CN103441335A - 一种用于平面波导cts天线馈电装置的宽频带线源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，包括H面扇形喇叭天线、偏置抛物反射面、平板波导；H面扇形喇叭天线和偏置抛物反射面设置在平板波导内部，H面扇形喇叭天线的相位中心设置在偏置抛物反射面的焦点。本发明通过采用柱面波转换平面波和反射器天线原理产生平面波，将喇叭天线置于抛物面反射器的焦点处，喇叭天线辐射的场经过反射器在反射器口径面处产生等幅度同相位的平面波。本发明工作频带宽；通过偏置，消除馈源遮挡提高口径效率；结构封闭，除去了传统偏置抛物面的边缘绕射效应；结构简单，易于调节、装配，便于后期使用维护，解决了波导CTS天线存在的产生等幅度同相位的理想线源在实际工程中无法实现的问题。

Description

一种用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源

技术领域

本发明属于天线及馈源技术领域，尤其涉及一种用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源。

背景技术

目前，电子扫描天线面临着巨大的挑战，特别是其在军事和商业市场上的高额成本投入，X频段的高效、低成本的平面电扫描天线的实现是一项很困难的工作，而且，在军事和商业市场上，低剖面辐射口径的电扫面天线的高灵敏度和多用途等特性和功能也是非常重要的，因此，提出一种能够运用于军事和商业领域的低成本的电子扫描天线技术是一项很重要的任务，期望的特性包括：高效率；高增益；重量轻，低机械轮廓；高精度波束定位；宽扫描角；可重构波束赋形功能；快速波束复位；宽的瞬时调谐带宽；副瓣易控制以及成本低、使用周期长等，Continuous Transverse Stub（连续横向短截线，简称CTS）阵列是一种微波频段的辐射/耦合单元，由美国Raytheon System发明，电子扫描天线与传统结构的电子扫描天线相比，在微波频段具有重量轻、结构简单、较宽的瞬时工作带宽，辐射效率高以及成本低等优点，因此，CTS可应用于卫星通信及各种雷达系统中；

早在1990年美国休斯公司（Hughes Aircraft Company）发明了平面CTS天线，并申请了专利，平板波导形式的CTS天线主要是在波导以及平板波导上开的连续横向短截线，电磁波从横向短截线中辐射出去，其基本理论是沿着纵向传播的准TEM模式场被连续的横向截断节所阻断，因此在横向的截断节之间感应出位移电流，位移电流在横向节周围激励起等效的电场，辐射出电磁场，通过调整横向节的位置分布可以获得理想的主波束和副瓣电平；

CTS天线是利用线源馈电，线源可通过多种方式实现，可以是离散线源，如波导缝隙阵，也可以使连续线源如：H面扇形喇叭天线、透镜天线等，理想的线源希望具有的如下的性能：

（1）线源的辐射口径场幅度分布均匀（根据副瓣电平要求，可适当锥削分布）；

（2）线源的辐射口径场相位分布同相；

（3）线源的工作频带宽；

在一个较宽的频带内产生等幅度同相位的理想线源在实际工程中是不可能实现的，功分器馈电端口的幅度和相位对天线的辐射方向图有很大的影响，因此要得到好的辐射性能，设计一个电气性能良好的宽频带线源也是整个平面波导CTS天线设计当中重要的部分。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，旨在解决现有的波导CTS天线存在的产生等幅度同相位的理想宽频带线源在实际工程中无法实现的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，该用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源包括：H面扇形喇叭天线、偏置抛物反射面、平板波导；

H面扇形喇叭天线和偏置抛物反射面设置在平板波导内部，H面扇形喇叭天线的相位中心设置在偏置抛物反射面的焦点。

进一步，H面扇形喇叭天线和偏置抛物反射面对称轴的夹角为44度。

进一步，偏置抛物反射面的焦半径为365mm。

进一步，H面扇形喇叭天线的厚度为10.16mm。

进一步，平板波导设置为空心。

进一步，平板波导还包括：上侧面壁、下侧面壁、输出端口；

上侧面壁设置在平板波导的上侧面，下侧面壁设置在平板波导的下侧面，输出端口设置在平板波导的一侧。

进一步，上侧面壁和下侧面壁采用金属良导体或吸波材料。

进一步，输出端口连接天线功分器的输入端口。

本发明提供的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，通过采用柱面波转换平面波和反射器天线原理产生平面波，将喇叭天线置于抛物面反射器的焦点处，喇叭天线辐射的场经过反射器在反射器口径面处产生等幅度同相位的平面波；

本发明具有以下优点：

(1)利用了传统的几何光学设计方法，概念清晰，设计简单；

(2)H面喇叭偏置照射反射面，消除馈源遮挡，提高口径效率；

(3)将偏置抛物反射壁置于平板波导内部，结构封闭，除去了传统偏置抛物面的边缘绕射效应；

(4)输出端口宽度为480mm，高度为10.16mm，在整个宽口径的输出端口能产生符合指标要求的平面波；

本发明结构简单，易于调节、装配，便于后期使用维护，较好的解决了现有的波导CTS天线存在的产生等幅度同相位的理想线源在实际工程中无法实现的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源的上侧面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源的下侧面的结构示意图；

图中：1、H面扇形喇叭天线；2、偏置抛物反射面；3、平板波导；3-1、上侧面壁；3-2、下侧面壁；3-3、输出端口；

图4是本发明实施例提供的线源原理示意图；

图5是本发明实施例提供的线源输入端口电压驻波比(VSWR)仿真曲线图；

图6是本发明实施例提供的线源在10GHz频点时输出端口幅度曲线图；

图7是本发明实施例提供的线源在10GHz频点时输出端口相位曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源主要由H面扇形喇叭天线1、偏置抛物反射面2和平板波导3组成；H面扇形喇叭天线1和偏置抛物反射面2设置在平板波导3内部，通过调整H面扇形喇叭天线1位置使其相位中心位于偏置抛物反射面2的焦点，H面扇形喇叭天线1在平板波导3内的辐射场经偏置抛物反射面2的反射在平板波导3输出端口3-3产生等幅度同相位的平面波；

偏置抛物反射面2的焦半径为365mm，要求H面扇形喇叭天线1的相位中心点位置和偏置抛物反射面2的焦点重合，H面扇形喇叭天线1和偏置抛物反射面2对称轴的夹角为44度，

如图2和图3，本发明中H面扇形喇叭天线1和偏置抛物反射面2均位于平板波导3内部H面扇形喇叭天线1装置厚度为10.16mm，平板波导3设置为中空，上侧面壁3-1设置在平板波导3的上侧面，下侧面壁3-2设置在平板波导3的下侧面，输出端口3-3设置在平板波导的一侧。上侧面壁3-1和下侧面壁3-2采用金属良导体或吸波材料，吸波材料可以减小电磁场在上侧面壁3-1和下侧面壁3-2反射，输出端口3-3接天线功分器输入端口；

结合以下理论分析和仿真结果对本发明的技术效果进一步说明，此分析方法是将平板波导置于xoz平面内，y轴垂直于平板波导，

设F为抛物面的焦距，D为单偏置抛物面直径，本发明中取值为365mm，又称单偏置抛物面天线的口径，H为单偏置抛物面的下边缘偏置高度，对抛物面上一点P(x,z)抛物面方程为：

4Fz=x²     （1）

θ₁是抛物线上下边缘夹角平分线与水平面的夹角，为：

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left[\frac{2F(D+2H)}{{4F}^2-H(D+H)}\right]---\left(2\right)$

半张角θ₂为：

${\mathrm{\θ}}_2=\arctan \left[\frac{2FD}{{4F}^2+H(D+H)}\right]---\left(3\right)$

馈源轴指向反射面的中心，与水平面的夹角θ₀为：

${\mathrm{\θ}}_0=2\arctan \left[\frac{H+D/2}{2F}\right]---\left(4\right)$

用F，θ₁和θ₂表示D和H得：

D=4Fsinθ₂/(cosθ₁+cosθ₂)     （5）

H=2Ftan[(θ₁-θ₂)2]     （6）

在上述的分析中，偏置抛物面直径D与功分网络输入端口的高度相等，本发明中取值为480mm，θ₀也是馈源喇叭与z轴的夹角，本发明中取值为44°，当选定D和H的值，馈源喇叭的偏角θ₀通过式（5）就可以确定，

图4为线源产生平面原理示意图，基本原理是将喇叭天线置于抛物面反射器的焦点处，喇叭天线辐射的场经过反射器在反射器口径面处产生等幅度同相位的平面波；

图5为线源在7GHz-13GHz频带内的电压驻波比(VSWR)仿真曲线图，从图5结果看出，在整个宽频带内线源VSWR均小于1.2，反射损耗小，

图6和图7为线源在10GHz频点时幅度曲线图和相位分布仿真曲线图，从图6和图7结果中可以看出，在480mm宽口径端口内，幅度和相位分布均达到CTS天线线源馈电指标要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，其特征在于，该用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源包括：H面扇形喇叭天线、偏置抛物反射面、平板波导；

H面扇形喇叭天线和偏置抛物反射面设置在平板波导内部，H面扇形喇叭天线的相位中心设置在偏置抛物反射面的焦点。

2.如权利要求1所述的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，其特征在于，H面扇形喇叭天线和偏置抛物反射面对称轴的夹角为44度。

3.如权利要求1所述的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，其特征在于，偏置抛物反射面的焦半径为365mm。

4.如权利要求1所述的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，其特征在于，H面扇形喇叭天线的厚度为10.16mm。

5.如权利要求1所述的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，其特征在于，平板波导设置为空心。

6.如权利要求1所述的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，其特征在于，平板波导还包括：上侧面壁、下侧面壁、输出端口；

上侧面壁设置在平板波导的上侧面，下侧面壁设置在平板波导的下侧面，输出端口设置在平板波导的一侧。

7.如权利要求6所述的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，其特征在于，上侧面壁和下侧面壁采用金属良导体或吸波材料。

8.如权利要求6所述的用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源，其特征在于，输出端口连接天线功分器的输入端口。

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