本发明专利技术属于天线技术领域，公开了一种紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线，包括喇叭天线阵列、宽带正交模耦合器、上层一分三十二凸型功率分配电路和下层一分三十二凹型功率分配电路；喇叭天线阵列包括若干个阶梯型喇叭天线单元，每个阶梯型喇叭天线单元下端均设置有一个宽带正交模耦合器；所述上下层一分三十二凹凸型功率分配电路位于宽带正交模耦合器下侧，所述上层一分三十二凸型功率分配电路和下层一分三十二凹型功率分配电路共同构成了紧凑型阶梯式双路功率分配器，提升了天线阵列的空间利用率，降低了双极化喇叭阵列天线的剖面高度。本发明专利技术采用的可调式阶梯型功率分配器原型能有效多次应用于馈电电路的各级中，通过调整各级阶梯的相对高度，实现整体模型分层数量的减少。本发明专利技术采用的切削旋转层设计有效提升了天线阵列的效率并改善了喇叭天线与正交模耦合器之间的阻抗匹配。合器之间的阻抗匹配。合器之间的阻抗匹配。
【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线
[0001]本专利技术属于天线
，尤其涉及一种紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线。
技术介绍
[0002]喇叭阵列天线是常用的阵列天线之一，其作用是将输入的能量按照特定的形式重新分配在阵列口径面上并进行定向高增益空间辐射，喇叭阵列天线通常是由全金属铣削而成，有着极强的结构强度、极端环境工作稳定性以及介质天线难以具备的功率容量，是卫星通信领域中最常应用的天线形式。
[0003]对于阵列天线而言，高口径效率或者说高效率的设计也即口径面上电场幅度相位一致性非常高的设计，能让天线能最大化程度利用给定的面积综合出最大的辐射增益，从而让能量更远地传播到指定方位，最终实现节能、更大的覆盖范围。随着卫星通信的发展，对星载天线效率的要求不断攀升，但是由于宽带、高能量密度、复杂的结构以及极高的加工工艺要求，常用的高效率方案例如介质透镜、平板超表面透镜加载的天线难以在此类约束条件下正常工作。
[0004]论文High
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Efficiency Square
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Aperture Horn Antenna with a Linear Spline Profile给出了一种具有高口径效率的喇叭天线设计，该单喇叭天线单元采用花键槽剖面的喇叭设计并通过在喇叭口径上加载聚乙烯介质透镜的形式实现了最大95.4％的口径效率。但是该天线首先由于其斜线花键剖面的设计，致使其加工难度急剧增大，中间大两头小的腔体结构设计也使得其无法用一块金属直接铣削而成，使用两层金属加工后续进行拼接的形式也会对最终也会进一步提升制造成本并影响天线的性能；加载介质透镜的形式也很大程度限制天线的带宽，例文中最终获得了18％的单极化带宽；在未加载介质透镜进行相位补偿以及阻抗匹配时，该天线的电压驻波比最高超过了2.5，驻波效应明显，除此以外，介质透镜对高功率应用场景的适用性不高，容易产生击穿效应；并且，该方案采用的为单极化天线的设计方案，直接丢失了一半的通信容量。
[0005]随着高分辨率图像、视频信号需求的急剧攀升，卫星通信对于信道容量的要求不断提高，宽带以及双极化天线因此备受关注，根据香农定理可知，更大的带宽能天然拓展通信容量，而双极化设计能在宽带的基础上让通信比特率翻倍。除此以外，小型化、高密度化一直是近几年微波元器件的核心发展方向之一。在金属加工精度的限制下，将宽带双极化天线阵列尤其是喇叭阵列的双极化馈电电路，以低成本、小型化、紧凑化设计并同时保证驻波比以及尽可能不影响最终天线阵列的效率一直是非常难的研究课题。论文A Compact and Broadband Four
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Way Dual Polarization Waveguide Power Divider for Antenna Arrays给出了一种紧凑型宽带2*2喇叭天线阵列。该论文通过设计一种通过四次扭转的扭波导功分器，通过两个该扭波导功分器的交叉摆放实现了空间的尽量利用，然而该四次扭转的功分结构极大增加了结构复杂度，并且该功率分配电路也不具有多场景的适用性；论文中整体天线由于其复杂的功率分配电路结构，导致最终需要最少9层结构才可以实现结构的加工。过多的装配分层会导致装配时更容易出现部分分层内压合不严密，进一步出现
平板电容形成谐振效应，并且还会极大程度增加加工成本和加工难度；除此以外，该论文展示的2*2阵列若要进行更大规模的扩展，还需要在整体下方对接规模更大、尺寸更大的功率分配电路层，进一步增加设计复杂度和设计加工成本。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0007]高效率喇叭单元设计通常有复杂的结构设计，难以一次性加工实现。常用的加载介质透镜以及加载介质超表面的增强口径效率方案有功率容量低、带宽窄的限制。
[0008]喇叭阵列天线由于其复杂的馈电电路最终会导致分层多，装配难的难题，过多的层数也会增加制造成本并增加测试不准确性。
[0009]双极化喇叭阵列天线两个极化馈电功率分配电路在过去通常为各自一层设计，存在空间使用率低，尺寸大、重量大的问题。
技术实现思路
[0010]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线。
[0011]本专利技术是这样实现的，一种紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线包括：
[0012]含切削旋转层阶梯型高效率喇叭天线阵列、宽带正交模耦合器、可调式阶梯型功率分配器原型、上层一分三十二凸型功率分配器电路、下层一分三十二凹型功率分配器电路构成；
[0013]所述含切削旋转层阶梯型高效率喇叭天线阵列包括若干个阶梯型喇叭天线单元，每个阶梯型喇叭天线单元下端均放置了一个宽带正交模耦合器；
[0014]所述紧凑型阶梯式双路功率分配器位于宽带正交模耦合器下侧，所述紧凑型阶梯式双路功率分配电路包括上层一分三十二凸型功率分配电路和下层一分三十二凹型功率分配电路。
[0015]进一步，所述上层一分三十二凸型功率分配电路传输双极化中极化1的能量，所述下层一分三十二凹型功率分配电路传输双极化中极化2的能量。
[0016]进一步，所述阶梯型喇叭天线单元共含有7层，其中最上侧6层为直方形盒子过渡，尺寸由上到下逐渐减小，最下层为一层切削旋转层，切削旋转层介于阶梯型喇叭天线单元和宽带正交模耦合器之间。
[0017]进一步，所述切削旋转层为方形空气腔体旋转45
°
，在此基础上对这个方形腔体的四个角进行切角，并在四个内壁上做“山”型内凸。
[0018]进一步，所述宽带正交模耦合器为三端口元件，其中一个方形端口直面朝上，对接阶梯型喇叭天线单元，另外两个端口正交摆放在空气腔两侧。
[0019]进一步，所述宽带正交模耦合器采用阶梯型设计，中央放置有三层高度和直径不同的金属圆柱，整体结构呈现90度旋转对称，每个宽带正交模耦合器旋转90
°
、180
°
、270
°
、0
°
后组成一个组，从而让一组内四个正交模耦合器具备极化以及相位的一致性。
[0020]所述的可调式阶梯型功率分配器原型由H面扭转功率分配器、E面斜阶梯型功率分配器连接而成，以获得两组180
°
相差的四等分输出。
[0021]进一步，H面扭转功率分配器包含了窄矩形金属背腔，该背腔的设计等效于加入可调的寄生电抗，从而便于抑制反射系数。
[0022]进一步，E面斜阶梯型功率分配器的总端口处为多级斜台阶设计，在设计时，每一级台阶的相对高度均可以在不影响整体性能的前提下进行调整。
[0023]进一步，所述上层一分三十二凸型功率分配电路包括上层一级功率分配器、上层二级功率分配器和上层三级功率分配器；
[0024]进一步，所述上层一级功率分配器位于中心处，为三端口E面功率分配器，上层一级功率分配器的总端口作为双极化馈电电路中第一个极化的能量总输入端口。
[0025]上层二级功率分配器为五本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线，其特征在于，所述紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线包括：喇叭天线阵列、宽带正交模耦合器、上层一分三十二凸型功率分配电路和下层一分三十二凹型功率分配电路；所述喇叭天线阵列包括若干个阶梯型喇叭天线单元，每个阶梯型喇叭天线单元下端均设置有一个宽带正交模耦合器；所述上层一分三十二凸型功率分配电路和下层一分三十二凹型功率分配电路共同构成了紧凑型阶梯式双路功率分配器，位于宽带正交模耦合器下侧。2.如权利要求1所述的紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线，其特征在于，所述阶梯型喇叭天线单元共含有7层，其中最上侧6层为直方形盒子过渡，最下层为一层切削旋转层，切削旋转层介于阶梯型喇叭天线单元和宽带正交模耦合器之间。所述切削旋转层为方形空气腔体旋转45
°
，在此基础上对这个方形腔体的四个角进行切角，并在四个内壁上做“山”型内凸。3.如权利要求1所述的可调阶梯设计的一分四功分器原型，其特征在于，所述可调阶梯设计的一分四功分器原型为五端口元件，总端口处的H面T型功分器上加装了窄矩形背腔结构；两侧各有一个斜三角可调阶梯式E面功分器。4.如权利要求1所述的紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线，其特征在于，所述宽带正交模耦合器采用阶梯型设计，中央放置有三层高度和直径不同的金属圆柱，整体结构呈现90度旋转对称，每个宽带正交模耦合器旋转90
°
、180
°
、270
°
、0
°
后组成一个组。5.如权利要求1所述的紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线，其特征在于，所述的可调式阶梯型功率分配器原型，由H面扭转功率分配器、E面斜阶梯型功率分配器连接而成，以获得两组180
°
相差的四等分输出；H面扭转功率分配器包含了窄矩形金属背腔；E面阶梯型功率分配器的总端口处为多级斜台阶设计。6.如权利要求1所述的紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线，其特征在于，所述上层一分三十二凸型功率分配层包括上层一级功率分配器、上层二级功率分配器和上层三级功率分配器。7.如权利要求5所述的紧凑型高效率双极化喇叭阵列天线，其特征在于，所述上层一级功率分配器位于中心处，为三端口E面功率分配器，上层一级功率分配器的总端口连接下方的第一个极化能量对应的总馈电；上层二级功率分配器为五端口元件，端口均位于元件最上方，四个等分端口分别对称分布于二级功率分配器的四...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘皓中，苏一洪，姚尧，林先其，郝新杰，吴祖兴，陈哲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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