CN107181048A - 一种l波段宽带双极化短背射偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种L波段宽带双极化短背射偶极子天线。该天线由四个辐射器、两个同轴馈线、两个金属巴伦支撑柱、两个水平探针、改进型六边形反射背腔、固定圆盘和六边形匹配盘构成。本发明的天线采用改进型六边形反射背腔，从而达到减小单元间的互耦、展宽天线带宽、增强轴向增益的效果。本发明的天线具有辐射方向图旋转对称、交叉极化电平低、反射损耗小等特点，适合用作L频段射电天文望远镜天线相控阵馈源接收机前端的组成单元，也可作为通信、测控和监测反射面天线的相控阵馈源。

Description

一种L波段宽带双极化短背射偶极子天线

技术领域

本发明涉及一种宽带双极化短背射偶极子天线，特别是一种L波段宽带双极化短背射偶极子天线。

背景技术

射电望远镜是射电天文学最主要的研究工具，它通过高增益的天线，配以高灵敏度的接收机和相应的后端设备，接收和记录来自遥远星际的电磁信号。

就组成形式而言，射电望远镜天线可分为单天线和天线阵列两种。为满足对接收面积的要求，前者往往采用大口径反射面天线，包括抛物面天线、球面天线、卡塞格伦天线、格利高里天线、抛物柱面天线等，后者则以线天线、反射面天线、甚至阵列天线作为单元，组成连续或非连续的大的接收面积。在分米波及以上波段，反射面天线是一种高性价比的天线形式。通过低成本的反射面系统，可以在较大范围内对入射电磁波进行收集和汇聚，并由位于天线焦点的馈源接收。

将相控阵馈源作为大口径射电望远镜天线的主焦馈源的研究始于上世纪末，与传统的多馈源的方式相比，相控阵馈源可以形成紧密交叠的波束，实现连续的天空覆盖，还能够通过适当的激励，补偿馈源偏焦造成的相位误差，从而将偏轴波束的增益提高至与轴向波束相当的水平。

常用的宽带馈源阵列单元有宽带振子、Vivaldi等形式，宽带振子形式的单元虽可实现较宽的带宽，但方向图较宽，对称性差，单元间的互耦较强；Vivaldi单元的带宽更宽，互耦强烈，且不易与后端制冷的LNA连接。背腔天线具有良好的性能，但常用的矩形和圆形背腔体积较大，因此一般只单独使用，难以用作阵列天线的单元。矩形背腔天线在组成三角形阵列时，相邻行单元的背腔相互阻碍，难以满足相控阵馈源所要求的单元间距。同时，矩形和圆形背腔天线组阵时单元间存在间隙，接收面积不连续，效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种便于三角和圆形阵列排布并且性能好的L波段宽带双极化相控阵馈源天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种L波段宽带双极化短背射偶极子天线，包括四个偶极子辐射器、第一同轴馈线、第二同轴馈线、第一金属巴伦支撑柱、第二金属巴伦支撑柱、第一水平探针、第二水平探针、改进型六边形反射背腔、固定圆盘和六边形匹配盘；

所述四个偶极子辐射器、第一同轴馈线、第二同轴馈线、第一金属巴伦支撑柱和第二金属巴伦支撑柱均位于改进型六边形反射背腔中，四个偶极子辐射器分别为第一偶极子辐射器、第二偶极子辐射器、第三偶极子辐射器和第四偶极子辐射器，四个偶极子辐射器呈十字型对称放置，其中第一偶极子辐射器和第三偶极子辐射器组成一对宽臂对称振子，二者位于一条直线上，第二偶极子辐射器和第四偶极子辐射器组成另一对宽臂对称振子，二者位于另一条直线上，上述两条直线相互垂直，六边形匹配盘通过四个支撑柱支撑在四个偶极子辐射器的上方；

所述的第一同轴馈线的内导体顶部与第一金属巴伦支撑柱通过第一水平探针相连，组成一个平衡巴伦，第二同轴馈线的内导体顶部与第二金属巴伦支撑柱通过第二水平探针相连，组成另一个平衡巴伦，第一水平探针与第二水平探针相互正交，其中第一水平探针位于第二水平探针的上方；第一同轴馈线的外导体顶端与第一偶极子辐射器相连，第一金属巴伦支撑柱的顶端与第三偶极子辐射器相连，第二同轴馈线的外导体顶端与第四偶极子辐射器相连，第二金属巴伦支撑柱与第二偶极子辐射器相连，第一同轴馈线、第二同轴馈线、第一金属巴伦支撑柱、第二金属巴伦支撑柱的底部均与固定圆盘连接；所述的固定圆盘位于改进型六边形反射背腔的底部中心。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用了两个正交的宽臂对称振子作为宽带辐射器，通过同轴馈线、金属支撑柱以及改进型六边形反射背腔组成的巴伦对辐射器平衡馈电，从而展宽了天线的工作频段，在2：1的频带内具有较低的反射损耗和交叉极化电平；2)本发明采用一种新型的六边形反射背腔技术，不仅减小了阵列单元间的互耦，还克服了现有矩形背腔难以实现小间距三角形组阵的缺陷，改善了天线辐射方向图的对称性，提高了照射效率；3)本发明提出的宽带双极化短背射偶极子天线适合用作L频段反射面天线三角形和圆环形布阵的相控阵馈源的单元。

附图说明

图1为本发明L波段宽带双极化短背射偶极子天线的45°角3D视图。

图2为本发明实施例天线的结构侧视图。

图3为本发明天线臂的结构俯视图。

图4为本发明天线两个平衡巴伦的45°角侧视图。

图5为本发明天线改进型六边形反射背腔及固定圆盘的结构俯视图。

图6为本发明天线六边形匹配盘的结构俯视图。

图7为本发明天线的S参数曲线。

图8为本发明天线在中心频率1.25GHz的二维和三维方向图。其中(a)为三维方向图，(b)为二维方向图。

图9为本发明天线轴向增益随频率变化的曲线。

图10为本发明天线在工作频率1.25GHz时形成两种线极化与两种圆极化的主极化与交叉极化方向图。其中(a)和(b)为线极化方向图，(c)和(d)为圆极化方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行更详细的描述。

结合图1、图2、图3、图4和图5，本发明的一种L波段宽带双极化短背射偶极子天线，包括四个偶极子辐射器、第一同轴馈线5、第二同轴馈线6、第一金属巴伦支撑柱7、第二金属巴伦支撑柱8、第一水平探针9、第二水平探针10、改进型六边形反射背腔11、固定圆盘12和六边形匹配盘13；

四个偶极子辐射器、第一同轴馈线5、第二同轴馈线6、第一金属巴伦支撑柱7和第二金属巴伦支撑柱8均位于改进型六边形反射背腔11中，四个偶极子辐射器分别为第一偶极子辐射器1、第二偶极子辐射器2、第三偶极子辐射器3和第四偶极子辐射器4，四个偶极子辐射器呈十字型对称放置，其中第一偶极子辐射器1和第三偶极子辐射器3组成一对宽臂对称振子，二者位于一条直线上，第二偶极子辐射器2和第四偶极子辐射器4组成另一对宽臂对称振子，二者位于另一条直线上，上述两条直线相互垂直，六边形匹配盘13通过四个支撑柱支撑在四个偶极子辐射器的上方；

第一同轴馈线5的内导体顶部与第一金属巴伦支撑柱7通过第一水平探针9相连，组成一个平衡巴伦，第二同轴馈线6的内导体顶部与第二金属巴伦支撑柱8通过第二水平探针10相连，组成另一个平衡巴伦，第一水平探针9与第二水平探针10相互正交，其中第一水平探针9位于第二水平探针10的上方；第一同轴馈线5的外导体顶端与第一偶极子辐射器1相连，第一金属巴伦支撑柱7的顶端与第三偶极子辐射器3相连，第二同轴馈线5的外导体顶端与第四偶极子辐射器4相连，第二金属巴伦支撑柱8与第二偶极子辐射器2相连，第一同轴馈线5、第二同轴馈线6、第一金属巴伦支撑柱7、第二金属巴伦支撑柱8的底部均与固定圆盘12连接；所述的固定圆盘12位于改进型六边形反射背腔11的底部中心。

所述四个偶极子辐射器的结构均相同，该四个偶极子辐射器呈四叶草形分布，偶极子辐射器的底部无凹陷。

改进型六边形反射背腔11由上半部分的六边形腔体与下半部分的锥台形腔体组成，并且其中心与四个偶极子辐射器的对称中心以及六边形匹配盘13的中心均在一条竖直线上。改进型六边形反射背腔11将天线与后端的激励端口及LNA隔开。

所述的固定圆盘12位于改进型六边形反射背腔11的底部中心处，圆盘留有两个通孔和两个盲孔，用于引出及固定同轴馈线和平衡巴伦接地段。通孔半径与同轴馈线的外导体半径相同，盲孔的半径与通孔的半径相同。第一同轴馈线5、第二同轴馈线6贯穿两个通孔，第一金属巴伦支撑柱7、第二金属巴伦支撑柱8插入在盲孔中。

所述的两个同轴馈线为内外同心圆管结构，第一同轴馈线5的内导体顶部与第一金属巴伦支撑柱7通过第一水平探针9相连，组成一个平衡巴伦，第二同轴馈线6的内导体顶部与第二金属巴伦支撑柱8通过第二水平探针10相连，组成另一个平衡巴伦，第一同轴馈线5的外导体顶端与第一偶极子辐射器1相连，第一金属巴伦支撑柱7的顶端与第三偶极子辐射器3相连，第二同轴馈线5的外导体顶端与第四偶极子辐射器4相连，第二金属巴伦支撑柱8与第二偶极子辐射器2相连，它们的底部均与固定圆盘12连接。同轴馈线的作用在于为辐射器馈电，同时将其支撑于改进型六边形反射背腔11的口面。同轴馈线与金属支撑柱的外径相同，二者可由金属材料加工而成，也可使用金属空心圆柱作为支撑，内穿同轴线，同轴线的外壁与金属空心圆管连接。

每个偶极子辐射器上均开有一个螺纹通孔，六边形匹配盘13以中心为对称点开有四个螺纹通孔，偶极子辐射器与六边形匹配盘13通过塑料支撑柱连接，塑料支撑柱的两端分别与偶极子辐射器的螺纹通孔、六边形匹配盘13上的螺纹通孔连接。

四个偶极子辐射器、改进型六边形反射背腔11、固定圆盘12的材料为铝，两个水平探针的材料为紫铜。

本发明采用了两个正交的宽臂对称振子作为宽带辐射器，通过同轴馈线、金属支撑柱以及改进型六边形反射背腔组成的巴伦对辐射器平衡馈电，从而展宽了天线的工作频段，在2：1的频带内具有较低的反射损耗和交叉极化电平。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

一种L波段宽带双极化短背射偶极子天线，包括四个偶极子辐射器、第一同轴馈线5、第二同轴馈线6、第一金属巴伦支撑柱7、第二金属巴伦支撑柱8、第一水平探针9、第二水平探针10、改进型六边形反射背腔11、固定圆盘12和六边形匹配盘13；

所述四个偶极子辐射器、第一同轴馈线5、第二同轴馈线6、第一金属巴伦支撑柱7和第二金属巴伦支撑柱8均位于改进型六边形反射背腔11中，四个偶极子辐射器分别为第一偶极子辐射器1、第二偶极子辐射器2、第三偶极子辐射器3和第四偶极子辐射器4，四个偶极子辐射器呈十字型对称放置，其中第一偶极子辐射器1和第三偶极子辐射器3组成一对宽臂对称振子，二者位于一条直线上，第二偶极子辐射器2和第四偶极子辐射器4组成另一对宽臂对称振子，二者位于另一条直线上，上述两条直线相互垂直，六边形匹配盘13通过四个支撑柱支撑在四个偶极子辐射器的上方；

所述的第一同轴馈线5的内导体顶部与第一金属巴伦支撑柱7通过第一水平探针9相连，组成一个平衡巴伦，第二同轴馈线6的内导体顶部与第二金属巴伦支撑柱8通过第二水平探针10相连，组成另一个平衡巴伦，第一水平探针9与第二水平探针10相互正交，其中第一水平探针9位于第二水平探针10的上方；第一同轴馈线5的外导体顶端与第一偶极子辐射器1相连，第一金属巴伦支撑柱7的顶端与第三偶极子辐射器3相连，第二同轴馈线6的外导体顶端与第四偶极子辐射器4相连，第二金属巴伦支撑柱8与第二偶极子辐射器2相连，第一同轴馈线5、第二同轴馈线6、第一金属巴伦支撑柱7、第二金属巴伦支撑柱8的底部均与固定圆盘12连接；所述的固定圆盘12位于改进型六边形反射背腔11的底部中心。

所述四个偶极子辐射器的结构均相同，该四个偶极子辐射器呈四叶草形分布，偶极子辐射器的底部无凹陷。所述的改进型六边形反射背腔11由上半部分的六边形腔体与下半部分的锥台形腔体组成，并且其中心与四个偶极子辐射器的对称中心以及六边形匹配盘13的中心均在一条竖直线上。所述的固定圆盘12设置两个通孔和两个盲孔，通孔半径与同轴馈线的外导体半径相同，盲孔的半径与通孔的半径相同。每个偶极子辐射器上均开有一个螺纹通孔，六边形匹配盘13以中心为对称点开有四个螺纹通孔，偶极子辐射器与六边形匹配盘13通过塑料支撑柱连接，塑料支撑柱的两端分别与偶极子辐射器的螺纹通孔、六边形匹配盘13上的螺纹通孔连接。四个偶极子辐射器、改进型六边形反射背腔11、固定圆盘12的材料均为铝，两个水平探针的材料为紫铜。

结合图3，具体参数为：L波段宽带双极化短背射偶极子天线的四个偶极子辐射器的形状均相同，厚度为2mm，边1-a和边1-b相互垂直，长度均为32mm，边1-e和边1-f长3.35mm，圆弧1-c和圆弧1-d的半径为10mm，圆弧1-g和1-h的半径为15mm，边1-i长23.5mm，长方形槽1-j长6.9mm，宽1.8mm，通孔1-k半径2.625mm，通孔1-l半径2mm；辐射器与腔体底面的距离为46mm；改进型六边形反射背腔上半部分的六边形腔的边长为75mm，高29mm，下半部分锥台型腔体高20mm，底部六边形的边长为50mm；六边形匹配盘13的边长为38mm，厚度为2mm，与偶极子辐射器1的竖直距离为30mm；固定圆盘12的半径为18mm，厚度为1mm。

对上述天线进行建模仿真。

图7是其S参数曲线。由图7可知，天线在1GHz-1.6GHz的范围内均能保证回波损耗小于-10dB，在1.25GHz工作频点处回波损耗优于-15dB；两个端口有很高的隔离度，在工作频带内优于-30dB。

图8是天线在等幅相位差90°的两端口同时激励下在1.25GHz频点下形成右旋圆极化的二维与三维方向图。由图8可知，该天线轴向增益达到8.03dBi，3dB波束宽度达到79°。

图9是天线轴向增益随频率变化的曲线。由图9可知，该天线在1GHz-1.5GHz的频率范围内增益均在8dBi左右，增益高，传输远，非常适合工程应用。

图10在天线在工作频率1.25GHz形成双极化时的主极化与交叉极化方向图。图10(a)和图10(b)是分别单独激励一个端口形成的线极化方向图。图10(c)和图10(d)是分别形成左旋与右旋圆极化的方向图。由图10可知，该天线交叉极化小，极化性能较为优异，极化隔离度高。

上述仿真结果表明，该短背射偶极子天线性能优异，其尺寸小、频带宽、增益高、波束宽、辐射对称、双极化等特点使得该天线非常适合作为相控阵馈源天线使用。

Claims (6)

1.一种L波段宽带双极化短背射偶极子天线，其特征在于，包括四个偶极子辐射器、第一同轴馈线[5]、第二同轴馈线[6]、第一金属巴伦支撑柱[7]、第二金属巴伦支撑柱[8]、第一水平探针[9]、第二水平探针[10]、改进型六边形反射背腔[11]、固定圆盘[12]和六边形匹配盘[13]；

所述四个偶极子辐射器、第一同轴馈线[5]、第二同轴馈线[6]、第一金属巴伦支撑柱[7]和第二金属巴伦支撑柱[8]均位于改进型六边形反射背腔[11]中，四个偶极子辐射器分别为第一偶极子辐射器[1]、第二偶极子辐射器[2]、第三偶极子辐射器[3]和第四偶极子辐射器[4]，四个偶极子辐射器呈十字型对称放置，其中第一偶极子辐射器[1]和第三偶极子辐射器[3]组成一对宽臂对称振子，二者位于一条直线上，第二偶极子辐射器[2]和第四偶极子辐射器[4]组成另一对宽臂对称振子，二者位于另一条直线上，上述两条直线相互垂直，六边形匹配盘[13]通过四个支撑柱支撑在四个偶极子辐射器的上方；

所述的第一同轴馈线[5]的内导体顶部与第一金属巴伦支撑柱[7]通过第一水平探针[9]相连，组成一个平衡巴伦，第二同轴馈线[6]的内导体顶部与第二金属巴伦支撑柱[8]通过第二水平探针[10]相连，组成另一个平衡巴伦，第一水平探针[9]与第二水平探针[10]相互正交，其中第一水平探针[9]位于第二水平探针[10]的上方；第一同轴馈线[5]的外导体顶端与第一偶极子辐射器[1]相连，第一金属巴伦支撑柱[7]的顶端与第三偶极子辐射器[3]相连，第二同轴馈线[6]的外导体顶端与第四偶极子辐射器[4]相连，第二金属巴伦支撑柱[8]与第二偶极子辐射器[2]相连，第一同轴馈线[5]、第二同轴馈线[6]、第一金属巴伦支撑柱[7]、第二金属巴伦支撑柱[8]的底部均与固定圆盘[12]连接；所述的固定圆盘[12]位于改进型六边形反射背腔[11]的底部中心。

2.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化短背射偶极子天线，其特征在于，所述四个偶极子辐射器的结构均相同，该四个偶极子辐射器呈四叶草形分布，偶极子辐射器的底部无凹陷。

3.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化短背射偶极子天线，其特征在于，所述的改进型六边形反射背腔[11]由上半部分的六边形腔体与下半部分的锥台形腔体组成，并且其中心与四个偶极子辐射器的对称中心以及六边形匹配盘[13]的中心均在一条竖直线上。

4.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化短背射偶极子天线，其特征在于，所述的固定圆盘[12]设置两个通孔和两个盲孔，通孔半径与同轴馈线的外导体半径相同，盲孔的半径与通孔的半径相同。

5.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化短背射偶极子天线，其特征在于，每个偶极子辐射器上均开有一个螺纹通孔，六边形匹配盘[13]以中心为对称点开有四个螺纹通孔，偶极子辐射器与六边形匹配盘[13]通过塑料支撑柱连接，塑料支撑柱的两端分别与偶极子辐射器的螺纹通孔、六边形匹配盘[13]上的螺纹通孔连接。

6.根据权利要求1所述的L波段宽带双极化短背射偶极子天线，其特征在于，四个偶极子辐射器、改进型六边形反射背腔[11]、固定圆盘[12]的材料均为铝，两个水平探针的材料为紫铜。