CN109167174A - Ku波段卫星通信双极化天线馈源 - Google Patents

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曹迪
吴礼
高宗彦
彭树生
张亚曦
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H01Q13/0208—Corrugated horns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type

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Abstract

本发明公开了一种Ku波段卫星通信双极化天线馈源，主要包括波纹圆锥喇叭天线、方圆转换器、正交模耦合器，通过波纹圆锥喇叭同时接收水平极化和垂直极化信号，经方圆转换器后过渡到正交模耦合器，再经过正交模耦合器把两种正交的极化信号分离，通过不同的波导口输出。本发明的3D打印材质为耐高温树脂，后天线馈源腔体内电镀一层电导率为1.75×10‑8Ωm的黄铜。本发明天线、转换器、耦合器一体化设计，无需组装，且3D打印材质轻，成本低。

Description

Ku波段卫星通信双极化天线馈源
技术领域
本发明涉及了天线馈源设计技术，尤其是Ku波段卫星通信双极化天线馈源。
背景技术
传统的用于微波毫米波器件的加工方法是利用CNC(Computerized NumericalControl，计算机数字化控制)铣削的减材制造工艺，使用的原材料一般是导电性较好的金属，如铜和铝等。通过构建一些特殊的物理结构(分布参数电路)来等效实现集总电路的功能。因此，要实现一个微波器件的功能必须满足两个条件，一是器件要有特定的结构框架，二是与电磁波接触的部分必须是低损耗的良导体。
但是，传统微波毫米波器件的制造工艺存在三方面弊端：一、由于金属材质本身的密度往往过大，导致加工器件的重量大，不利于在飞机、卫星上的装配及一些用于实验测试的微波器件的携带。二、传统CNC铣削的减材制造工艺往往产生大量的金属耗材，会大大增加微波毫米波器件批量生产的成本。三、制造周期长。
反射面天线最主要的馈源形式是喇叭天线，其性能好坏决定了整个前端系统的性能。喇叭天线作为反射面天线馈源时，要求它具有较高的相位中心稳定度以及近似圆对称的初级方向图，而传统的喇叭天线馈源的辐射方向图在各个平面内是不相同的，E面和H面的相位中心也不重合，不符合反射面天线对称馈源性能的要求。
发明内容
本发明目的在于提出了一种Ku波段卫星通信双极化天线馈源。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
Ku波段卫星通信双极化天线馈源，包括波纹圆锥喇叭天线、圆波导、方圆转换器、正交模耦合器，四者一体化设计连接，所述正交模耦合器包括两个正交的角锥、2个矩形波导及一个方波导，所述圆波导一端与波纹圆锥喇叭天线圆口相连，另一端与方圆转换器的圆口相连，方圆转换器的方口与正交模耦合器方波导的一端连接，正交模耦合器方波导的另一端与水平角锥的方口连接，水平角锥的矩形口与水平放置的矩形波导连接，垂直角锥于水平角锥中间与水平角锥正交，相交处为一矩形口，垂直角锥的另一端与垂直的矩形波导连接，两个矩形波导的另一端分别作为输出端口。
本发明通过波纹圆锥喇叭同时接收水平极化和垂直极化信号，经方圆转换器后过渡到正交模耦合器，再经过正交模耦合器把两种正交的极化信号分离，通过不同的波导口输出。
优选地，3D打印材质为耐高温树脂，天线馈源腔体内电镀一层电导率为1.75×10-8Ωm的黄铜。
优选地，所述波纹圆锥喇叭为小张角喇叭，张角θ小于30度，开槽的方式为沿喇叭天线内表面垂直喇叭轴线方向等间距开15个深度和宽度相同的槽。
优选地，喇叭口到第一个开槽位置设有0.18-0.3个最大波长过渡带，开槽深度h为0.2-0.4个中心频率波长，相邻两槽的间距d为0.1-0.2个中心频率波长，开槽宽度m小于0.2个相邻两槽的间距d。
优选地，所述圆波导长度为中心频率波长的一半。
优选地，所述方圆转换器的长度为1.5个中心频率波长。
优选地，所述正交模耦合器方波导长度为0.5个中心频率波长，水平角锥长度为1.5个中心频率波长，垂直角锥的长度为1个中心频率波长，两角锥相交的矩形口的长Ls为0.52个中心频率波长，宽Ws为0.22个中心频率波长。
优选地，前端工作的频带范围是11.7-12.75GHz。
优选地，两个矩形波导的另一端均为型号WR75的标准波导口。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用3D打印技术，成本低，时间短，利于批量生产；(2)本发明采用一体化设计，不存在器件间的不匹配；(3)本发明耐高温树脂构造物理架构质量轻；(4)本发明S参数达到工程使用的基本要求，高增益，有非常对称的方向图。
附图说明
图1为Ku波段卫星通信双极化天线馈源整体结构主视图。
图2为Ku波段卫星通信双极化天线馈源正交模耦合器腔体图。
图3为Ku波段卫星通信双极化天线馈源波导口1的回波损耗示意图。
图4为Ku波段卫星通信双极化天线馈源波导口2的回波损耗示意图。
图5为Ku波段卫星通信双极化天线馈源馈源的方向图。
图6为一种基于3D打印的Ku波段卫星天线馈源馈源的隔离度示意图。
图7为一种基于3D打印的Ku波段卫星天线馈源馈源的交叉极化示意图。
具体实施方式
Ku波段卫星通信双极化天线馈源，包括波纹圆锥喇叭天线、圆波导、方圆转换器、正交模耦合器，四者一体化设计连接，所述正交模耦合器包括两个正交的角锥、2个矩形波导及一个方波导，所述圆波导一端与波纹圆锥喇叭天线圆口相连，另一端与方圆转换器的圆口相连，方圆转换器的方口与正交模耦合器方波导的一端连接，正交模耦合器方波导的另一端与水平角锥的方口连接，水平角锥的矩形口与水平放置的矩形波导连接，垂直角锥于水平角锥中间与水平角锥正交，相交处为一矩形口，垂直角锥的另一端与垂直的矩形波导连接，两个矩形波导的另一端分别作为输出端口。
本发明通过波纹圆锥喇叭同时接收水平极化和垂直极化信号，经方圆转换器后过渡到正交模耦合器，再经过正交模耦合器把两种正交的极化信号分离，通过不同的波导口输出。
进一步的实施例中，3D打印材质为耐高温树脂，天线馈源腔体内电镀一层电导率为1.75×10-8Ωm的黄铜。
进一步的实施例中，所述波纹圆锥喇叭为小张角喇叭，张角θ小于30度，开槽的方式为沿喇叭天线内表面垂直喇叭轴线方向等间距开15个深度和宽度相同的槽。
进一步的实施例中，喇叭口到第一个开槽位置设有0.18-0.3个最大波长过渡带，开槽深度h为0.2-0.4个中心频率波长，相邻两槽的间距d为0.1-0.2个中心频率波长，开槽宽度m小于0.2个相邻两槽的间距d。
进一步的实施例中，所述圆波导长度为中心频率波长的一半。
进一步的实施例中，所述方圆转换器的长度为1.5个中心频率波长。
进一步的实施例中，所述正交模耦合器方波导长度为0.5个中心频率波长，水平角锥长度为1.5个中心频率波长，垂直角锥的长度为1个中心频率波长，两角锥相交的矩形口的长Ls为0.52个中心频率波长，宽Ws为0.22个中心频率波长。
进一步的实施例中，前端工作的频带范围是11.7-12.75GHz。
进一步的实施例中，两个矩形波导的另一端均为型号WR75的标准波导口。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例中的张角θ＝20°；喇叭半径R＝34.6mm；槽壁厚度d＝1mm；槽壁间距m＝3.6mm圆波导长度L1＝12.8mm；方圆转换器长度L2＝41.1mm；方波导长度L3＝10.2mm；与方波导连接的角锥长度L4＝37mm；另一角锥长度L5＝24.6mm。如图2所示，在本实例中，两角锥相交的矩形口的长Ls＝12.5mm，宽Ws＝3.9mm。方波导波导、矩形波导和圆波导端口的尺寸均为Ku波段标准波导的尺寸。
通过HFSS软件对该前端进行仿真，波导口1的回波损耗如图3所示，波导口2的回波损耗如图4所示，两个端口在前端工作频带范围内的回波损耗都小于-10dB，性能一般，但达到了系统使用的一般要求。前端的方向图如图5所示，增益最高可达16dB，-15dB的半波束宽度为32.5度，增益高方向性强，满足设计的要求。波导口1和波导口2的端口隔离度如图6所示，达到了-60dB以下，说明两端口间的干扰很小。整个前端的交叉极化如图7所示，E面、H面的隔离度也达到了-10dB以上。综上所述，从低成本、量产化、制作周期短的初衷来看，本发明满足了使用的基本要求。

Claims (9)

1.Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，包括波纹圆锥喇叭天线、圆波导、方圆转换器、正交模耦合器，四者一体化设计连接，所述正交模耦合器包括两个正交的角锥、2个矩形波导及一个方波导，所述圆波导一端与波纹圆锥喇叭天线圆口相连，另一端与方圆转换器的圆口相连，方圆转换器的方口与正交模耦合器方波导的一端连接，正交模耦合器方波导的另一端与水平角锥的方口连接，水平角锥的矩形口与水平放置的矩形波导连接，垂直角锥于水平角锥中间与水平角锥正交，相交处为一矩形口，垂直角锥的另一端与垂直的矩形波导连接，两个矩形波导的另一端分别作为输出端口。
2.根据权利要求1所述的Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，3D打印材质为耐高温树脂，天线馈源腔体内电镀一层电导率为1.75×10-8Ωm的黄铜。
3.根据权利要求1所述的Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，所述波纹圆锥喇叭为小张角喇叭，张角θ小于30度，开槽的方式为沿喇叭天线内表面垂直喇叭轴线方向等间距开15个深度和宽度相同的槽。
4.根据权利要求3所述的Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，喇叭口到第一个开槽位置设有0.18-0.3个最大波长过渡带，开槽深度h为0.2-0.4个中心频率波长，相邻两槽的间距d为0.1-0.2个中心频率波长，开槽宽度m小于0.2个相邻两槽的间距d。
5.根据权利要求1所述的Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，所述圆波导长度为中心频率波长的一半。
6.根据权利要求1所述的Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，所述方圆转换器的长度为1.5个中心频率波长。
7.根据权利要求1所述的Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，所述正交模耦合器方波导长度为0.5个中心频率波长，水平角锥长度为1.5个中心频率波长，垂直角锥的长度为1个中心频率波长，两角锥相交的矩形口的长Ls为0.52个中心频率波长，宽Ws为0.22个中心频率波长。
8.根据权利要求1所述的Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，前端工作的频带范围是11.7-12.75GHz。
9.根据权利要求1所述的Ku波段卫星通信双极化天线馈源，其特征在于，两个矩形波导的另一端均为型号WR75的标准波导口。
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