CN105140653B - 基于平面介质透镜的平板波导cts天线宽频带馈电线源 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于平面介质透镜的波导CTS天线宽频带馈电线源，用于解决现有线源无法同时实现小型化、宽频带和良好匹配及加工装配难度大的问题。包括H面喇叭(1)、平面介质透镜(2)和平板波导(3)；H面喇叭(1)的输出端口与平板波导(3)相连，在平板波导(3)内设置有平面介质透镜(2)；平面介质透镜(2)由中间层(21)和与其对称包括多个匹配子层的两个匹配层(22)构成，各层均采用由多个介电常数不同条带形成的直线阵列结构，且从条带直线阵列中间向两端延伸，其条带介电常数逐步降低。本发明具有结构尺寸小、频带宽、匹配性能良好且易于生产调节装配的优点，可用于平板波导CTS天线馈电。

Description

基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源

技术领域

本发明属于天线及馈源技术领域，涉及一种通过平面介质透镜将H面喇叭产生的柱面波前转换为平面波前并输出的宽频带线源，实现对平板波导CTS天线的馈电。

背景技术

在通信应用领域，具有宽频带、低剖面的高性能天线一直是天线设计者追求的目标。尤其是对星载天线而言，宽频带可以使天线工作在多个频段，实现多功能复用；低剖面可以大幅降低卫星发射成本。因此，提出一种能够运用于宽带通信领域的低成本高性能天线是一项很重要的任务，期望的特性包括：宽频带，低机械轮廓，高效率，重量轻，低副瓣以及低成本、易维护等。CTS(Continue Transverse Stub，连续横向枝节)阵列天线具有重量轻、结构简单、带宽较宽、辐射效率高以及成本低等优点，在卫星通信及各种雷达系统中具有很大的应用潜力。

平板波导CTS天线最早由美国休斯公司(Hughes Aircraft Company)于1990年发明。平板波导CTS天线的主要工作机理是：在平板波导上开连续横向短截线，沿着纵向传播的准TEM模式场被连续的横向截断节所阻断，并在横向的截断节之间感应出位移电流，该位移电流在横向节周围激励起等效的电场，并辐射电磁场。其波束宽度和副瓣电平可通过调整横向节的位置分布进行优化和控制。

用于平板波导CTS天线馈电的线源，一方面对天线的匹配和驻波产生直接的影响；另一方面线源的幅度和相位特性对天线的辐射场增益、副瓣电平具有决定性影响。因此要得到良好的天线整体性能，线源的设计至关重要。

理想的线源须具有如下条件：

(1)线源提供的口径场在宽频带上相位分布同相，幅度具有适当的锥削分布，以满足孔径效率和副瓣电平的要求；

(2)在宽频带上阻抗匹配性能良好；

(3)结构紧凑，且易于加工，成本较低。

能产生理想的幅度锥削分布和严格等相位输出的线源在实际工程中难以实现。现有可工程实现的平板波导CTS天线馈电线源包括离散线源和连续线源两类。其中离散线源是利用一系列离散分布的激励源所产生的辐射场的叠加，在输出口面构造出所需的准等相位场分布来形成线源。如波导口径阵列，即利用等间距依次排列的波导口径阵列辐射叠加形成线源。这种线源结构需要加入宽带功分器，不仅其结构尺寸大，插入损耗变大，而且增大了宽带设计的难度和成本。连续线源是利用某一激励源结合辅助结构在输出口面产生连续不间断的准等相位空间场来形成馈电线源。如由H面喇叭结合抛物柱面或凸介质透镜构成的馈电线源，通过抛物柱面或凸介质透镜，将H面喇叭产生的柱面波变换为平面波并输出。但存在的缺陷是，采用抛物柱面需要较大的空间，不利于线源的小型化设计，且抛物柱面的加工和装配要求也较高；采用凸介质透镜虽然可以使线源整体尺寸较小，且能够满足几何光学要求，但在电磁波经过空气和凸介质透镜分界面时产生的反射比较严重，造成频带阻抗匹配差，且凸透镜的曲面加工要求较高，装配中也要求将透镜焦点与喇叭的相位中心严格对准，这都给该类透镜实际使用带来很大的限制。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源，用于解决现有平板波导CTS天线馈电线源无法同时实现小型化、宽频带和良好匹配及加工装配难度大的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源，包括喇叭、透镜和波导，所述喇叭采用H面喇叭1，透镜采用平面介质透镜2，波导采用平板波导3；H面喇叭1的输出端口与平板波导3相连，在平板波导3内设置有平面介质透镜2；所述平面介质透镜2由中间层21和对称于该中间层21的两个匹配层22构成，每个匹配层包括多个匹配子层，其中中间层21和多个匹配子层均采用由多个条带形成的直线阵列结构，中间层21和每个匹配层采用的多个条带的介电常数不同；且各层从条带直线阵列中间向两端延伸，其条带介电常数按照宽带传输相位要求和透射率控制要求逐步降低，用于在宽频带上各个频点调整电磁波穿过各个条带时的相位延迟，并同步实现高透射率，从而形成等相位输出。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明的平面介质透镜由于中间层和多个匹配子层均采用由多个条带形成的直线阵列结构，中间层和每个匹配层采用的多个条带的介电常数不同；且各层从条带直线阵列中间向两端延伸，其条带介电常数逐步降低，当电磁波穿过各个介质条带时，不同的相位延迟可以对波前相位进行大范围调整，实现了柱面波到平面波的转换；此结构的平面介质透镜更适用于大张角喇叭的波前转换，有利用产生适当的幅度锥削分布，在相同的口面尺寸要求下，大张角喇叭的长度较短，与现有的需要较大空间的抛物柱面相比，具有整体尺寸小，结构紧凑的优点。

2、本发明的平面介质透镜由于采用了由中间层和多个匹配子层条带阵列构成，其相同列上的条带自中间层向其两侧的多个匹配子层延伸，其介电常数依次降低，在优化过程中同步考虑包含匹配层在内的透镜在宽频带上的相位延迟和反射率，与现有技术中的凸介质透镜相比，本发明同步实现了宽频带上的相位延迟控制和宽带匹配，实现了宽带设计和良好的阻抗匹配。

3、本发明由于将柱面波转换为平面波采用的是平面介质透镜，与现有技术采用的曲面介质透镜相比，显著降低了加工和装配难度。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的平面介质透镜结构示意图；

图3是本发明实施例的平面介质透镜各层及每层条带的相对介电常数分布图；

图4是本发明实施例的电场分布仿真结果图；

图5是本发明实施例的线源输入端口电压驻波比(VSWR)仿真曲线图；

图6是本发明实施例的线源输出端口在不同频率时的相位曲线图；

图7是本发明实施例的线源输出端口在不同频率时的幅度曲线图。

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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

参照图1，本发明包括H面喇叭1、平面介质透镜2和平板波导3；H面喇叭1和平板波导3通过一体化加工可直接相连，平面介质透镜2位于平板波导3内靠近H面喇叭1的输出端口处；H面喇叭1由矩形馈电波导和扇形H面喇叭构成，扇形喇叭的张角为90度，用于产生柱面波；平面介质透镜2由中间层21和对称于该中间层21的两个匹配层22构成，每个匹配层包括多个匹配子层，其中中间层21和多个匹配子层均采用由多个条带形成的直线阵列结构，在本实施例中，采用40个条带和2个匹配子层；平板波导3用于构造平面介质透镜的上下导体边界，并引导变换后的场传输至输出口面；H面喇叭1、平板波导3内侧空腔和平面介质透镜2的厚度一致，均取为3.556mm；平板波导3内侧空腔和平面介质透镜2的宽度一致，均为80mm。H面喇叭产生的电磁波为柱面波前，为了将柱面波前转化为平面波前，向不同方向传播的波在穿过平面介质透镜时需要具有不同的相位延迟。以喇叭对称轴为参考，靠近轴向方向的波比远离轴向方向的波在进入透镜之前传播距离短，所以在平面介质透镜中需经过相对更大的相位延迟来补偿。因此平面介质透镜靠近中心的部位介质的介电常数较高，边缘较低，即介电常数由中心到边缘依相位延迟要求逐步降低。对该变化过程进行离散处理形成具有不同介电常数的条带来构成平面介质透镜的中心层。波由自由空间进入平面介质透镜，由于波阻抗的差异会形成反射，所以本实施例在中心层的每个介质条带的两侧各加入由一个匹配内层和一个匹配外层构成的匹配层来减小反射，且匹配层所带来的相位延迟也需要计入。

参照图2，平面介质透镜2由中间层21和对称于该中间层21的两个匹配层22构成，每个匹配层22包括一个匹配内层221和一个匹配外层222，其中中间层21、两个匹配内层221和两个匹配外层222均采用由40个条带形成的直线阵列结构，中间层21和两个匹配层22采用的40个条带的介电常数不同；且各层从条带直线阵列中间向两端延伸，其条带介电常数逐步降低，中间层21由40个10mm×2mm×3.556mm的条带构成，两个匹配内层221和两个匹配外层222各由40个2.5mm×2mm×3.556mm的条带构成，各条带以喇叭轴线为对称轴对称排列。

参照图3，三条曲线分别表示中间层21、匹配内层221和匹配外层222不同条带对应的介电常数。从图中可以看出，各层从条带直线阵列中间向两端延伸，其条带介电常数逐步降低；中间层21、匹配内层221和匹配外层222上相同列的条带其介电常数依次降低；对称于中间层21的任意两个匹配内层221或匹配外层222，相同列上条带的介电常数相等。

以下结合仿真计算对本发明的技术效果作进一步描述。

1、仿真内容

本发明采用Ansoft公司的高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对电场分布、驻波比、相位分布、归一化幅度分布进行仿真，其结果分别如图4、图5、图6和图7所示。

2、仿真结果

参照图4，为了展示线源输出场的平面波前特性，将平板波导进行了延伸形成虚线框图内的观察区。可以看出H面喇叭产生的柱面波通过平面介质透镜转换为平面波并在口面输出。

参照图5，横坐标表示频率，纵坐标表示驻波比，从图中可以看出，在25GHz-36GHz范围内，驻波比小于2，均值小于1.36，说明本发明的回波损耗小，实现了较宽的频带和良好的阻抗匹配。

参照图6，横坐标表示线源输出端口沿介质条带直线阵列方向的位置，纵坐标表示线源输出端电磁波的相位，取26.5GHz、30.1GHz和35.1GHz为例，从图中可以看出，线源口径场相位分布波动较小，尤其在中心区域，相位保持稳定。

参照图7，横坐标表示线源输出端口沿介质条带直线阵列方向的位置，纵坐标线源输出端电磁波的幅度，取26.5GHz、30.1GHz和35.1GHz为例，从图中可以看出，线源口径场幅度具有适当的锥削分布，从而可以使平板波导CTS天线形成高增益低副瓣方向图，满足了预期要求。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源，包括喇叭、透镜和波导，其特征在于，所述喇叭采用H面喇叭(1)，透镜采用平面介质透镜(2)，波导采用平板波导(3)；H面喇叭(1)的输出端口与平板波导(3)相连，在平板波导(3)内设置有平面介质透镜(2)；所述平面介质透镜(2)由中间层(21)和对称于该中间层(21)的两个匹配层(22)构成，每个匹配层包括多个匹配子层，其中中间层(21)和多个匹配子层均采用由多个条带形成的直线阵列结构，中间层(21)和每个匹配层采用的多个条带的介电常数不同；且各层从条带直线阵列中间向两端延伸，其条带介电常数按照宽带传输相位要求和透射率控制要求逐步降低，用于在宽频带上各个频点调整电磁波穿过各个条带时的相位延迟，并同步实现高透射率，从而形成等相位输出。