本發(fā)明屬于波導天線設計和制造技術領域，具體涉及一種雙極化寬帶平板陣列天線饋電網(wǎng)絡。

背景技術：

天線作為通信系統(tǒng)中的一個重要的無線電設備，其性能的好壞將直接影響無線電設備的性能。相對于拋物面天線，平板陣列天線具有重量輕、效率高、體積小的優(yōu)勢，但是以往的平板陣列天線很難兼具雙極化、寬頻帶和低剖面的特性。傳統(tǒng)的平板陣列天線，要么只能在單一頻帶實現(xiàn)雙極化，要么剖面尺寸大，要么使用結構復雜的微帶和波導混合饋電方式。隨著無線通信和雷達系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，要想實現(xiàn)兼具雙極化、寬頻帶和低剖面性能的波導平板陣列天線，其關鍵在于是否具有雙極化、寬頻帶和低剖面的饋電網(wǎng)絡。因此，能否研制出一種兼具雙極化、寬頻帶和低剖面的饋電網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)整體天線構造的高集成性需求，為本領域技術人員近年來所亟待解決的技術難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構合理而實用的雙極化寬帶平板陣列天線饋電網(wǎng)絡，其兼具結構緊湊、帶寬寬、剖面低的優(yōu)點，可作為寬帶雙極化天線的饋電網(wǎng)絡。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

一種雙極化寬帶平板陣列天線饋電網(wǎng)絡，其特征在于：本饋電網(wǎng)絡包括極化分離器，所述極化分離器上設置用于連接外部輻射器的公共端口、用于連接水平極化單元的水平極化端口以及布置于極化分離器底端面處的用于連接垂直極化單元的垂直極化端口，極化分離器形成四行四列狀的基礎陣列分布；

垂直極化單元包括由Y-T功分器構成的第一垂直極化功分器、由E-T功分器構成的第二垂直極化功分器、由H-T功分器構成的第三垂直極化功分器以及由H-T功分器構成的第四垂直極化功分器；在行方向上，各個第一垂直極化功分器的兩輸入端口分別連接兩兩相鄰布置的各極化分離器的垂直極化端口；在列方向上，第一列與第二列上的兩兩相鄰布置的第一垂直極化功分器的輸出端口分別連通一個第二垂直極化功分器的兩輸入端口，第三列與第四列上的兩兩相鄰布置的第一垂直極化功分器的輸出端口連通另一個第二垂直極化功分器的兩輸入端口；在行方向上，相鄰兩個第二垂直極化功分器的輸出端口分別連接第三垂直極化功分器的兩輸入端口；在列方向上，兩個第三垂直極化功分器的輸出端口連接第四垂直極化功分器的兩輸入端口；第四垂直極化功分器的輸出端口構成該垂直極化單元的總輸出端口；

水平極化單元包括由H-T功分器構成的第一水平極化功分器、由H-T功分器構成的第二水平極化功分器、由E-T功分器構成的第三水平極化功分器以及由H-T功分器構成的第四水平極化功分器；第一行與第二行之間以及第三行與第四行之間的兩兩相鄰的極化分離器的水平極化端口均設置于各者的相鄰側面處；上述位于相鄰側面處的兩個水平極化端口分別連接第一水平極化功分器的兩輸入端口；第二水平極化功分器外形呈開口方向與列方向平行的“U”字狀結構，第二水平極化功分器的兩U型端口構成其輸入端口且U型底部構成其輸入端口；在行方向上，兩兩相鄰的第一水平極化功分器的輸出端口分別連通相應第二水平極化功分器的兩輸入端口；兩兩相鄰的第二水平極化功分器的輸出端口分別連通一個第三水平極化功分器的兩輸入端口；在列方向上，兩個第三水平極化功分器的輸出端口連接第四水平極化功分器的兩輸入端口；第四水平極化功分器的輸出端口構成該水平極化單元的總輸出端口；

第二行上的相鄰兩個第一垂直極化功分器之間以及第三行上的相鄰兩個第一垂直極化功分器之間均存有供第四水平極化功分器的兩輸入端口所在波導臂穿過的間隙；所述第四水平極化功分器的輸出端口位于第三行極化分離器與第四行極化分離器之間的預留區(qū)域處。

所述極化分離器包括方波導、分支波導以及方矩變換段，其中：

方波導的首端面形成上述公共端口，方波導的一側設置波導階梯且該波導階梯的階梯面高度由方波導首端向末端處依次降低；波導階梯的階梯面處耦合所述分支波導，所述分支波導的輸出端口構成上述水平極化端口；在方波導的末端面設置有方矩變換段，所述方矩變換段由兩個以上且沿方波導長度方向橫截面面積逐個減小的矩形波導首尾銜接構成，方矩變換段的末端處的輸出端口構成所述垂直極化端口；在方波導的波導階梯所在側，波導階梯和方矩變換段所形成的連續(xù)的階梯面高度的漸變取值擬合切比雪夫函數(shù)；在上述方波導的波導階梯所在側的相對側，方矩變換段所形成的階梯面高度的漸變取值同樣擬合切比雪夫函數(shù)。

波導階梯的階梯面與方矩變換段所形成的階梯面的階梯寬度均為四分之一波導波長。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)、本發(fā)明在滿足天線性能的前提下，為充分縮小整個饋電網(wǎng)絡的體積，巧妙的使用E-T功分器和H-T功分器并對極化分離器的合成順序進行了特殊設計，從而使得配合后的整體結構緊湊而體積小。由于水平極化單元完全包裹在垂直極化單元的內部，故整個饋電網(wǎng)絡的剖面尺寸僅為垂直極化單元的剖面尺寸，故能夠實現(xiàn)低剖面設計。在實際使用過程中，饋電網(wǎng)絡為全波導結構，而極化分離器，則采用具備波導階梯的階梯錐變結構，由于各個垂直極化功分器和水平極化功分器均采用寬帶H-T和E-T功分器，從而能夠實現(xiàn)30％的帶寬性能。

實踐證明，采用上述設計結構后，當以極化分離器形成的4×4基礎陣列分布的組數(shù)越多，整個陣列天線越龐大，本發(fā)明的這種間隙插入嵌套式的設計結構所帶來的對饋電網(wǎng)絡體型的縮減效果就越明顯。

具體而言，在水平極化單元和垂直極化單元嵌套布置過程中，本發(fā)明先使用寬帶Y-T功分器及E-T功分器將極化分離器的垂直極化部分合成完畢，之后再通過在第一行與第二行極化分離器之間以及第三行與第四行極化分離器之間的安裝空間內填設水平極化單元，最終達到了空間利用的最大化。在上述基礎上，由于Y-T功分器的獨特外形，使得相鄰Y-T功分器之間自然存在了間隙，此時再將水平極化單元的第四水平極化功分器的兩輸入端口所在臂穿過該間隙并進入第二行極化分離器與第三行極化分離器之間的預留區(qū)域處。此外的，相鄰Y-T功分器之間自然存在的間隙與上述第四水平極化功分器的兩輸入端口所在臂間空間上彼此避讓，從而使得兩種極化單元在該交匯配合處的部件壁厚更易于機械設計，顯然也有利于提升整個饋電網(wǎng)絡的加工可制造性能。

2)、在極化分離器的設計構造上，本發(fā)明摒棄了結構冗繁的傳統(tǒng)寬帶極化分離器設計，轉而另辟蹊徑的采用了階梯錐變加分支波導的窄帶OMT設計方案，從而使得本發(fā)明的結構更為簡單和緊湊。通過合理選擇方波導口的尺寸，使得本發(fā)明所需求的工作帶寬落在方波導主模截止頻率和第三次高次模之間。在從方波導到矩形波導的漸變中，通過將各臺階面高度的漸變取值擬合切比雪夫函數(shù)，一方面可以將工作頻帶內的第一及第二次高次模壓下去，達到展寬帶寬的目的。另一方面，也可實現(xiàn)公共端口的主模TE₁₀通過方矩變換段并饋給極化分離器的垂直極化端口，且正交主模TE₀₁在錐變區(qū)內消失并被反射和耦合到分支波導處的水平極化端口。具體操作時，可將水平極化端口及垂直極化端口尺寸進一步壓縮，從而進一步的減小極化分離器的外形尺寸，以確保小型化需求。

通過上述方案，本發(fā)明可同時滿足高工作帶寬和結構簡單緊湊及外形尺寸小的要求，無需額外匹配塊或可調裝置，設計工藝更為簡單。本發(fā)明的外形尺寸比傳統(tǒng)寬帶OMT減小50％以上，顯然更為適合如Ku波段衛(wèi)星通訊收發(fā)一體的天線或大型陣列天線的饋電等有限空間內使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結構示意圖；

圖2為水平極化單元的立體結構示意圖；

圖3是實施例1的立體結構示意圖；

圖4是圖3的側視圖；

圖5是實施例1的垂直極化饋電網(wǎng)絡的立體結構示意圖；

圖6為第四水平極化功分器、第五水平極化功分器、第六水平極化功分器以及第七水平極化功分器的分布狀態(tài)立體示意圖；

圖7是實施例1的水平極化饋電網(wǎng)絡的立體結構示意圖；

圖8是實施例1的水平極化饋電網(wǎng)絡的仰視圖；

圖9為極化分離器的三維仿真結構圖。

圖示各標號與本發(fā)明的具體部件名稱對應關系如下：

10-極化分離器

11-公共端口 12-水平極化端口 13-垂直極化端口

10a-方波導 10b-分支波導 10c-方矩變換段 10d-波導階梯

21-第一垂直極化功分器 22-第二垂直極化功分器

23-第三垂直極化功分器 24-第四垂直極化功分器

25-第五垂直極化功分器 26-第六垂直極化功分器

27-第七垂直極化功分器

31-第一水平極化功分器 32-第二水平極化功分器

33-第三水平極化功分器 34-第四水平極化功分器

35-第五水平極化功分器 36-第六水平極化功分器

37-第七水平極化功分器

具體實施方式

為便于理解，此處結合圖示對本發(fā)明的具體結構及工作過程作以下進一步描述：

對于極化分離器10而言，其實際上就是一個OMT，特點在于方波導10a的漸變是雙邊不對稱階梯漸變。在更具體至如圖9所示實施例中時，在方波導10a的一側設置具備四個臺階的波導階梯10d，同時，在方波導10a的末端面處還順序設置有由兩個橫截面尺寸逐個減小的矩形波導沿方波導10a長度方向依次首尾銜接形成的方矩變換段10c。此時，無論是方波導10a的波導階梯10d一側還是相對波導階梯10d所在側的相對側處，其階梯面高度的漸變取值均擬合切比雪夫函數(shù)，而每個臺階面的縱向長度也即臺階面寬度為四分之一波導波長。上述漸變取值擬合的作用，一方面實現(xiàn)了公共端口11的主模TE₁₀通過方矩變換段10c并饋給極化分離器的垂直極化端口13，而正交主模TE01,在錐變區(qū)內消失,被反射并耦合到分支波導10b處的水平極化端口12。另一方面，則可實現(xiàn)將帶內第一次及第二次高次模抑制的效果。

當極化分離器10組裝至本發(fā)明所處的饋電網(wǎng)絡處事，以兩個極化分離器10為一對而在陣列天線上進行一一組裝。兩個極化分離器10處分支波導10b輸出后通過波導HT合成而形成圖1結構，兩個極化分離器10間的最大間距為40mm。極化分離器10的方波導10a為兩個角錐喇叭饋電，形成平板角錐喇叭陣列天線的一個天線單元，顯然可滿足該天線大規(guī)模高密度布局對寬帶極化分離器結構小型化的要求。

結合上述，本發(fā)明實際上為四行四列極化分離器10形成一個基礎陣列。當為四行八列時，也即在基礎陣列上再沿行方向布置兩組即可；同理，當為四行三十二列時，也即在基礎陣列上再沿行方向布置八組即可，以此類推。

在圖1-2所示結構中，本發(fā)明包括極化分離器10以及分別由水平極化單元和垂直極化單元組成的功分器網(wǎng)絡。兩類極化單元均由寬帶E-T和H-T功分器組成。極化分離器10具有三個端口，分別為公共端口11、水平極化端口12和垂直極化端口13。公共端口11為方形，可直接與輻射器連接，從而構成陣列天線。水平極化端口12則位于極化分離器10的側面，與第一水平極化功分器31構成的功分器網(wǎng)絡相連接，構成雙極化寬帶平板陣列天線饋電網(wǎng)絡的水平極化饋電網(wǎng)絡部分。垂直極化端口13位于極化分離器10的底面，與第一垂直極化功分器21構成的功分器網(wǎng)絡相連接，構成雙極化寬帶平板陣列天線饋電網(wǎng)絡的垂直極化饋電網(wǎng)絡部分。

對于垂直極化單元，首先是由垂直極化端口13與第一垂直極化功分器21相連接，第一垂直極化功分器21通過第二垂直極化功分器22兩兩合成，第二垂直極化功分器22再通過第三垂直極化功分器23兩兩合成，第三垂直極化功分器23再通過第四垂直極化功分器24兩兩合成，最終將垂直極化單元合成為一個端口輸出。而對于水平極化單元而言，首先將水平極化端口12與第一水平極化功分器31相連接，第一水平極化功分器31通過第二水平極化功分器32兩兩合成，第二水平極化功分器32通過第三水平極化功分器33兩兩合成，第三水平極化功分器33再通過第四水平極化功分器34兩兩合成，最終將水平極化單元合成為一個端口輸出。之后，通過將水平極化單元和垂直極化單元相互嵌套，也即由于組成第一垂直極化功分器21的Y-T功分器的獨特外形，使得相鄰的第一垂直極化功分器21之間自然存在了間隙，此時在首先將第一水平極化功分器31、第二水平極化功分器32以及第三水平極化功分器33嵌設至第一行與第二行以及第三行與第四行極化分離器10之間后，再將水平極化單元的第四水平極化功分器34的兩輸入端口所在波導臂穿過上述間隙并進入第二行極化分離器10與第三行極化分離器10之間的預留區(qū)域處。通過將水平極化單元嵌套在垂直極化單元的網(wǎng)絡內部，以充分利用有限結構空間，最終達到結構布局緊湊、剖面尺寸足夠低以及兼具足夠帶寬的目的。

實際使用時，需注意將第二水平極化功分器32設計為“U”字狀，從而使其在不妨礙饋電網(wǎng)絡正常工作性能的前提下，能以最小化的體積嵌入相應的兩行第一垂直極化功分器21之間處，以確保整體結構的緊湊性。

實施例1

為便于進一步理解本發(fā)明，此處結合圖3-8，以四行三十二列的陣列天線的饋電網(wǎng)絡為例進行進一步說明：

圖3-4為四行三十二列的陣列天線的饋電網(wǎng)絡的三維結構示意圖及側視圖；以圖示位置放置方式來闡述，沿橫向也即行方向布置三十二列極化分離器10，沿縱向也即列方向設置四行極化分離器10，極化分離器10數(shù)目為4×32個。

初始制作時，先按照上述方式制作出基礎陣列，具體為：對于垂直極化單元，首先是由垂直極化端口13與第一垂直極化功分器21相連接，第一垂直極化功分器21通過第二垂直極化功分器22兩兩合成，第二垂直極化功分器22再通過第三垂直極化功分器23兩兩合成，第三垂直極化功分器23再通過第四垂直極化功分器24兩兩合成，最終將垂直極化單元合成為一個端口輸出。而對于水平極化單元而言，首先是由水平極化端口12與第一水平極化功分器31相連接，第一水平極化功分器31通過第二水平極化功分器32兩兩合成，第二水平極化功分器32通過第三水平極化功分器33兩兩合成，第三水平極化功分器33再通過第四水平極化功分器34兩兩合成，最終將水平極化單元合成為一個端口輸出。

在上述基礎陣列布置完成后，再將第四垂直極化功分器24通過第五垂直極化功分器25兩兩合成，第五垂直極化功分器25通過第六垂直極化功分器26兩兩合成，第六垂直極化功分器26通過第七垂直極化功分器27兩兩合成。同理的，第四水平極化功分器34通過第五水平極化功分器35兩兩合成，第五水平極化功分器35通過第六水平極化功分器36兩兩合成，第六水平極化功分器36通過第七水平極化功分器37兩兩合成。

上述僅為四行三十二列的陣列天線的饋電網(wǎng)絡，如需制作四行八列、四行十六列等陣列天線的饋電網(wǎng)絡，相應的更改作為基礎陣列的布置個數(shù)即可。