且能够获得更优的圆极化轴比性能。

附图说明

图1为现有技术中对接收天线单元进行常规旋转时滤波部件出现交叉干涉的位置示意图。

图2为实施例1中接收天线阵列A的结构及位置示意图。

图3为实施例1中接收天线阵列A中接收天线单元100a～100d及滤波部件120a～120b的结构及位置示意图。

图4为实施例1中另一个接收天线阵列A的结构及位置示意图。

图5为实施例1中两个相邻的接收天线阵列A

图6为实施例1中发射天线200的排布示意图。

图7为实施例1中单位面积C内接收天线单元100和发射天线200的位置示意图。

图8为实施例1中旋转布阵后相控阵天线与未旋转布阵的相控阵天线之间圆极化轴比的对比示意图。

图9为实施例1中旋转布阵后相控阵天线与未旋转布阵的相控阵天线之间波束方向图的对比示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种圆极化相控阵天线，主要应用于低轨太空卫星通信系统及卫星地球地面站接收通信系统。本实施例所提供的圆极化相控阵天线为共口面天线阵，即接收天线阵列和发射天线阵列分布在同一物理口面内。由于在共口面天线阵中，收发天线阵列之间的间距较小，因此接收天线单元中一般包括有接收天线以及与其一体化设计的滤波部件，用以隔离接收天线阵列和发射天线阵列，使两者之间不相互干扰。该滤波部件虽然能够提高收发天线阵列之间的隔离度，但却在对收发天线阵列进行旋转布阵产生了影响，由于接收天线单元在旋转过程中，接收天线与其连接滤波部件会同时旋转，相邻的两个接收天线单元的滤波部件容易出现重叠，从而导致了滤波部件之间出现交叉干涉的问题，导致收发天线阵列之间隔离度不足，影响共口面天线阵的信号传输性能。本实施例所提供的圆极化相控天线不仅有效解决在接收天线单元旋转布阵过程中容易出现滤波部件的交叉干涉的问题，同时也提高了接收天线单元的圆极化性能。

本实施例提供的圆极化相控阵天线由若干个接收天线阵列和若干个发射天线阵列组成，具体地，接收天线阵列中的接收天线为右旋圆极化天线或左旋圆极化天线，发射天线阵列中的发射天线为右旋圆极化天线或左旋圆极化天线，在本实施例中，接收天线为右旋圆极化天线，发射天线为左旋圆极化天线，接收天线的工作频段为4～6GHz，发射天线的工作频段为6～8GHz。

在该相控阵天线中，接收天线阵列与发射天线阵列的排布方式呈横纵向交错，形成一种较为紧凑的排布方式。

如图2所示，虚线框所示的为一个接收天线阵列A，每个接收天线阵列A中包括2×2个接收天线单元100，每个接收天线单元100中包括有一个接收天线110和一个滤波部件120，在每个接收天线单元100中，接收天线110与滤波部件120相连接，可以为一体化设计。

通过旋转布阵的方式，使接收天线阵列A的波束方向图以及圆极化轴化更佳，因此，本实施例提供的接收天线阵列A中的2×2个接收天线单元100按照顺时针或逆时针的顺序，依次绕接收天线阵列A的中心旋转0°、90°、270°、180°排布，以使各个接收天线单元100的滤波部件120之间不会出现重叠，即如图2所示，每个滤波部件120在旋转后均位于相控阵天线的方形间隙中，且不会同时位于同一方形间隙内。

作为示例说明，如图3所示，在一个接收天线阵列A中所包括的2×2的接收天线单元100分别为接收天线单元100a～100d。将接收天线单元100a的形态作为其绕接收天线阵列A的中心旋转0°的形态，作为所有接收天线单元100的初始形态，则按照逆时针的顺序，接收天线单元100b为初始形态绕接收天线阵列A的中心逆时针旋转90°后的形态，接收天线单元100c为初始形态绕接收天线阵列A的中心逆时针旋转270°后的形态，接收天线单元100d为初始形态绕接收天线阵列A的中心逆时针旋转180°后的形态，则在该接收天线阵列A中，2×2的接收天线单元100a～100d从接收天线单元100a开始，按照逆时针方向的顺序，依次绕接收天线阵列A的中心旋转0°、90°、270°、180°排布，各个接收天线单元100a～100d对应的滤波部件120a～120d均没有同时位于同一方形间隙内，即不出现交叉干涉的情况。

作为示例说明，如图4所示，在一个接收天线阵列A中所包括的2×2的接收天线单元100分别为接收天线单元100a～100d。将接收天线单元100a的形态作为其绕接收天线阵列A的中心旋转0°的形态，也是初始形态，则按照顺时针的顺序，接收天线单元100b为初始形态绕接收天线阵列A的中心逆时针旋转90°后的形态，接收天线单元100c为初始形态绕接收天线阵列A的中心逆时针旋转270°后的形态，接收天线单元100d为初始形态绕接收天线阵列A的中心逆时针旋转180°后的形态，则在该接收天线阵列A中，2×2的接收天线单元100a～100d从接收天线单元100a开始，按照逆时针方向的顺序，依次绕接收天线阵列A的中心旋转0°、90°、270°、180°排布，各个接收天线单元100a～100d对应的滤波部件120a～120d均没有同时位于同一方形间隙内，即不出现交叉干涉的情况。

根据以上示例说明可知，接收天线阵列A内2×2的接收天线单元100可以按照顺时针方向或逆时针方向的顺序依次绕接收天线阵列A的中心旋转0°、90°、270°、180°排布，均可以使各个接收天线单元100的滤波部件120之间不发生重叠，避免出现滤波部件120之间出现相互干涉的问题。

在优选的实施方式中，为了保持相控阵天线中接收天线阵列A之间的对称性，在本实施例提供的圆极化相控阵天线中，在任意相邻的两个接收天线阵列A中，其中一个接收天线阵列A的2×2个接收天线单元100按照顺时针方向的顺序，依次绕接收天线阵列A的中心旋转0°、90°、270°、180°排布。另一个接收天线阵列A的2×2个接收天线单元100按照逆时针方向的顺序，依次绕接收天线阵列A的中心旋转0°、90°、270°、180°排布。如图5所示，相邻的接收天线阵列A

由于两个接收天线阵列A

在具体的实施方式中，结合图2～5所示，接收天线单元100均沿垂直和水平方向排布。

如图6所示，在相控阵天线中，一个发射天线阵列中包括2×2个发射天线200，发射天线200沿±45°方向排布。发射天线200排布在水平方向上两个相邻的接收天线单元100之间的中点位置，或排布在垂直方向上两个相邻的接收天线单元100之间的中点位置。发射天线200与接收天线单元100之间的位置设置使得整体相控阵天线在位置排布上紧凑且合理。

如图7所示，在相控阵天线中，虚线框所示的为一个单位面积C，单位面积C为相控阵天线中的任意2×2方阵，在单位面积C内，发射天线与接收天线的收发频率比约为

在具体的实施方式中，相邻的两个接收天线110之间的间距为第一间距，第一间距的取值范围为20mm～50mm，如图8所示，由于发射天线200沿±45°方向排布，基于勾股定理可知相邻的两个发射天线200之间的间距为第一间距的

如图8所示，相比于没有旋转布阵的天线单元，本实施提供的圆极化相控阵天线能够获得更优的圆极化轴比性能，圆极化轴比改善1.8dB。

如图9所示，相比于没有旋转布阵的天线单元，本实施提供的圆极化相控阵天线的波束方向图更加对称。

本实施例提供的圆极化相控阵天线，包括横纵交错排布的发射天线阵列和接收天线阵列，其中接收天线阵列中的接收天线单元中包括接收天线及与之相连接的滤波部件，因此在对发射天线阵列和接收天线阵列进行旋转布阵时，需要考虑到与接收天线同步旋转的滤波部件是否会在收发天线阵列的间隙内出现重叠、交叉干涉的问题。在本实施例提供的圆极化相控阵天线中，每个接收天线阵列的接收天线单元按照顺时针或逆时针的顺序依次绕接收天线阵列的中心旋转0°、90°、270°和180°，使接收天线单元中的滤波部件不会出现交叉干涉的问题，各自位于一个间隙中，保证收发天线阵列之间保持高隔离度。其次，为了抵消相邻的接收天线阵列之间方向图的不对称性，任意相邻的接收天线阵列的旋向相反，也进一步保证了滤波部件之间不会发生重叠，接收天线阵列不仅能够获得更加对称的波束方向图，且能够获得更优的圆极化轴比性能。其次，发射天线阵列与接收天线阵列之间的位置设置经过设计后，能够使整体的相控阵天线以紧凑且合理的方式进行排布，且整体的相控阵天线同样具备对称性更佳的波束方向图以及圆极化轴比。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。