CN107196045A - 抛物反射面馈电多波束cts平板天线 - Google Patents

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齐世山
印倩
吴文
刘亮亮
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Abstract

本发明公开一种抛物反射面馈电多波束CTS平板天线，包括平板波导CTS阵列(1)、2个抛物反射面馈电盒(21、22)和6个波导喇叭(31‑36)；2个抛物反射面馈电盒(21、22)分别置于平板波导CTS阵列(1)的两端；第一、四波导喇叭(31、34)分别置于第一、二抛物反射面馈电盒(21、22)的焦点处；第二、三波导喇叭(32、33)均置于过第一抛物反射面馈电盒(21)焦点的直线上，分别位于第一波导喇叭(31)两侧；第五、六波导喇叭(35、36)均置于过第二抛物反射面馈电盒(22)焦点的直线上，分别位于第四波导喇叭(34)两侧。本发明的多波束CTS平板天线，波束控制稳定性好、辐射效率高。

Description

抛物反射面馈电多波束CTS平板天线
技术领域
本发明属于高增益天线技术领域，特别是一种结构简单、波束控制稳定性好、辐射效率高的抛物反射面馈电多波束CTS平板天线。
背景技术
天线作为传输中导行波与自由空间中电磁波的换能器件，担负着电磁信号的发射与接收，其性能的好坏和多样性直接影响到通信的质量。伴随着生活质量的改善，对天线性能参数要求越来越苛刻，要求其同时具备宽频带、高效率的特性。
平板波导CTS(Continuous transverse stub,连续横向枝节)天线技术，是由美国Hughes公司于20世纪90年代率先提出的，并研究发明了大量平面结构的CTS天线，形成了一系列成熟的天线产品。平板波导CTS阵列天线是在平板波导上连续开贯通的横向缝隙实现辐射，并通过在横向缝隙上增加金属枝节来减小反射，同时采用准TEM模进行馈电，具有很高的馈电效率和口径效率，是高增益天线的一个极为重要的方向。
随着雷达、电子战、无线通讯系统和监测系统的日益发展，多点通信成为发展的一个方向，多波束天线是实现这一应用的最佳选择；移动和卫星导航的快速发展使得倾斜波束天线成为无线通信系统中必不可少的部分。
申请号为201510902291.8的中国专利申请中公开了一种抛物反射面馈电的宽带高增益可扫描平板天线，包括阶梯式可变倾角连续切向枝节槽(VICTS)、串联馈电结构和抛物反射面馈电网络，该装置上层包含VICTS辐射单元和由上下两层圆盘状金属板构成的串联馈电结构；下层包含两层矩形金属板、一个喇叭形壳体和一个抛物面形金属板，喇叭形壳体位于抛物面形金属板的焦点处而与上下两层矩形金属板一端相连，上下两层矩形金属板的另一端与抛物面形金属板相连成半封闭结构；中层包括两片抛物面形状的金属片，连接上层结构中的下层圆弧形金属板和下层结构中的上层矩形金属板，通过串联馈电网络的上下圆盘状金属板之间的相对旋转实现波束扫描，通过上下两层机械转动角度控制天线H面的扫描角度。
虽然该装置具有宽频带、H面波束扫描等优点，但是该天线存在以下问题：1、该天线属于机械扫描，波束控制稳定性差，需要投入成本较高；2、虽然该天线的频带较宽，但由于天线频带宽度和效率的矛盾，其辐射效率较低，导致天线性能变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抛物反射面馈电多波束CTS平板天线，波束控制稳定性好、辐射效率高。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种抛物反射面馈电多波束CTS平板天线，包括平板波导CTS阵列1、2个抛物反射面馈电盒21、22和6个波导喇叭31-36；
所述2个抛物反射面馈电盒21、22分别置于平板波导CTS阵列1的两端；
所述第一波导喇叭31置于第一抛物反射面馈电盒21的焦点处，其最大辐射方向指向第一抛物反射面馈电盒21的反射面中心，第四波导喇叭34置于第二抛物反射面馈电盒22的焦点处，其最大辐射方向指向第二抛物反射面馈电盒22的反射面中心；
所述第二、三波导喇叭32、33均置于过第一抛物反射面馈电盒21焦点的直线上，分别位于第一波导喇叭31的两侧；
所述第五、六波导喇叭35、36均置于过第二抛物反射面馈电盒22焦点的直线上，分别位于第四波导喇叭34的两侧。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、波束控制稳定性好：通过在抛物盒馈源天线的焦点处放置几个波导喇叭，分别激励波导喇叭，实现H面电扫描功能，通过控制波导喇叭的间距控制扫描角度。在实现H面电扫描功能的同时，E面具有双对称倾斜波束的特点，利用优化算法得到对称阵列结构参数，在阵列两侧分别加相同的抛物盒馈源，产生两个相同的对称波束；通过控制阵列单元间距，改变E面波束倾斜角度。
2、第一旁瓣即为副瓣作为约束函数，优化出高辐射效率的天线口径衰减分布，结合hfss仿真得到的CTS单元宽度与衰减之间的曲线图，确定阵列各单元尺寸。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明抛物反射面馈电多波束CTS平板天线的三维结构示意图。
图2是图1中平板波导CTS阵列的剖视图。
图3是图1中平板波导CTS阵列各单元结构尺寸示意图。
图4是图1中金属光栅结构的结构尺寸示意图。
图5是图1中抛物盒天线三维结构示意图。
图6是图1中抛物盒天线的结构尺寸示意图。
图7是实施例中左侧三个波导喇叭单独馈电的E面方向图。
图8是实施例中左侧三个波导喇叭单独馈电的H面方向图。
图9是实施例中右侧三个波导喇叭单独馈电的E面方向图。
图10是实施例中右侧三个波导喇叭单独馈电的H面方向图。
图11是实施例中六个波导喇叭单独馈电的辐射效率图。
具体实施方式
如图1所示，本发明抛物反射面馈电多波束CTS平板天线，
包括平板波导CTS阵列1、2个抛物反射面馈电盒21、22和6个波导喇叭31-36；
所述2个抛物反射面馈电盒21、22分别置于平板波导CTS阵列1的两端；
所述第一波导喇叭31置于第一抛物反射面馈电盒21的焦点处，其最大辐射方向指向第一抛物反射面馈电盒21的反射面中心，第四波导喇叭34置于第二抛物反射面馈电盒22的焦点处，其最大辐射方向指向第二抛物反射面馈电盒22的反射面中心；
所述第二、三波导喇叭32、33均置于过第一抛物反射面馈电盒21焦点的直线上，分别位于第一波导喇叭31的两侧；
所述第五、六波导喇叭35、36均置于过第二抛物反射面馈电盒22焦点的直线上，分别位于第四波导喇叭34的两侧。
如图2所示，所述平板波导CTS阵列1包括平板波导11、在所述平板波导11开设的多个缝隙12和在每个缝隙12两侧设置的金属枝节13；
在两个相邻的金属枝节13之间设有3个均匀排列的金属光栅14，所述两个相邻的金属枝节13位于两个相邻的缝隙12之间。
如图2、3所示，每个缝隙12与其两侧的金属枝节13一起构成一个CTS单元4，CTS单元4的个数为16个；
所述16个CTS单元4的结构参数为，
宽度：H1＝H16＝2mm，H2＝H15＝1.4mm，H3＝H14＝1.6mm，H4＝H13＝1.9mm，H5＝H12＝2.6mm，H6＝H11＝2.8mm，H7＝H10＝3.2mm，H8＝H9＝3.7mm；
金属枝节13的高度均为L＝8.2mm，CTS单元4间距为d＝14.3mm；
平板波导11高度b＝8.4mm，上下层金属厚度均为p＝1mm。
如图4所示，金属光栅14的厚度均为n＝1.5mm，高度q＝6.4mm。
利用遗传算法，以平板波导CTS阵列天线的第一旁瓣为目标函数，以辐射效率和第一旁瓣即为副瓣作为约束条件，在阵列几何结构左右对称的前提下，优化出平板波导CTS阵列口径衰减分布，利用HFSS仿真软件得到平板波导CTS天线单元的枝节宽度和衰减分布的曲线图，综合优化算法计算的衰减分布和仿真曲线图，得到平板波导CTS阵列N个单元的枝节宽度，实现高辐射效率；
通过控制平板波导CTS阵列天线各单元之间的间距，使E面波束指向朝馈电端口倾斜theta，实现E面波束倾斜功能；
由于平板波导CTS单元枝节大于四分之一波长，沿波导传播的纵向电磁波被不连续结构CTS枝节截断，在枝节与平板波导交界处产生位移电流，并沿枝节末端辐射向自由空间，在此过程中产生了不期望的表面波，导致在端射方向出现了较高的辐射，因此在CTS各个单元之间放置金属光栅抑制表面波，进一步降低天线副瓣；
因为CTS阵列结构的对称性，在平板波导CTS阵列天线两侧分别加相同的抛物盒天线进行馈电，实现E面双波束的功能；
利用抛物面天线将柱面波转换成平面波的特性，选择波导馈电的抛物盒天线作为平板波导CTS阵列天线的馈源，通过在抛物盒天线焦点处放置多个波导喇叭，分别激励不同的波导喇叭，实现H面波束电扫描的功能。
所述第一抛物反射面馈电盒21与第二抛物反射面馈电盒22结构相同，关于平板波导CTS阵列1对称放置。
如图5、6所示，所述第一抛物反射面馈电盒21包括偏置抛物线形状的上、下反射板211、212和与上、下反射板211、212的边沿密闭连接的侧板213；
所述上、下反射板211、212和侧板213均为金属板；
所述抛物反射面结构参数为，
焦距为171.2mm，口径为D0＝214mm，偏置高度为H0＝60.4mm，抛物线张角α＝57.4°；抛物盒天线上边缘长度L1＝156.7mm，下边缘长度L2＝26.7mm；抛物盒厚度为b＝8.4mm。
图7、8分别是利用HFSS仿真软件计算14GHz中心频率得到的三个波导喇叭31-33分别激励时，抛物反射面馈电多波束CTS平板天线的E面方向图和H面方向图，波导喇叭31单独工作时的增益为25.2dB，波束倾斜角度为Theta1＝-29°，H面波束指向为0°，位于波导喇叭31两侧的波导喇叭32、33单独工作时的增益为22.7dB和23.7dB，波束倾斜角度为Theta2＝-33°和Theta3＝-31°，H面波束指向分别为10°、-9°；
图9、10分别是利用HFSS仿真软件计算14GHz中心频率得到的三个波导喇叭34-36分别激励时，抛物反射面馈电多波束CTS平板天线的E面方向图和H面方向图，波导喇叭34单独工作时的增益为25.2dB，波束倾斜角度为Theta4＝29°，H面波束指向为0°，位于波导喇叭34两侧的波导喇叭35、36单独工作时的增益为22.7dB和23.7dB，波束倾斜角度为Theta5＝33°和Theta6＝31°，H面波束指向分别为10°、-9°；
图11是利用HFSS仿真软件计算14GHz中心频率得到的6个波导喇叭31-36单独工作时，抛物反射面馈电多波束CTS平板天线的辐射效率图，波导喇叭31、32、33分别馈电时，天线效率分别为95.17％、95.96％、96.75％，波导喇叭34、35、36分别馈电时，天线效率分别为96.20％、96.04％、96.68％。

Claims (6)

1.一种抛物反射面馈电多波束CTS平板天线，其特征在于：
包括平板波导CTS阵列(1)、2个抛物反射面馈电盒(21、22)和6个波导喇叭(31-36)；
所述2个抛物反射面馈电盒(21、22)分别置于平板波导CTS阵列(1)的两端；
所述第一波导喇叭(31)置于第一抛物反射面馈电盒(21)的焦点处，其最大辐射方向指向第一抛物反射面馈电盒(21)的反射面中心，第四波导喇叭(34)置于第二抛物反射面馈电盒(22)的焦点处，其最大辐射方向指向第二抛物反射面馈电盒(22)的反射面中心；
所述第二、三波导喇叭(32、33)均置于过第一抛物反射面馈电盒(21)焦点的直线上，分别位于第一波导喇叭(31)的两侧；
所述第五、六波导喇叭(35、36)均置于过第二抛物反射面馈电盒(22)焦点的直线上，分别位于第四波导喇叭(34)的两侧。
2.根据权利要求1所述的多波束CTS平板天线，其特征在于：
所述平板波导CTS阵列(1)包括平板波导(11)、在所述平板波导(11)开设的多个缝隙(12)和在每个缝隙(12)两侧设置的金属枝节(13)；
在两个相邻的金属枝节(13)之间设有3个均匀排列的金属光栅(14)，所述两个相邻的金属枝节(13)位于两个相邻的缝隙(12)之间。
3.根据权利要求2所述的多波束CTS平板天线，其特征在于：
每个缝隙(12)与其两侧的金属枝节(13)一起构成一个CTS单元(4)，CTS单元(5)的个数为16个；
所述16个CTS单元(5)的结构参数为，
宽度：H1＝H16＝2mm，H2＝H15＝1.4mm，H3＝H14＝1.6mm，H4＝H13＝1.9mm，H5＝H12＝2.6mm，H6＝H11＝2.8mm，H7＝H10＝3.2mm，H8＝H9＝3.7mm；
金属枝节(13)的高度均为L＝8.2mm，CTS单元(5)间距为d＝14.3mm；
平板波导(11)高度b＝8.4mm，上下层金属厚度均为p＝1mm。
4.根据权利要求2所述的多波束CTS平板天线，其特征在于：
金属光栅(14)的厚度均为n＝1.5mm，高度q＝6.4mm。
5.根据权利要求1所述的多波束CTS平板天线，其特征在于：
所述第一抛物反射面馈电盒(21)与第二抛物反射面馈电盒(22)结构相同，关于平板波导CTS阵列(1)对称放置。
6.根据权利要求4所述的多波束CTS平板天线，其特征在于：
所述第一抛物反射面馈电盒(21)包括偏置抛物线形状的上、下反射板(211、212)和与上、下反射板(211、212)的边沿密闭连接的侧板(213)；
所述上、下反射板(211、212)和侧板(213)均为金属板。
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