CN108134205A - X波段介质喇叭天线 - Google Patents

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蒋琪
鲍远顶
段耀铎
何旺
辛文莉
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H01Q13/0241—Waveguide horns radiating a circularly polarised wave
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 

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Abstract

本发明提供了一种X波段介质喇叭天线，包括极化片、填充介质、倒L形探针、芯套、馈电结构和金属壳体。所述极化片固定于所述填充介质顶部的凹槽内，二者顶部齐平；所述填充介质下端矩形结构挖有“一”字裂缝，将所述倒L形探针置于该缝中；所述芯套为空心圆柱体介质，套于所述倒L形探针外部，其顶端与所述填充介质底部齐平；所述馈电结构为圆柱形金属壳体，其内部呈空心台阶状，其上端与所述芯套下端较细部分实现紧配，其底部与所述倒L形探针最细部分共同组成馈电端口；所述极化片、填充介质、倒L形探针、芯套、馈电结构均置于所述金属壳体内，且所述填充介质、芯套与所述金属壳体内部实现紧配，所述倒L形探针与所述金属壳体共圆心，通过底部馈电。

Description

X波段介质喇叭天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，其主要应用于X波段星载天线系统或大型相控阵天线中，对所关注的目标或者区域进行信号的接收或者发送。
背景技术
在深空通信中，卫星天线系统接收发射的信号往往是以电磁波形式进行传播，天线发挥的作用至关重要。随着星载天线的飞跃式发展，对天线多功能、多波段、远距离、高功率的等性能要求越来越高。以卫星为平台的相控阵天线具有高增益、作用距离远、波束快速扫描、波束形变快捷和多波束等特点，满足卫星通信系统装备的性能要求，应用越来越广泛。
卫星通信系统的天线通常采用圆极化天线以接收各个极化方向的电磁波，其常规天线形式有微带天线、螺旋天线和十字阵子天线等；相控阵天线中为方便大规模集成，对天线单元形式提出更高的要求，微带天线以其低剖面、体积小、重量轻等优势应用更为广泛。但是，微带天线作为卫星通信平台常用天线，其本身仍然存在一定劣势。微带天线的工作频带窄，其相对带宽只有1%~7%，尤其对于圆极化微带天线，其满足应用需求的轴比带宽更窄，无法适用一些宽带系统。另外，由于加工存在误差，为使微带天线满足工作频带要求，通常会对实际加工的微带贴片性能进行多次摸索并调整，尤其是X波段或更高频段的微带天线，这对于天线设计尤其是大型阵列来说无疑增加了巨大的工作量和成本。再者，微带天线阵面通常均采用阵面整体加工和安装方式，若天线单元出现故障需要替换时，需阵面整体替换，造成浪费。螺旋天线也常应用于X波段星载天线系统中，虽然其具有较宽的工作带宽和较好的圆极化性能，但其包络尺寸一般较大，高度甚至达到3倍工作波长，会占用卫星空间安装资源，更不适用于阵列天线中。
发明内容
为解决上述问题，需研究出其它天线形式，替代上述天线类型，并能更好的应用于相控阵天线中，具有深远意义。本发明中所涉及的天线主要应用于X波段星载天线系统和大型相控阵天线系统，克服现有技术的不足，相比微带天线，具有宽的工作带宽和更优的圆极化性能，用于阵列天线中，安装使用更为灵活，更便于天线排列组阵。相比螺旋天线，该天线尺寸小、重量轻，更适用于相控阵系统中。
本发明所涉及的X波段介质喇叭天线共包括五个组成部分：极化片（1）、填充介质（2）、倒L形探针（3）、芯套（4）、馈电结构（5）和金属壳体（6）。
所述极化片（1）固定于所述填充介质（2）顶部的凹槽内，二者顶部齐平。所述填充介质（2）下端矩形结构挖有“一”字裂缝，将所述倒L形探针（3）置于该缝中。所述芯套（4）为空心圆柱体介质，套于所述倒L形探针（3）外部，其顶端与所述填充介质（2）底部齐平。所述馈电结构（5）为圆柱形金属壳体，其内部呈空心台阶状，其上端与所述芯套（4）下端较细部分实现紧配，其底部与所述倒L形探针（3）最细部分共同组成馈电端口。
所述极化片（1）、填充介质（2）、倒L形探针（3）、芯套（4）、馈电结构（5）均置于所述金属壳体（6）内，且所述填充介质（2）、芯套（4）与所述金属壳体（6）内部实现紧配，所述倒L形探针（3）与所述金属壳体（5）共圆心，通过底部馈电。
本发明所设计的X波段介质喇叭天线通过底部中心同轴馈电，经过一段倒L形探针实现“同轴——矩形波导”变换，再利用矩形波导激励圆形喇叭天线口径中的电磁场从而使其向自由空间辐射。由于该天线为波导结构，因此该天线可实现较宽的工作带宽。
通过激励放置在喇叭口径处的极化片，切割圆形波导中的电磁场形成两个等幅、相位相差90°的线极化波，从而使喇叭天线圆极化波，通过改变极化片的旋向，该天线可辐射左旋圆极化波或右旋圆极化波。
在喇叭天线内填充介质既便于极化片和探针的安装，同时可有效缩减天线的尺寸，使天线尺寸小于半个工作波长，便于在相控阵的应用。
（1）效果
天线在驻波≤1.5的情况下，带宽可达15%~25%，明显优于微带天线，且在满足轴比小于5的情况下，其相应工作带宽依然可以达到11%；
X波段介质喇叭天线在60°方向的增益大于0dBi，既可单独作星载天线使用，也可作为相控阵天线单元应用。
相比螺旋天线，X波段介质喇叭天线尺寸小，重量轻，可小于半个工作波长，更适用于相控阵天线中作为天线单元使用。
X波段介质喇叭天线组阵后几乎不用考虑表面波对阵列整体性能的影响，且这种天线加工工艺成熟，天线本身的参数受加工工艺影响小，加工后无需调试，大大减少生产工作量。
X波段介质喇叭天线独立设计，结构轻巧，便于其在阵列使用时中排列组阵，若阵列中天线单元出现故障，可灵活替换。
附图说明
图1为本发明X波段介质喇叭天线立体结构图；
图2为本发明X波段介质喇叭天线剖面图；
图3为本发明极化片结构图；
图4为本发明X波段介质喇叭天线与常规微带天线驻波示意图；
图5为本发明X波段介质喇叭天线与常规微带天线轴比示意图；
图6为X波段介质喇叭天线组成的4×4相控阵天线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步地详细描述。
本发明提出的X波段介质喇叭天线，适用于X波段星载天线系统或大型相控阵天线中，对所关注的目标或者区域进行信号的接收或者发送。如图1所示为本发明的立体结构示意图，图2所示为本发明的剖面图，结合图1（1）、（2）和图2，本发明X波段介质喇叭天线主要包括极化片1、填充介质2、倒L形探针3、芯套4、馈电结构5和金属壳体6。
极化片1是厚度为1.524mm的Rogers4533印制板，极化片形状由圆片切割而成。极化片1一侧无覆铜，另一侧覆有一定长度和宽度的金属条，金属条的长度和宽度可根据天线具体工作频率进行调整，金属条中心与极化片1圆心重合，且其中心线与极化片1的中心线夹角呈45°。
填充介质2选用材料特性稳定的聚酰亚胺，其结构上端为圆柱体，下端为做过倒角处理的长方体。填充介质2上端圆柱体直径与极化片1直径相同，并且顶部挖出一个与极化片1结构相同的槽，且槽的长边与其下端长方体的长边平行，极化片1有覆铜一侧与填充介质2顶部贴合，形成互补结构。
填充介质2下端长方体宽边中线沿底部向上开有一个“一”字裂缝，该裂缝用于安装倒L形探针3。倒L形探针3由三段直径大小不同的圆柱体金属弯折而成，弯折部分直径最大，最粗部分的高度即为裂缝的高度裂缝宽度比倒L形探针3最粗直径略大即可。
倒L形探针3直径较细部分插入形状为圆柱体的芯套4中，芯套4的材料为聚酰亚胺，为台阶状，上粗下细，其整体高度与倒L形探针3较细部分长度一致。
馈电结构5为圆柱形金属壳体，其内部呈空心台阶状，其上端与芯套4下端较细部分实现紧配，其底部与倒L形探针3最细部分共同组成馈电端口。
极化片1、填充介质2、倒L形探针3、芯套4和馈电结构5均安装于圆柱体金属壳体6内，并实现紧配。在倒L形探针3弯折中心线高度处，金属壳体6从内之外凿有台阶状圆柱体通孔，用于倒L形探针3与金属壳体6的焊接。
下面给出一个具体实施例：
1、极化片1的宽度为8mm，厚度为1.524mm，覆铜侧金属条长度为7.4mm，宽度为1mm，金属条中心线与极化片中心线夹角呈45°，材料为Rogers 4533；
2、填充介质2上端圆柱体直径为17.6mm，高度为5.4mm，下端长方体长15.8mm，宽6mm，高9mm，裂缝高度自底部向上为6.25mm，材料为聚酰亚胺；
3、倒L形探针3三段直径分别为1.3mm、0.7mm和0.4mm，材料为金属铜；
4、台阶状芯套4三段直径分别为5.5mm、3.2mm和1.6mm，长度分别为3.5mm、3mm和0.5mm，材料为聚酰亚胺；
5、该实施例天线为圆柱体结构，馈电结构5和金属壳体6均为金属铜。该天线上端圆柱体直径为18.6mm，下端台阶处直径为20mm，馈电端口处直径为4.5mm。
经过大量仿真与加工测试，该实施例天线的工作频率可覆盖7.85~8.75GHz，辐射右旋圆极化波，在工作频率范围内轴比小于5dB，如图4和图5所示。天线增益在-60°到+60°的角域内大于0dBi。该天线可应用于星载X波段天线系统中。
该实施例天线的本体尺寸为Φ20mm×20.4mm，包络尺寸为Φ20mm×24.2mm，重量25g，满足卫星平台对天线尺寸小型化、重量化的使用要求，而且该天线可应用于相控阵系统中，如图6所示为由实施例组成的4×4相控阵天线，该天线安装、替换都极为方便。

Claims (7)

1.一种X波段介质喇叭天线，其特征在于，包括极化片、填充介质、倒L形探针、芯套、馈电结构和金属壳体；
所述极化片固定于所述填充介质顶部的凹槽内，二者顶部齐平；所述填充介质下端矩形结构挖有“一”字裂缝，将所述倒L形探针置于该缝中；所述芯套为空心圆柱体介质，套于所述倒L形探针外部，其顶端与所述填充介质底部齐平；所述馈电结构为圆柱形金属壳体，其内部呈空心台阶状，其上端与所述芯套下端较细部分实现紧配，其底部与所述倒L形探针最细部分共同组成馈电端口；
所述极化片、填充介质、倒L形探针、芯套、馈电结构均置于所述金属壳体内，且所述填充介质、芯套与所述金属壳体内部实现紧配，所述倒L形探针与所述金属壳体共圆心，通过底部馈电。
2.如权利要求1所述的一种X波段介质喇叭天线，其特征在于，所述极化片采用厚度为1.524mm的Rogers4533印制板，极化片形状由圆片切割而成。
3.如权利要求1所述的一种X波段介质喇叭天线，其特征在于，所述极化片一侧无覆铜，另一侧覆有一定长度和宽度的金属条，所述金属条的长度和宽度可根据天线具体工作频率进行调整，金属条中心与极化片圆心重合，且其中心线与极化片的中心线夹角呈45°。
4.如权利要求1所述的一种X波段介质喇叭天线，其特征在于，所述填充介质选用材料特性稳定的聚酰亚胺，其结构上端为圆柱体，下端为做过倒角处理的长方体；填充介质上端圆柱体直径与极化片直径相同，并且顶部挖出一个与极化片结构相同的槽，且槽的长边与其下端长方体的长边平行，极化片有覆铜一侧与填充介质顶部贴合，形成互补结构；填充介质下端长方体宽边中线沿底部向上开有一个“一”字裂缝，该裂缝用于安装倒L形探针。
5.如权利要求1所述的一种X波段介质喇叭天线，其特征在于，所述倒L形探针由三段直径大小不同的圆柱体金属弯折而成，弯折部分直径最大，直径较细部分插入形状为圆柱体的芯套中，芯套的材料为聚酰亚胺，为台阶状，上粗下细，其整体高度与倒L形探针较细部分长度一致。
6.如权利要求5所述的一种X波段介质喇叭天线，其特征在于，所述倒L形探针3三段直径分别为1.3mm、0.7mm和0.4mm，材料为金属铜。
7.如权利要求1所述的一种X波段介质喇叭天线，其特征在于，所述台阶状芯套三段直径分别为5.5mm、3.2mm和1.6mm，长度分别为3.5mm、3mm和0.5mm，材料为聚酰亚胺。
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