CN105958205A - 一种多频段双极化大功率馈源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多频段多极化大功率馈源。既能作为反射面天线的馈源，又可作为多频段多极化的独立天线。由高频段波导、低频段波导和辐射波导构成金属主腔体，其中高频段波导和低频段波导构成馈电部分，辐射波导成电磁辐射部分；高频段波导上分别设有高频段水平极化馈电口和高频段垂直极化馈电口；低频段波导上分别设有低频段水平极化馈电口和低频段垂直极化馈电口。本发明为一体化设计，实现了两个以上波段天线共口径和波束指向相同（波束匹配）；本发明天线可为n个频段提供多种极化信号，即天线可工作在多个频段，在多个工作频段内分别实现水平极化和垂直极化；或配用圆极化器实现多频圆极化，变成大功率圆极化天线。

Description

一种多频段双极化大功率馈源
技术领域
本发明属于雷达系统及微波通信、卫星通信系统等技术领域，具体涉及一种两个以上频段、双极化、大功率馈源。
背景技术
在大功率雷达系统中，有些雷达要求天线能够具有双频段、双极化或多频段多极化工作能力，且各频段波束指向相同(波束匹配)。如某C/X波段微波超视距环境与传播实验平台实际上是海面回波和舰船目标的测量和定位，要求天线具有：多波形双频段、双极化，且根据测试要求由人工进行控制；多频段天线共口径和波束指向相同(波束匹配)；目前具有双(多)频段、双极化、大功率天线大多采用反射面加馈源组阵的形式。如美国NASA公司的PR-2双频段双极化阵列馈源抛物柱反射面天线、一种新型双频段双极化星载降水测量雷达天线、都是采用馈源组阵的形式实现双频段、双极化工作的。
发明内容
为了解决共用一反射面，实现双极化或多极化波束共轴工作，本发明提供一种多频段双极化大功率馈源。
一种多频段双极化大功率馈源包括管状的金属主腔体，金属主腔体的一端为高频段波导，中部为低频段波导，另一端为辐射波导；所述高频段波导和低频段波导构成馈电部分，辐射波导构成电磁辐射部分；
所述高频段波导上分别设有高频段水平极化馈电口和高频段垂直极化馈电口，高频段水平极化馈电口和高频段垂直极化馈电口呈正交布置；
所述低频段波导上分别设有低频段水平极化馈电口和低频段垂直极化馈电口，低频段水平极化馈电口和低频段垂直极化馈电口呈正交布置；
辐射波导的辐射口处设有介质罩；
所述馈电部分实现两个以上频段双极化的馈电，所述电磁辐射部分实现两个以上频段多个极化共口径。
进一步限定的技术方案如下：
所述高频段波导为圆管状波导或方管状波导。
所述低频段波导由圆管状的低频传输波导和圆锥台状的变换段波导轴向连接组成，或方管状的低频传输波导和方锥台状的变换段波导轴向连接组成；变换段波导的大直径端连接着低频传输波导的一端，变换段波导的小直径端连接着高频波导的一端。
所述电磁辐射部分为开口方波导或圆波导或多台阶喇叭或加脊喇叭，电磁辐射部分的小直径端连接着传输波导的另一端，电磁辐射部分的大直径端连接着介质罩。
所述高频段水平极化馈电口为矩形馈电口，且矩形馈电口由矩形渐变为圆形或方形。
所述高频段垂直极化馈电口为矩形馈电口。
所述低频段水平极化馈电口为矩形馈电口。
所述低频段垂直极化馈电口为矩形馈电口。
所述高频段波导上设有一个以上的同轴口，用于传输不同频段的信号。
所述低频传输波导上设有一个以上的同轴口，用于传输不同频段的信号。
所述辐射波导的辐射口的内壁上均布设有两条以上凸脊或两块以上加阶梯块。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明采用的是多个频段共口径馈源，共用一反射面，实现双极化或多极化波束共轴工作；其最大优点是使得馈源的设计更为简单，馈电更为方便。
2.本发明简化了雷达馈电的结构，减小馈线系统的损耗，减轻雷达馈线系统的重量，减少馈电器件，节省雷达制造成本。
3.本发明提高了雷达系统的集成度和可靠性；可广泛应用于两个以上频段、双极化反射面馈源或单独作为双(多)频段、双极化天线；通用性、实用性较强。
4.本发明中宽带天线可覆盖多个工作频段、各频段信号相互正交。两个正交主模独立信号将它们提供给单一信号端口的基模，使所有馈电端口匹配并在独立信号之间有高的交叉极化鉴别力。
附图说明
图1为本发明双频段双极化结构示意图；
图2为多频段双极化结构示意图；
图3为低频段波瓣图；
图4为高频段波瓣图；
图5为低频段交叉极化图；
图6为高频段交叉极化图。
上图中序号：高频段水平极化馈电口1、高频段垂直极化馈电口2、低频段水平极化馈电口3、低频段垂直极化馈电口4、高频传输波导5、口径变换段波导6、低频传输波导7、辐射装置8、介质罩9、第一同轴连接器10-1、第二同轴连接器10-2。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
本发明工作在C波段和X波段；极化方式为HH，VV极化；高增益；峰功率容量可达几十千瓦；波束匹配即波束指向相同。对于双频段双极化大功率高增益天线，在没有波束指向要求的情况下，最简单的实现方法是采用馈源带反射面形式。将X波段馈源和C波段馈源上下摆在焦线上，馈源输入口分别加正交模耦合器再接各自频段的馈线系统(要达到系统要求的增益和波束宽度采用此方案两频段波束指向相差2.2°)，不满足波束匹配的要求；要使波束匹配，两个频段的馈源相位中心都必须放在焦点上，拟采用垂直方向组阵，放置C波段馈源，中间放置X波段馈源。让两频段相位中心与焦点重合，C波段两馈源输入口各接一正交模耦合器，再将两路进行合成后到C波段馈线，X波段直接接正交模耦合器至馈线(此方案在达到波束指向相同的情况下，C波段次级波瓣出现分裂现象，C波段增益和波束达不到总体的指标要求)；既要满足波束匹配又要使波束相位中心都放在焦点上而使各频段次级波瓣不出现裂瓣，必须研制一款X/C频段双极化共口径馈源，使得天线的增益、波束宽度、波束指向、副瓣、极化方式都满足雷达系统提出的指标要求。
一种双极化双频段大功率馈源分为馈电部份和电磁辐射部份，下面以C/X频段对图1进行详细说明。
参见图1，包括管状的金属主腔体，金属主腔体的下端为高频段波导，中部为低频段波导，上端为辐射波导8；其中高频段波导和低频段波导构成馈电部分，辐射波导构成电磁辐射部分。
高频段波导为管状的高频传输波导5，高频传输波导5上分别设有X频段水平极化馈电口1和X频段垂直极化馈电口2，X频段水平极化馈电口1和X频段垂直极化馈电口2相互垂直形成一X波段正交信号，分别传输X波段水平极化和垂直极化信号；X频段水平极化馈电口1为矩形口，经过一段矩圆口径变换，位于高频传输波导5的外端口；X频段垂直极化馈电口2为矩形口，位于高频传输波导5的侧壁上；
低频段波导由X频段至C频段的口径变换段波导6和C波段的低频传输波导7组成，C波段的低频传输波导7的侧壁上分别设有C频段水平极化馈电口3和C频段垂直极化馈电口4，C频段水平极化馈电口3和C频段垂直极化馈电口4呈正交布置；馈电口可以是标准波导也可以是脊波导，满足频段指标需求即可。
辐射波导8的辐射口处安装有介质罩9。
考虑到系统各频段工作带宽窄，本施实例选用C波段标准矩波导，X频段至C频段的口径变换段波导6对于C波段的两信号为等效短路面。X和C其共用的输入口为圆波导与喇叭的波导口对接，本实施例中的喇叭选用多台阶圆喇叭，可以工作在X和C频段内，当作为馈源用时，可为反射面天线提供相位中心相同、波束匹配、较大照射角度的初级波瓣方向图。由于反射面天线的增益是靠面来决定所以当两频段信号相差较大或工作频段较低时，根据初级波瓣的照射原则，尽量使用开口喇叭、脊喇叭或能实现宽频带的多台阶喇叭使馈源的-10dB波瓣照射的角度大，这样在高增益条件下频段高的波瓣次级波瓣不会出现裂瓣，但如果选择正副反射面的天线或频段较高的W波段或更高频段由于增益较高的初级波瓣选择常规的波纹喇叭更好匹配，曾有国外文献报道，不在本发明讨论之列。
馈源要确保天线能处于最佳照射状态，馈源十分之一功率宽度应约等于抛物面天线的张角。在实际工作中，有时对天线旁瓣电平提出较高要求，这时需要提供口面边缘场强更低一些的照射，在要求低旁瓣的同时，还对天线增益提出了一定要求，则应适当增大口面直径；为获得等相位口面场，馈源应具有确定的相位中心；在工作频带内，馈源与馈线间有着良好的匹配；馈源结构对口面辐射的遮挡应尽可能小；有足够的功率容量；能抗雨、雾与水汽的腐蚀。
图3-6分别给出了C/X波段馈源的设计结果。采用本实施例的馈源X波段-10dB照射角可达±41度，C波段-10dB照射角可达±58度。此馈源采用偏馈形式，天线口径约2m，焦径比0.5，抛物面焦距f＝1米，抛物面方程x2+y2＝4fz，用圆朝z方向截取抛物面。馈线功率可达三四十千瓦、可以实现X和C两个频段共轴工作、两种极化(水平或垂直极化)、很高的天线增益(X波段43在dB、C波段38dB)。波束形状可根据指标需要选择合适的反射面(本方案笔形波束选择旋转抛物面实现)。
实施例2
本实施例，在实施例1的基础上，可以增加馈电口或接收口实现多个频段的信号传输，多个频段之间按高频到低频顺序合理布局主馈线。根据其截止频率合理选择各频段的口径和馈电波导尺寸。如图2所示在高频传输波导5上对称增设有一对第一同轴连接器10-1、第二同轴连接器10-2，与上、下两频段的波导口实现三个频段两种极化分时或同时工作。
实施例1使用在双频段双极化，在多频段多极化中本发明也可行，见图2所示的结构形式就可工作在三个频段双极化中。多频段还可使用双工器进行组合，或做相应变换在合理的位置进行匹配布局。
本发明最大特点是能实现双(多)频段、双极化共轴工作。可简化雷达馈电的结构，减小馈线系统的损耗，减轻雷达馈线系统的重量，减少馈电器件，节省雷达制造成本；实现雷达馈线系统的优化设计；提高雷达系统的集成度和可靠性。此发明可广泛应用于双(多)频段、双极化反射面馈源或单独作为高增益、双(多)频段、双极化天线用。通用性、实用性较强。宽带喇叭与多频段信号集成设计，具有双(多)频段、双极化工作能力、具有大功率能力、可实现多频段共轴工作。可作为反射面的馈源也可单独做双(多)频段、双极化天线用。

Claims (6)

1.一种多频段双极化大功率馈源，其特征在于：包括管状的金属主腔体，金属主腔体的一端为高频段波导，中部为低频段波导，另一端为辐射波导；所述高频段波导和低频段波导构成馈电部分，辐射波导构成电磁辐射部分；
所述高频段波导上分别设有高频段水平极化馈电口和高频段垂直极化馈电口，高频段水平极化馈电口和高频段垂直极化馈电口呈正交布置；
所述低频段波导上分别设有低频段水平极化馈电口和低频段垂直极化馈电口，低频段水平极化馈电口和低频段垂直极化馈电口呈正交布置；
辐射波导的辐射口处设有介质罩；
所述馈电部分实现两个以上频段双极化的馈电，所述电磁辐射部分实现两个以上频段多个极化共口径。
2.根据权利要求1所述的一种多频段双极化大功率馈源，其特征在于：
所述高频段波导为圆管状波导或方管状波导；
所述低频段波导由圆管状的低频传输波导和圆锥台状的变换段波导轴向连接组成，或方管状的低频传输波导和方锥台状的变换段波导轴向连接组成，变换段波导的大直径端连接着低频传输波导的一端，变换段波导的小直径端连接着高频段波导的一端；
所述电磁辐射部分为开口方管波导或圆管波导或方形喇叭状波导或脊喇叭状波导，电磁辐射部分的小直径端连接着低频传输波导的另一端，电磁辐射部分的大直径端连接着介质罩。
3.根据权利要求1所述的一种多频段双极化大功率馈源，其特征在于：
所述高频段水平极化馈电口为矩形馈电口，且矩形馈电口由矩形渐变为圆形或方形；
所述高频段垂直极化馈电口为矩形馈电口；
所述低频段水平极化馈电口为矩形馈电口；
所述低频段垂直极化馈电口为矩形馈电口。
4.根据权利要求1所述的一种多频段双极化大功率馈源，其特征在于：所述高频段波导上设有一个以上的同轴口，用于传输不同频段的信号。
5.根据权利要求1所述的一种多频段双极化大功率馈源，其特征在于：所述低频传输波导上设有一个以上的同轴口，用于传输不同频段的信号。
6.根据权利要求1所述的一种多频段双极化大功率馈源，其特征在于：所述辐射波导的辐射口的内壁上均布设有两条以上凸脊或两块以上加阶梯块。
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