一种基于多层矩形波导功分结构的cts天线
阅读说明：本技术 一种基于多层矩形波导功分结构的cts天线 (CTS antenna based on multilayer rectangular waveguide power dividing structure ) 是由 吴锡东 雷国清 冀俊超 童利 周金芳 于 2021-04-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多层矩形波导功分结构的CTS天线,包括矩形波导馈电网络,以及与所述矩形波导馈电网络的输出端口连接的CTS辐射结构,所述矩形波导馈电网络包括一个一分N的矩形波导水平功率分配网络,以及N个一分M的矩形波导垂直功率分配网络,所述N个矩形波导垂直功率分配网络通过矩形波导弯头分别与所述矩形波导水平功率分配网络的N个输出端口相连接；所述N个矩形波导垂直功率分配网络沿水平方向等间距平行排列,其所在平面与矩形波导水平功率分配网络所在平面正交。本发明具有低损耗、低副瓣、低剖面等特点,适用于移动卫星通信、高速数据传输等应用场合。(The invention discloses a CTS antenna based on a multilayer rectangular waveguide power distribution structure, which comprises a rectangular waveguide feed network and a CTS radiation structure connected with an output port of the rectangular waveguide feed network, wherein the rectangular waveguide feed network comprises a one-to-N rectangular waveguide horizontal power distribution network and N one-to-M rectangular waveguide vertical power distribution networks, and the N rectangular waveguide vertical power distribution networks are respectively connected with N output ports of the rectangular waveguide horizontal power distribution network through rectangular waveguide elbows; the N rectangular waveguide vertical power distribution networks are arranged in parallel at equal intervals along the horizontal direction, and the plane where the N rectangular waveguide vertical power distribution networks are located is orthogonal to the plane where the rectangular waveguide horizontal power distribution networks are located. The invention has the characteristics of low loss, low side lobe, low profile and the like, and is suitable for application occasions of mobile satellite communication, high-speed data transmission and the like.)
技术领域
本发明涉及天线通讯技术领域，特别涉及一种基于多层矩形波导功分结构的CTS天线、天线装置。
背景技术
对于以非常高的数据率发射数据的无线信道的需求不断增长，特别是在移动卫星通信领域。然而，特别是在航空领域，缺少能够满足移动使用要求的条件的合适的天线，具体来说，诸如收发一体和低剖面天线。对于与卫星进行定向无线数据通信(例如，在Ku或Ka频带)，由于必须可靠地放置相邻卫星之间的干扰，所以同样对天线的副瓣性能有极高的要求。
根据卫星通信天线的规定要求，所有的管理规定意在确保在移动卫星天线的定向发射或接收操作期间在相邻的卫星之间不产生干扰。为了此目的，通常基于相对目标卫星的分离角来定义最大的输出主瓣宽度和副瓣电平，在天线系统的发射操作期间，必须不能超过针对特定副瓣电平的数值，在天线系统的接收操作期间，较低的副瓣电平也可以减小外界信号的干扰。这导致了对于根据该角度的天线特性的严格的要求。随着目标卫星的分离角减小，天线主瓣宽度需要减小，这就需要天线的输出相位配置和幅度配置而实现。因此，通常使用具有这些特性的抛物面天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器，抛物面因为尺寸较大具有很差的实用性。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，并且因此由于额外的空气阻力而必须具有最小的剖面高度。
由于通信系统对高传输速率和高可靠传输的需求日益增长，CTS天线作为一种良好性能和制造稳定性的平板天线正在成为先进天线系统的候选天线。因此，国际上很早就对CTS天线开展了一系列的研究，CTS(Continuous Transverse Stub，连续切向节天线)是一种波导缝隙天线，于二十世纪九十年代由美国雷神公司的William W.Milory最先提出，一提出就引起了学术界的强烈反响(Milroy,W.W.,“Continuous transverse stub(CTS)element devices and methods of making same,”U.S.patent 5,266,961,Aug.29,1991)。传统的CTS天线是由多个开口有切向缝隙的平行板波导组成，任何由平面波激励的平行板波导产生的纵向电流分量会被横向缝隙切断，辐射单元和平行板波导构成简单的T型结构，这种结构是一种非谐振结构，具有频带宽、交叉极化低，易于加工的特点，同时由于采用平行板波导这种非色散结构，使得传输损耗变低，天线效率显著提高。
上述连续切向节天线在实际应用情况下，辐射单元的工作带宽是比较宽的，但是天线的整体带宽受限于串联馈电方式和端口转换网络。为了增加天线整体带宽，实现波束定向，可以适当的改变馈电方式，可以设计出适用于并联馈电工作的CTS天线(Ettorre,M.,F.Foglia Manzillo,M.Casaletti,R.Sauleau,L.Le Coq,and N.Capet,“Continuoustransverse stub array for Ka-band applications,”IEEE Trans.Antennas Propag.,Vol.63,No.9,4798–4800,Sep.2015.)。Mauro Ettorre等人描述的是一种全金属16阵元的并馈CTS天线，天线工作在Ka波段，辐射单元由若干个等功分波导T型结产生等幅同相的准TEM信号激励，实验结果证明这是一种高增益、低剖面的CTS天线阵列。
但是，传统的CTS平板天线，采用等功分功分器级联组成馈电网络，对天线辐射单元进行等幅、同相馈电，天线效率较高，但是第一副瓣电平无法达到卫通的要求。这也直接导致了平板天线在卫星通信系统难以入网，使用率不高。鉴于上述原因，对传统的CTS平板天线进行分析，可以对天线辐射单元的辐射强度进行加权处理，采用锥型分布来实现副瓣电平的控制。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多层矩形波导功分结构的CTS天线、天线装置，具有低剖面、低损耗、低副瓣等特点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于多层矩形波导功分结构的CTS天线，包括矩形波导馈电网络，以及与所述矩形波导馈电网络的输出端口连接的CTS辐射结构，所述矩形波导馈电网络包括一个一分N的矩形波导水平功率分配网络，以及N个一分M的矩形波导垂直功率分配网络，N个矩形波导垂直功率分配网络通过矩形波导弯头分别与矩形波导水平功率分配网络的N个输出端口相连接，N个矩形波导垂直功率分配网络沿水平方向等间距平行排列，每个矩形波导垂直功率分配网络所在平面与矩形波导水平功率分配网络所在平面正交。
进一步地，所述矩形波导水平功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器，所述矩形波导垂直功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器；或者，所述矩形波导水平功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器，所述矩形波导垂直功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器。
进一步地，所述一分N的矩形波导水平功率分配网络包括若干一分二的矩形波导等分和不等分功率分配器，作用是在H平面内(所述垂直功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器时)或者E平面内(所述垂直功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器时)均等或不均等分配能量，所述功率分配器分支波导平面与TE10模磁场或者电场所在平面平行。
进一步地，所述一分M的矩形波导垂直功率分配网络包括若干一分二的矩形波导等分和不等分功率分配器，作用是在E平面内(所述水平功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器时)或者H平面内(所述水平功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器时)均等或不均等分配能量，所述功率分配器分支波导平面与TE10模电场或者磁场所在平面平行。
进一步地，所述矩形波导H面功率分配器包括一个H面T型结、两个矩形波导弯头、若干台阶以及两个输出臂；所述矩形波导E面功率分配器，包括一个E面T型结、两个矩形波导弯头、若干台阶以及两个输出臂；所述E面T型结或者H面T型结均由一个输入臂和两个水平臂连接构成，所述水平臂通过矩形波导弯头与输出臂连接。
进一步地，所述矩形波导弯头由相互垂直的矩形波导组成，其中波导相接处设有匹配结构。
进一步地，当所述水平功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器，垂直功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器时，所述CTS辐射结构包括若干个辐射单元，所述辐射单元为切向贯通的切向槽结构，由单级或多级开口逐渐增大的台阶或喇叭组成，所述切向方向为多个矩形波导垂直功率分配网络排列的方向。单个CTS辐射单元连接N个垂直功率分配网络的相同输出端口，N个垂直功率分配网络的相同输出端口排列间距小于λ，其中λ为最高工作频率的自由空间波长，M个CTS辐射单元的排列方向与切向方向正交，排列间距小于λ。
进一步地，当所述水平功率分配网络包括若干矩形波导E面功率分配器，垂直功率分配网络包括若干矩形波导H面功率分配器时，所述CTS辐射结构包括若干个辐射单元，所述辐射单元为横向贯通的横向槽结构，由单级或多级开口逐渐增大的台阶或喇叭组成，所述横向方向垂直于多个矩形波导垂直功率分配网络排列的方向。单个CTS辐射单元连接单个垂直功率分配网络的所有输出端口，N个垂直功率分配网络的相同输出端口排列间距小于λ，其中λ为最高工作频率的自由空间波长，N个CTS辐射单元的排列方向与横向方向正交，排列间距小于λ。
本发明还提供了一种天线装置，包括如上所述的CTS天线。
本发明还提供了一种终端设备，包括如上所述的天线装置。
本发明与现有技术相比，具有的以下有益效果：首先，本发明的天线采用矩形波导馈电，相比带状、微带线和共面波导，降低了整体系统因信号传输而引入的损耗，提高系统效率，这在毫米波频段下非常重要。其次，本发明天线采用新型树状馈电网络结构，这种结构不仅相对于传统的馈电结构剖面更低，因此重量更轻，并且该网络可以输出不等幅同相分布的激励信号，使得天线输出增益在达到目标要求的情况下，具有更低的副瓣；在加工方面，由于天线馈源的横截面在一维内是不变的，因此除了铣削可以使用更廉价，更大批量的制造技术，如注塑和挤塑工艺。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1示意地表示本发明公开实施实例CTS天线的正视图；
图2示意地表示本发明公开实施实例CTS天线的三维结构示意图；
图3示意地表示本发明公开实施实例CTS天线矩形波导E面不等分功分器的三维结构示意图；
图4示意地表示本发明公开实施实例CTS天线矩形波导E面不等分功分器的正视图；
图5示意地表示本发明公开实施实例CTS天线矩形波导H面等分功分器的三维结构示意图；
图6示意地表示本发明公开实施实例CTS天线矩形波导H面等分功分器的正视图；
图7示意地表示本发明公开实施实例CTS天线最后一级功分器和辐射单元的三维结构示意图；
图8示意地表示本发明公开实施实例CTS天线最后一级功分器和辐射单元的正视图；
图9示意地表示本发明公开实施实例CTS天线矩形波导弯头的三维结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、水平、垂直等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-9所示，本发明实施例提供的一种基于多层矩形波导功分结构的CTS天线，包括矩形波导馈电网络，以及与该矩形波导馈电网络输出端口连接的CTS辐射单元3；所述矩形波导馈电网络包括一个一分N的矩形波导水平功率分配网络1，以及N个一分M的矩形波导垂直功率分配网络2，N个矩形波导垂直功率分配网络2通过矩形波导弯头4分别与所述矩形波导水平功率分配网络1的N个输出端口相连接；所述N个矩形波导垂直功率分配网络2等间距平行排列，其所在平面与矩形波导水平功率分配网络1所在平面正交。
在一个实施例中，所述矩形波导水平功率分配网络1包括多个矩形波导H面等分功分器6和多个矩形波导H面不等分功分器7。
进一步地，所述矩形波导H面等分功分器6和矩形波导H面不等分功分器7为二路功率分配器，其中每个功率分配器均包括一个H面T型结、两个矩形波导弯头5、若干台阶以及两个输出臂13，所述H面T型结由一个输入臂11和两个水平臂12连接构成，所述水平臂12通过矩形波导弯头5与输出臂13连接，水平臂12的波导高度与输出臂的波导高度相等，在考虑导体损耗的情况下尽可能小。
进一步地，所述矩形波导垂直功率分配网络2包括多个矩形波导E面等分功分器8、矩形波导E面不等分功分器9。
进一步地，所述矩形波导E面等分功分器8和矩形波导E面不等分功分器9均为二路功率分配器，其中每个功率分配器由一个E面T型结、两个矩形波导弯头10、若干台阶以及两个输出臂16组成；所述E面T型结由一个输入臂14和两个水平臂15连接构成，所述水平臂15通过矩形波导弯头10与输出臂16连接，水平臂15的波导高度与输出臂的波导高度相等，在考虑导体损耗的情况下尽可能小。当所有辐射单元3以规定的方式所激励时，阵列天线的单元之间产生相互耦合辐射出能量。
进一步地，所述矩形波导E面等分功分器8、矩形波导E面不等分功分器9的结构如下：水平臂与输入臂交界处，水平臂下表面垂直方向设有若干第一台阶18，用于阻抗匹配；水平臂与输入臂交界处，水平臂上表面中轴线方向设有第二台阶17，用于输出端口隔离；矩形波导弯头10包括第三台阶20，用于阻抗匹配。所述第一台阶18、第二台阶17、第三台阶20均为矩形台阶。在本实施例中，所述第一台阶18为二级的阶梯状结构，其阶梯高度沿水平臂向两端梯度下降。
进一步地，所述矩形波导E面不等分功分器9具有相位补偿结构和功分比调整结构；所述相位补偿结构具体为：一边水平臂与一边输出臂的交界处，水平臂上表面向波导外侧开有第四台阶19(矩形台阶)，用于相位补偿；所述功分比调整结构具体为：通过调整第一台阶18中的两个最高阶梯21的高度差来实现输出端口功分比的调整。在本实施例中，所述第一台阶18中的两个最高阶梯21的高度差不等，通过改变水平臂枝节的输入阻抗，用于调整输出端的功分比；其中，功分比的调节范围为1～3，所述第一台阶18中的最高阶梯21的高度不超过0.75h，其中h为水平臂的波导高度。另外，通过改变第四台阶19的台阶高度与宽度，可以改变水平臂矩形波导的波导波长，所述第四台阶19用于补偿由第一台阶18的最高阶梯高度差带来的相位差，从而使输出臂的电磁波相位一致。其中，相位以0度为中心，正负20度可调。
进一步地，所述矩形波导H面等分功分器6、矩形波导H面不等分功分器7、矩形波导E面等分功分器8与矩形波导E面不等分功分器9通过改变台阶高度来改变端口的阻抗值。水平臂与输入臂交界处开有若干矩形台阶，这种多级阶梯作为水平臂的阻抗变换器用来匹配T型结和波导弯头。
进一步地，所述矩形波导垂直功率分配网络2的输出端口连接N*M辐射端口22，所述辐射端口22通过在H面延长并连接得到M个辐射单元3。
进一步地，能量通过矩形波导输入端口馈入，在矩形波导水平功率分配网络1的每一级功分器被均匀或不均匀的分配，然后通过矩形波导弯头4连接输入到矩形波导垂直功率分配网络2中，在矩形波导垂直功率分配网络2的每一级功分器被均匀或不均匀分配，最终到达末级输出端口的相位相同，幅度沿中轴线呈两端变平的泰勒分布。
进一步地，所述辐射单元3由波导阻抗变换器或波导缝隙实现；所述波导阻抗变换器由扇形喇叭结构(包括渐近线结构或直线结构)或多级开口逐渐增大的台阶实现。在阵面方向上，可以选择合适的单元间距以防止栅瓣的出现。
进一步地，所述馈电网络必须是非色散的，即非线性相位与幅度随频率的变化可以忽略不计。
进一步地，所述矩形波导既可以使用金属材料制作，如6061T6铝材质，也可以使用表面镀金属的低损耗微波介质材料制作，介质填充方式可以是部分填充或是整体填充。加工方式可以是铣削、注塑、挤塑工艺。为了使天线口径效率最大化，两个相邻辐射单元3之间的部分的宽度应被制成尽可能薄，设置为数控铣削、注塑、挤塑可以实现的最小尺寸，并且需要利用特定结构(如端板)装配、并保证装配精度。
在本发明的其中一个实施例中，如图1、2所示，根据本发明的原则实现的一种低副瓣并馈CTS天线实例。该天线实例使用矩形金属波导作为传输线，总体结构分为一分八的矩形波导水平功率分配网络以及与其垂直连接的八个一分十六的矩形波导垂直功率分配网络和具有十六个辐射单元的CTS辐射阵面，其中，矩形波导水平功率分配网络是一个沿中轴线对称的八路波导功分器，由三级二路矩形波导H面等分功分器6和矩形波导H面不等分功分器7组成，作用是将能量均匀或不均匀地分配至下一级，每个矩形波导功分器的设计均采用本发明描述的设计方法。矩形波导垂直功率分配网络是一个沿中轴线对称的十六路波导功分器，由四级二路矩形波导E面等分功分器8和矩形波导E面不等分功分器9组成，作用是将能量按一定比例分配至下一级，每个矩形波导功分器的设计均采用本发明描述的设计方法。辐射阵面由16*8个辐射端口通过在H面方向延长连接得到的十六个辐射单元3组成，作用是匹配波导与空气阻抗，将能量辐射至自由空间。天线工作时，射频能量通过矩形波导输入端口馈入，能量在每一级功分器的两个水平臂间被均匀或不均匀分配，最终到达树状馈电网络最后一级输出端口的能量相位相同，幅度沿中轴线呈两端变平的泰勒分布。
如图3、4所示，所述的矩形波导E面功分器由一个E面T型结、两个矩形波导弯头10、若干台阶以及两个输出臂16组成；所述E面T型结由一个输入臂14和两个水平臂15连接构成，所述水平臂15通过矩形波导弯头10与输出臂16连接。两个输出臂16与输入臂14平行放置，中间有一条水平臂15连接输入输出端口。由于水平臂第一台阶18波导高度与波导阻抗关系简单，通过控制第一台阶18波导高度来控制功分器功分比的这种设计方法简单易行，且左右两端高度差越大，两个输出端口的输出功分比越大。水平臂与输入臂交界处，水平臂下表面垂直方向设有若干第一台阶18，用于阻抗匹配；水平臂与输入臂交界处，水平臂上表面中轴线方向设有第二台阶17，用于输出端口隔离；矩形波导弯头10包括第三台阶20，用于阻抗匹配，可以选择合适的第三台阶大小，用来截止不需要的高阶模式。所述第一台阶18、第二台阶17、第三台阶20均为矩形台阶。
如图5、6所示，所述H面等分功分器包括一个H面T型结、两个矩形波导弯头5、若干台阶以及两个输出臂13，所述H面T型结由一个输入臂11和两个水平臂12连接构成，所述水平臂12通过矩形波导弯头5与输出臂13连接，水平臂12的波导高度与输出臂的波导高度相等，在考虑导体损耗的情况下尽可能小。
图7、8为辐射单元3和最后一级功分器示意图，其中输入臂14与输出臂16平行放置，阻抗变换器为扇形喇叭结构23，用于辐射能量。通过阻抗变换器和最后一级功分器的组合实现阻抗匹配。
图9为矩形波导弯头示意图，其中矩形第三台阶20为阻抗匹配结构。
本发明的CTS天线可以应用于相应的天线装置。进一步地，所述天线装置还可以安装在各类终端设备上，如通讯基站、车载天线终端、卫星终端等。
以上是本发明实施例的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及一些没有做出创造性劳动前提下的替代方式制作出本低副瓣并馈CTS天线。本发明天线具有低剖面、高效率等特点，适合作为定向天线使用。但是，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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