CN101272005A - 具有介质锥馈源的双镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有介质锥馈源的双镜天线，包括主面、副面、馈电波导，副面通过介质锥固定在馈电波导上，介质锥的锥顶部位设有1/4波长阻抗变换器与馈电波导连接，介质锥的侧表面设有1/4波长的波纹槽，副面的顶点处设有半张角为65°－80°的匹配锥。介质锥价格低廉，副面、介质锥与馈电波导之间结构紧凑、安装方便，且介质锥馈源还利用了介质与周围空气界面上的全反射的特点，使双镜天线具有理想的电性能。

Description

具有介质锥馈源的双镜天线

技术领域

本发明涉及一种天线装置，尤其涉及一种具有介质锥馈源的双镜天线。

背景技术

双镜天线是由主反射镜，副反射镜和馈电喇叭所组成。副反射镜既可用金属支杆支撑在主反射镜上，又可用金属支杆支撑在馈电喇叭上。

现有技术中的双镜天线，利用波纹喇叭作为馈源，并用金属支杆来支撑副面。

上述现有技术至少存在以下缺点：

结构复杂、安装不方便、馈电喇叭价格昂贵，且由于支撑副面的支杆对于方位角度的非对称性和对电磁波的非透明性，造成了天线交叉极化电平的升高和由于口面遮挡而造成的天线效率的下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种价格低廉、结构紧凑、安装方便，且具有理想电性能的具有介质锥馈源的双镜天线。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的具有介质锥馈源的双镜天线，包括主面、副面、馈电波导，所述副面通过介质锥固定在所述馈电波导上，所述介质锥由介质材料做成，所述介质锥的锥顶部位固定在所述馈电波导上，所述介质锥的锥底部位与所述副面连接；

所述介质锥的侧表面开有波纹槽，所述波纹槽的槽深小于或等于1/4波长，所述波长为波在自由空间的波长。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的具有介质锥馈源的双镜天线，由于副面通过介质锥固定在馈电波导上，介质锥的侧表面开有1/4波长深的波纹槽。介质锥价格低廉，副面、介质锥与馈电波导之间结构紧凑、安装方便，且介质锥馈源还利用了介质与周围空气界面上的全反射的特点，具有理想的电性能。

附图说明

图1为本发明具有介质锥馈源的双镜天线的结构示意图；

图2为本发明中介质锥的结构示意图；

图3为本发明中设计副面匹配锥的原理图。

具体实施方式

本发明的具有介质锥馈源的双镜天线，其较佳的具体实施方式如图1所示，包括主面1、副面3、馈电波导2，副面3通过介质锥4固定在馈电波导2上，介质锥4由介质材料做成，介质锥4的锥顶部位固定在馈电波导2上，介质锥4的锥底部位与副面3连接。这样，介质锥4一方面起到双镜天线的馈源的作用；另一方面起到固定副面3的作用。

如图2所示，介质锥4的侧表面可以开有波纹槽5，形成阻抗变换器，用于实现介质锥4向空间的过渡，波纹槽5的槽深可以小于或等于1/4波长，这里所说的波长为波在自由空间的波长。具体可以让波纹槽5的槽深等于1/4等效波长，等效波长指波在波纹槽5处的等效波长。当然根据需要波纹槽5的槽深可以选用其它的深度。

波纹槽5的槽宽w与齿厚t的比可以由公式： $\frac{w}{t}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+{\mathrm{\ϵ}}_e}{{\mathrm{\ϵ}}_e-1}$ 确定，式中：ε_r为所述介质材料的介电常数；ε_e为波纹槽5处的等效介电常数。

具体波纹槽5的槽宽w与齿厚t的比也可以等于7.00～7.05，如7.03等，根据需要也可以选用其它优选的数值。

介质材料的介电常数可以为ε_r＝2.3～2.7，如介电常数为2.4、2.5、2.6等，根据需要也可以选用其它的介电常数。介质材料可以选用聚苯乙烯、聚四氟乙烯等，或其它的介质材料。

介质锥4的半张角θ1由以下原则确定：θ1≥θic+θc-90°

式中：θic为在介质材料与自由空间之间的界面处发生全反射的临界入射角；θc为由馈电波导2从副面3漏失掉的电磁波的最大漏失角。

最大的漏失角θc可以小于等于90°，如选取θc小于或等于80°，可以选取介质锥4的半张角θ1大于或等于30°。

介质锥4的锥顶部位可以开有1/4波长阻抗变换器6，并通过1/4波长阻抗变换器6与馈电波导2连接，同时用于实现介质锥4与馈电波导2之间的波阻抗匹配。

副面3的顶点处设有匹配锥7，匹配锥7的锥顶朝向馈电波导2；匹配锥7的锥底部位与副面3连接。匹配锥7的半张角可以等于65°-80°，如70°、75°，通过此锥使由原来反射到馈电波导2的能量反射到主面1的远离波导2的区域中去。

如图3所示，匹配锥7的锥底可以根据以下原则确定：

首先，求取所述副面在所述主面上遮挡的边缘点A；

然后，连接所述边缘点A与所述双镜天线的焦点O₁，所述边缘点A与所述焦点O1的连线与所述副面的交点B即为所述匹配锥7的锥底的外缘上的点，也可以选取交点B附近的点为匹配锥的锥底的外缘上的点。即以双镜天线的轴线为对称轴，以交点B做圆，作为匹配锥7的锥底。

本发明中的介质锥馈源由馈电波导和半张角为θ1的介质锥所构成，很象波纹馈源，它传播的模是平衡混合模(HE₁₁模)。因此介质锥馈源具有波纹喇叭所有的电性能上的优点，比波纹喇叭更进一步，介质锥馈源还利用了介质与周围空气界面上的完全内反射的特点，因而它具有较高的效率并且提供了控制副面漏失的一种有效方法，并且它的结构简单，生产成本低廉，是一种造价低廉的高性能馈源，很适合用于给双镜天线馈电。

介质锥的半张角θ1可以由馈电波导辐射场从副面漏失掉的电磁波的最大漏失角θc和介质锥的临界入射角θic决定。若介质锥的介电常数为ε_r，则介质锥的临界入射角 $\mathrm{\θic}=\arcsin \left(\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\right),$ θic的余角就是介质锥的母线与馈电波导的全部内反射的空间射线之间的夹角，从而由θc和θic就确定了介质锥的半张角θ1≥θic+θc-90°，此时馈电波导辐射场全部反射到副面。

本发明中，介质锥馈源利用了介质锥与空气界面处的全部内反射的介质材料的特性，将由馈电波导中所辐射的能量主要都集中在介质锥所占据的空间区域，因此减少了从副面的漏失能量，从而提高了天线的效率，同时，介质锥还可对副面起支撑作用。

本发明在副面的顶点处安装一个半张角为65°-80°的匹配锥，通过此匹配锥使由原来反射到馈电波导的能量反射到主面的远离圆波导的区域中去，改善了介质锥馈源对馈电波导的匹配，同时又控制了天线口面场的分布。

本发明在介质锥表面开

波长深的波纹槽，利用

阻抗变换器的原理来实现介质锥到空间的过渡，改善了介质锥对自由空间的匹配。

具体实施例：

首先，选介电常数ε_r＝2.5的聚苯乙烯作为介质锥的材料，它的全部内反射的临界入射角θic＝39.2°。让由馈电圆波导的在离轴80°以内的辐射能量都集中在介质锥之内，则介质锥的半张角θ1应大于或等于29.2°，实际取θ1＝30.2°

然后，确定介质锥表面上的波纹槽的几何尺寸：

介质锥中的波阻抗 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\ϵr}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_o}{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_o}}=0.63\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_o}{{\mathrm{\ϵ}}_o}}=0.63\×120\mathrm{\π}\left(\mathrm{\Ω}\right),$

式中，自由空间的波阻抗为η_o＝120π(Ω)，

由此可知波长的波纹槽阻抗变换器的波阻抗 ${\mathrm{\η}}_T=\sqrt{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\ϵr}}{\mathrm{\η}}_o}=0.8\×120\mathrm{\π}\left(\mathrm{\Ω}\right),$

由 ${\mathrm{\η}}_T=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_o}{{\mathrm{\ϵ}}_e{\mathrm{\ϵ}}_o}}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}120\mathrm{\π}$ 即可算出

波长阻抗变换器中的等效介电常数ε_e＝1.58，

由ε_e可确定波纹槽阻抗变换器中的等效波长 ${\mathrm{\λ}}_e=\frac{{\mathrm{\λ}}_o}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}=0.8{\mathrm{\λ}}_o.$

式中λ_o为自由空间的电磁波的波长，因此波纹槽的槽深 $d=\frac{{\mathrm{\λ}}_e}{4}=0.2{\mathrm{\λ}}_0.$

同时由等效介电常数ε_e也可确定波纹槽的槽宽w与齿厚t的比

w+tε_r＝(w+t)ε_e， $\frac{w}{t}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+{\mathrm{\ϵ}}_e}{{\mathrm{\ϵ}}_e-1}=7.03.$

之后，将介质锥在馈电圆波导内部的部分利用三段

波长阻抗变换器对波导的波阻抗进行匹配，三个阶梯不连续处的反射系数既可按二项式分布又可按契比雪夫多项式分布。以便在一预先规定的带宽内，得到极低的总反射系数。

最后，进行副面顶点处的匹配锥的设计：

副面与匹配锥均可由金属制作，该匹配锥的作用有两个，一个是减小由副面顶点附近区域向馈电圆波导的反射从而改善馈源的电压驻波比，另一个是将被副面遮挡的那部分能量分配给未被副面遮挡的主反射器的区域中去，从而提高天线的口面效率。具体设计步骤如下：

如图3所示，由副面3的直径d及主面1的顶点至焦点的距离F并通过公式： $\mathrm{tg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_1}{2}=\frac{d}{4F},$ 计算出相应于副面遮挡主面1的边缘点A与主面1的外缘的夹角ψ₁值。

可以根据ψ₁来计算出相应于ψ₁的副面上的点B离开对称轴的距离γ_o：

${\mathrm{\γ}}_o=\frac{f(1+e)}{1+e\cos {\mathrm{\ψ}}_1}\sin {\mathrm{\ψ}}_1,$ 式中e为双曲线的偏心率，f为双曲线的焦距。

在副面3上的点B处作半锥角为65-80°的金属锥。

可以利用几何光学射线追迹法，计算出由该副面顶点匹配锥反射的射线是否落在所希望的主反射器的那个区域内。若是则设计结束；若不是则重新选定匹配锥的半锥角，再进行计算，直到是为止。

可以检验主反射器口面场分布，特别是相位分布，若严重不同相，则应改变天线的几何参数，重复匹配锥的半锥角的选择和计算，直到口面相差小于22.5°为止。

本发明中的介质锥既可用商业上适合的介质棒车削而成又可利用模压工艺模塑而成。

金属副面和金属匹配锥既可用适合的金属棒材车削而成，又可采用电镀工艺、真空离子镀工艺将副面及其匹配锥直接镀在介质锥与其接触的表面上，若副面及其匹配锥是由机加工而成型，则可以应用导电胶将副面及其匹配锥固定在介质锥上。介质锥与馈电波导的固定可用树脂胶将介质锥连接在馈电波导上。将介质锥馈源与副面做成一个整体，既便于安装，又有结构紧凑，牢固耐用等特点。

本发明提供利用介质锥馈源来替代价格昂贵的波纹喇叭，而介质锥馈源既对副面起到结构支撑的作用，又利用了介质锥馈源的极其优良的电气特性，可以制作低造价高性能的双镜天线，同时也可以用于将前馈抛物面天线改造为高性能的双镜天线。

本发明充分利用介质锥馈源的优良的电特性和对副面的支撑作用，使得双镜天线价格低廉、结构紧凑、安装方便，且具有理想电性能。这样的双镜天线具有高效率低旁瓣，低的交叉极化电平。在标准双曲面副面的顶点附近安置一个半锥角为65-80°的匹配器，并在介质锥侧面开波纹槽，可改善副面对馈电波导的匹配并进一步提高天线的效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种具有介质锥馈源的双镜天线，包括主面、副面、馈电波导，其特征在于，所述副面通过介质锥固定在所述馈电波导上，所述介质锥由介质材料做成，所述介质锥的锥顶部位固定在所述馈电波导上，所述介质锥的锥底部位与所述副面连接；

所述介质锥的侧表面开有波纹槽，所述波纹槽的槽深小于或等于1/4波长，所述波长为波在自由空间的波长。

2、根据权利要求1所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述波纹槽的槽深等于1/4等效波长，所述等效波长为波在所述波纹槽处的等效波长。

3、根据权利要求1或2所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述波纹槽的槽宽w与齿厚t的比 $\frac{w}{t}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+{\mathrm{\ϵ}}_e}{{\mathrm{\ϵ}}_e-1},$ 式中：ε_r为所述介质材料的介电常数；ε_e为所述波纹槽处的等效介电常数。

4、根据权利要求3所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述波纹槽的槽宽w与齿厚t的比

等于7.00～7.05。

5、根据权利要求1所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述介质材料的介电常数为ε_r＝2.3～2.7，所述介质锥的半张角θ1由以下原则确定：

θ1≥θic+θc-90°

式中：θic为所述介质材料发生全反射的临界入射角；θc为由所述馈电波导从所述副面漏失掉的电磁波的最大漏失角。

6、根据权利要求5所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述介质材料为聚苯乙烯，所述的最大的漏失角θc小于或等于80°，所述介质锥的半张角θ1大于或等于30°。

7、根据权利要求1所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述介质锥的锥顶部位设有1/4波长阻抗变换器，并通过所述1/4波长阻抗变换器与所述馈电波导连接。

8、根据权利要求1所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述副面的顶点处设有匹配锥，所述匹配锥的锥顶朝向所述馈电波导；所述匹配锥的锥底部位与所述副面连接。

9、根据权利要求8所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述匹配锥的半张角等于65°-80°。

10、根据权利要求8或9所述的具有介质锥馈源的双镜天线，其特征在于，所述匹配锥的锥底根据以下原则确定：

首先，求取所述副面在所述主面上遮挡的边缘点A；

然后，连接所述边缘点A与所述双镜天线的焦点O₁，所述边缘点A与所述焦点O1的连线与所述副面的交点B即为所述匹配锥的锥底的外缘上的点。

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