CN101505006A - 副反射器与馈源共用的馈源结构及其构成的双频段天线 - Google Patents

Abstract

一种副反射器与馈源共用的馈源结构及其构成的双频段天线，共用的馈源结构主要是由副反射器削锥与副反射器环绕部之间形成缝隙环构成微带天线构成，双频段天线是以共用的馈源结构构成的双频段天线。本发明以Ka频段紧凑型环焦双反射面天线为例，在不影响Ka频段性能的前提下，对Ka频段环焦双反射面天线的辐反射器进行改造形成S频段微带天线，获得双频段天线性能，使该副反射器成为S频段的馈源来照射主反射器，从而获得S频段的天线性能。本发明的馈源结构原理简单、易于实现，由该馈源结构构成的双频段天线结构简单、性能优良、应用广泛。

Description

副反射器与馈源共用的馈源结构及其构成的双频段天线

技术领域

本发明涉及一种馈源结构，特别是一种利用Ka频段天线的副反射器作为S频段天线馈源的共用馈源结构及利用该馈源结构构成的双频段天线。

背景技术

随着无线技术应用的不断深入和广泛，各种应用平台(如飞船、卫星、空间探测器、飞行器等)所需要实现的任务也越来越多，这会引起应用平台的天线布设空间的紧张。将实现不同性能的天线结构集成起来，来实现原本需要多个天线才能完成的功能，是缓解天线布设空间紧张的一个途径，也是增添新的频率应用、增加新的功能应用的迫切需要。

对工作在不同频段的天线进行结构集成设计是系统平台天线结构集成化设计的难题之一。作为应用平台上无线系统应用的设备，双反射面天线获得十分广泛的应用。双反射面天线结构具有宽带特性，但对于需要工作在两个在频谱上相差较远的频段进行高增益天线设计而又不能增加新天线，只能利用原来反射面时，还需要增加馈源，解决新馈源的放置问题，同时还要避免新馈源对原来辐射的遮挡。而现有技术中的有限平台布局的天线结构还很难满足集成化设计的需求，因此功能集成化天线结构的需求越来越迫切。

鉴于应用平台对天线的特殊要求，天线作为天线电磁信号的发射/接收端既要满足其电性能又要能够承受平台运动过程中的冲击，同时还要能够承受各种机械扰动。因此天线对应新增频段的电性能、结构刚度、结构强度也要求很难，结构设计难度很大，现有公开的或已知的S频段馈源以及双频段天线结构很难满足应用需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种副反射器与馈源共用的馈源结构及其构成的双频段天线，该馈源结构原理简单、易于实现，由该馈源结构构成的双频段天线结构简单、性能优良、应用广泛。

本发明的技术解决方案是：一种副反射器与馈源共用的馈源结构，包括：副反射器削锥、两个探针、介质支撑、空腔、销、3dB电桥、金属盒、副反射器环绕部，副反射器削锥与副反射器环绕部之间形成缝隙环构成微带天线，副反射器削锥与副反射器环绕部通过空腔中心的销和穿过空腔、副反射器环绕部中的介质支撑相连接，副反射器销锥通过介质支撑中的两个探针与同轴线连接用于馈电，探针的下方连接3dB电桥，副反射器环绕部的底部与金属盒加工为一体用于对3dB电桥进行保护。

所述副反射器削锥作为微带天线的辐射单元，副反射器环绕部作为微带天线的地板。

所述微带天线的接收频率为S频段或L频段。

所述的缝隙环宽度小于微带天线接收频率的工作波长，周长约为微带天线接收频率的一个波长。

所述的副反射器削锥与副反射器环绕部的母线由同一双曲线旋转得到。

一种由副反射器与馈源共用的馈源结构构成的双频段天线，包括主反射器、权利要求1所述馈源结构、Ka频段馈源，权利要求1所述馈源结构通过四个介质支撑杆安装在主反射器的上方，Ka频段馈源穿过主反射器中心孔与主反射器旋转连接，Ka频段馈源正对权利要求1所述馈源结构，Ka频段馈源照射权利要求1中所述馈源结构中的副反射器，来自Ka频段馈源的电磁波经副反射器反射，照射到主反射器上，获得Ka频段的天线波束，权利要求1中所述馈源结构中的馈源直接照射主反射器，获得该馈源对应频段的天线波束。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的共用馈源结构回避了在副反射器上做频率选择面(FSS)的设计方案和加工工艺，采用对Ka频段天线副反射器的结构进行改变形成副反射器与馈源共用的馈源结构。在设计中，为了使Ka频段天线的副反射器能够辐射S频段电磁波，在副反射器上制作缝隙环，使副反射器缝隙内的主体部分(副反射器削锥)作为变形的S频段微带天线辐射单元，缝隙外的副反射器部分(副反射器环绕)成为变形微带天线的地板，从而形成一个变形的微带天线，整个副反射器的整体形状仍然满足Ka频段天线副反射器的形状要求，通过激励该变形微带天线辐射S或L频段电磁波，成为S或L频段反射器天线的馈源，该副反射器与馈源共用的馈源结构原理简单、成本低、易于实现。

(2)由共用馈源结构组成的双频段天线实现了一个天线结构进行双频段工作，而不改变天线的整体结构，也不增加天线重量和改变天线质心，更不会影响天线的运动惯量和转动惯量，因此本发明的设计难度很小，便于天线转动机构的设计，并且性能优良，该天线的设计思路不仅可以用于设计Ka/S天线，也可以用于Ku/S、Ku/L、Ka/L等频段的频率复用天线设计，对类似的多频段天线设计具有很强的借鉴意义。

附图说明

图1为双反射面天线结构图；

图2为副反射器作为S波段馈源的外形图；

图3为副反射器作为S频段馈源的结构组成图；

图4为本发明双频段天线S频段天线辐射方向图；

图5为本发明双频段天线Ka下行频率天线辐射方向图；

图6为本发明双频段天线Ka上行频率天线辐射方向图。

具体实施方式

下面以Ka/S频段为例对本发明进行详细的描述：

为了实现Ka/S双频共用，满足Ka频段接收左旋圆极化，发射右旋圆极化，S频段接收圆极化波，Ka频段点波束天线采用环焦天线形式，环焦天线是一种结构紧凑的双反射面天线，具有次级遮挡小、低旁瓣和低交叉极化等优点，其结构形式如图1所示，主要由主反射器10、副反射器11、Ka频段馈源组件12、锁紧/释放装置13、指向结构14和安装板15等组成，其中Ka频段馈源组件12包括波纹喇叭、圆极化器、正交模耦合器和旋转关节组成，Ka频段馈源照射副反射器，来自馈源的电磁波经副反射器反射，照射到主反射器上，获得Ka频段的天线波束。S频段天线形式为单反射器正馈天线，S频段天线通过改变环焦天线副反射器的构型，使该副反射器成为S频段的馈源，S频段馈源直接照射主反射器，获得S频段的天线波束，而实现Ka/S双频共用是该天线的设计目标。这样，Ka频段的副反射器与S馈源成为一体结构，它既能够满足Ka频段副反射器的功能与性能，又能作为S馈源向主反射器照射圆极化电磁波。由于Ka频段天线及其相关组件的设计已经成熟，对于Ka频段的组件本发明不进行详细介绍和说明，只对该改造自副反射器的S频段馈源进行重点阐述。

由于副反射器放置在主反射器的正前方，若该副反射器能够辐射S频段电磁波照射主反射器，就可以获得S频段的辐射波束。由于天线波束遮挡以及副反射器尺寸的限制，S频段馈源的设计只能使用微带天线方案。在该微带天线的设计中，为了使该副反射器能够辐射S频段电磁波，本发明的做法是将副反射器分为两部分，一部分作为微带天线的辐射单元，而另一部分则为微带天线的地板，整个副反射器的整体形状仍然满足Ka频段副反射器的形状要求，缝隙环的设计以满足Ka频段微放电要求且不影响Ka频段的性能为条件。在副反射器上制作缝隙环，如图2所示，副反射器缝隙内的主体部分—副反射器削锥31作为变形的S频段微带天线辐射单元，缝隙外的副反射器部分—副反射器环绕部38成为变形微带天线的地板，从而形成一个变形的微带天线，通过激励该变形微带天线，就可以辐射S频段电磁波，成为S频段天线的馈源，S频段天线馈源直接照射主反射器，形成了S频段波束，使该天线具有了新增的S频段天线性能。绕母线旋转所得的副反射面轮廓由满足设计要求的Ka频段环焦双反射面天线的结构尺寸确定，副反射器轮廓由一母线旋转而得，该母线轨迹为基于双曲线进行赋形优化而得。导电地板直径与副反射器一致，副反射器削锥的直径由S频段工作频率确定，该缝隙环的周长约为S频段工作频率的一个波长。副反射器削锥与环绕部分有一定间距，形成缝隙环，且两部分满足同一双曲线作为母线的剖面结构。该缝隙环具有一定的宽度，该宽度要求远小于S频段的工作频率的波长，同时有满足天线在Ka频段Ka喇叭照射副反射反射时的功率容量要求。

作为S频段馈源的微带天线利用了Ka副反射器的结构，对副反射器进行改造，将副反射器中心削锥部分与其他部分分离，且在两者之间挖出圆柱形空腔。S频段天线馈源与副反射器共用的结构如图3所示，为实现圆极化辐射性能，该S频段馈源由副反射器削锥31、探针32、介质支撑33、空腔34、销35、3dB电桥36、金属盒37、副反射器环绕部(微带天线地板)38和SMA插座39等组成。微带贴片，即副反射器销锥31，通过两个探针32与同轴线直接连接进行馈电，以形成较高的端口隔离度的正交线极化天线。该微带天线使用双馈点探针(同轴硬连接的内导体延长部分)馈电，调整馈点位置使天线在S频段获得良好的端口匹配，同时两个端口可以实现较高的端口隔离，对其中任一个端口单独馈电可以获得良好的线极化辐射。若对两个端口同时馈电，且幅度相同相位相差90度，则可以实现圆极化电磁波辐射。副反射器削锥31和副反射器环绕部38之间由空腔34中心Φ5的销35和介质支撑33连接，探针32所穿过介质支撑33，Φ5销35和介质支撑33同时起定位和支撑作用，以保证副反射器的型面精度，有效地提高了天线的结构稳定性。要实现对两个馈电端口实现等幅相差90度的激励，需要在下方接3dB电桥36，金属盒37具有对3dB电桥36的保护作用，提高了天线在空间环境的适应性能力，金属盒37由五面开口盒与一个金属盖板组成，金属盒37的五面与副反射器环绕部38的底部连接，并加工为一体结构，并在一侧安装SMA插座39用于连接射频电缆。空腔34为微带天线不可缺少的组成部分，它的存在使天线端口阻抗匹配成为可能。探针32与副反射器环绕部38上介质支撑33的安装孔，确定了介质支撑33的安装位置，副反射器销锥31、副反射器环绕部38上介质支撑33的安装孔以及3dB电桥36介质板可以固定介质支撑33使其不会发生滑动。S馈源的探针32与副反射器销锥31使用螺纹连接，探针32与3dB电桥36的连接应用了焊接工艺。副发射器采用铝材进行加工，其中对副反射器环绕部38与金属盒37盒体进行了一体加工，在加工中使用了车、铣等工艺。

S频段馈源由四个副反射器支撑杆支撑，8-M2.5螺钉连接，如此，获得了新型S频段馈源，将该副反射器同时又是S频段馈源的器件安装到整体天线结构所要求的安装位置，就得到了Ka/S双频段天线。S频段馈源的射频电缆连接S频段馈源的接口，沿副反射器的支撑杆布线，这样，S频段的射频接口就可以定位到主反射器的后方，方便与其它器件的连接和整个天线的转动。

该双频天线为环焦双反射器天线，天线后部安装指向控制机构，实现天线的波束可动，副反射器反射面的母线在主反射面的焦点处环绕，Ka馈源正对副反射器，电磁波经副反射器反射后，照射主反射器来实现对天线的激励。副反射器(S馈源)通过四个介质支撑杆安装在主反射器的上方，直接对主反射器进行照射，形成S频段波束。Ka馈源组件之间使用波导法兰连接，穿过主反射器中心过孔，与旋转关节连接，进而实现了天线端口安装在主反射器的下方。天线的转动机构实现了天线波束的指向可动，为成熟产品，这里不做描述。基于以上内容进行了天线设计，并对天线进行了测量，获得了天线测试数据，图4-6示出了利用副反射器与馈源共用的馈源结构构成的双频段天线的辐射能力。

本发明通过对副反射器进行巧妙的改造，完成了S频段馈源设计，进而实现双频段工作的设计方法与天线结构具有新颖性。该天线在不增加新的天线布局空间下，增加新的频率应用的天线设计思想也具有新颖性。该新型S频段馈源设计对于其它应用平台在不增加布局空间的前提下实现增加频段应用和多频率设计具有重要借鉴作用，而且其特殊的设计思路、方法和结构特点使得该馈源具有广泛的应用前景，该天线的设计思路不仅可以用于设计Ka/S天线，也可以用于Ku/S、Ku/L、Ka/L等频段的频率复用天线设计。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1、一种副反射器与馈源共用的馈源结构，其特征在于包括：副反射器削锥(31)、两个探针(32)、介质支撑(33)、空腔(34)、销(35)、3dB电桥(36)、金属盒(37)、副反射器环绕部(38)，副反射器削锥(31)与副反射器环绕部(38)之间形成缝隙环构成微带天线，副反射器削锥(31)与副反射器环绕部(38)通过空腔(34)中心的销(35)和穿过空腔(34)、副反射器环绕部(38)中的介质支撑(33)相连接，副反射器销锥(31)通过介质支撑(33)中的两个探针(32)与同轴线连接用于馈电，探针(32)的下方连接3dB电桥(36)，副反射器环绕部(38)的底部与金属盒(37)加工为一体用于对3dB电桥(36)进行保护。

2、根据权利要求1所述的一种副反射器与馈源共用的馈源结构，其特征在于：所述副反射器削锥(31)作为微带天线的辐射单元，副反射器环绕部(38)作为微带天线的地板。

3、根据权利要求1或2所述的一种副反射器与馈源共用的馈源结构，其特征在于：所述微带天线的工作频率为S频段或L频段。

4、根据权利要求3所述的一种副反射器与馈源共用的馈源结构，其特征在于：所述的缝隙环宽度小于微带天线工作频率的波长，周长约为微带天线工作频率的一个波长。

5、根据权利要求1或2所述的一种副反射器与馈源共用的馈源结构，其特征在于：所述的副反射器削锥(31)与副反射器环绕部(38)的母线由同一双曲线旋转得到。

6、一种由副反射器与馈源共用的馈源结构构成的双频段天线，其特征在于：包括主反射器、权利要求1所述馈源结构、Ka频段馈源，权利要求1所述馈源结构通过四个介质支撑杆安装在主反射器的上方，Ka频段馈源穿过主反射器中心孔与主反射器旋转连接，Ka频段馈源正对权利要求1所述馈源结构，Ka频段馈源照射权利要求1中所述馈源结构中的副反射器，来自Ka频段馈源的电磁波经副反射器反射，照射到主反射器上，获得Ka频段的天线波束，权利要求1中所述馈源结构中的馈源直接照射主反射器，获得该馈源对应频段的天线波束。

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