CN104600435A - 一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，它包括馈电圆波导管和介质辐射体，介质辐射体由前段的管内圆柱介质匹配段和后段的管外圆锥介质辐射体构成，管内圆柱介质匹配段和管外圆锥介质辐射体分别是由赋形轮廓线经回转操作得到的圆柱体和圆锥体。本发明具有带宽大、波束宽、旁瓣和后瓣电平低、主瓣内幅度和相位分布均匀、交叉极化电平低、增益高、效率高、尺寸小、低成本等优点，是适合焦径比F/D较小的抛物反射面馈源的优选天线类型。

Description

一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线

技术领域

本发明涉及通信天线设备技术领域，更具体地说是涉及一种适合用作抛物反射面天线馈源的分形介质谐振天线(DRA)。

背景技术

抛物面天线是天线家族中发明最早、应用最广的天线类型之一。抛物反射面将位于焦点的馈源所发射的电磁波朝正前方反射并保持同相，从而形成高方向性波束，或者将平行波束会聚于焦点。高方向性它最显著的特点，因此常被应用于高增益场合，如射电天文望远镜、卫星地面接收站、火控雷达、微波中继传输等。移动通信基站间也常采用抛物面天线来实现大容量空中微波链路通信，其所用的抛物面天线一般采用焦径比F/D较小的反射面。与大焦径比相比，其效率较低、交叉极化电平较高，但能获得足够低的旁瓣和后瓣电平，从而有效地减小临近基站间的电磁干扰，使得空中微波传输系统能够密集部署。

然而，焦径比小的反射面口径张角α较大，需要宽波束的馈源天线才能有效地照射整个反射面，从而提高口径利用效率。因此，常被用作大焦径比反射面馈源的喇叭天线，如角锥喇叭、波纹喇叭、加脊喇叭等，由于波束宽度较窄、照射角较小，在这里变得不再是合适的馈源方案。再者，喇叭天线加工比较困难，成本相对较高，尤其是频率较高时，如E-波段(71GHz-86GHz)。因此，宽波束、低成本的新型馈源是小焦径比抛物面天线研制的关键。尤其需要指出的是，宽波束不仅指馈源方向图的幅度分布在照射角范围内较平坦，其相位分布也必须在整个波束范围内保持均匀性。另外，旁边和后瓣电平也尽可能低，使得边缘功率泄漏最小。

目前，宽波束馈源一般采用介质谐振天线(DRA)，其基本结构由三部分构成：馈电圆波导管内的阻抗匹配段、馈电圆波导管外的赋形圆锥介质辐射体，以及介质辐射体末端的赋形反射面。为了设计和加工方便，介质辐射体周边和末端边缘常采用连续直折线赋形。这种折线在保证阻抗匹配、波束宽度、相位一致和可加工性等技术要求的前提下，其段数和形状可由设计者任意选择。这给设计带来很大自由，同时也给优化带来很大困难，由于折线的选择没有任何理论依据，完全凭工程师的经验来判断。由此可见，常规的折线赋形不能保证介质辐射头的设计性能为最优。

分形(fractal)是一种外形高度复杂、构造方式却极有规律的一种几何体。它具有几何自相似性(self-similarity)和空间填充性(space-filling)，已被大量地用于小型化、多谐频天线的设计。除此之外，它的精细几何结构能有效地改变高频电流分布，从而显著地改变天线辐射特性。这一特点目前在电磁学领域内尚未得到充分认识和应用。介质谐振天线(DRAs)是一种常使用低损耗、高介电常数εr(如εr＝10-20)的介质材料设计成的谐振天线。因其小尺寸、低损耗、高效率、宽波束、带宽、极化、外形均可灵活设计等优点近年来引起了人们的重视。为此，如何将介质谐振天线实现分形化设计，保留以上优点的同时获得更好的辐射特性，如更高增益、更低旁瓣和后瓣电平、更平坦幅度、相位分布和更高效率,是本发明的设计重点。

发明内容

本发明的目的旨在为用于高增益点对点微波通信，特别是为移动基站微波链路通信所常用的小焦径比抛物反射面天线提供一种高性能、宽波束、低旁瓣和后瓣、小尺寸、低成本的馈源解决方案。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，它包括馈电圆波导管和介质辐射体，介质辐射体的前段部分是直径为d、高为h的圆柱体，后段部分是底面直径为D、高为H的圆锥体；前段部分经切削工艺加工成若干节不同直径的小段，每一小段介质块再分别打孔或切槽，然后将整个前段部分插入馈电圆波导管内以实现阻抗匹配；后段圆锥体部分则分别对其侧面和底面进行几何赋形，具体做法是将侧线和母线的直线段分别用一条类科赫分形曲线(Koch-like Curve)和双曲线替代,经回转处理后侧面由光滑的圆锥面变成了凹凸的分形曲面，底面则由平面变成朝后凸起的双曲面，其表面敷涂金属涂层以起到卡塞格伦次反射面的作用；这里选用损耗和介电常数εr＝2.5-5.5的介质材料，以便其介质辐射体前段部分直径能与馈电圆波导管内径相一致；另外，由于介电常数较小，介质块尺寸稍大，这也有利于加工和装配；

所述馈电圆波导管外圆锥介质体部分的侧面和底面分别进行分形面和双曲面赋形，是指将侧线和母线分别设计成类科赫分形曲线和双曲线，然后将整条轮廓线水平旋转一周即得到所需回转体，底面双曲线与多段直折线近似，以多平面代替光滑双曲面，从而降低加工工艺的要求。

作为上述方案的进一步说明，所述馈电圆波导管内径的选择，首先要保证其在工作频段内传播的主模为TE11模，其次考虑传输的功率容量限制，介质辐射体插入馈电圆波导管末端，被馈电圆波导管内传播的主模TE11模所激励，馈电圆波导管另一端则通过圆-矩波导过渡段与标准矩形波导连接，再由同轴线对矩形波导进行馈电。

所述介质辐射体设置有介质辐射头，为了实现介质辐射头与馈电圆波导管的良好阻抗匹配，插入馈电圆波导管内的介质辐射体部分设计成直径和长度各不相同的多节圆柱体，并结合在其上钻孔、切槽等辅助手段进一步改善带内匹配特性。

所述馈电圆波导管内不同直径和长度的介质柱体，它们的直径虽可根据阻抗匹配要求任意选择，但考虑到塞入波导管后的机械坚固性和可靠性，则至少有一节介质段的直径与馈电圆波导管内径相一致，以防止介质体前端塞入馈电圆波导管后出现松动或脱落现象。

所述馈电圆波导管内的介质辐射体的小段节上打孔或切槽，是指在这些分段构造的介质柱体表面钻圆形孔或切出环形槽，钻孔或切槽的直径/宽度、深度、位置及数目，主要由阻抗匹配和带宽要求根据实验数据来确定；需要指出的是，钻孔或切槽的主要目的是为阻抗匹配提供一种有效的辅助手段。

所述介质辐射体的辐射头选用材料一般为损耗和介电常数εr较低、容易加工、价格低廉的材料，如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺/聚酰亚胺、氰酸酯；而馈电圆波导管、圆-矩波导过渡段和矩形波导则选用导电性较强、热膨胀系数较小、成本较低的金属材料，常见有包括纯铜、合金铜、纯铝和压铸铝。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

本发明是一种适合用作焦径比F/D较小的抛物反射面馈源的分形介质谐振天线，采用分形化设计，能在保留小尺寸、低损耗、高效率、宽波束、带宽、极化、外形均可灵活设计等优点的同时获得更好的辐射特性，如更高增益、更低旁瓣和后瓣电平、更平坦幅度、相位分布和更高效率，是适合焦径比F/D较小的抛物反射面馈源的优选天线类型，尤其是适合移动通信基站间用于空中微波点对点传输用的抛物面天线。

附图说明

图1为分形介质谐振天线半轮廓线。

图2为分形介质谐振天线剖面图。

图3为中间段钻孔前的分形介质谐振天线三维图。

图4为中间段钻孔后的分形介质谐振天线三维图。

图5为分形介质谐振天线与圆波导管装配后的剖面图。

图6为分形介质谐振天线S参数(实线-|S₁₁|，虚线-|S₂₁|)。

图7为分形介质谐振天线驻波比VSWR。

图8为分形介质谐振天线f₁＝17.7GHz的实增益方向图。

图9为分形介质谐振天线f₂＝18.7GHz的实增益方向图。

图10为分形介质谐振天线f₃＝19.7GHz的实增益方向图。

图11为分形介质谐振天线电场Phi分量rEPhi的相位特性。

图12为分形介质谐振天线电场Theta分量rETheta的相位特性。

图13为分形介质谐振天线效率η与频率f关系曲线。

附图标记说明：1、馈电圆波导管；2、管内圆柱介质匹配段；2-1、管内第一圆柱匹配段；2-2、管内第二圆柱匹配段；2-3、管内第三圆柱匹配段；2-4、管内第一圆柱匹配段；3、管外圆锥介质辐射体；4、双曲反射面；5、下部折线；6、中部折线；7、上部曲线；8、圆孔；9、槽；10、圆孔。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明是一种用作焦径比F/D较小的抛物面馈源的分形介质谐振天线，在结构上包括：馈电圆波导管1、管内圆柱介质匹配段2、管外圆锥介质辐射体3、圆锥底部双曲反射面4，圆锥底部双曲反射面4位于管外圆锥介质辐射体3的底面。

介质辐射体的前段部分是直径为d、高为h的圆柱体，后段部分是底面直径为D、高为H的圆锥体；前段部分经切削工艺加工成若干节不同直径的小段，每一小段介质块再分别打孔或切槽，然后将整个前段部分插入馈电圆波导管内以实现阻抗匹配；后段圆锥体部分则分别对其侧面和底面进行几何赋形，具体做法是将侧线和母线的直线段分别用一条类科赫分形曲线(Koch-like Curve)和双曲线替代,经回转处理后侧面由光滑的圆锥面变成了凹凸的分形曲面，底面则由平面变成朝后凸起的双曲面，其表面敷涂金属涂层以起到卡塞格伦次反射面的作用；这里选用损耗和介电常数εr＝2.5-5.5的介质材料，以便其介质辐射体前段部分直径能与馈电圆波导管内径相一致。馈电圆波导管外圆锥介质体部分的侧面和底面分别进行分形面和双曲面赋形，是指将侧线和母线分别设计成类科赫分形曲线和双曲线，然后将整条轮廓线水平旋转一周即得到所需回转体，底面双曲线与多段直折线近似，以多平面代替光滑双曲面，从而降低加工工艺的要求。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。

图1的分形介质谐振天线半轮廓线中，下部折线5为管内圆柱匹配段，中部折线6为二次迭代类科赫分形曲线，上部曲线7为双曲线。分形曲线末端和双曲线始端通过一直线段连接，构成圆锥介质体底端的圆柱段。

图2是分形介质谐振天线剖面图，是图1轮廓线绕竖直轴旋转一周(360°)后得到3D介质回转体。

图3是中间段钻孔前的分形介质谐振天线三维图。由图知，馈电圆波导管内的介质体部分共由四节不同直径和长度的圆柱体组成，它们的直径和长度分别为：管内第一圆柱匹配段2-1(直径D₁、长度L₁)；管内第二圆柱匹配段2-2(直径D₂、长度L₂)；管内第三圆柱匹配段2-3(直径D₃、长度L₃)；管内第四圆柱匹配段2-4(直径D₄、长度L₄)。显然，第二节和第四节的直径D₂和D₄等于馈电圆波导管内径D_i。这样便可防止介质体前端塞入馈电圆波导管后出现松动或脱落现象。在第一节圆柱段始端中央纵向钻一个直径、深度分别为d₁和h₁的圆孔8,在第二节圆柱段中间靠下位置环切一个宽度、深度分别为w₂和d₂的槽9。

图4中间段钻孔后的分形介质谐振天线三维图。在上底面距中心S₂圆周上，依次间隔90°钻出四个纵向、孔径和深度为d2、h2的圆孔10。由以上数据知，分形辐射头整体尺寸为：直径D×长度L(＝L₁+L₂+L₃+L₄+H)。

图5分形介质谐振天线与馈电圆波导管装配后的剖面图，馈电圆波导管内填充空气，在馈电圆波导管的端部设置分形介质辐射头。

图6分形介质谐振天线S参数(实线-|S₁₁|，虚线-|S₂₁|)。17.7GHz-19.7GHz频带内，|S₁₁|≤-15.39dB，虚线-|S₂₁|≤-46.39dB。

图7分形介质谐振天线驻波比VSWR。17.7GHz-19.7GHz频带内，VSWR≤1.437dB。

图8分形介质谐振天线f₁＝17.7GHz的实增益方向图(实线-Phi＝0°，XOZ平面；虚线-Phi＝90°，YOZ平面),G＝5.13dBi。

图9分形介质谐振天线f₂＝18.7GHz的实增益方向图(实线-Phi＝0°，XOZ平面；虚线-Phi＝90°，YOZ平面),G＝5.33dBi。

图10分形介质谐振天线f₃＝19.7GHz的实增益方向图(实线-Phi＝0°，XOZ平面；虚线-Phi＝90°，YOZ平面),G＝6.73dBi。

图11分形介质谐振天线电场Phi分量rEPhi的相位特性(Phi＝0°，XOZ平面；粗实线-f₁＝17.7GHz，细实线-f₂＝18.7GHz,粗虚线-f₃＝19.7GHz)。

图12分形介质谐振天线电场Theta分量rETheta的相位特性(Phi＝90°，YOZ平面；粗实线-f₁＝17.7GHz，细实线-f₂＝18.7GHz,粗虚线-f₃＝19.7GHz)。

图13分形介质谐振天线效率η与频率f关系曲线。

本实施例中，馈电圆波导管内径选择需保证TE₁₁主模传输和功率容量要求；管内介质匹配段由四节直径D_i和长度L_i各不相同的圆柱段组成，其中至少有一节圆柱段的直径D_i与波导管内径D一致，以保证介质体前端塞入波导管内后不会松动或滑脱。另外，可在各节匹配段表面钻孔或开槽，以进一步改善阻抗匹配。管外圆锥介质辐射体，其圆锥面为二次迭代类科赫分形曲面，锥底前端为圆柱过渡段，锥底面为双曲反射面。圆锥辐射体底部的双曲面表面需要电镀一层导电材料，如金、银、铜，使其具备理想的双曲反射面特性。为了加工方便，双曲线可用多段直折线近似，但反射面特性会受因此降低。

考虑到上述介质谐振天线具有标准圆对称的几何性质，我们先构建一条赋形半轮廓线，它由一条多折直线、一条二次迭代类科赫分形曲线、一段直线段和一条双曲线首尾依次连接而成。经回转后，整条轮廓线各段分别成为管内圆柱匹配段、管外分形圆锥面、锥底圆柱过渡段，以及锥底双曲反射面。需要特别指出的是，所述类科赫分形曲线其中间段两侧边缘进行二次迭代后是朝内凸出，这是与经典科赫曲线构造方式不同的地方。由于类科赫分形曲线的构造方式具有高度的规律性，进行全参几何建模，以便后续仿真设计中能按照性能需要对结构进行方便、灵活的优化。基于这一目的，整个天线模型的其他部分，如馈电圆波导管内各匹配段、圆锥辐射体基本形状、双曲反射面、介质介电常数εr结构参数也都可以设置为变量。介质辐射头跟常见介质谐振天线一样，一般选用介质损耗较低的介质材料。但与之不同的是，这里选用的介质材料介电常数ε_r较小。原因是介质辐射头往往用在频率很高的微波/毫米波频段，减小尺寸不是首要考虑的因素，而是必须保证其与馈电圆波导管尺寸相当，以便利于加工装配。另外，材料选择还需考虑易加工性、成本价格等因素。综合而言，聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺/聚酰亚胺、氰酸酯是适合介质辐射头的材料。

馈电圆波导管与后端的圆-矩波导过渡段、以及矩形波导一般选用导电性较强、热膨胀系数较小、成本较低的金属材料，常见有包括纯铜、合金铜、纯铝。

表1.分形介质谐振天线主要性能参数一览

由表1可知，本天线工作于Ku/K波段交界区，即17.7GHz-19.7GHz频段。带内单模反射系数|S₁₁|≤-28.86dB，正交模隔离度|S21|≤-50dB，驻波比VSWR≤1.1，带宽为10.7％。另外，整个带内方向图具有良好的幅度平坦性、相位一致性，较低的交叉极化电平，较小的旁瓣和后瓣，以及可观的增益(5dBi-6dBi)；3dB波束宽度为120°-140°；带内天线效率高达94％以上。另外，天线总体尺寸较小，直径D＝31.52mm，长度L＝27.89mm，电尺度约为1.96·λ×1.74·λ。加工材料选用低介电常数、低损耗的普通介质材料，具有成本低廉的优势。综上所述，该天线具有带宽大、波束宽、旁瓣和后瓣电平低、主瓣内幅度和相位分布均匀、交叉极化电平低、增益高、效率高、尺寸小、低成本等优点，是适合焦径比F/D较小的抛物反射面馈源的优选天线类型，尤其是适合移动通信基站间用于空中微波点对点传输用的抛物面天线。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，它包括馈电圆波导管和介质辐射体，介质辐射体由前段的管内圆柱介质匹配段和后段的管外圆锥介质辐射体构成，管内圆柱介质匹配段和管外圆锥介质辐射体分别是由赋形轮廓线经回转操作得到的圆柱体和圆锥体；

整个赋形轮廓线是依次由一条多折直线、一条二次迭代类科赫分形曲线、一段直线段和一条双曲线首尾连接而成，经回转后，分别成为管内圆柱匹配段、管外分形圆锥面、锥底圆柱过渡段，以及圆锥底部双曲反射面，圆锥底部双曲反射面位于管外圆锥介质辐射体的底面。

2.根据权利要求1所述的一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，所述馈电圆波导管内径的选择要保证其在工作频段内传播的主模为TE₁₁模，介质辐射体插入馈电圆波导管末端，被馈电圆波导管内传播的主模TE₁₁模所激励，馈电圆波导管另一端则通过圆-矩波导过渡段与标准矩形波导连接，再由同轴线对矩形波导进行馈电。

3.根据权利要求1或2所述的一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，所述介质辐射体设置有介质辐射头，插入馈电圆波导管内的介质辐射体部分设计成多节圆柱体，并在其上钻孔或切槽。

4.根据权利要求3所述的一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，所述馈电圆波导管内的多节圆柱体中至少有一节圆柱体的直径与馈电圆波导管内径相一致。

5.根据权利要求3所述的一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，所述馈电圆波导管内的介质辐射体的圆柱体上打孔或切槽，是指在这些分段构造的介质柱体表面钻圆形孔或切出环形槽，钻孔或切槽的直径/宽度、深度、位置及数目，由阻抗匹配和带宽要求来确定。

6.根据权利要求3所述的一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，所述介质辐射体的辐射头选用材料为低介电常数的材料；而馈电圆波导管、圆-矩波导过渡段和矩形波导则选用金属材料。

7.根据权利要求6所述的一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，所述低介电常数的材料采用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺/聚酰亚胺、氰酸酯中的一种或几种。

8.根据权利要求6所述的一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，所述金属材料为纯铜、合金铜、纯铝和压铸铝中的一种。