CN102931493B - 天线及其馈源组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线及其馈源组件，馈源组件呈旋转对称结构，包括副反射面、介质头、波导管及底座，波导管一端插置于底座中，另一端供介质头第一端插置，介质头第二端依照该端的端面形状覆盖设置所述副反射面，所述介质头：其插置于波导管部分具有至少一级圆柱体；其外露于波导管外的部分设有多个具有不同直径的圆柱面；其第二端的端面上设有置中且朝向其第一端凹陷的斜锥面，沿斜锥面外围形成有圆环平面，该斜锥面上设置有至少一级微扰结构，所述介质头第二端面的斜锥面微扰结构与斜锥面的夹角呈钝角关系或呈平滑曲面过渡。本发明的馈源组件易于加工或模具成型，也易于表面处理。

Description

天线及其馈源组件

【技术领域】

本发明涉及一种微波天线，尤其涉及一种天线及其馈源组件。

【背景技术】

在微波点对点或者点对多点的通信网络中，微波天线是必不可少的接收和发射电磁波信号的装置。应用在5GHz到60GHz频带内的微波天线通常包括四个组件：馈源、提供反射面的反射件、天线罩以及辅助的安装件等。安装件起将天线安装固定在抱杆或铁塔上的作用；天线罩则起保护天线免受雨、雪、冰冻等自然环境影响的作用，同时要求天线罩对天线电性能的影响尽可能地小。而反射面和馈源则主要决定天线的电性能，作接收天线时，从远处传播来的电磁波经反射面反射汇聚，再由馈源接收经波导等封闭传输线至接收机；作发射天线时，由信号源发出的电磁波信号经波导等封闭传输线至馈源，再由馈源辐射并按照一定幅度和相位分布要求照射至反射面，最后经反射面反射至自由空间辐射。随着微波通信的发展，市场对微波天线的需求量越来越大，同时对天线的要求也越来越高。不仅要求微波天线满足严格的电性能指标以及尺寸、重量、风荷等机械性能指标，同时也要求在制造、运输、安装等环节的成本低。

微波天线的电性能指标主要包括增益、回波损耗、主极化和交叉极化的辐射方向图等。为了区别天线的电性能等级以为不同应用场合选用天线做参考，一些国际和地区的相关机构根据天线的增益和辐射方向图包络(RadiationPattern Envelope，RPE)制定了相应的等级标准，例如欧洲标准ETSI EN 302217和美国标准US FCC Part101等。在实际工程中也常用标准性能(StandardPerformance)、高性能(High Performance)、超高性能(Ultra-high Performance)等称谓来表征天线的性能等级。

参考图1所示，一种超高性能微波天线的解决方案是采用F/D较小(通常F/D<0.2)的深反射面1配合照射角度较大(通常大于180°)的馈源3，该方案由于无需附加金属裙边和吸波材料即可实现超高性能的RPE，因此具有整体剖面低、重量轻、风荷小、成本低等优点。张口波导型前馈式馈源由于难于实现如此大的照射角度，因而不适用于这类低剖面超高性能天线；而自支撑后馈式馈源容易实现大于180°的照射角度，并且在照射角度内辐射相位波动较小，因此较适用于低剖面超高性能天线。

自支撑后馈式馈源是低剖面超高性能微波天线设计的关键，它将在很大程度上决定天线整机的电性能、结构形式以及成本。自支撑后馈式馈源在结构上通常由三部分构成，自上而下分别是副反射面、介质头以及开口波导管。在发射状态下的工作机理是：由发射机产生的电磁信号经波导管传输并在波导口面辐射，该初级辐射电磁波再经副反射面反射到主反射面，最后经主反射面向自由空间辐射。接收状态的工作机理与之相反：从远处传输来的电磁波首先经主反射面聚束反射到副反射面，再由副反射面聚焦至波导口面，最后经波导管接收并输入到接收机。在自支撑后馈式馈源中，波导管起初级辐射源的作用；副反射面起反射初级辐射电磁波的作用，副反射面的尺寸和形状将影响反射电磁波的幅度和相位的空间分布；介质头在结构上起支撑和连接副反射面和波导管的作用，在电性能上也将影响馈源的回波损耗、主极化和交叉极化分量的幅度和相位方向图等性能。理想的自支撑后馈式馈源的解决方案应该达到如下目标：1)在电性能方面，在较宽的频带范围内具有良好的阻抗匹配性能、交叉极化分量小、主极化分量的幅度和相位分布可灵活赋形以满足各种整机性能的要求；2)在结构性能方面，尺寸小、机械强度好、满足各种环境试验指标的要求；3)在成本方面，材料成本低廉、易加工成型和批量生产。

目前已经发展出了多种应用于低剖面超高性能微波天线的自支撑后馈式馈源的解决方案，其中较好的两种方案如图2所示：图2(a)为US 6919855 B2号专利公告中揭示的一种馈源解决方案，它的主要特征是露在波导管2外的介质头部分3为锥形体，在其锥面上带有一组具有相同中心轴的齿状或槽状微扰结构以实现灵活的赋形设计；然而，这一类馈源的介质头外表面为斜锥面，且上述微扰结构通常不平行或垂直于介质头的中心轴，难以机械加工或模具成型，因而制造成本较高。图2(b)为前一技术方案的一种改进方案，所述的介质头3的外形轮廓大多平行或者垂直于旋转对称轴，且介质头3第二端的端面上设有置中且朝向其第一端凹陷的斜锥面4，斜锥面4上设置有至少一级微扰结构341和342，因此易于机械加工或模具注塑成型；但由于其微扰结构341和342都是直角结构，不利于其加工或模具成型精度控制、以及后续的金属化、喷漆等表面处理，影响了产品批量生产时的成品率。而且上述两类方案中，介质头3或底座5与波导管2之间的非金属与金属接触面或者经过表面处理的金属表面之间物性差异较大，单纯地直接粘接，在室外环境恶劣的地区，如极地附近、东北亚、北美、北欧等地区，波管与介质头、波导管与底座的连接的可靠性不容易得到保障。

【发明内容】

本发明的首要目的即是克服上述应用于低剖面超高性能微波天线的自支撑后馈式馈源解决方案的不足，提供一种易于加工或模具成型、易于表面处理的天线的馈源组件。

本发明的另一目的在于提供一种与前述目的相应的天线。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种天线的馈源组件，呈旋转对称结构，包括副反射面、介质头、波导管及底座，波导管一端插置于底座中，另一端供介质头第一端插置，介质头第二端依照该端的端面形状覆盖设置所述副反射面，其特征在于，所述介质头：其插置于波导管部分具有至少一级圆柱体；其外露于波导管外的部分设有多个具有不同直径的圆柱面，至少有一个圆柱面上加载有圆管状的介质齿；其第二端的端面上设有置中且朝向其第一端凹陷的斜锥面，沿斜锥面外围形成有圆环平面，该斜锥面上设置有至少一级微扰结构，所述介质头第二端面的斜锥面微扰结构与斜锥面的夹角呈钝角关系或呈平滑曲面过渡。

进一步的，所述介质头第二端面的斜锥面微扰结构的棱边呈倒圆角或为呈平滑曲线过渡。

所述介质头的插置于波导管部分与波导管之间设有形成于彼此相对面上的连接构造。

所述连接构造包括分别设置在波导管和介质头插置于波导管部分的一对相向的环形槽，以及置于该两个环形槽之间用于固定的填充料。较佳的，所述填充料为胶或焊料。

所述连接构造包括设置在波导管和介质头插置于波导管部分两者中之一的环形凸起、两者中之二的环形槽，该环形凸起与该环形槽相卡合。

所述介质头的外露于波导管外的部分的多个圆柱面自介质头第二端向第一端以直径渐小的方式台阶式排列。

所述介质头的外露于波导管外的部分的多个圆柱面中，至少有一个靠近介质头第一端的圆柱面的直径大于相对靠近介质头第二端的一个圆柱面的直径。

所述介质头的外露于波导管外的部分中的多个圆柱面中，至少有一个圆柱面在其外围有间距地设置圆管状介质齿，该介质齿与该圆柱面紧邻的一个圆柱面相连接。或，所述介质头的外露于波导管外的部分中的多个圆柱面中，至少有一个圆柱面径向外延伸设置有介质齿。

所述介质头的外露于波导管外的部分中的多个圆柱面中，至少一个圆柱面套设有金属圆环。

所述金属圆环为金属镀层或金属成型件。

所述副反射面由覆盖设置在介质头第二端端面上的金属镀层或金属成型件的非覆盖面形成。

所述波导管插置于底座中的部分与底座之间以所述连接构造完全相同的结构相连接。

所述底座呈中空结构以供波导管插置其中，其形成有包围波导管用于减小主反射面对馈源组件的阻抗匹配性能影响的圆环台阶。

一种天线，包括提供主反射面的反射件、天线罩以及馈源组件，所述馈源组件为前述的馈源组件。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明所述的介质头的微扰结构与斜锥面的夹角为钝角或微扰结构与斜锥面由平滑曲面过渡，且棱边可倒圆角或者为平滑过渡的曲面，因此更易于加工或者模具成型的精度控制，以及后续金属化、喷漆等表面处理，批量生产的成品率较高；

在安装固定方面，本发明所述的介质头的插置于波导管部分具有至少一个环形槽或环形凸起，且波导管的对应部位也具有环形槽，或者反之，同样的构造可以设置在波导管与底座之间，因此介质头与波导管、波导管与底座之间的克服了物性差异的问题，使连接更为可靠，且密封性好；

在整体结构方面，本发明所述的介质头的外形轮廓大多平行或者垂直于旋转对称轴，因此易于机械加工或模具注塑成型，制造成本低；

在电性能方面，本发明所述的馈源组件可在较宽频带内获得良好的阻抗匹配性能，并有介质头的第一端的圆柱面、介质头第二端的端面上的向上凸起或向下凹陷的微扰结构、以及底部的圆环台阶等调节阻抗匹配的装置；可通过灵活设计介质头的结构尺寸以获得赋形的馈源幅度和相位方向图以满足各种天线对RPE的要求。

【附图说明】

图1为现有技术中采用自支撑后馈式馈源且F/D比较小的低剖面超高性能微波天线的结构示意图。

图2中，图2(a)、图2(b)为现有技术中的自支撑后馈式馈源组件的结构示意图,它们分别代表两种不同的馈源方案。

图3为本发明的天线的结构示意图。

图4为本发明天线的馈源组件的一种实施例的典型结构示意图。

图5为本发明天线的馈源组件的一种实施例的典型结构的局部放大的示意图。

图6为本发明的介质头加载介质齿以实现馈源辐射方向图赋形的工作原理图。

图7为本发明天线的馈源组件的另一种实施例的典型结构示意图。

图8为本发明馈源组件的又一个实施例的性能示意图，其中，图8(a)为该实施例在15GHz频段的典型回波损耗曲线，图8(b)和图8(c)分别为该实施例在14.8GHz频率的典型馈源幅度方向图和相位方向图，图8(d)和图8(e)分别为该实施例应用于0.6米口径的天线在14.8GHz频率的典型天线整机E-面和H-面的辐射方向图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

请参阅图3，本发明的天线由提供反射面1的反射件、天线罩以及馈源组件构成，微波天线整体关于自身的一条轴OO’旋转对称，因此，其所包含的各个主要组成部件均为旋转对称件，优选的本发明实施例天线以易成型超高性能微波天线。

本发明的馈源组件的典型结构请参阅图4、图5所示。

图4中，馈源组件包括自上而下依次连接并具有同一旋转对称轴OO’的副反射面4、介质头3、圆形波导管2以及底座5。介质头3的顶端的端面34与副反射面4提供件的下表面贴合；介质头3的底端31插置于圆形波导管2一端的管腔中；圆形波导管2的底端则插入底座5，所述副反射面4提供件由于与介质头3顶端端面紧密贴合，故其形状与介质头3的该端面形状一致，可以采用覆盖在该端面上的金属镀层或金属成型件实现。

结合图5中放大示意图，介质头3由介电常数稳定、低损耗、机械性能良好的实心介质材料构成，其结构关于中心轴OO’旋转对称。介质头3置入圆形波导管2内的部分由多个直径不同的实心圆柱体提供多个不同大小的圆柱面；露在圆形波导管2外的介质头3的柱面32部分也同理由多级直径不同的实心圆柱体提供多个不同大小的圆柱面；在柱面32上纵向加载有多个圆管状的介质齿33，介质齿33呈现有间距地套设在一个圆柱面外围的结构。介质头3置入波导管2内部部分由多级圆柱体提供的圆柱面构成，其中图4所示最上一级圆柱体311提供的圆柱面与金属圆形波导管2的内壁紧密贴合，该圆柱体311上设有至少一个环形槽38，且波导管2的对应部位也相应设有环形槽21，由圆柱体311上的环形槽38与波导管2上的环形槽21共同构成一密闭环状空间(38和21)，在该环状管中上胶，形成独特的连接构造。上胶后胶水卡在两个槽构成的环状空间中，加强了介质头3和波导管2之间的固定作用，或者，作为替代方案，圆柱体311上的环形槽38被一环形凸起38取而代之，而波导管的对应部位则依然设置环形槽21，环形凸起38和环形槽21相互稳固卡合，使介质头3和波导管2得到很好的固定连接，有效地避免介质头3与波导管2之间的非金属与金属接触面之间物性差异较大而单纯地直接粘接的不可靠性现象，反之，变换环形凸起38与环形槽21的角色也然，无论何种情况，其中的环形凸起38应与其所在的部件材质相一致，因而，适宜与介质头3或波导管2一体成型；而所述的胶水，作为填充料，也可以采用焊料代替；介质头3置入波导管2内部的其余圆柱体312的直径小于波导管2的内直径。圆柱体311和圆柱体312均起阻抗匹配作用，其直径和长度可通过全波分析优化设计确定。

如前所述，露在波导管2外的介质头3的柱面32由多级圆柱体提供的圆柱面构成，这些圆柱体的数量、直径和高度可根据馈源辐射幅度和相位方向图要求进行灵活设计，其中最下面一级圆柱体321的直径大于波导管2的内径以起将介质头3和波导管2限位固定的作用，同时其最上面一级圆柱体322的直径大于次上一级圆柱体的直径以利于使介质头3顶端端面的外围呈圆环平面状。

为了实现馈源辐射方向图的赋形，尤其是实现不等化的E-面和H-面馈源方向图以满足如ETSI EN 302 217中所规定的Class 3B或Class 3C整机RPE要求，如前所述，在介质头3的柱面32上纵向加载多个圆环状的介质齿33。这些介质齿33自较高一级的提供圆柱面的圆柱体322中一体向下延伸，对较下一级的提供圆柱面的圆柱体起有间距的围护结构作用。结合图4和图6，这些圆环状介质齿33虽然在结构上是旋转对称的，但是对E-面和H-面电磁波构成的边界条件类型不同，即具有极化选择性：在E-面，电场方向垂直于介质齿33，当介质齿33的宽度设计得较小时，介质齿33对电场分布影响很小；反之，在H-面，电场方向平行于介质齿33，即使介质齿33的宽度很小，介质齿33对电场分布的影响依然很大。因此，圆管状介质齿33对馈源的E-面和H-面方向图的影响不同，即有可能通过优化设计介质齿33的位置、数量、直径、纵向长度以及宽度等结构参数来实现馈源辐射方向图的特殊赋形。介质齿33可以与介质头3一体化加工完成，由于介质齿33平行于介质头3的旋转对称轴OO’，因此易于机械加工或直接模具成型。同样地，如图7所示，亦可在介质头3的柱面32上径向加载多个圆环状的介质齿33，这些介质齿33在不同高度的圆柱面32径向外延伸，根据不同的方向图赋形要求，通过优化设计介质齿的位置、数量、直径、径向伸出的长度以及宽度等结构参数来实现。

介质头3的顶端的端面34与提供副反射面4的提供件的下表面贴合，因此介质头3的顶端端面34的形状与副反射面4下表面的形状相配合，而副反射面4的顶面形状则与介质头3顶端端面34的形状相同，因此，介质头3的形状对馈源电性能有较大影响。介质头3的顶端端面34的中间部分341为朝向介质头3底端向下凹陷的斜锥面，其锥角α将主要影响馈源的照射角度；紧接并包围该斜锥面的边缘部分342为介质头3的柱面32的最上一级圆柱体322的上表面，形状为圆环形平面，其直径和宽度将主要影响馈源的照射角度以及馈源幅度方向图在照射角度边缘处的电平值，进而影响天线整机的RPE性能；介质头3的顶端端面34的中间部分341内设置有至少一个微扰结构343，该微扰结构343既可相对于斜锥面向上凸起也可向下凹陷，凸起或凹陷结构343平行于旋转对称轴OO’，微扰结构与斜锥面的夹角为钝角或微扰结构与斜锥面由平滑曲面过渡，且棱边可倒为圆角或者为平滑曲面345，因此易于实现加工或者模具成型的精度控制、以及金属化、喷漆等表面处理；凸起或凹陷结构343的位置、宽度和高度或深度将主要影响馈源的阻抗匹配性能。介质头3的顶端端面34的结构尺寸可通过上述对电性能的影响程度初步设计并最终通过全波分析优化设计确定。

副反射面4可由介质头3顶端端面34的金属镀层或与介质头3顶端端面34可紧密贴合的可分离式的金属成型件提供，由此，该种金属镀层或金属成型件即为副反射面4的提供件。

波导管2为工作于主模TE11模的圆波导，其顶端与介质头3的底端31相连，底端与底座5相连，波导管插置于底座中的部分可具有至少一个环形槽(或环形凸起)，底座的对应部位也具有环形槽，两者参照前述关于波导管2与介质头3之间的连接方式设置。波导管2在电性能上起传输电磁波的作用，同时在结构上起支撑介质头3的作用。波导管2的直径约为0.6～0.8倍自由空间波长以保证波导管2工作于主模TE11模并获得基本等化的E-面和H-面馈源方向图；波导管2的长度根据微波天线主反射面1(参阅图3)的焦距确定，调节其长度保证馈源的相位中心与主反射面1的焦点重合即可。

金属底座5的结构同样关于中心轴OO’旋转对称，其中间开有与波导管2外径相当的圆孔。底座5包括3部分：上部分51、中间部分52以及下部分53。上部分51为圆环台阶，当馈源安装于主反射面1上后，底座5上部分51略高出主反射面1的母线，上部分51的圆环台阶的作用是减小主反射面1对馈源阻抗匹配性能的影响，圆环台阶的尺寸需通过将馈源与反射面1一体化全波分析优化设计确定；底座5的中间部分52用于将馈源安装固定在主反射面1上，其高度与主反射面1的母线基本平齐；底座5的下部分53是将馈源装配于主反射面1后形成的天线整机的对外接口，可根据接口需求设计用于连接圆形波导、圆-矩波导变换器、正交模分离器等。波导管插置于底座中的部分具有至少一个环形槽22，且底座的对应部位也具有环形槽54，上胶或焊接后胶水或焊料卡在两个槽中，加强了波导管2和底座5之间的固定作用，可以避免经过表面处理的金属表面之间因物性差异较大而单纯地直接粘接造成的不可靠现象，同时还有密封作用。同理，波导管2与底座5之间也可参照前述在其一设置环形凸起、另一设置环形槽相卡合实现稳固连接。底座5可整体机械加工或开模成型，具有低制造成本和多功能的特点。

图7用于揭示本发明的又一个实施例的一些典型电性能图示。通过优化设计各级圆柱体的直径和高度、以及微扰结构，可以获得较等化的E-面和H-面馈源幅度和相位方向图，图8(a)为该结构应用于15GHz频段的实测回波损耗，在14.25GHz～15.35GHz的频带内回波损耗优于-25dB并且具有较宽的频带冗余。图8(b)和(c)分别是该结构在14.8GHz的典型E-面和H-面的幅度和相位方向图，在0°～120°范围内E-面和H-面幅度方向图较为等化。图8(d)和(e)给出了该结构应用于0.6m口径的天线在14.8GHz的典型辐射方向图，天线的RPE性能满足ETSI 302 217Class 3标准。

综上所述，本发明的易成型超高性能微波天线及其馈源组件易于加工或模具成型的精度控制、金属化和固定，电气性能表现良好，批量生产成品率较高，物理结构简单紧凑，造价相对低廉。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种天线的馈源组件，呈旋转对称结构，包括副反射面、介质头、波导管及底座，波导管一端插置于底座中，另一端供介质头第一端插置，介质头第二端依照该端的端面形状覆盖设置所述副反射面，其特征在于，所述介质头：

其插置于波导管部分具有至少一级圆柱体；

其外露于波导管外的部分设有多个具有不同直径的圆柱面，至少有一个圆柱面上加载有圆管状的介质齿；

其第二端的端面上设有置中且朝向其第一端凹陷的斜锥面，沿斜锥面外围形成有圆环平面，该斜锥面上设置有至少一级微扰结构，所述介质头第二端面的斜锥面微扰结构与斜锥面的夹角呈钝角关系或呈平滑曲面过渡；

其中，所述介质头插置于波导管部分与波导管之间设有形成于彼此相对面上的连接构造，所述连接构造包括分别设置在波导管和介质头插置于波导管部分的一对相向的环形槽及置于该两个环形槽之间用于固定的填充料，或所述连接构造包括设置在波导管和介质头插置于波导管部分两者中之一的环形凸起、两者中之二的环形槽，该环形凸起与该环形槽相卡合。

2.根据权利要求1所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述介质头第二端面的斜锥面微扰结构的棱边呈倒圆角或为呈平滑曲线过渡。

3.根据权利要求1或2所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述填充料为胶或焊料。

4.根据权利要求1或2所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述介质头的外露于波导管外的部分的多个圆柱面自介质头第二端向第一端以直径渐小的方式台阶式排列。

5.根据权利要求1或2所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述介质头的外露于波导管外的部分的多个圆柱面中，至少有一个靠近介质头第一端的圆柱面的直径大于相对靠近介质头第二端的一个圆柱面的直径。

6.根据权利要求1或2所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述介质头的外露于波导管外的部分中的多个圆柱面中，至少有一个圆柱面在其外围有间距地设置圆管状介质齿，该介质齿与该圆柱面紧邻的一个圆柱面相连接。

7.根据权利要求1或2所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述介质头的外露于波导管外的部分中的多个圆柱面中，至少有一个圆柱面径向外延伸设置有介质齿。

8.根据权利要求1或2所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述介质头的外露于波导管外的部分中的多个圆柱面中，至少一个圆柱面套设有金属圆环。

9.根据权利要求8所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述金属圆环为金属镀层或金属成型件。

10.根据权利要求1或2所述的天线的馈源组件，其特征在于：所述副反射面由覆盖设置在介质头第二端端面上的金属镀层或金属成型件的非覆盖面形成。

11.根据权利要求1所述的天线的馈源组件，其特征在于，所述波导管插置于底座中的部分与底座之间以所述连接构造完全相同的结构相连接。

12.根据权利要求1或2所述的天线的馈源组件，其特征在于：所述底座呈中空结构以供波导管插置其中，其形成有包围波导管用于减小主反射面对馈源组件的阻抗匹配性能影响的圆环台阶。

13.一种天线，包括提供主反射面的反射件、天线罩以及馈源组件，其特征在于，所述馈源组件为权利要求1至12中任意一项所述的馈源组件。