双频双极化天线单元、子阵移相模块及相控阵天线阵列

1.本技术涉及无线通信技术的天线设计技术领域，尤其涉及一种双频双极化天线单元、子阵移相模块及相控阵天线阵列。


背景技术：

2.随着现代通信以及物联网业务的快速发展，人们对于通信容量的需求日益增长，低轨卫星网络因其高通信、广覆盖范围、低误码率等优势得到了广泛的应用，而相控阵天线阵列作为关键器件之一，成为目前的研究热点。与传统的单极化天线相比，双极化天线利用极化复用技术，可以对两路相互正交的电磁波信号进行接收和发射，有效地提高了通信效率。此外，电子扫描相控阵采用数字控制波束指向，可以实现卫星通信过程中精确的点对点信号传输，完成星对星、星对地的信息传输。对于远距离卫星通信传输而言，相控阵天线需要满足高增益、双频双极化收发复用、高隔离度以及低交叉极化电平等性能需求。
3.双极化相控阵天线可以分为微带天线、透射及反射超表面天线、波导天线。微带天线的介质损耗、表面波损耗、微带馈线损耗等会随着阵列尺寸的增大和频率的提升而变得不可忽视；超表面天线需要喇叭馈源进行馈电，因此整体结构剖面较高，安装困难。
4.然而，现有的双极化的波导相控阵天线存在着难以覆盖卫星发射和接收频段、收发端口隔离差等问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术的目的在于提出一种双频双极化天线单元、相控模块及相控阵天线阵列，以解决现有天线阵列收发端口隔离度低、难以满足卫星上下行通信要求的问题。
6.基于上述目的，本技术提供了一种双频双极化天线单元，包括：辐射加载单元、喇叭天线和正交耦合器；
7.所述喇叭天线，包括喇叭状的天线主体；所述天线主体包括馈电端口和窄口端和辐射端口；
8.辐射加载单元，包括四个圆柱形栅格，所述四个圆柱形栅格呈田字型分布设置于所述辐射端口；
9.所述正交耦合器，包括：
10.输出端口，电连接于所述馈电端口，用于将信号传递至所述喇叭天线；
11.第一输入端口与所述输端口相对设置，用于接收外部水平极化波；
12.第二输入端口，用于传输垂直极化波和拦截水平极化波，以防止所述水平极化波泄露。
13.可选的，所述正交耦合器还包括：
14.设置于所述第一输入端口的第一过渡段；
15.设置于所述第二输入端口，用于连接所述第二输入端口与所述正交耦合器主体的第二过渡段；
16.以及，与所述第二过渡段相对设置的耦合脊。
17.可选的，所述第一过渡段为阶梯过渡段，所述第二过渡段为耦合脊过渡段，所述耦合脊为短路耦合脊。
18.可选的，所述正方形；
19.所述第一输入端口和所述第二输入端口均设置为标准矩形波导尺寸。
20.基于同一发明构思，本公开实施例还提供了一种双频双极化子阵移相模块，包括：发射馈电网络、接收馈电网络以及呈直线排布的若干如上任一所述的双频双极化天线单元；
21.所述接收馈电网络，包括多级逐次相连的第一e面t型功分器，所述第一e面t型功分器用于连接连接所述双频双极化天线单元和外设的测试结构；
22.所述发射馈电网络，包括多级逐次相连的第二e面t型功分器，所述第二e面t型功分器用于连接连接所述双频双极化天线单元和外设的所述测试结构。
23.可选的，所述接收馈电网络最后一级的所述第一e面t型功分器的分路端用于连接所述第二输入端口，所述接收馈电网络第一级的所述第一e面t型功分器的合路端用于将所述第二输入端口连接至所述测试结构；
24.所述发射馈电网络最后一级的所述第二e面t型功分器的分路端用于连接所述第一输入端口，所述发射馈电网络第一级的所述第二e面t型功分器的合路端用于将所述第一输入端口连接至所述测试结构。
25.可选的，所述接收馈电网络第一级的所述第一e面t型功分器的合路端设置为接收馈电端口，通过所述接收馈电端口与所述测试结构相连；
26.所述发射馈电网络最后一级的所述第二e面t型功分器的合路端设置为发射馈电端口，通过所述发射馈电端口与所述测试结构相连。
27.可选的，所述所述接收馈电网络最后一级的所述第一e面t型功分器与前一级的所述第一e面t型功分器的连接处设置为e面切角结构，所述e面切角结构用于将方位面的所述第二输入端口转到水平面。
28.可选的，所述接收馈电端口和所述发射馈电口均设置为标准波导口径。
29.基于同一发明构思，本公开实施例还提供了一种双频双极化相控阵天线阵列，其特征在于，包括：若干如上任一所述的双频双极化子阵移相模块；若干所述双频双极化子阵移相模块依次排布，以使全部所述双频双极化天线单元呈阵列排布。
30.从上面所述可以看出，本技术提供的双频双极化天线单元、子阵移相模块及相控阵天线阵列，其中，天线单元包括：辐射加载单元、喇叭天线和正交耦合器。双频双极化子阵移相模块，包括：发射馈电网络、接收馈电网络以及呈直线排布的若干双频双极化天线单元。双频双极化相控阵天线阵列，包括：若干双频双极化子阵移相模块；若干所述双频双极化相控模块依次排布，以使全部所述双频双极化天线单元呈阵列排布。辐射加载单元的四个圆形栅格结构呈田字形设置在喇叭天线的辐射端口，用以将喇叭天线口径处的球面波转为平面波，使得口径处幅相分布更均匀，以降低方向图旁瓣电平，从而进一步减小阵列栅瓣电平，提高增益；正交耦合器通过设置阶梯过渡阶梯及耦合脊用以实现水平极化波和垂直极化波的分离并降低端口互扰，提高收发端口隔离度，同时耦合脊过渡段和阶梯过渡段可以作为阻抗匹配结构，底部阻抗匹配段工作于发射频段，侧方阻抗匹配段工作于接收频段，
从而实现极化和频率的分离；进一步的，通过将喇叭天线的辐射端口设置为方形可以同时辐射两种相互正交的电磁波，实现双极化电磁波共口径辐射，从而提高辐射效率。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用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技术的实施例，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。
32.图1为本技术实施例的双频双极化天线单元示意图；
33.图2为本技术实施例的双频双极化相控模块示意图；
34.图3为本技术实施例的双频双极化相控模块散射参数仿真示意图；
35.图4为本技术实施例的双频双极化相控阵天线阵列示意图；
36.图5为本技术实施例的双频双极化天线阵列示意图；
37.1-辐射加载单元、101-圆柱形栅格、2-喇叭天线、3-正交耦合器、301-第一输入端口、302-第二输入端口、303-输出端口、3001-第一过渡段、3002-第二过渡段、3003-耦合脊、4-e面接收馈电网络、401-接收馈电端口、4001-t型功分器、5-h面发射馈电网络、501-发射馈电端口、5001-h面t型功分器、5002-h面切角结构、6-接收馈电网络、601-接收馈电端口、6001-e面切角结构、6002-第一e面t型功分器、7-发射馈电网络、701-发射馈电端口、7001-第二e面t型功分器。
具体实施方式
38.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本技术进一步详细说明。
39.需要说明的是，除非另外定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
40.如背景技术部分所述，随着现代通信以及物联网业务的快速发展，相控阵天线阵列作为关键器件之一，成为目前的研究热点，传统的单极化天线相比，双极化天线利用极化复用技术，可以对两路相互正交的电磁波信号进行接收和发射，有效地提高了通信效率。此外，电子扫描相控阵采用数字控制波束指向，可以实现卫星通信过程中精确的点对点信号传输，完成星对星、星对地的信息传输。对于远距离卫星通信传输而言，相控阵天线需要满足高增益、双频双极化收发复用、高隔离度以及低交叉极化电平等性能需求。
41.具体的，天线阵列是一种由多个天线单元以特定方式排列形成的电磁波辐射系统，单一天线的增益(天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收的能力)是有限的，为适
合各种场合的应用，将工作在同一频率的两个或两个以上的天线单元，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列。天线阵列的主要作用是为了加强和改善辐射场的方向性，以及加强辐射场的强度。天线的极化，是指天线辐射时形成的电场强度方向，电波在空间传播时，其电场矢量的瞬时取向称为极化。天线的极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化和垂直极化；圆极化又分为左旋圆极化和右旋圆极化。
42.现有的双极化相控阵天线可以分为微带天线、透射及反射超表面天线、波导天线。其中，微带天线因为剖面低、易加工等优势得到了广泛的应用，但是其介质损耗、表面波损耗、微带馈线损耗等会随着阵列尺寸的增大和频率的提升而变得不可忽视，因此阵列天线的辐射增益和效率也会受到限制；透射阵、反射阵具有轻量化、无复杂馈网、设计简单等优势，同时每个单元都可以单独进行控制，辐射灵活，但是超表面天线需要喇叭馈源进行馈电，因此整体结构剖面较高，安装困难；波导结构具有宽带、高稳定性、高定向性等优势，被广泛用于高增益阵列天线设计中。阵列天线分为天线单元及馈电网络两部分，波导馈电网络传输损耗低、功率容量大，可以大大提高阵列的增益和辐射效率。
43.然而现有的双频双极化的相控阵天线存在着收发端口隔离度低、双机化天线分口径辐射效率低等问题。而相控阵的模块子阵化设计，不仅可以根据波束扫描角度合理选择子阵数目，而且可以在减少射频移相模块的使用，降低设计成本的基础上解决天线阵列收发端口隔离度低、双极化天线分口径辐射效率低的问题。
44.综合上述考虑，本公开实施例提出一种双频双极化天线单元、子阵移相模块及相控阵天线阵列，通过将正交模耦合器集成到辐射天线单元中，可以实现双频双线极化并减小收发端口互扰；通过采用宽带喇叭天线作为基本辐射单元，实现收发共口径辐射；通过在天线上方加辐射加载单元，抑制旁瓣电平，提高主极化增益；通过采用低损耗的发射接收空气波导馈电网络，在实现天线单元等辐同相激励的前提下，还提高阵列结构紧凑型，有效降低剖面高度；通过相控阵的子阵模块化设计，减小了相移射频模块，降低了成本。
45.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
46.如图1所示，本技术所述的双频双极化天线单元，包括：辐射加载单元1、喇叭天线2和正交耦合器3；
47.所述喇叭天线2，包括喇叭状的天线主体；所述天线主体包括口径较宽一端和口径较窄一端共两端，其中，口径较窄一端设置为馈电端口与正交耦合器3相连，口径较宽一端设置为辐射端口，辐射端口设置有辐射加载单元1；辐射加载单元1，包括四个圆柱形栅格101，所述四个圆柱形栅格呈田字型分布设置于所述辐射端口；所述正交耦合器3，包括：正交耦合器主体，所述正交耦合器主体包括相对设置的两端，以及连接相对两端的若干侧壁；其中，第一端作为输出端口303与喇叭天线2的所述馈电端口相连，用于将信号传递到所述喇叭天线2；与第一端相对设置的所述第二端作为第一输入端口301，用于传输水平极化波；任一所述侧壁设置有第二输入端口302，用于传输垂直极化波和拦截水平极化波，防止所述水平极化波泄露。同时，第一输入端口301和第二输入端口302处于相互垂直的两个面上，可以抑制端口极化串扰，提高隔离度。
48.在一些实施方式中，所述正交耦合器3还包括：设置于所述第一输入端口的第一过渡段3001；设置于所述第二输入端口，用于连接所述第二输入端口与所述正交耦合器主体的第二过渡段3002；以及，设置在所述第二过渡段3002相对侧的耦合脊3003。其中，第二过渡段3002作为第二输入端口302和输出端口303传输过程中的过渡结构，用于传输垂直极化波；第一输入端口301和输出端口303的阶梯过渡段3001用来实现水平极化波的传输。耦合脊结构3003为第二过渡段3002提供对称面，用于抑制高次模的激励，减小高次模对于正交模耦合器性能的影响，同时采用短路结构，有效减小正交模耦合器的剖面尺寸。进一步的，鉴于第一输出端口301和第二输出端口302的位置处于相互垂直的两个面上，因此可以实现抑制端口极化串扰，提高隔离度。
49.进一步的，所述输出端303和所述第一输入端口301均设置为正方形；所述第一输入端301口和所述第二输入端口302的端口均设置为标准矩形波导尺寸。并且，第一输入端口301和第二输入端口302分别工作在卫星通信的上行频段和下行频段，即第一输入端口301工作于上行频段；第二输入端口302工作于下行频段。
50.进一步的，第一过渡段3001为阶梯过渡段，所述第二过渡段为耦合脊过渡段，所述耦合脊为短路耦合脊。
51.进一步的，所述第一过渡段3001用以对经由第一输入端口301传输的电磁波进行频段分离。具体的，设置于正交耦合器3底部的第一输入端口301和设置于正交耦合器3侧壁的第二输入端口302分别工作在不同频段，分别对应相互正交的极化波。具体的，第一输入端口301和顶部方形输出端口303的阶梯过渡段3001用来实现上行频段的水平极化波的传输；第二过渡段3002作为第二输入端口302和方形端口303的过渡结构，用于实现下行频段的垂直极化波的传输。
52.进一步的，侧方耦合脊过渡段3002对于水平极化波具有截止作用，因此所述第二输入端口302可以防止水平极化波的泄露。
53.在一些实施方式中，耦合脊3003为第二过渡段3002提供对称面，从而抑制高次模的激励、减小高次模对于正交模耦合器3性能的影响，同时耦合脊3003采用短路结构，有效减小正交模耦合器的剖面尺寸。
54.在一些实施方式中，设置于底部的第一输入端口301和设置于侧方的第二输入端口302分别工作在不同频段，分别对应相互正交的极化波，通过设置为方形的输出端口303将电磁能量传递到喇叭天线2。相对应的，输出端口303接收经由第一输入端口301和第二输入端口302传输的电磁能量，并将接收到的电磁能量发送至喇叭天线2，并由喇叭天线2进行发射。其中，喇叭天线2口径较宽一端的端面上设置有m*n个圆柱形栅格101结构，m、n均为大于1的整数，通过圆柱形栅格101结构将喇叭天线2口径处的球面波转为平面波，使得口径处幅相分布更均匀，以降低方向图旁瓣电平，从而进一步减小阵列栅瓣电平、提高增益。
55.在一些实施方式中，圆柱形栅格结构可以是2*2个。
56.在一些实施方式中，喇叭天线2的口径可以设置为包括方形、圆形中的任一种，由于采用3d金属打印工艺进行加工，因此本实施例的喇叭天线2的外形可以为曲线结构；喇叭天线2的外形可以为sinusoid外形或tangent外形或锥形中的任意一种。并且，喇叭天线2具有宽带特性，可同时覆盖卫星通信的收发频段。
57.在一些实施方式中，根据实际情况，构成辐射加载单元1的圆柱形栅格可以替换
为：矩形或圆形或十字交叉型中的任意一种。
58.基于同一发明构思，本公开实施例还提供了一种如图2所示的双频双极化子阵移相模块，包括：发射馈电网络6、接收馈电网络7以及呈直线排布的若干前述实施例中的任一所述的双频双极化天线单元；
59.所述接收馈电网络，包括多级逐次相连的第一e面t型功分器，所述第一e面t型功分器用于连接外设的测试结构和对子阵移相模块中双频双极化天线单元的等辐同相馈电；所述发射馈电网络，包括多级逐次相连的第二e面t型功分器，所述第一e面t型功分器用于连接外设的测试结构和对子阵移相模块中双频双极化天线单元的等辐同相馈电。
60.在一些实施例方式，所述接收馈电网络6最后一级的所述第一e面t型功分器的分路端用于连接所述第二输入端口302，所述接收馈电网络6第一级的所述第一e面t型功分器6001的合路端用于将所述第二输入端口302连接至所述测试结构，以实现对所述天线单元的第一输入端口进行电磁能量传输；所述发射馈电网络7最后一级的所述第二e面t型功分器7001的分路端用于连接所述第一输入端口301，所述发射馈电网络7第一级的所述第一e面t型功分器7001的合路端用于将所述第一输入端口301连接至所述测试结构，以实现对所述天线单元的第一输入端口进行电磁能量传输。
61.在一些实施例方式，所述接收馈电网络6最后一级的所述第一e面t型功分器与前一级的所述第一e面t型功分器的连接处设置为e面切角结构，所述e面切角结构6001用于将方位面的端口转到水平面。从而可以进一步缩小阵面尺寸，实现紧凑布局，减小单元和馈网间的互扰。
62.进一步的，接收馈电网络6、发射馈电网络7分别为双频双极化天线单元底部的第一输入端口301和侧方的第二输入端口302馈电，即接收馈电端口601、发射馈电端口701分别连接双频双极化天线单元侧方的第二输入端口302馈电和底部的第一输入端口301。
63.在一些实施例方式，所述接收馈电网络6第一级的所述第一e面t型功分器6001的合路端设置为接收馈电端口601，通过所述接收馈电端口601与外设的所述测试结构相连；所述发射馈电网络7最后一级的所述第二e面t型功分器7001的合路端设置为发射馈电端口704，通过所述发射馈电端口701与外部设置的所述测试结构相连。
64.可选的，所述接收馈电端口601和所述发射馈电口701均设置为标准矩形波导尺寸，通过波导转同轴装置转为sma接口(subminiature version aconnector，简称sma)，将发射和接收的sma同轴接口通过柔性射频同轴线缆与相控阵的有源网络相连，实现任意角度的有源相控波束扫描。其中的sma接头，通过柔性线缆与射频电路连接，可以进行移相数字调控。
65.进一步的，接收馈电端口601和发射馈电端口701设置为波导口径，以便于与波导转同轴转接器进行连接，进行后期测试。
66.在一些实施方式中，发射馈电网络6、接收馈电网络7均采用低损耗的全并联的空气波导结构，将电磁能量传递给双频双极化天线单元，进行等辐同相馈电从而提高阵列增益。
67.在一些实施方式中，与发射馈电网络6、接收馈电网络7进行连接的为8个等间距一字排开的天线单元。
68.在一些实施方式中，为了验证本方案的有效性，参考图3，本技术申请人进行了双
频双极化相控模块的散射参数仿真实验，对发射端口、接收端口以及隔离度在频率和散射参数两个维度上进行了仿真实验，仿真实验结果表明：在发射频段和接收频段范围内，天线的回波损耗小于-10db，所述第二接收馈电端口601和第二发射馈电端口701的端口隔离度在工作频段范围内均小于40db。
69.基于同一发明构思，本公开实施例还提供了一种如图4所示的双频双极化相控阵天线阵列，包括任一前述实施例的双频双极化子阵移相模块。其中，若干所述双频双极化子阵移相模块依次排布，以使全部所述双频双极化天线单元呈阵列排布。
70.在一些实施方式中，双频双极化相控阵天线阵列采用子阵模块化设计，包括有有8个接口馈电端口和8个发射馈电端口，根据波束扫描角度合理选择子阵数目，并通过同轴线与射频前端电路进行连接，减小发射接收移相组件，降低设计成本，实现精确波束扫描。
71.在一些实施方式中，所述双频双极化相控阵天线阵列中的双频双极化天线单元为8*8排列。
72.在一些实施方式中，为了验证本方案的有效性，本技术申请人进行了双频双极化相控天线阵列的接收天线仿真波束扫描增益图和发射天线仿真波束扫描增益图，仿真实验结果表明：在θ＝
±6°
、
±2°
、0
°
的交叉极化电平小于35.7db，增益下降小于0.43db；在θ＝
±6°
、
±2°
、0
°
的交叉极化电平小于44.3db，增益下降小于0.43db。
73.在一些实施方式中，参考图5，接收馈电网络6可设置为如图5所示的e面接收馈电网络4，发射馈电网络7可设置为h面发射馈电网络5。
74.其中，e面接收馈电网络5用于对天线单元的底部的第一输入端口301馈电，包括接收馈电端口401、t型功分器4001及e面转弯波导4002，e面转弯波导4002将所述e面第一接收馈电网络4嵌在辐射单元之中，从而实现紧凑布局；h面发射馈电网络5，包括发射馈电端口501、h面t型功分器5001及h面切角结构5002；接收馈电端口401和发射馈电端口501用于和与波导转同轴转接器进行连接，以便于后期测试安装。
75.从上面所述可以看出，本技术提供的双频双极化天线单元、子阵移相模块及相控天线阵列，其中，天线单元包括：辐射加载单元、喇叭天线和正交耦合器。双频双极化子阵移相模块，包括：发射馈电网络、接收馈电网络以及呈直线排布的若干双频双极化天线单元。双频双极化相控阵天线阵列，包括：若干双频双极化相控模块；若干所述双频双极化相控模块依次排布，以使全部所述双频双极化天线单元呈阵列排布。辐射加载单元的四个圆形栅格结构呈田字形设置在喇叭天线的辐射端口，用以将喇叭天线口径处的球面波转为平面波，使得口径处幅相分布更均匀，以降低方向图旁瓣电平，从而进一步减小阵列栅瓣电平，提高增益；正交耦合器的主体上设置阶梯过渡阶梯及耦合脊用以实现水平极化波和垂直极化波的分离并降低端口互扰，提高收发端口隔离度，同时耦合脊过渡段和阶梯过渡段可以作为阻抗匹配结构，底部阻抗匹配段工作于发射频段，侧方阻抗匹配段工作于接收频段，从而实现极化和频率的分离；进一步的，通过将喇叭天线的辐射口径设置为方形可以同时辐射两种相互正交的电磁波，实现双极化电磁波共口径辐射，从而提高辐射效率。
76.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本技术的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本技术的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
77.本技术实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。