本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信，更具體地，涉及一種折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列。

背景技術(shù)：

1、衛(wèi)星通信因其具備廣泛覆蓋、不受地理?xiàng)l件束縛的特性，在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于通信距離較遠(yuǎn)，特別是在毫米波頻段，電磁波引起的路徑損耗和遮擋會(huì)顯著降低信噪比。為了確保穩(wěn)定有效的通信，衛(wèi)星通信必須倚賴高增益的終端設(shè)備，以集中輻射和接收微弱信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，衛(wèi)星通信天線設(shè)計(jì)需要采用相對(duì)較窄的波束寬度，同時(shí)保證廣泛的覆蓋范圍。

2、基于無源波束成形網(wǎng)絡(luò)的毫米波多波束天線具有低成本、低損耗等優(yōu)勢(shì)，它能夠生成多個(gè)高增益獨(dú)立定向波束，以覆蓋預(yù)期的大角度范圍，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。butler矩陣和blass矩陣是當(dāng)前主流的無源波束成形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。傳統(tǒng)butler矩陣由固定移相器、交叉耦合器和90°電橋構(gòu)成，這些組件在butler矩陣中相互協(xié)同，可生成多個(gè)正交波束。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代butler矩陣采用引入180°耦合器和基片集成波導(dǎo)(substrate?integrated?waveguide，siw)結(jié)構(gòu)等方式進(jìn)行了多種優(yōu)化改進(jìn)，以滿足當(dāng)今衛(wèi)星通信的高頻和廣覆蓋等應(yīng)用需求。butler矩陣中需要大量的耦合器和移相器，其布局和結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。相比之下，blass矩陣作為一種較為靈活的波束成形網(wǎng)絡(luò)，能夠生成任意數(shù)量和任意指向的波束。它采用多路行波饋電方式，配合饋線路徑上的定向耦合器來實(shí)現(xiàn)功率和相位的分配，從而實(shí)現(xiàn)多波束功能。然而，盡管采用了siw等平面?zhèn)鬏敿夹g(shù)，助力上述多波束天線實(shí)現(xiàn)小型化、集成化，但其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)仍然存在尺寸較大的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提出了一種折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，基于無源波束成形網(wǎng)絡(luò)，包括輻射陣列和折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)；所述折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)的下層結(jié)構(gòu)和上層結(jié)構(gòu)緊密接觸，實(shí)現(xiàn)能量耦合傳輸。

3、在一些可選的實(shí)施方案中，所述輻射陣列為n個(gè)輻射單元以半波長(zhǎng)長(zhǎng)度等距線陣排列。

4、在一些可選的實(shí)施方案中，所述輻射單元為圓極化天線。

5、在一些可選的實(shí)施方案中，所述圓極化天線為x形縫隙圓極化天線。

6、在一些可選的實(shí)施方案中，所述折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)為折疊的多模波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有n個(gè)輸入端口和n個(gè)輸出端口；所述多模波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)每個(gè)端口輸入的信號(hào)進(jìn)行等功率值分配，在n個(gè)輸出端口均輸出具有固定相位差的等功率信號(hào)。

7、在一些可選的實(shí)施方案中，所述折疊的多模波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是指對(duì)多模波束成形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行空間折疊處理，整個(gè)多模網(wǎng)絡(luò)一部分位于下層結(jié)構(gòu)，另一部分位于上層結(jié)構(gòu)，下層結(jié)構(gòu)和上層結(jié)構(gòu)間進(jìn)行能量耦合傳輸。

8、在一些可選的實(shí)施方案中，所述多模波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)波形變換器、一個(gè)多模腔和一個(gè)補(bǔ)充移相器組成，其中波形變換器位于下層結(jié)構(gòu)，波形變換器和補(bǔ)充移相器位于上層結(jié)構(gòu)，多模腔的一半位于下層結(jié)構(gòu)，另一半位于上層結(jié)構(gòu)。

9、在一些可選的實(shí)施方案中，所述能量耦合是指在下層結(jié)構(gòu)的頂部和上層結(jié)構(gòu)的底部的相同位置處各包含相同形狀的耦合縫隙。

10、在一些可選的實(shí)施方案中，所述耦合縫隙為矩形耦合縫隙。

11、在一些可選的實(shí)施方案中，所述緊密接觸可以是兩層pcb板的銅層緊密接觸；所述折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)為基片集成波導(dǎo)siw結(jié)構(gòu)，由下層pcb板和上層pcb板組成；下層pcb板的頂部銅層和上層pcb板的底部銅層挖除耦合縫隙，兩銅層受力緊密相連。

12、在一些可選的實(shí)施方案中，所述緊密接觸可以是兩層矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)外壁緊密接觸；所述折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由上層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和下層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成；上層波導(dǎo)的底部和下層波導(dǎo)的頂部挖除耦合縫隙，兩波導(dǎo)受力緊密相連。

13、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

14、1)與現(xiàn)有技術(shù)相比，多模波束成形網(wǎng)絡(luò)無需大量使用耦合器，從根本上解決了blass矩陣、butler矩陣等無源網(wǎng)絡(luò)所帶來的尺寸龐大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高的問題。

15、2)通過對(duì)折疊結(jié)構(gòu)的精心優(yōu)化設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)的多模波束成形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了尺寸的減半。該設(shè)計(jì)在當(dāng)今小型化、便攜式的移動(dòng)衛(wèi)星通信設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，基于無源波束成形網(wǎng)絡(luò)，包括輻射陣列(1)和折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)(2)；所述折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)(2)的下層結(jié)構(gòu)(21)和上層結(jié)構(gòu)(22)緊密接觸，實(shí)現(xiàn)能量耦合傳輸。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述輻射陣列(1)為n個(gè)輻射單元(11)以半波長(zhǎng)長(zhǎng)度等距線陣排列。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小型陣列，其特征在于，所述輻射單元(11)為圓極化天線。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述圓極化天線為x形縫隙圓極化天線。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)(2)為折疊的多模波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有n個(gè)輸入端口和n個(gè)輸出端口；所述多模波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)每個(gè)端口輸入的信號(hào)進(jìn)行等功率值分配，在n個(gè)輸出端口均輸出具有固定相位差的等功率信號(hào)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述折疊的多模波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是指對(duì)多模波束成形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行空間折疊處理，整個(gè)多模網(wǎng)絡(luò)一部分位于下層結(jié)構(gòu)(21)，另一部分位于上層結(jié)構(gòu)(22)，下層結(jié)構(gòu)(21)和上層結(jié)構(gòu)(22)間進(jìn)行能量耦合傳輸。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述多模波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)波形變換器、一個(gè)多模腔和一個(gè)補(bǔ)充移相器組成，其中波形變換器(24)位于下層結(jié)構(gòu)(21)，波形變換器(25)和補(bǔ)充移相器(26)位于上層結(jié)構(gòu)(22)，多模腔(27)的一半位于下層結(jié)構(gòu)(21)，另一半位于上層結(jié)構(gòu)(22)。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述能量耦合是指在下層結(jié)構(gòu)(21)的頂部和上層結(jié)構(gòu)(22)的底部的相同位置處各包含相同形狀的耦合縫隙。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述耦合縫隙(23)為矩形耦合縫隙。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述緊密接觸可以是兩層pcb板的銅層緊密接觸；所述折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)(2)為基片集成波導(dǎo)siw結(jié)構(gòu)(3)，由下層pcb板(31)和上層pcb板(32)組成；下層pcb板(31)的頂部銅層(311)和上層pcb板(32)的底部銅層(321)挖除耦合縫隙，兩銅層受力緊密相連。

11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，其特征在于，所述緊密接觸可以是兩層矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)外壁緊密接觸；所述折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)(2)為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由上層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和下層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成；上層波導(dǎo)的底部和下層波導(dǎo)的頂部挖除耦合縫隙，兩波導(dǎo)受力緊密相連。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種折疊多模結(jié)構(gòu)的小型陣列，屬于衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域，基于無源波束成形網(wǎng)絡(luò)，包括輻射陣列和折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)；折疊多模波束成形網(wǎng)絡(luò)的下層結(jié)構(gòu)和上層結(jié)構(gòu)緊密接觸，實(shí)現(xiàn)能量耦合傳輸。多模波束成形網(wǎng)絡(luò)無需大量使用耦合器，從根本上解決了Blass矩陣、Butler矩陣等無源網(wǎng)絡(luò)所帶來的尺寸龐大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高的問題。通過對(duì)折疊結(jié)構(gòu)的精心優(yōu)化設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)的多模波束成形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了尺寸的減半。該設(shè)計(jì)在當(dāng)今小型化、便攜式的移動(dòng)衛(wèi)星通信設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：胡博,徐俊,鄭生全,王文卓,余旭濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9