本發(fā)明屬于微波天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種星載圓極化喇叭陣列天線，主要應(yīng)用方向為在軌衛(wèi)星星地數(shù)據(jù)傳輸及通信測控。

背景技術(shù)：

20世紀60年代以來，衛(wèi)星通信迅速發(fā)展，在軍事和民用中得到了十分廣泛的應(yīng)用。尤其是在軍事應(yīng)用中，衛(wèi)星通信仍然是其主要的通信手段，是其他通信手段無法取代的。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、通信測控中都依賴于星載天線，隨著信道容量的不斷擴充、傳輸速率的不斷提高、服務(wù)方式的日漸靈活，所以對星載天線的工作帶寬、輻射增益、波束寬度等性能指標要求越來越高。

目前天線種類比較多，但能滿足星載天線通信要求的不多，主要有以下技術(shù)問題：

1、由于衛(wèi)星姿態(tài)并不固定以及無線信號需要穿越大氣層，無法采用線極化信號通信，必須要用圓極化通信；

2、現(xiàn)有星載天線主要是螺旋天線、反射面天線，螺旋天線由于增益小，無法滿足遠距離通信要求，反射面天線由于反射面加工精度要求高，實現(xiàn)難度大、成本高；

3、現(xiàn)有星載天線由于頻帶寬度窄，無法滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸及擴頻通信的要求；

4、現(xiàn)有星載天線應(yīng)用在艙外，環(huán)境使用條件要求高，材料選擇受到一定限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種星載圓極化喇叭陣列天線，實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有高增益、寬頻帶、優(yōu)異的圓極化特性等優(yōu)點，滿足星載艙外環(huán)境使用條件及星地數(shù)據(jù)傳輸和通信測控的需求。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種星載圓極化喇叭陣列天線，其包括：安裝底板6和設(shè)置在安裝底板6上的至少2個天線單元，每個天線單元包括SMA同軸饋電插座1、圓極化器2、方形喇叭口3、SMA插座饋電端4、底端短路板5和方形波導(dǎo)7；SMA同軸饋線插座1包括SMA插座和通孔，SMA插座安裝在圓極化器2的輸入變化段，從SMA插座另一面伸出一個饋電探針，饋電探針深入到中空的方形波導(dǎo)7中，屬于同軸－波導(dǎo)饋電端；圓極化器2位于中空的方形波導(dǎo)7中間，一端連接方形波導(dǎo)7的底面，另一端是自由端，圓極化器2的高度小于方形波導(dǎo)7的高度；方形喇叭口3底端連接在方形波導(dǎo)7自由端頂部，屬于波束形成段；底端短路板5用于將方形波導(dǎo)底端短路；安裝底板6與方形波導(dǎo)垂直，用于連接天線單元，并將天線陣列與星體固定。

其中，所述圓極化器為6階階梯型隔板結(jié)構(gòu)，6階階梯型隔板從輸入變化段到波束形成段包括第一階矩形隔板、第二階矩形隔板、第三階矩形隔板、第四階矩形隔板、第五階矩形隔板、第六階矩形隔板；第一階矩形隔板長23mm，寬28.8mm；第二階矩形隔板長17.4mm，寬5.5mm；第三階矩形隔板長9.6mm，寬6.4mm；第四階矩形隔板長8mm，寬7.5mm；第五階矩形隔板長3.5mm，寬8mm；第六階矩形隔板長1.7mm，寬12.1mm。

其中，采用所述六階階梯型隔板的喇叭天線單元方形波導(dǎo)7高度為90mm，方形喇叭口3高度為60mm。

其中，所述圓極化器2為漸變型隔板結(jié)構(gòu)，漸變型隔板為直角梯形，上底邊長41mm，下底邊長82mm，高23mm。

其中，采用所述漸變型隔板的喇叭天線單元方形波導(dǎo)7高度為110mm，方形喇叭口3高度為40mm。

其中，所述底端短路板5厚度為1.5mm，安裝底板6厚度為5mm。

其中，所述圓極化器2、方形喇叭口3、底端短路板5、安裝底板6、方形波導(dǎo)7采用2A12鋁材料制成，并對其表面進行導(dǎo)電氧化處理。

其中，所述天線單元有4個，4個天線單元采用一分四功分器同時供電。

其中，所述安裝底板6開有安裝孔，安裝底板6使用鈦合金螺釘與星體固定。

其中，所述圓極化器2、方形喇叭口3、方形波導(dǎo)7、安裝底板6為一體化結(jié)構(gòu)，一次成形。

(三)有益效果

上述技術(shù)方案所提供的星載圓極化喇叭陣列天線，具有以下優(yōu)點：

1、本星載圓極化喇叭陣列天線單元采用方形波導(dǎo)設(shè)計，提高了天線的輻射效率；

2、星載圓極化喇叭陣列天線單元采用了輻射器、圓極化器、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換一體化，天線完成裝配后不再進行調(diào)試；

3、饋電方式采用SMA插座直接饋電，饋電方式簡單，容易實施、不需要調(diào)試；

4、本星載圓極化喇叭陣列天線的設(shè)計使得其在X波段具有優(yōu)異的電性能；

5、本星載圓極化喇叭陣列天線具有較寬的工作帶寬，3dB軸比帶寬超過1GHz；

6、本星載圓極化喇叭陣列天線增益高，超過20dB；

7、本性在圓極化喇叭陣列天線采用2A12鋁材加工，不但滿足星載設(shè)備艙外環(huán)境技術(shù)條件要求，而且重量比同等體積的黃銅H62輕很多。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的星載圓極化喇叭陣列天線(階梯型隔板)。

圖2是本發(fā)明的星載圓極化喇叭陣列天線(漸變型隔板)。

圖3是本發(fā)明的階梯型隔板圓極化器。

圖4是本發(fā)明天線的輻射增益方向圖仿真結(jié)果。

圖5是本發(fā)明天線的軸比帶寬仿真結(jié)果。

圖中：1.SMA同軸饋電插座 2.圓極化器 3.方形喇叭口 4.SMA插座饋電端 5.底端短路板 6.安裝底板 7.方形波導(dǎo)

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

為了結(jié)局解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供的陣列天線的基本設(shè)計思路為：提供星載圓極化喇叭陣列天線，每個星載圓極化喇叭陣列天線單元的微波信號從SMA同軸饋電插座和SMA同軸饋電插座饋電端饋入天線單元的同軸-波導(dǎo)饋電端，輸入的TEM模微波信號變換成TE模線極化波；輸入的線極化波有TE01和TE10兩種模式，對于TE10模，從矩形波導(dǎo)到隔板區(qū)域其傳播常數(shù)幾乎不變，而對于TE01模，經(jīng)過一定長度、高度的隔板區(qū)域后，相位會變化90°，這樣使得兩個正交模式的線極化波通過圓極化器后相位差為90°，產(chǎn)生所需要的圓極化電磁波；再經(jīng)過方形喇叭口波束形成段，形成一定形狀的波束。通過調(diào)節(jié)圓極化器長度、高度尺寸、方形波導(dǎo)長度，優(yōu)化圓極化波的阻抗匹配性能、軸比、帶寬等特性；通過調(diào)節(jié)饋電探針長度，可以使天線工作在預(yù)定的頻段；通過調(diào)節(jié)喇叭口尺寸，形成所需要的方向圖、波束寬度等特性。

具體地，參照圖1所示，本實施例星載圓極化喇叭陣列天線包括安裝底板6和設(shè)置在安裝底板6上的至少2個天線單元，本實施例設(shè)置4個相同的天線單元，每個天線單元包括SMA同軸饋電插座1、圓極化器2、方形喇叭口3、SMA插座饋電端4、底端短路板5和方形波導(dǎo)7。4個天線單元采用一分四功分器同時供電，SMA插座饋電端電磁波要求等幅同相。

本實施例中，圓極化器2、方形喇叭口3、底端短路板5、安裝底板6、方形波導(dǎo)7采用2A12鋁材料進行加工，并對其表面進行導(dǎo)電氧化處理。方形波導(dǎo)7采用標準波導(dǎo)尺寸，國家標準BF85153-IEC標準Q85，該波導(dǎo)頻率范圍為7.5GHz～8.96GHz。BF85標準波導(dǎo)加工材料不同，重量也不同，采用黃銅H62加工的方形波導(dǎo)7重量為1.425Kg/m，使用2A12鋁加工的方形波導(dǎo)7重量為0.432Kg/m，所以，為了實現(xiàn)天線的輕質(zhì)化，本實施例中方形波導(dǎo)7采用2A12鋁加工。安裝底板6開有8個φ3.2mm的孔，使用M3的標準鈦合金螺釘與星體固定。

SMA同軸饋線插座1包括SMA插座和通孔，SMA插座安裝在圓極化器2的輸入變化段，從SMA插座另一面伸出一個饋電探針，饋電探針深入到中空的方形波導(dǎo)7中，屬于同軸－波導(dǎo)饋電端；圓極化器2位于中空的方形波導(dǎo)7中間，一段連接方形波導(dǎo)7的底面，另一端是自由端，圓極化器2的高度要小于方形波導(dǎo)7的高度；方形喇叭口3底端連接在方形波導(dǎo)7自由端頂部，屬于波束形成段；底端短路板5用于將方形波導(dǎo)底端短路；安裝底板6與方形波導(dǎo)垂直，用于連接四個天線單元，并將天線陣列與星體固定。

該星載圓極化喇叭陣列天線工作時，微波信號從SMA饋電插座1和SMA饋電插座饋電端4饋入天線單元的同軸-波導(dǎo)饋電端，輸入的TEM模微波信號變換成TE模線極化波；輸入的線極化波有TE01和TE10兩種模式，對于TE10模，從矩形波導(dǎo)到隔板區(qū)域其傳播常數(shù)幾乎不變，而對于TE01模，經(jīng)過一定長度、高度的隔板區(qū)域后，相位會變化90°，這樣使得兩個正交模式的線極化波通過圓極化器后相位差為90°，產(chǎn)生所需要的圓極化電磁波；再經(jīng)過方形喇叭口3波束形成段，形成一定形狀的波束。通過調(diào)節(jié)圓極化器2長度、高度尺寸、方形波導(dǎo)7長度，優(yōu)化圓極化波的阻抗匹配性能、軸比、帶寬等特性；通過調(diào)節(jié)饋電探針長度，可以使天線工作在預(yù)定的頻段；通過調(diào)節(jié)方形喇叭口3尺寸，形成所需要的方向圖、波束寬度等特性。

本實施例中，圓極化器2可設(shè)置為兩種結(jié)構(gòu)形式，6階階梯型隔板或者漸變型隔板。

如圖2所示，漸變型隔板為直角梯形，上底邊長41mm，下底邊長82mm，高23mm。采用漸變型隔板的喇叭天線單元方形波導(dǎo)7高度為110mm，方形喇叭口3高度為40mm。

如圖3所示，6階階梯型隔板從輸入變化段到波束形成段包括第一階矩形隔板、第二階矩形隔板、第三階矩形隔板、第四階矩形隔板、第五階矩形隔板、第六階矩形隔板；第一階矩形隔板長23mm，寬28.8mm；第二階矩形隔板長17.4mm，寬5.5mm；第三階矩形隔板長9.6mm，寬6.4mm；第四階矩形隔板長8mm，寬7.5mm；第五階矩形隔板長3.5mm，寬8mm；第六階矩形隔板長1.7mm，寬12.1mm。采用六階階梯型隔板的喇叭天線單元方形波導(dǎo)7高度為90mm，方形喇叭口3高度為60mm.

底端短路板5厚度為1.5mm，安裝底板6厚度為5mm。

本實施例中，圓極化器2、方形喇叭口3、方形波導(dǎo)7、安裝底板6為一體化結(jié)構(gòu)，一次成形。

如圖4所示，本實施例星載圓極化喇叭陣列天線輻射增益方向圖仿真結(jié)果中，增益最大點為22dB，3dB波束寬度為±5°。

如圖5所示，本實施例星載圓極化喇叭陣列天線軸比帶寬仿真結(jié)果中，3dB軸比帶寬超過1GHz。

本發(fā)明的星載圓極化喇叭陣列天線應(yīng)用與中、低軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、通信測控中，極大的提高了衛(wèi)星星地間的通信性能。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。