CN106099324A

CN106099324A - 一种用于双极化双波束反射面天线馈源

Info

Publication number: CN106099324A
Application number: CN201610369114.2A
Authority: CN
Inventors: 张志亚; 左少丽; 吴丹; 雷娟; 杨龙; 王力; 傅光
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: CN106099324B

Abstract

本发明公开了一种用于双极化双波束反射面天线馈源，其包括辐射部分、馈电部分，所述辐射部分包括两个方波导、两个锥形介质杆和馈电隔板；馈电部分为高隔离度正交模耦合器；两个方波导以共用金属壁的方式排列成双辐射口馈源阵列。方波导辐射口加载锥形介质柱，馈电口连接高隔离度正交模耦合器。本发明的有益效果：在方波导辐射口加载锥形介质柱，使得电磁能量产生汇聚效应，扩大了方波导辐射口的等效辐射口径，降低波束锥削电平，并提高了每个馈源波束增益；在辐射口引入馈电隔板可有效改善相位中心的偏移程度以达到实现反射面天线小波束夹角的性能；通过引入一对高隔离度正交模耦合器使得该反射面馈源具有双波束、双极化的特性。

Description

一种用于双极化双波束反射面天线馈源

技术领域

本发明涉及反射面天线馈源技术领域，尤其涉及一种用于双极化双波束反射面天线馈源。

背景技术

本部分中的陈述仅仅提供了与本发明公开的内容有关的背景信息，且可能不构成现有技术。

双波束天线是多波束天线的一种特殊情况。所谓多波束天线，是指能够同时产生多个窄波束的天线，利用分集和极化隔离技术，可以在提高通信容量的同时降低多径衰落效应。目前对多波束天线的研究已经深入到各个领域，现阶段多波束天线的实现方式一般有三种：反射式、透射式以及相控阵式。与透镜天线和相控阵天线相比，反射面天线具有结构简单、加工技术成熟、增益高、成本低廉等优点，当需要波束不多时，是实现所需性能最简单的一种天线形式。双波束反射面天线是利用同一个反射面去接收多个馈源的照射，以此形成多个波束，每个波束的性能参数均由相应的馈源所决定，通过合理调整馈源的辐射特性及相位中心在系统中位置，就可以实现不同馈源馈电得到不同指向波束，达到多波束工作的目的。

馈源是反射面天线的重要组成部分，是各种聚焦天线照射器的总称，主要包括馈电天线和馈电器件两部分。馈源被称为初级天线，可以将自身的射频能量辐射至反射面上，从而使反射面产生合适的口径场，进而形成需要的波束。由于馈源的性能在很大程度上能影响反射面天线的整体性能。所以，多极化、多频段、小型化、多波束反射面天线等需求也极大的促进了馈源的研究。为了实现收发隔离，需要馈源天线能够双极化工作。天线的极化一般指天线辐射的电场矢量沿着波传播的方向在空间固定一点随时间变化的矢量端点的运动状态。按照极化方式，天线可以分为线极化、圆极化和椭圆极化天线。具有两个相互正交的线极化称为双极化。

介质杆天线主要由传输波导和介质块组成，早在20世纪40年代就已经出现，但是由于谐振在低频时介质并没有显著的作用，所以在厘米波的波段没能获取广泛的应用。介质杆天线的特点是工作在高频段时，由于电磁能量会向介质杆处汇聚，天线会变成为表面波工作，相当于扩大了其等效口面。在毫米波段，采用介质杆形式的天线可以缩小尺寸，降低重量，同时又可以很方便的同馈电波导级联，因而得到了更广泛的应用。

天线的方向图是天线的辐射参量随空间方向变化的图形表示，一般表征天线辐射能量的空间分布情况。按方向特性分，天线可以分为强方向性天线，弱方向性天线，定向天线，全向天线，针形波束天线，扇形波束天线等。方向图特性参数主要包括主瓣宽度，副瓣电平，前后比，方向系数等。锥削电平也是方向图特性参数的一种，它表示馈源锥削角处的增益相对于馈源最大增益的差值，锥削电平的值越低，代表反射面天线的漏射电平越小，能量的利用效率也就越高，为了提高馈源的利用效率，要求使馈源的能量尽量分布在反射面的口径以内，因此需要尽量降低其锥削电平。

通常作为反射面天线馈源的是喇叭天线。喇叭天线可视为张开的波导，宽频带、低重量、较高的极化纯度以及定向辐射的优点使其常常用作于反射面天线馈源。但是由于喇叭天线是在辐射口径上产生均匀的相位波前才获得定向性的，本质是一种口径天线，所以喇叭天线辐射所产生的增益、波束宽度与喇叭的口面大小直接相关。而馈电天线口径的尺寸是影响双波束反射面天线性能和多馈源布局结构的关键因素，一方面由于系统要求的波束扫描角非常窄，留给馈源的摆放空间很小，另一方面由于馈源对反射面的遮挡效应，所以馈源尺寸与抛物反射面的焦径比F/D共同影响系统的最大增益、波束扫描角、交叉极化、副瓣电平等一系列辐射特性。因此，常用的喇叭天线不能满足于在小夹角双波束反射面馈源要求。

与此同时，在双波束反射面天线系统中通常会对主瓣偏移角有要求。反射面天线的主瓣偏移角与馈源相位中心偏移反射面焦点的距离成正比。因此，为了实现小夹角双波束特性，需要得到具有稳定短距离偏移的馈源相位中心。但是由于馈源的偏移距离减小，双波束馈源的相位中心距离很近，会使得馈源间产生强互耦效应从而使得馈源波束指向和相位中心发生偏移，影响系统的辐射性能。所以现有技术方法设计的双馈源天线无法使得反射面天线实现具有小夹角的双波束特性。故现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种解决普通方波导馈源天线锥削电平高以及难以实现双馈源相位中心较小的横向偏置距离问题的用于双极化双波束反射面天线馈源。

本发明的技术解决方案是：一种用于双极化双波束反射面天线馈源，包括辐射部分1和馈电部分2；辐射部分1由两个尺寸相同的方波导11以及安装在方波导口的两个相同的锥形介质杆12构成，同时在两个锥形介质杆12的中间以及两边有三个金属馈电隔板13；馈电部分2由方波导11末端的高隔离度正交模耦合器(OMT)21构成，包括直通口22、耦合口23和波导段这三部分。方波导11末端的高隔离度正交模耦合器21的两个端口能够把正交的两个线极化波分离，从而实现极化复用并对其输入阻抗进行阻抗变换；两个方波导11以共用金属壁的方式排列成双辐射口馈源阵列，分别为馈电单元111和馈电单元112；方波导一端连接正交模耦合器，另一端与锥形介质杆12中间的填充介质柱123连接；三个金属馈电隔板13分别置于锥形介质杆12的中间以及两边。

锥形介质杆12采用相对介电常数为3.8的介质材料，包括方波导11外面的辐射介质杆121部分和方波导11内部的阶梯过渡段122，以及辐射介质杆121与阶梯过渡段122之间的填充介质柱123；填充介质柱123与方波导口无缝连接；辐射介质杆121长为L，辐射介质杆的引入可降低锥削电平，提高反射面天线的溢出效率。

馈电隔板采用金属材料，包括锥形介质杆中间的中心馈电隔板131和锥形介质杆两边的边缘馈电隔板132；中心馈电隔板131的厚度为与边缘馈电隔板132的厚度不相同；通过馈电隔板的长度调节天线的相位中心的横向偏置距离。

本发明的有益效果：

1)本发明由于在方波导口的一端连接了锥形介质杆，工作在高频段时，电磁能量会向介质杆处汇聚，天线会变成为表面波工作，相当于扩大了其等效口面。与现有技术相比，在保证双极化的同时，降低锥削电平，使双极化反射面馈源波束增益得到提高。

2)本发明由于在方波导口的一端增加了3个金属馈电隔板，与现有技术相比，在保证方向图性能的同时，可以更好的调节双波束馈源相位中心的横向偏置距离，使双波束反射面天线获得更小的主瓣偏移角。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明的锥形介质杆的结构示意图；

图3是本发明的方波导以及金属馈电隔板的结构示意图；

图4是本发明的正交模耦合器的结构示意图；

图5是本发明实施例的电压驻波比曲线图；

图6是本发明实施例馈电单元111在中频处直通口和耦合口的相位方向图；

图7是本发明实施例馈电单元111在不同频点处的E面和H面辐射方向图。

附图标记说明：1、辐射部分；11、方波导；111、馈电单元；112、馈电单元；12、锥形介质杆；121、辐射介质杆；122、阶梯过渡段；123、填充介质柱；13、馈电隔板；131、中心馈电隔板；132、边缘馈电隔板；2、馈电部分；21、高隔离度正交模耦合器；22、直通口；23、耦合口；24、波导段(未图示)。

具体实施方式

实施例：

参照图1，本发明包括辐射部分1、馈电部分2。辐射部分1由两个共壁方波导11、锥形介质杆12和金属馈电隔板13构成；馈电部分2由方波导11末端的高隔离度正交模耦合器(OMT)21构成，包括直通口22、耦合口23和波导段这三部分。高隔离度正交模耦合器21的一端与方波导11连接，另一端分别与4个端口连接从而实现不同极化的馈电并对其输入阻抗进行阻抗变换；两个方波导11以共用金属壁的方式排列成双辐射口馈源阵列，分别为馈电单元111和馈电单元112，且这两个馈电单元具有相同的特性；两个锥形介质杆12连接在方波导11的另一端进行辐射。

参照图2，所述锥形介质杆12由方波导11外面的辐射介质杆121和方波导11内部的阶梯过渡段122以及中间的填充介质柱123组合而成。辐射介质杆121的长度为L₁＝82mm，长度约为4λ₀(λ₀为中心频率15GHz对应的自由空间波长)，用来扩大馈源的等效口径面积。阶梯过渡段122的长度为L₂＝12.5mm，约为0.6λ₀。为了进一步匹配馈源，减小突变结构产生的高次模影响，阶梯过渡段122采用七级阶梯过渡。填充介质柱123长为L₃＝5.5mm，与方波导11连接。锥形介质杆12用来引导电磁能量的辐射，减少漏波，从而降低锥削电平，提高天线增益。

参照图3，所述的两个方波导11以共同的波导金属壁相连组成双馈源阵列。矩形波导长为L₀＝123mm，宽为W＝12.95mm，宽度W会影响波导的谐振频率。两个矩形波导紧靠在一起目的是为了在尽量减小反射面焦点的情况下减小相位中心的横向偏移距离。参照图3，所述三个金属馈电隔板13放置在方波导11装有锥形介质杆12的一端，包括中心馈电隔板131和边缘馈电隔板132两部分。馈电隔板13的长度均为H＝19.5mm，中心馈电隔板131的厚度为m＝1.5mm。由于两个方波导11紧靠在一起，使得方波导11外部连接的锥形介质杆12之间的互耦效应会影响系统的辐射性能，因此在两个锥形介质杆12的中间加入了中心馈电隔板131以降低互耦，同时可以通过调节中心馈电隔板131的长度H来调节相位中心的横向偏置距离，从而减小双波束反射面天线的主瓣偏移角。但是中心馈电隔板131表面会产生感应电流，感应电流也会辐射电磁波使辐射场的等效相位中心发生偏移，因此在锥形介质杆12的两边引入边缘挡板使馈源在垂直面变成对称结构，防止方向图偏移。

参照图4，所述高隔离度正交模耦合器21包括直通口22、耦合口23和波导段24这三部分。这三个部分的尺寸均会影响波导的谐振频率以及传输模式的纯度，其中直通口22和耦合口23与波导段24相接处的波导尺寸为标准矩形波导BJ180(宽12.95mm，高6.475mm)。波导段24的宽度与方波导11的相同，以省去公共传输波导段24和方波导11的过渡段。直通口22与耦合口23分别接在波导段24的两个相邻面上用来把正交的两个线极化波分离，从而实现极化复用。直通口22和耦合口23均采用阶梯过渡的形式与公共传输波导段24相连接以此实现对输入阻抗进行阻抗变换。

本发明的技术效果可通过以下仿真进一步说明：

1、仿真内容

1.1)利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例与参考天线的电压驻波比进行仿真计算，结果如图5所示。

1.2)利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例与参考天线的馈电单元111在14.5GHz、14.925GHz、15.35GHz处的H面(xoz)和E面(yoz)的辐射方向图进行仿真计算，结果分别如图6所示。

1.3)利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例与参考天线在14.925GHz处馈电单元111的直通口和耦合口的相位方向图进行仿真计算，坐标原点位于两方波导的中心位置。馈源单元111的相位方向图选取参考点为(0，-7.2mm，36mm)，相位方向图计算结果如图7所示。

2、仿真结果

参照图5，本发明与参考天线的电压驻波比满足双波束反射面天线系统的工作要求。在14.5GHz到15.35GHz的工作频带内，各个极化端口的电压驻波比都小于1.3。

参照图6是对实物馈源天线测试得到的直通口22和耦合口23的相位方向图。相位方向图表征工作频带内天线在空间的相位分布。图6表明天线馈电单元111的水平极化端口在(0，-7.2mm，36mm)处的相位在所需范围内是200°左右，垂直极化端口的相位在所需要的范围内是60°左右，相位起伏均不大，可以认为该参考点是两个极化波的等效相位中心。因此由此时相位中心的横向偏置距离可知，反射面天线具有很小的主瓣偏移角。

参照图7是对实物馈源天线测试得到的E面和H面方向图。方向图表征工作频带内天线在空间的能量分布。图7表明天线经过金属隔板的去耦影响，各频点处馈源的最大辐射方向均在中心轴线上，E面方向图在整个辐射空间均保持对称，H面方向图由于耦合影响并不完全对称，方向图波瓣也比E面方向图要宽，但在所需的锥削角范围内可以保持高增益与高锥削，即在工作频带内都能实现有限口径内的高增益需求，能较好地满足反射面天线对馈源的要求。

本发明提出的一种用于双波束反射面天线馈源的双极化介质杆天线具有良好的电性能指标，满足了双极化工作的基本要求，同时天线具有低锥削电平和高增益特性，天线的相位中心具有较小的横向偏置距离，其横向偏移距离为7.2mm，可以较好地减小反射面天线的主瓣偏移角。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于双极化双波束反射面天线馈源，其包括辐射部分(1)、馈电部分(2)，其特征在于：所述辐射部分(1)包括两个方波导(11)和两个锥形介质杆(12)；馈电部分(2)为高隔离度正交模耦合器(21)；两个方波导(11)以共用金属壁的方式排列成双辐射口馈源阵列，一端连接两个高隔离度正交模耦合器(21)，另一端与锥形介质杆(12)的填充介质柱(123)连接。

2.根据权利要求1所述的用于双极化双波束反射面天线馈源，其特征在于：还包括置于两锥形介质杆(12)的中间的中心馈电隔板(131)以及置于两所述锥形介质杆(12)两边的2个边缘馈电隔板(132)。

3.根据权利要求2所述的用于双极化双波束反射面天线馈源，其特征在于：2个所述边缘馈电隔板(132)相对所述中心馈电隔板对称放置。

4.根据权利要求1所述的用于双极化双波束反射面天线馈源，其特征在于：所述锥形介质杆(12)包括辐射介质杆(121)、阶梯过渡段(122)以及填充介质柱(123)；辐射介质杆(121)的长度约为4λ₀，其中λ₀为中心频率空气波长。

5.根据权利要求4所述的用于双极化双波束反射面天线馈源，其特征在于：所述阶梯过渡段(122)长度约为0.6λ₀，其中λ₀为中心频率空气波长。

6.根据权利要求4所述的用于双极化双波束反射面天线馈源，其特征在于：所述阶梯过渡段(122)采用七级阶梯过渡。

7.根据权利要求1所述的用于双极化双波束反射面天线馈源，其特征在于：所述高隔离度正交模耦合器(21)包括直通口(22)、耦合口(23)和波导段(24)，波导段(24)的宽度与方波导(11)的相同。

8.根据权利要求7所述的用于双极化双波束反射面天线馈源，其特征在于：所述直通口(22)和所述耦合口(23)均采用阶梯过渡的形式与波导段(24)相连接。