CN108649345A - 一种共焦双抛物面天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种共焦双抛物面天线，所述共焦双抛物面天线至少包括：主反射面、副反射面以及馈源，其中：所述主反射面和所述副反射面相对设置且共焦；其中，所述主反射面和所述副反射面均为抛物面，且所述主反射面和所述副反射面的焦点相同；所述馈源为能够进行二维电子扫描的有源相控阵馈源，设置在所述副反射面前端。

Description

一种共焦双抛物面天线

技术领域

本发明涉及天线技术，尤其涉及一种共焦双抛物面天线。

背景技术

共焦双抛物面天线(Confocal Dual Paraboloid Antenna，CDPA)，也被称为共焦格里高利天线(Confocal Gregorian Antenna，CGA)，在上个世纪70年代由国外学者提出。共焦双抛物面天线与其它任何一种双反射面天线系统不同的是，这种天线并不对平面波聚焦，而是将主面前端的大口径平面波压缩成副面前端的小口径平面波，再在副面前端安放一个与平面波口径相对应的平面阵列天线作馈源，当平面阵列馈源同相辐射时，其产生的小口径平面波波前会被双抛物面系统放大为大口径的平面波波前，从而提高天线的方向性。但是格里高利天线的副反射面是椭球面，馈源置于椭球面的一个焦点上，椭球面的另一个焦点与主反射面的焦点重合，在保证聚焦特性的同时，该格里高利天线就不能完成大角度扫描。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种共焦双抛物面天线，通过将副反射面和主反射面设计为共焦的两个抛物面，并且将同源相控阵馈源与共焦双抛物面相结合，从而使共焦双抛物面天线的能够进行宽角扫描，进而为工程应用方面提供有力支撑。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种共焦双抛物面天线，所述共焦双抛物面天线至少包括：主反射面、副反射面以及馈源，其中：

所述主反射面和所述副反射面相对设置且共焦；其中，所述主反射面和所述副反射面均为抛物面，且所述主反射面和所述副反射面的焦点相同；

所述馈源为能够进行二维电子扫描的有源相控阵馈源，设置在所述副反射面前端。

在其他的实施例中，所述馈源为所述主反射面和所述副反射面的偏馈馈源，并且所述馈源发射的电磁波能够从所述副反射面的不同角度入射到所述副反射面。

在其他的实施例中，所述馈源为能够进行二维电子扫描的有源相控阵馈源，包括：

所述馈源为能够进行方位向和距离向的电子扫描的有源相控阵馈源。

在其他的实施例中，所述主反射面和所述副反射面的焦距比为大于1小于等于第一阈值的值，且所述主反射面的焦距与所述主反射面的直径之比为大于0.6小于1.2的值；其中，所述第一阈值为大于1的值。

在其他的实施例中，所述天线不对平面波聚焦，并且将主反射面前端的大口径平面波压缩成副反射面前端的小口径平面波；

所述小口径平面波的焦距场与所述有源相控阵馈源的口径场共轭匹配。

在其他的实施例中，所述天线还包括支撑杆，所述支撑杆的一端与所述主反射面相连，所述支撑杆的另一端与所述副反射面相连。

在其他的实施例中，当所述天线进行扫描时，所述馈源的扫描角度大于所述天线的扫描角度。

本发明实施例提供的一种共焦双抛物面天线，该天线至少包括：主反射面、副反射面以及馈源，其中：所述主反射面和所述副反射面相对设置且共焦；其中，所述主反射面和所述副反射面均为抛物面，且所述主反射面和所述副反射面的焦点相同；所述馈源为能够进行二维电子扫描的有源相控阵馈源，设置在所述副反射面前端；如此，通过将共焦双抛物面天线的副反射面设计为抛物面，并且将有源相控阵馈源与共焦双抛物面天线相结合，从而实现共焦双抛物面天线的宽角扫描能力，进而为工程应用方面提供有力支撑。

附图说明

在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。

图1为本发明实施例所述的共焦双抛物面天线的立体结构示意图；

图2为本发明实施例所述的共焦双抛物面天线的连接结构示意图；

图3为本发明实施例二维平面有源相控阵馈源的组成结构示意图；

图4为本发明实施例共焦双抛物面天线参数定义示意图；

图5为本发明实施例共焦双抛物面天线法向扫描的方向图；

图6为本发明实施例共焦双抛物面天线距离向扫描3°的方向图；

图7为本发明实施例共焦双抛物面天线方位向扫描5°的方向图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

本发明实施例提供一种共焦双抛物面天线，图1为本发明实施例所述的共焦双抛物面天线的立体结构示意图，如图1所示，所述共焦双抛物面天线10包括主反射面101、副反射面102和馈源103，其中：

所述主反射面101和所述副反射面102相对设置且共焦；其中，所述主反射面101和所述副反射面102均为抛物面，且所述主反射面101和所述副反射面102的焦点相同。

所述馈源103为能够进行二维电子扫描的有源相控阵馈源，设置在所述副反射面102前端。

这里，所述能够进行二维电子扫描的有源相控阵馈源可以理解为，由于有源相控阵，既可用以接收，也可用以发射，并能够对馈源阵中的按一定规律排列的基阵单元均加以适当的移相(或延时)以获得馈源阵波束的偏转，在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿，即可获得多波束本身就是用来接收或者发射信号的，所以有源相控阵馈源具有二维电子扫描能力；所述二维电子扫描是能够进行方位向和距离向的电子扫描。

所述馈源103安装在馈源支撑装置105上端；所述馈源支撑装置105的前端与副反射面102连接，馈源支撑装置105的后端与主反射面支撑杆104连接。

在本发明实施例提供的共焦双抛物面天线中，通过将所述共焦双抛物面天线的主反射面和副反射面均设置为抛物面，并且将共焦双抛物面天线与有源相控阵馈源相结合，从而实现共焦双抛物面天线的宽角扫描能力，进而为工程应用方面提供有力支撑。

本发明实施例提供一种共焦双抛物面天线，图2为本发明实施例所述的共焦双抛物面天线的连接结构示意图，如图2所示，主反射面201与副反射面202的焦点相同为焦点205，其中：

馈源203为所述主反射面201和所述副反射面202的偏馈馈源，并且所述馈源203发射的电磁波能够从所述副反射面202的不同角度入射到所述副反射面202；区域205表示馈源203发出的电磁波经过主反射面201和副反射面202两次反射后的得到的光线的范围。

这里，所述偏馈馈源可以理解为所述馈源不在与所述主反射面和副反射面的中心切面垂直且过所述主反射面和副反射面中心的直线上，从而当电磁波发射到反射面时，避免了馈源对主反射面造成的遮挡。

所述主反射面201和所述副反射面202的焦距比为大于1小于等于第一阈值的值，且所述主反射面的焦距与所述主反射面的直径之比为大于0.6小于1.2的值；其中，所述第一阈值为大于1的值。

这里，所述第一阈值可以根据实际的工程需要来设定，一般为了使共焦双抛物面天线的扫描角度更宽，将第一阈值设置为大于1小于2的值。可以理解为，所述共焦双抛物面天线的主反射面的焦距的大小，与所述副反射面的焦距大小相差不多。但是在其他工程中，所述第一阈值也可以大于2，比如，实际工程中不需要天线的扫描角度较宽，这种情况下，基于节约经济成本，就可以将副反射面的焦距大小设置为相对于主反射面的焦距大小较小的值。

在其他实施例中，所述共焦双抛物面天线不对平面波聚焦，并且将主反射面前端的大口径平面波压缩成副反射面前端的小口径平面波；所述小口径平面波的焦距场与所述有源相控阵馈源的口径场共轭匹配。

这里，所述共焦双抛物面天线将主反射面前端的大口径平面波经过主反射面和副反射面反射的两次反射，压缩成副反射面前端的小口径平面波，并且该小口径平面波的焦距场与馈源的口径共轭匹配，如此，保证了所述共焦双抛物面天线较好的扫描特性，并突破了常规天线的扫描角度不大于波束宽度8到10倍的限制。

在其他实施例中，当所述天线进行扫描时，所述馈源的扫描角度大于所述天线的扫描角度。

这里，由于馈源的扫描角度大于天线的扫描角度，而且副反射面采用的是大口径抛物面，所以即使馈源在副反射面的照射区域移动范围大，也能够有效截获入射波、并且减小副反射面的能量泄露。

本发明实施例提供的共焦双抛物面天线具有以下三个特点：第一，副反射面是抛物面；第二，将有源相控阵馈源与共焦双抛物面天线相结合；第三，对馈源和天线的主反射面、副反射面进行参数设计，比如，将主反射面和副反射面的焦距比设置为较小的值以保证共焦双抛物面天线的波束质量较高；将主反射面设置为大的焦径比，以使共焦双抛物面天线能够进行宽角扫描，从而大大提升了共焦双抛物面天线的扫描能力，为实际的工程应用提供更加优越的选择。

一般地，双反射面天线的对电磁波进行聚焦之后，并不适合做宽角扫描，能够扫描角度不大于波束宽度8到10倍，那么也就不能满足实际工程中对高能力扫描的需求，为了提供具有更高扫描能力的天线，本发明实施例提供一种共焦双抛物面天线，图3为本发明实施例二维平面有源相控阵馈源的组成结构示意图，如图3所示，在所选定天线体制的基础上，对馈源的阵面尺寸(馈源的阵面长度和馈源的阵面宽度)、馈源中单元间距、单元数目和单元排布方式进行设计，其中，馈源中单元间距可以理解为图3中相邻两个圆的间距；单元数目可以理解为图3中圆的个数；在本实施例中单元排布方式采用矩形栅格的形式进行排布，馈源为匹配双反射面的有源相控阵馈源，通过所述馈源的二维电子扫描能力，完成对副反射面不同角度的入射，从而实现整个天线的电子扫描性能，相应地，二维平面有源相控阵馈源的馈源参数如表1所示：

表1馈源参数表

阵面尺寸	5120*5120mm
		单元间距	160*160mm
单元数目	880
		单元排布方式	矩形栅格

将二维平面有源相控阵馈源的馈源参数设计完成之后，对主反射面、副反射面面型及反射面系统聚焦特性进行分析设计，在本实施例中主反射面采用大焦径比，因为主反射面的大焦径比有利于提高天线的扫描能力。对于主反射面来说，归一化偏焦距离越小主反射面的波束扫描能力越强；其中，归一化偏焦距离是反射面偏焦距离和焦距的比值，即被焦距归一化的偏焦距离。当主反射面和副反射面焦距比值一定时，若增大主反射面焦距，归一化偏焦距离则会减小，如此，有利于提高天线的扫描能力。

当主反射面的口径与主反射面的焦距一定时，由主反射面的波束扫描造成的焦斑偏焦距离也是一定的。此时对于副反射面，当焦斑偏焦距离一定时，副反射面焦距越小，副反射面的波束能够扫描的角度就越大；由副反射面反射的电磁波投射在馈源所在平面上，所述电磁波场强空间分布的变化量就越大；变化量较大的电磁波场强空间分布不利于与同一个固定位置、固定形状的馈源口径场相匹配，从而造成波束质量下降；相反，副反射面焦距越大，副反射面的波束能够扫描的角度就越小，由副反射面反射的电磁波投射在馈源所在平面上场强空间分布变化量就越小，易于与同一个固定位置、固定形状的馈源口径场相匹配，如此，相应的波束质量也得到保证。因此，主反射面和副反射面间小的焦距比，相较于主反射面和副反射面间大的焦距比更有利于天线整体做大角度波束扫描。

由于共焦双反射面天线进行小角度扫描时馈源需做大角度扫描，所以馈源在副反射面的照射区域移动范围较大，因此，为有效截获入射波、减小副反射面能量泄露，在本实施例中采用大口径副反射面。

图4为本发明实施例共焦双抛物面天线的组成结构示意图，如图4所示，共焦双抛物面天线由主反射面401、副反射面402、馈源阵403和公共焦点406组成，反射光线404为馈源的一端边缘侧发出的光线经过主反射面和副反射面两个反射后的光线；反射光线405为馈源的另一个端边缘侧发出的光线经过主反射面和副反射面两个反射后的光线。基于所述共焦双抛物面天线的组成结构，对所述共焦双抛物面天线的8个参数进行设计，对所述共焦双抛物面天线的主反射面直径b1、主反射面焦距f1、主反射面边缘偏轴距离h1、副反射面直径b1、副反射面焦距f1、副反射面边缘偏轴距离h2、馈源阵面距焦点距离df以及馈源阵中心距主轴距离h3进行设计，相应地，共焦双抛物面天线参数设计如表2所示。

表2共焦双抛物面天线参数表

基于表1和表2中所设计的参数，分别对共焦双抛物面天线法向扫描、距离向扫描3度和方位向扫描5度做仿真实验。

第一，当共焦双抛物面天线法向扫描时，得到共焦双抛物面天线法向扫描的方向图，图5(a)为共焦双抛物面天线法向扫描时，距离向的方向图；图5(b)为共焦双抛物面天线法向扫描时，方位向的方向图；图5(c)为共焦双抛物面天线法向扫描时，三维的方向图。

图5(a)和图5(b)可以认为是图5(c)中天线扫描立体三维方向图的距离向切面图和方位向切面图。从图5(a)，在距离向，该天线的辐射功率随扫描角度的变化曲线，可以看出，波束宽度为0.54°(度)，副瓣电平为-15.2dB(增益)；对该曲线进行积分得到，方向性系数为50.7dB。其中，从副瓣电平为-15.2dB可以看出，副瓣电平是非常小的，由此可以说明，该天线的波束质量很高。

从图5(b)，在方位向，该天线的辐射功率随扫描角度的变化曲线，可以看出，波束宽度为0.52°，副瓣电平为-16dB；对该曲线进行积分得到，方向性系数为50.7dB。其中，从副瓣电平为-16dB可以看出，副瓣电平是也非常小的，同样可以说明，该天线的波束质量很高。

对比从图5(a)和图5(b)得到的数据，可以看出，当该天线进行法向扫描时，距离向的波束宽度与方位向的波束宽度非常接近，而且距离向的方向性系数与方位向的方向性系数相同，由此可以说明，该天线的扫描能力是非常强的。

第二，当共焦双抛物面天线距离向扫描3度时，得到共焦双抛物面天线距离向扫描3度的方向图，图6(a)为共焦双抛物面天线距离向扫描3度的方向图；图6(b)为共焦双抛物面天线距离向扫描3度的三维方向图。

图6(a)可以认为是图6(b)中天线扫描立体三维方向图的距离向切面图。从图6(a)，在距离向扫描3度时，3dB波束宽度为0.52°，副瓣电平为-14.1dB；对该曲线进行积分得到，方向性系数为48.8dB。其中，从副瓣电平为-14.1dB可以看出，副瓣电平是非常小的，由此可以说明，该天线的波束质量很高。

第三，当共焦双抛物面天线方位向扫描5度时，得到共焦双抛物面天线方位向扫描5度的方向图，图7(a)为共焦双抛物面天线方位向扫描5度的方向图；图7(b)为共焦双抛物面天线方位向扫描5度时，三维的方向图。

图7(a)可以认为是图7(b)中天线扫描立体三维方向图的方位向切面图。从图7(a)，在方位向扫描5度时，3dB波束宽度为0.61°，副瓣电平为-17.3dB；对该曲线进行积分得到，方向性系数为49.8dB。其中，从副瓣电平为-17.3dB可以看出，副瓣电平是非常小的，由此可以说明，该天线的波束质量很高。

另外，虽然图6(a)为共焦双抛物面天线距离向扫描3度的方向图，而图7(a)为共焦双抛物面天线方位向扫描5度的方向图，但是对比图6(a)和7(a)可以看出，图6(a)和图7(a)的波束宽度的变化仅仅为0.09°，而且方向性系数的变化仅仅为1dB，由此可见，图6(a)和图7(a)的波束宽度的变化和方向性系数的变化都是非常微小的，由此可以说明，共焦双抛物面天线的扫描能力是非常强的，足以突破常规天线的扫描角度不大于波束宽度8到10倍的限制。基于本实施例中能够进行宽角扫描的共焦双抛物面天线，可以有效的应用在需要较高扫描能力的系统中，为工程应用方面提供有力支撑。

应理解，说明书通篇中提到的“本发明实施例”或“实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种共焦双抛物面天线，其特征在于，所述共焦双抛物面天线至少包括：主反射面、副反射面以及馈源，其中：

所述主反射面和所述副反射面相对设置且共焦；其中，所述主反射面和所述副反射面均为抛物面，且所述主反射面和所述副反射面的焦点相同；

所述馈源为能够进行二维电子扫描的有源相控阵馈源，设置在所述副反射面前端。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈源为所述主反射面和所述副反射面的偏馈馈源，并且所述馈源发射的电磁波能够从所述副反射面的不同角度入射到所述副反射面。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈源为能够进行二维电子扫描的有源相控阵馈源，包括：

所述馈源为能够进行方位向和距离向的电子扫描的有源相控阵馈源。

4.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，所述主反射面和所述副反射面的焦距比为大于1小于等于第一阈值的值，且所述主反射面的焦距与所述主反射面的直径之比为大于0.6小于1.2的值；其中，所述第一阈值为大于1的值。

5.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，所述天线不对平面波聚焦，并且将主反射面前端的大口径平面波压缩成副反射面前端的小口径平面波；

所述小口径平面波的焦距场与所述有源相控阵馈源的口径场共轭匹配。

6.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，所述天线还包括支撑杆，所述支撑杆的一端与所述主反射面相连，所述支撑杆的另一端与所述副反射面相连。

7.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，当所述天线进行扫描时，所述馈源的扫描角度大于所述天线的扫描角度。