CN106207475B - 一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置。本发明采用四脊喇叭加四方波导，通过对四脊喇叭加四方波导的结构改进实现了能够同时工作于X波段、Ka波段和Ku波段，进行信号的发射和接收工作。而且，正因为采用了四脊喇叭，实现了双线极化的需求。采用四方波导，可作为多通道，进而实现单脉冲雷达。

Description

一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置

技术领域

本发明涉及微波探测技术领域，具体涉及一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置。

背景技术

传统昆虫雷达为单波段工作模式，一般工作于X波段或Ka波段。但由于昆虫体型变化范围较大，而雷达信号的波长与其适于探测的昆虫体长有密切关系，因此传统昆虫雷达所能探测的昆虫体型覆盖范围较小。为了能够实现更大体型范围昆虫的探测，本发明提出一种能够同时工作于X波段、Ka波段和Ku波段的昆虫雷达系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置，能够满足双线极化、宽频带和单脉冲的功能需求。

一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置，由四脊喇叭和四方波导构成；四方波导位于四脊喇叭的中心位置；四方波导用于发射和接收Ka波段内的信号；四脊喇叭用于发射和接收X和Ku波段内的信号；其中，四方波导的结构如下：

四方波导的四个侧面上均有一条通向四方波导前端面中心点的弧形凹槽；形成四个方波，每个方波均为中空结构；

四脊喇叭的结构如下：

将四脊喇叭中的每个实脊中面向四方波导的两个角做切角处理，形成六面体；之后，对实脊两端部分别进行切削处理，最终形成弧面。

较佳地，所述四方波导的弧形凹槽深度根据仿真中方向图、带宽以及驻波参数而确定。

有益效果：

本发明采用四脊喇叭加四方波导，通过对四脊喇叭加四方波导的结构改进实现了能够同时工作于X波段、Ka波段和Ku波段，进行信号的发射和接收工作。而且，正因为采用了四脊喇叭，实现了双线极化的需求。采用四方波导，可作为多通道，进而实现单脉冲雷达。

附图说明

图1为馈源整体结构示意图。

图2为双脊喇叭示意图。

图3为四脊喇叭加四方波导示意图。

图4为匹配斜面示意图。

图5为仿真例正视图。

图6为仿真例侧视图。

图7为仿真例后视图。

图8为X波段CST仿真示意图。

图9为9GHz且Phi＝0°时整体天线辐射方向图。主瓣增益38.4dBi，3dB主瓣宽度1.1°，副瓣水平-20.9dB。

图10为9GHz且Phi＝90°时整体天线辐射方向图。主瓣增益38.4dBi，3dB主瓣宽度0.9°，副瓣水平-24.9dB。

图11为14GHz且Phi＝0°时整体天线辐射方向图。主瓣增益42.2dBi，3dB主瓣宽度0.5°，副瓣水平-30.4dB。

图12为14GHz且Phi＝90°时整体天线辐射方向图。主瓣增益42.2dBi，3dB主瓣宽度0.6°，副瓣水平-27.5dB。

图13为18.5GHz且Phi＝0°时整体天线辐射方向图。主瓣增益41.7dBi，3dB主瓣宽度0.9°，副瓣水平-28.6dB。

图14为18.5GHz且Phi＝90°时整体天线辐射方向图。主瓣增益41.7dBi，3dB主瓣宽度1.2°，副瓣水平-28.3dB。

图15为Ka波段CST仿真示意图。

图16为34.5GHz且Phi＝0°时整体天线和辐射方向图。主瓣增益50.8dBi，3dB主瓣宽度0.3°，副瓣水平-25.7dB。

图17为34.5GHz且Phi＝90°时整体天线和辐射方向图。主瓣增益50.8dBi，3dB主瓣宽度0.4°，副瓣水平-25.8dB。

图18为35GHz且Phi＝0°时整体天线和辐射方向图。主瓣增益50.8dBi，3dB主瓣宽度0.3°，副瓣水平-26.6dB。

图19为35GHz且Phi＝90°时整体天线和辐射方向图。主瓣增益50.9dBi，3dB主瓣宽度0.4°，副瓣水平-26.6dB。

图20为35.5GHz且Phi＝0°时整体天线和辐射方向图。主瓣增益50.9dBi，3dB主瓣宽度0.3°，副瓣水平-30.5dB。

图21为35.5GHz且Phi＝90°时整体天线和辐射方向图。主瓣增益50.9dBi，3dB主瓣宽度0.4°，副瓣水平-30.5dB。

图22为34.5GHz且Phi＝90°时整体天线差辐射方向图。主瓣增益47.4dBi，3dB主瓣宽度0.3°，副瓣水平-22.4dB。

图23为35GHz且Phi＝90°时整体天线差辐射方向图。主瓣增益47.2dBi，3dB主瓣宽度0.2°，副瓣水平-22.1dB。

图24为35.5GHz且Phi＝90°时整体天差线辐射方向图。主瓣增益46.6dBi，3dB主瓣宽度0.3°，副瓣水平-21.4dB。

图25为X、Ku波段馈源的仿真驻波比(同轴出口)。

图26为Ka波段馈源仿真驻波比(波导口馈源的)。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置，为了能够实现同时工作于X波段、Ka波段和Ku波段，如图1所示，本发明采用四脊喇叭和四方波导构成多波段全极化天线馈源装置，且四方波导位于四脊喇叭的中心。作为一个复合天线馈源装置，其必须实现不同波段信号的发射接受，但不同波段对应波长不同，而天线尺寸结构一般要和波长匹配。Ka波段高，尺寸小，因此使用四方波导实现发射和接受在Ka波段的信号。X和Ku波段波长较长且尺寸差别不大，因此四脊喇叭工作实现发射和接受X和Ku波段的信号。故基于此，本发明采用四脊喇叭作为工作于X和Ku波段辐射区域，四个方波导作为工作于Ka波段辐射区域。这样一来，变能够实现宽频带。此外，采用四脊喇叭，能够实现了双线极化的需求。采用四方波导，可作为多通道，进而实现单脉冲雷达。

如图2所示，为普通双脊结构的俯视示意图，位于左右两侧的方块部分表示波导的“脊”。如图3所示，为本发明的天线馈源装置的俯视图，图中字母A表示四脊喇叭。四脊喇叭中的四个中心对称的多边形为改进的实脊，如图中标识的字母B。中心的四个方块为改进后的四方波导，如图中标识的字母C。四方波导中相邻两方块相夹的部分(用斜线填充部分)是四方波导的改进带宽结构，如图中标识的字母D。

若一个四脊喇叭和一个四方波导进行简单的叠加，其包括方向图、带宽以及驻波在内的各项指标参数均无法达到设计要求。故本发明在此基础上，通过对四脊喇叭和四方波导的结构进行优化，实现了双线极化、宽频带和单脉冲的功能需求；其具体修改包括：

如图1和3所示，以四方波导前端面中心位置作为起点，分别朝向四方波导的四个侧面的方向挖设带有一定弧度的凹槽，形成四个方波，每个方波均为中空结构；并实时进行仿真，根据仿真中方向图、带宽以及驻波参数进行凹槽弧度及凹槽深度调整，直至上述各项参数符合要求为止。这样做的好处在于能够为低频段的辐射提供辅助作用。

如图1和3所示，将四脊喇叭中的每个实脊中面向四方波导的两个角做切角处理，形成六面体；之后，对实脊两端部分别进行切削处理，最终形成弧面。这样一来，可以有效展宽带宽，并与四方波导的改进结构进行匹配，达到更好的展宽带宽的作用。

在现有技术中，双脊结构能够实现喇叭的展宽带宽；而本发明中，如图2所示的虚线圆圈内部分也能够视为一个双脊结构，实脊和凹槽的配合，也能够实现展宽带宽。

图3中对应的尺寸参数，可以与图2中对应的尺寸参数相对比，这样可以在要求频段范围内大致估算出天线各参数大小，为了较好的实现天线的辐射性能，可以尽量减小b2。由已有的研究结果，当2*b2/a1接近于0.5时，它的截止频率最低，同时频带最宽，功率容量最大。

如图4所示，实际设计过程中为使同轴(即，X、Ku波段天线输入输出端口)与天线实现阻抗的匹配，需要在反射腔内加匹配斜面，通过仿真优化可以实现天线良好的匹配，获得较好的驻波特性。

实施例：

为验证上述三波段天线馈源设计的有效性，使用电磁仿真软件CST对应用设计馈源的抛面天线进行仿真。馈源的设计参数为如图5～图7，具体为，四方波导外壁宽11厘米，四脊喇叭底部内边长17厘米，四脊喇叭外口内沿边长35厘米，四脊喇叭脊底宽3.8厘米，脊峰宽0.97厘米，四脊喇叭底座边长28厘米，四脊喇叭底部外边长18厘米，开口弧度25度，四脊喇叭高50厘米，四方波导中单个方波导内壁边长4厘米，方波导中心线与脊延长线垂距3厘米，四脊喇叭外壁边长36.03厘米。考虑到(设计的馈源是抛面天线的一部分，雷达实际使用时是馈源与反射面一起使用的情况)，附加直径1.5m的反射面与馈源组成抛物面天线进行整体仿真。图8为X～Ku波段CST仿真示意图，其给出了角度的定义。图9-图14为X～Ku波段三个频点的抛面天线辐射方向图(包括两个极化平面)，可以看出其在不同频点的增益在38.4dBi～42.2dBi间，而理论值在43dBi～47dBi之间，综合考虑馈源后端接入功分合路器、滤波器以及环形器的传输损耗，等微波无源模块，取传输损耗-5dB，约30％的天线辐射效率。同时天线副瓣水平均比主瓣低-20dB以上。图15为Ka波段CST仿真示意图，其给出了角度的定义。图16图24为Ka波段三个频点的馈源辐射方向图(包括两个极化平面)，可以看出其在不同频点的和增益在50dBi以上，而理论值在54,7dBi～54.9dBi之间，综合考虑馈源后面接入的滤波器、和差器以及环形器，等微波无源模块，取传输损耗-5dB，约30％的天线辐射效率。同时天线副瓣水平均比主瓣低-20dB以上，满足设计要求。图25和图26分别给出了X、Ku波段和Ka波段馈源的仿真驻波比。可以看出(应用设计馈源的抛面天线实现了多频段复合，高增益、低副瓣以及和差波束)，满足设计要求。

基于上述仿真结果可以得到以下结论：

基于该设计方法设计的馈源可以在X、Ku和Ka三个波段具有良好的辐射特性。

通过实验结果可以看出利用这种共口径的多波段全极化天线馈源设计方法的高效性和有效性。利用本方法可以实现X、Ku和Ka三个波段共口径天线馈源的设计。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置，其特征在于，由四脊喇叭和四方波导构成；四方波导位于四脊喇叭的中心位置；四方波导用于发射和接收Ka波段内的信号；四脊喇叭用于发射和接收X和Ku波段内的信号；其中，四方波导的结构如下：

四方波导的四个侧面上均有一条通向四方波导前端面中心点的弧形凹槽；形成四个方波，每个方波均为中空结构；

四脊喇叭的结构如下：

将四脊喇叭中的每个实脊中面向四方波导的两个角做切角处理，形成六面体；之后，对实脊两端部分别进行切削处理，最终形成弧面。