CN108701900B - 一种双频天线 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种同轴双频天线，包括：波导管，环形槽，高频馈源和介质环。波导管为筒形结构，用于传输第一电磁波，波导管的管壁具有开口方向与第一电磁波的输出方向相同的环形槽，其中，第一电磁波的频率低于高频馈源发出的电磁波的频率；高频馈源位于波导管中，与波导管同轴，其中，第一电磁波在波导管中激发横电模TE11；介质环填充在波导管和高频馈源之间，介质环为多层结构，与波导管同轴，各层介质环的垂直于该轴的平面的面积大小呈交替变化，介质环的高度小于波导管的高度。本申请相对于现有技术，可以避免高阶模在波导管内的损耗，并省略介质环，提高同轴双频天线的辐射效率。

Description

一种双频天线
技术领域
本申请涉及无线通信领域，尤其涉及一种可用于双频抛物面天线的同轴双频天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，微波点到点通信的传输容量不断增大，Eband(71-76GHz，81-86GHz)频段的微波设备在基站回传网络中发挥越来越重要的作用。但是，因为Eband频段的电磁波“雨衰”特别严重，所以Eband微波单跳距离通常小于3公里。为了增大Eband微波的单跳距离，降低建站成本，有一种解决方案是将Eband频段微波设备和其他低频微波设备组合使用，当出现较大降雨时，Eband微波设备虽然无法正常工作，但是低频微波设备依然可以正常工作。
该解决方案采用双频抛物面天线，其结构如图1所示，该双频抛物面天线包括主反射面，副反射面，低频馈源和高频馈源，其中，高频馈源插在低频馈源内部，二者共轴，形成同轴双频天线；该同轴双频天线的两个馈源共用一个主反射面和一个副反射面，两个馈源的相位中心重合于副反射面的焦点，从而实现双频复用的功能。
在现有技术中，同轴双频天线的低频馈源通常为大开口的喇叭形状，高频馈源需插有介质针，无论高频馈源和低频馈源，均存在辐射效率偏低，增益达不到单频天线增益水平的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种同轴双频天线，采用直径不变的圆波导或者微张口圆波导来代替大开口的喇叭形波导做低频馈源，解决了现有的同轴双频天线的高频馈源和低频馈源均存在辐射效率偏低，增益达不到单频天线增益水平的问题。
第一方面，提供一种同轴双频天线，包括：波导管，环形槽，高频馈源和介质环，所述波导管为筒形结构，用于传输第一电磁波，所述波导管的管壁具有开口方向与所述第一电磁波的输出方向相同的环形槽，其中，所述第一电磁波的频率低于所述高频馈源发出的电磁波的频率；所述高频馈源位于所述波导管中，与所述波导管同轴，其中，所述第一电磁波在所述波导管中激发横电模TE11；所述介质环填充在所述波导管和所述高频馈源之间，所述介质环为多层结构，与所述波导管同轴，各层介质环的垂直于所述轴的平面的面积大小呈交替变化，其中，所述介质环的高度小于所述波导管的高度。
本申请实施例提供的同轴双频天线将激发低频的第一电磁波的TE11模，在波导管内部不会产生高阶模，避免了高阶模在波导内部的传输损耗，提高双频天线的低频辐射效率；而且，波导管内部不产生高阶模，也就无需担心位于波导管内的高频馈源会影响高阶模的电磁场分布，可以省略介质针，提高双频天线的高频辐射效率。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式，所述高频馈源的高度与所述波导管的高度相同。
结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式，所述波导管内壁的半径和高频馈源外壁的半径之和大于所述第一电磁波波长的1/π，上述两个半径之差小于所述第一电磁波波长的1/2。本实施例可以保证在天线内只会激发TE11模，不会有更高阶的模式存在，避免了高阶模在波导内的传输损耗。
结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述环形槽的半径与所述波导管内壁的半径之差为所述第一电磁波波长的1/8。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述环形槽的深度在所述第一电磁波波长的1/5至1/4之间，宽度为所述第一电磁波波长的1/8。
上述两个实施例提供了环形槽的尺寸要求，满足上述尺寸要求的环形槽激励起的高阶模，可以通过和TE11模叠加，使第一电磁波在E面和H面的波束宽度一致，使第一电磁波的辐射效率最大化。
结合第一方面或第一方面的第一种至第四种可能的实现方式中的任一种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，相邻两层介质环中只有一个介质环的外壁与所述波导管的内壁相连，且内壁与所述高频馈源的外壁相连，可以起到密封、防水以及固定高频馈源的作用。
结合第一方面或第一方面的第一种至第五种可能的实现方式中的任一种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，与所述波导管的输出平面距离最远的那层介质环不同时与所述波导管和所述高频馈源相连，可以降低第一电磁波在介质环上的反射，提高辐射效率。
结合第一方面的第六种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，每层介质环的高度为所述第一电磁波波长的1/4。
结合第一方面的第六种或第七种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述介质环的相对介电常数在2至4之间。
上述两个实施例描述了每层介质环的高度和相对介电常数，可以实现同轴双频天线的特征阻抗和自由空间的波阻抗相互匹配，提高辐射效率。
本申请提供的同轴双频天线将激发低频的第一电磁波的TE11模，在波导管内部不会产生高阶模，避免了高阶模在波导内部的传输损耗，提高双频天线的低频辐射效率；而且，波导管内部不产生高阶模，也就无需担心位于波导管内的高频馈源会影响高阶模的电磁场分布，可以省略介质针，提高双频天线的高频辐射效率。
附图说明
图1为一种现有的双频抛物面天线的结构示意图；
图2为现有的同轴双频天线的结构示意图；
图3(a)为本申请一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图3(b)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图3(c)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图4(a)为本申请一实施例提供的同轴双频天线内TE11模的电场分布图；
图4(b)为本申请一实施例提供的同轴双频天线内TM11模的电场分布图；
图4(c)为本申请一实施例提供的同轴双频天线内TE11和TM11模叠加后的电场分布图；
图5(a)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图5(b)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图6(a)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图6(b)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图7(a)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图7(b)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图8(a)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图；
图8(b)为本申请另一实施例提供的同轴双频天线的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
现有的同轴双频天线结构如图2所示，该同轴双频天线的低频馈源201为大开口的喇叭形波导，在波导内部包括高频馈源202，在高频馈源202上插有介质针203。采用喇叭形波导便于实现波导的特征阻抗和自由空间的波阻抗相互匹配，减少反射；随着波导半径的增大，会激发出高阶模，该高阶模和横电模TE11作用，使输出电磁波在E面和H面上的波束宽度一致，起到最大的增益效果，其中，E面指的是电场所在方向和辐射最大方向组成的平面，而H面指的是磁场所在方向和辐射最大方向组成的平面。然而，高阶模产生于大开口喇叭形波导的内部，在波导内部的传输损耗较大，故该双频天线的低频辐射效率较低。
由于高频馈源是金属材质，会影响高阶模的电磁场分布，故高频馈源不能直接伸到大开口喇叭形波导的口面，需要一个介质针将高频馈源的相位中心引出到大开口喇叭形波导的口面，但介质针不易加工且损耗较大，导致双频天线的高频增益也达不到单频天线的水平。
本申请实施例提供一种同轴双频天线，如图3(a)所示，包括：波导管301，环形槽302、高频馈源303和介质环304，
波导管301为筒形结构，用于传输第一电磁波，波导管301的管壁具有开口方向与该第一电磁波的输出方向相同的环形槽302，其中，该第一电磁波的频率低于高频馈源303发出的电磁波的频率；
高频馈源303位于波导管301中，与波导管301同轴，其中，该第一电磁波在波导管301中激发横电模TE11；
介质环304填充在波导管301和高频馈源303之间，介质环304为多层结构，与波导管301同轴，每层介质环304的垂直于该轴的平面面积大小呈交替变化，其中，介质环304的高度小于波导管301的高度。
可选地，高频馈源303的高度与波导管301的高度相同。应理解，高频馈源的高度略小于波导管的高度也是可行的。
在本申请实施例中，波导管将激发低频的第一电磁波的TE11模，在波导管内部不会产生高阶模，避免了高阶模在波导内部的传输损耗，提高双频天线的低频辐射效率；而且，波导管内部不产生高阶模，也就无需担心位于波导管内的高频馈源会影响高阶模的电磁场分布，可以省略介质针，提高双频天线的高频辐射效率。
应理解，图3(a)所示的同轴双频天线是介质环304的内壁与高频馈源303的外壁相连的情况，这只是本申请提供的同轴双频天线的一种可能结构，该天线还可以为介质环304的外壁与波导管301的内壁相连，如图3(b)所示；还可以为一层或多层介质环304的内壁与高频馈源303的外壁相连，剩下的各层介质环的外壁与波导管301的内壁相连，如图3(c)所示；只需满足每层介质环304的垂直于该轴的平面面积大小呈交替变化即可。
需要说明的是，波导横截面的电磁场分布，称为波导的传播模式。不同的传播模式有不同的截止波长，没有截止波长或截止波长最大的模式称为主模或者基模，其他截止波长更小的模式统称为高阶模，传播模式的阶数越高，截止波长越小。在本申请实施例中，将TE11模当做基模，截止波长小于TE11模的其他模式统称高阶模。
应理解，本申请实施例提供的波导管可以为圆筒、方形筒等形状，也可以在输出第一电磁波的开口稍微扩大一些，只需满足在由该波导管、高频馈源、环形槽和介质环构成的同轴双频天线中，只会激发第一电磁波的基模即可；其中，管壁通常为金属材质。
可选地，波导管302内壁的半径和高频馈源303外壁的半径之和大于第一电磁波波长的1/π，上述两个半径之差小于该第一电磁波波长的1/2，其中，该第一电磁波的频率低于高频馈源303发出的电磁波的频率。
具体的，以本申请描述的由高频馈源303与波导管301形成的同轴波导为例，第一电磁波的不同模式的截止波长与同轴波导的内波导外径a(高频馈源303外壁的半径)和外波导内径b(波导管301内壁的半径)有关，对应关系如表1所示。
表1
传播模式 截止波长
TEM 没有截止波长
TE<sub>11</sub> π×(b+a)
TM<sub>m1</sub>(m＝0，1，2......)、TE<sub>01</sub> 2×(b-a)
TE<sub>21</sub> π×(b+a)/2
TE<sub>m1</sub>(m＝3，4，5......) π×(b+a)/m
TM<sub>m2</sub>、TE<sub>02</sub> b-a
TM<sub>mn</sub>(n＝3，4，5......)、TE<sub>0n</sub>(n＝3，4，5......) 2×(b-a)/n
假设第一电磁波的波长为λ，则从表1可以知道，在同轴波导满足(b+a)＞λ/π，(b-a)＜λ/2的情况下，第一电磁波可以存在TE11模；如果同轴波导的b变大，使得(b-a)＞λ/2，(b+a)＜2λ/π时，第一电磁波在理论上可以存在TE11、TMm1、TE01等模式，但是由于电磁场模式变化时要保证切向分量连续，也就是m要一致，因此，实际只会存在TE11和TM11两种模式；随着同轴波导的外波导内径b的增大，存在的模式会逐渐增多。
需要说明的是，在同轴波导中还会存在横电磁模TEM，这种模式不存在截止波长，或者说它的截止波长无穷大，但是TEM模在进入同轴双频天线之前，就已经通过对称馈电的方式进行抑制，故本申请实施例不考虑该模式。
进一步地，由于波导管内部只存在TE11模，而波导管内的TE11模的电场分布是不均匀的，如图4(a)所示，也就是说，第一电磁波的电场分布不均匀，从而导致第一电磁波在E面和H面上的波束宽度不一致。针对上述问题，本申请实施例通过在波导管301的管壁上挖一个具有与该第一电磁波输出方向相同的开口方向的环形槽302，利用该波导管301管壁的不连续性激励起高阶模，利用高阶模使TE11模的电场分布变均匀，其中，环形槽302的深度和宽度以及环形槽302与波导管301内壁的距离，均会影响高阶模的阶数和幅度。
可选地，环形槽302的半径与波导管301内壁的半径之差为该第一电磁波波长的1/8。环形槽302的深度在该第一电磁波波长的1/5至1/4之间，宽度为该第一电磁波波长的1/8。具体的，在波导管输出端的管壁平面上，离波导管内壁距离1/8个第一电磁波波长的位置，挖掉一圈宽度和深度满足上述要求的管壁，形成环形槽302，环形槽302使管壁表面产生了不连续性，会激励起高阶模。而环形槽302的位置、宽度以及深度满足上述要求，可以产生合适幅度的高阶模TM11，其电场分布如图4(b)所示，将TE11模和TM11模叠加在一起，会使第一电磁波的电场分布变得均匀，如图4(c)所示，从而使第一电磁波在E面和H面上的波束宽度一致，让增益效果最大化。
另外，本申请实施例省掉了大开口的喇叭形波导，没有在波导管的输出端通过逐渐增大波导管的直径来逐渐改变特征阻抗，也就无法实现同轴双频天线的特征阻抗与自由空间的波阻抗相互匹配，本申请实施例可以采用如下两种方式实现阻抗匹配：
(1)采用填充在波导管301和高频馈源303之间的介质环304来实现阻抗匹配。介质环304为多层结构，与波导管301同轴，各层介质环304的垂直于该轴的平面的面积大小呈交替变化，而且介质环304的高度小于波导管301的高度，其结构可为图3(a)、图3(b)及图3(c)中的任意一种。
根据阻抗匹配原理，当负载阻抗和波导的特征阻抗不一致时，为了使能量能够传递给负载，而不反射回去，需要在负载和波导之间有一段匹配段，当匹配段的特征阻抗Z0需要满足下面公式时，波导的特征阻抗经过匹配段变换后和负载阻抗相等：
Figure GPA0000259535590000071
其中，R0为波导的特征阻抗，RL为负载阻抗。
在本申请实施例中，负载阻抗即为自由空间的波阻抗，波导特征阻抗即为同轴双频天线的特征阻抗；在波导管内填充介质可以改变波导管的特征阻抗，也就是说，填充的介质环形成了匹配段。但是如果全部填满介质的话，在波导管内，介质和空气的界面又形成了特征阻抗突变的情况，会产生强烈的反射。
本申请采用的介质环304结构，并不是完全填充了波导管301和高频馈源303之间的空隙，而是采用了与波导管301同轴的多层结构，每层介质环304的垂直于该轴的平面面积大小呈交替变化，形成介质和空气的混合物，所以等效的相对介电常数不再等于材料自身的相对介电常数，而是可以控制改变的，控制改变的目标就是使得匹配段的特征阻抗达到上面公式计算得到的值。
可选地，每层介质环304的高度为该第一电磁波波长的1/4，该第一电磁波为同轴双频天线发射的低频电磁波。
可选地，相邻两层介质环304中只有一层介质环304的外壁与波导管301的内壁相连，且内壁与高频馈源303的外壁相连，如图5(a)或图5(b)所示的结构。这样，会有多层介质环304内壁与高频馈源303的外壁相连，且外壁与波导管301的内壁相连，可以起到气密、防水以及固定中间的高频馈源303的功能，可以让该同轴双频天线适用于地面，而不仅仅用于卫星通信中。除了与波导管301和高频馈源303均相连的那几层介质环，其他层介质环304的内外壁之间的间距，需根据前面所述的等效介电常数原则进行设计优化。
可选地，与波导管301的输出平面距离最远的那层介质环304不同时与波导管301和高频馈源303相连，降低对第一电磁波的反射，其中，与该输出平面距离最远的那层介质环即为图5(a)和图5(b)中最下面的那层介质环。
本申请实施例的介质环可以采用相对介电常数在2-4之间的介质材料，例如聚碳酸脂、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等，本申请实施例对采用的具体材料并不限定。
确定了材料之后，每层介质环304内壁和外壁的间距还与第一电磁波的波长有关，下面给出在第一电磁波的频率为18GHz时的具体实施例，假设采用相对介电常数为2.8的聚碳酸脂制作介质环，波导管内壁的半径为R，我们采用六层介质环，如图5(a)所示，从上到下，各层介质环的半径长短交替变化，第一层介质环、第三层介质环和第五层介质环外壁的半径均为R，第二层介质环外壁的半径为0.78R，第四层介质环外壁的半径为0.7R，第六层介质环外壁的半径为0.7R。采用满足上述尺寸的介质环，可以让匹配段的特征阻抗满足公式(1)，从而实现同轴双频天线的特征阻抗和自由空间的波阻抗相互匹配，减少电磁波的反射，提高辐射效率。
(2)通过在波导管内设置多个金属环601来实现阻抗匹配。该金属环形成了匹配段，一种可能的结构如图6(a)所示，每个金属环601的内壁均与高频馈源303的外壁相连，可以通过改变每个金属环601的半径以及金属环601之间的间距，来改变金属环601的等效电感和等效电容，使得匹配段的特征阻抗达到公式(1)计算得到的值。
可选地，还可以在波导管301内部，靠近输出平面的位置填充介质层602，该介质层602的的内壁与高频馈源303的外壁相连，该介质层602的外壁与波导管301的内壁相连，如图6(b)所示，起到密封，防水和固定高频馈源的作用。该介质层602采用硬质材料即可，本申请对具体的材料并不做限定。
应理解，图6(a)和图6(b)也仅为本申请实施例的一种可能结构，还可以金属环601的外壁与波导管301的内壁相连，来形成匹配段，如图7(a)和图7(b)所示；或者部分金属环601的外壁与波导管301的内壁相连，另一部分金属环601的内壁与高频馈源303的外壁相连，形成匹配段，如图8(a)和图8(b)所示。本申请实施例对具体的实现方式不做限定。
本申请提供的同轴双频天线具有如下优势：波导管301将激发低频的第一电磁波的TE11模，在波导管301内部不会产生高阶模，避免了高阶模在波导管301内的传输损耗，提高双频天线的低频辐射效率；而且，波导管301内部不产生高阶模，也就无需担心位于波导管301内的高频馈源303会影响高阶模的电磁场分布，可以省略介质针，提高双频天线的高频辐射效率。另外，通过环形槽302和介质环304的设计，可以保证第一电磁波在E面和H面上的波束宽度一致，并实现同轴双频天线的特征阻抗和自由空间的波阻抗相互匹配。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种同轴双频天线，其特征在于，包括：波导管，环形槽，高频馈源和介质环，
所述波导管为筒形结构，用于传输第一电磁波，所述波导管的管壁具有开口方向与所述第一电磁波的输出方向相同的环形槽，其中，所述第一电磁波的频率低于所述高频馈源发出的电磁波的频率；
所述高频馈源位于所述波导管中，与所述波导管同轴，其中，所述第一电磁波在所述波导管中激发横电模TE11；
所述介质环填充在所述波导管和所述高频馈源之间，所述介质环为多层结构，与所述波导管同轴，各层介质环的垂直于所述轴的平面的面积大小呈交替变化，其中，所述介质环的高度小于所述波导管的高度，所述介质环的相邻两层中有一层的外壁与所述波导管的内壁相连，且所述一层的内壁与所述高频馈源的外壁相连。
2.根据权利要求1所述的同轴双频天线，其特征在于，所述高频馈源的高度与所述波导管的高度相同。
3.根据权利要求1所述的同轴双频天线，其特征在于，所述波导管内壁的半径和高频馈源外壁的半径之和大于所述第一电磁波波长的1/π，上述两个半径之差小于所述第一电磁波波长的1/2。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的同轴双频天线，其特征在于，所述环形槽的半径与所述波导管内壁的半径之差为所述第一电磁波波长的1/8。
5.根据权利要求4所述的同轴双频天线，其特征在于，所述环形槽的深度在所述第一电磁波波长的1/5至1/4之间，宽度为所述第一电磁波波长的1/8。
6.根据权利要求1-3或5任一项所述的同轴双频天线，其特征在于，与所述波导管的输出平面距离最远的那层介质环不同时与所述波导管和所述高频馈源相连。
7.根据权利要求1-3或5任一项所述的同轴双频天线，其特征在于，每层介质环的高度为所述第一电磁波波长的1/4。
8.根据权利要求1-3或5任一项所述的同轴双频天线，其特征在于，所述介质环的相对介电常数在2至4之间。
9.一种双频抛物面天线，其特征在于，所述双频抛物面天线包括：主反射面、副反射面和如权利要求1-8任一项所述的同轴双频天线。
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