CN103682574A - 一种耐高温Ka频段宽波束收发天线 - Google Patents

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郑颖
王健
李欣冀
高凯
陈海英
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China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
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Abstract

本发明涉及一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，包括天线主体、罩于天线主体之上的天线窗、设置于天线主体之中的接收高频的第一圆波导和发射低频的第二圆波导；第一圆波导的上端口为第一圆波导开口，第二圆波导的上端口为第二圆波导开口，第一圆波导开口与第二圆波导开口的水平高度一致；第一圆波导开口与第二圆波导开口周围各设有3圈金属扼流槽，扼流槽比圆波导开口辐射面低3mm。本发明在一定高温状态下性能稳定，在固定小尺寸天线窗口条件下，实现收发共用与收发公用与收发端口高隔离度的宽波束Ka天线。

Description

一种耐高温Ka频段宽波束收发天线
技术领域
本发明涉及一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，特别是涉及一种可用于各种要求天线具有宽波束、收发端口高隔离度的Ka频段遥测、外测、控制、通信等相关国防领域的耐高温Ka频段宽波束收发天线。
背景技术
随着航空航天测控技术发展和各种超高速飞行器不断发展，Ka频段各种设备的使用日益广泛。为满足某超高速滑翔飞行器型号需求，研制Ka频段弹载天线。具体要求为：Ka弹载天线安装于飞行体表面超厚防热天线窗下，由于飞行器长时间滑翔于大气层内，故要求天线本身能够承受一定的高温，且具有一定强度。天线为线极化，宽波束增益方向图。天线能够同时完成Ka发射和Ka接收的功能，发射和接收均工作于Ka频段。收发端口共用一个天线窗，两个端口之间具有较高的隔离度。发射端口的工作频带为f1±150MHz，接收端口的工作频带为f2±150MHz。
以往的传统弹上天线多为L~C频段，Ka频段弹上天线为首次研制。微带天线为弹上天线最常见的型式，但是由于Ka频段微波设备电波长很短，只有10mm左右，若使用微带则由于天线尺寸过小，不便于加工，且高频段微带天线的表面波和介质基板损耗等问题会导致能量损耗严重，辐射效率不高，无法满足使用需求。要求天线具有一定结构强度，且在较高温度（200℃）温度下，能正常工作，故天线本身材料在高温状态下，电特性和结构特性稳定。作为飞行器天线，要求天线尺寸尽量小。同时，Ka频段设备对加工精度要求较高，故天线型式本身，对加工精度要求不高。
因此亟需提供一种新型的耐高温Ka频段宽波束收发天线。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在高速飞行器载体上，在固定小尺寸天线窗口条件下，实现一种收发共用、高隔离度的耐高温Ka频段宽波束收发天线。
为解决上述技术问题，本发明一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，包括天线主体、罩于天线主体之上的天线窗、设置于天线主体之中的接收高频的第一圆波导和发射低频的第二圆波导；第一圆波导的上端口为第一圆波导开口，第二圆波导的上端口为第二圆波导开口，第一圆波导开口与第二圆波导开口的水平高度一致；第一圆波导开口与第二圆波导开口周围各设有3圈金属扼流槽，扼流槽比圆波导开口辐射面低3mm。
天线主体下表面设有矩圆过渡片，矩圆过渡片上对应第一圆波导与第二圆波导的下端口分别设有两段式阶梯孔，阶梯孔紧邻圆波导的孔段为椭圆形过渡段，阶梯孔另一孔段为带有导角的矩形过渡段。
两个矩形过渡段的矩形长边彼此正交。
矩圆过渡片的厚度为4.8mm。
圆波导开口辐射面与天线窗下表面之间保持一定间距。。
第一圆波导、第二圆波导与扼流槽整体加工在同一金属的天线主体上。
本发明采用开口圆波导天线作为Ka天线主体。这种类型天线本身为宽波束方向图，且对加工精度要求不高。两个不同尺寸的圆波导对应接收和发射相应频率。根据频率计算天线波导口的尺寸，使圆波导口既能保证单模传输,又能达到波束宽度和最大增益要求。
本发明在波导辐射口处增加3圈扼流槽，扼制多共一天线不同端口之间的相互干扰，增加隔离度。
本发明的扼流圈低于波导辐射口3mm，可反射部分波导口辐射能量，优化低仰角方向图，增加波束宽度。波导口与防热天线窗下表面之间设有空气间隙，形成了空气腔，进行优化以进一步展宽方向图。
本发明的天线馈电口为矩形波导BJ260，采用矩圆过渡形式实现矩形波导到圆波导的模式转换。为减小天线尺寸和重量，采用了台阶式矩圆过渡匹配片代替传统的矩圆过渡段。矩圆过渡片厚度约4.8mm，大大小于传统过渡段50mm的长度。天线两个端口的矩形波导的矩形长边为正交方向，保证了两天线极化正交，增加了端口隔离度。
本发明接收、发射天线的圆波导与扼流槽进行整体加工在同一金属结构体上，作为天线主体，以提高产品的可靠性。整个天线为纯金属结构，在一定高温状态下，金属结构性能和电性能稳定。能够满足天线结构强度和耐高温的要求。天线不同部分安装、天线在弹体上的安装、天线馈电端口与馈电波导之间的连接均采用螺钉方式，提高了整个天馈的可靠性。
对天线进行试验和测试：天线接收、发射端口的驻波带宽均大于400MHz。天线为线极化，两端口极化方向正交，隔离度大于50dB。两个端口方向图一致性较好，均能够满足宽波束方向图要求，方向图测试结果为：最大增益在天线法线方向，不小于4dB，法线±60°范围内天线增益不小于0dB。
附图说明
图1为天线与天线窗示意图。
图2为天线剖视图。
图3为天线俯视图。
图4为波导匹配图。
图中：1为圆波导开口，2为扼流槽，3为矩圆过渡片，4为天线矩圆过渡螺钉孔，5为第一圆波导开口，6为第二圆波导开口，7为天线安装法兰螺钉孔，8为天线安装法兰，9为第一矩圆过渡片，10为第二矩圆过渡片，11为第一圆波导接口，12为第二圆波导接口，13为天线主体，14为空气间隙，15为BJ260波导螺钉孔，16为BJ260波导定位销，17为天线窗。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明利用带有扼流槽的开口圆波导天线作为Ka天线方案，选择合适尺寸的圆波导做为开口圆波导天线的主要部分，既能保证单模传输，又能达到波束宽度和最大增益要求。同时，波导天线便于加工，现有加工技术能够满足天线精度要求。扼流槽用于展宽波束并扼制多共一天线不同端口之间的相互干扰，增大隔离度。扼流槽比天线的圆波导辐射口面略低，可反射波导口辐射的能量；波导口辐射面且与防热天线窗之间有一定距离，形成空气腔，以优化方向图。天线采用矩形波导BJ260馈电，采用矩圆过渡形式实现矩形波导到圆波导的模式转换。为减小天线尺寸和重量，采用了台阶式矩圆过渡匹配片代替传统的矩圆过渡段。整个天线为纯金属结构，结构强度较好，在高温环境下，特性稳定。
具体来讲，本发明包括天线主体13、罩于天线主体13之上的天线窗17、设置于天线主体13之中的接收高频的第一圆波导和发射低频的第二圆波导；第一圆波导的上端口为第一圆波导开口5，第二圆波导的上端口为第二圆波导开口6，第一圆波导开口5与第二圆波导开口6的水平高度一致；第一圆波导开口5与第二圆波导开口6周围各设有3圈金属扼流槽2，扼流槽2比圆波导开口1辐射面低3mm。第一圆波导、第二圆波导与扼流槽2整体加工在同一金属的天线主体13上。
天线馈电端为BJ260矩形波导口。天线主体13下表面设有第一矩圆过渡片9和第二矩圆过渡片10，第一矩圆过渡片9上对应第一圆波导的下端口设有两段式阶梯孔，第二矩圆过渡片10上对应第二圆波导的下端口设有两段式阶梯孔，阶梯孔紧邻圆波导的孔段为椭圆形过渡段，阶梯孔另一孔段为带有导角的矩形过渡段。矩圆过渡片3的厚度为4.8mm，于传统的过渡段相比，长度大大减小了。两个矩形过渡段的矩形长边彼此正交，使两天线极化正交，提高了端口间隔离度。
圆波导开口1辐射面与天线窗17下表面之间保持一定间距。进行天线安装法兰8设计时候，需要与天线窗17一同进行整体设计，以保证天线窗17与天线之间的空气间隙14。
矩圆过渡片3与天线主体13通过螺钉进行安装，在矩圆过渡片3上有天线矩圆过渡螺钉孔4；同时，通过螺纹连接BJ260馈电波导，在矩圆过渡片3上有BJ260波导螺钉孔15和BJ260波导定位销16，以保证天线与馈电波导之间的精确定位连接。

Claims (6)

1.一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，包括天线主体、罩于所述天线主体之上的天线窗、设置于所述天线主体之中的接收高频的第一圆波导和发射低频的第二圆波导；所述第一圆波导的上端口为第一圆波导开口，所述第二圆波导的上端口为第二圆波导开口，所述第一圆波导开口与第二圆波导开口的水平高度一致；其特征在于：所述第一圆波导开口与第二圆波导开口周围各设有3圈金属扼流槽，所述扼流槽比圆波导开口辐射面低3mm。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，其特征在于：所述天线主体下表面设有矩圆过渡片，所述矩圆过渡片上对应第一圆波导与第二圆波导的下端口分别设有两段式阶梯孔，所述阶梯孔紧邻圆波导的孔段为椭圆形过渡段，所述阶梯孔另一孔段为带有导角的矩形过渡段。
3.根据权利要求2所述的一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，其特征在于：所述两个矩形过渡段的矩形长边彼此正交。
4.根据权利要求2所述的一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，其特征在于：所述矩圆过渡片的厚度为4.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，其特征在于：所述圆波导开口辐射面与天线窗下表面之间保持一定间距。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温Ka频段宽波束收发天线，其特征在于：所述第一圆波导、第二圆波导与扼流槽整体加工在同一金属的天线主体上。
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