CN109301499A - Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线 - Google Patents

Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，包括高隔离度双频双极化馈源、馈源喇叭、副反射面、主反射面、以及支架结构；馈源喇叭包括第一矩形波导、矩形圆形过度结构、第二矩形波导、波导低通滤波器、圆波导；矩形圆形过度结构连接第一矩形波导和圆波导；第一波导段的侧面设置有一开口，波导低通滤波器设置在该开口外侧，连接第二矩形波导和第一波导段。本发明采用改进的双频双模圆锥馈源喇叭，用一个馈源喇叭实现辐射35GHz、94GHz射频信号，保证了天线在35GHz和94GHz两个频率点的天线辐射方向图的指向相同。

Description

Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波射频天线领域，具体而言涉及一种应用于毫米波通信、单频或双频雷达的天线系统。
背景技术
毫米波是指频率范围为30-300GHz的电磁波，频率覆盖范围较宽，约是微波频段的9倍，具有频带宽、波长短、分辨率高的优点。在毫米波中继通信、雷达、遥感和导弹制导等领域中应用较多。
目前毫米波雷达多是以35GHz、94GHz、140GHz、220GHz等作为工作频点。由于技术等因素，多使用相对频率较低的35GHz作为工作频点。相比35GHz雷达，94GHz雷达具有跟高的分辨率、更小的体积、更强的探知能力，是研究和应用的热点和趋势。35/94GHz双频雷达在雷达的信号处理分析、94GHz雷达定标和技术推广等方面具有较大的科研应用价值。
天线是雷达系统和通信系统的重要组成部分，它的主要功能把雷达和通信系统的射频信号按照设计要求辐射出去。35/94GHz双频天线是研究35/94GHz双频雷达的关键技术。
在雷达系统中，一般要求发射信号功率较大、旁瓣较低，天线增益较高。而一般的未带天线或最新研究热度比较高的频率选择表面天线的损耗比较大，旁瓣高、增益不够理想、耐功率能力较低。传统的抛物面天线或卡塞格伦天线，作为一种较为成熟的天线，具有结构简单、效率高、损耗小、旁瓣小、增益高、耐功率性强的优点。所以依然广泛使用与毫米波雷达和遥感系统中。
目前，双频天线的主要设计方法是在传统抛物面天线或卡塞格伦天线的基础上，在天线的焦点附近设计多馈源的方法实现多频。此方法增加了天线结构的设计难度，增加了口径面的阻挡作用，并且在两个或多个频率上无法真正实现天线相同的波束指向。
设计一种结构简单、天线辐射方向相同的35/94GHz高隔离度双频双极化卡塞格伦天线是研制双频雷达的关键技术，具有较大的难度和科研应用价值。
发明内容
本发明目的在于提供一种Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，采用改进的双频双模圆锥馈源喇叭，用一个馈源喇叭实现辐射35GHz、94GHz射频信号，保证了天线在35GHz和94GHz两个频率点的天线辐射方向图的指向相同。
为达成上述目的，结合图1、图2，本发明提出一种Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，所述天线包括高隔离度双频双极化馈源、馈源喇叭、副反射面、主反射面、以及支架结构；
所述主反射面呈抛物面结构，所述副反射面呈双曲面结构，其位于主反射面之上、并且其远离主反射面一侧的焦点与主反射面的焦点重合，所述高隔离度双频双极化馈源与馈源喇叭构成馈源喇叭系统，馈源喇叭的辐射相位中心设置在副反射面临近主反射面一侧的焦点上；
所述馈源喇叭位于主反射面中轴线上，穿过主反射面与馈源连接；
所述馈源喇叭包括第一矩形波导、矩形圆形过度结构、第二矩形波导、波导低通滤波器、圆波导；
所述圆波导包括依次连接的第一波导段、第二波导波段和第三波导段，其中，第一波导段和第三波导段呈半径分别为r和R的圆柱体结构，第二波导段呈圆台结构，第二波导段与第一波导段连接处的底面被定义成上底面，上底面半径为r，第二波导段与第三波导段连接处的底面被定义成下底面，下底面半径为R，r小于R；
所述矩形圆形过度结构沿电磁波传导方向设置有第一端部和第二端部，其中，第一端部呈矩形，与第一矩形波导连接，第二端部呈圆形，与第一波导段远离第二波导段的一侧连接，第一端部的形状尺寸与第一矩形波导相对应，第二端部的形状尺寸与第一波导段的横截面相对应；
所述第一波导段的侧面设置有一开口，波导低通滤波器设置在该开口外侧，连接第二矩形波导和第一波导段；优选的，第一矩形波导和波导低通滤波器的连接线与圆波导的纵长方向垂直。
所述支架结构设置在主反射面上，连接主反射面和副反射面，用以将副反射面固定在主反射面上方。
进一步的实施例中，所述高隔离度双频双极化馈源为垂直极化输入的35/94GHz双频天线。
进一步的实施例中，所述第一矩形波导为WR-10，所述第二矩形波导为WR-28。
进一步的实施例中，所述主反射面的口径为80cm。
进一步的实施例中，所述第一波导段的半径为3mm，第二波导段的半径为4.8mm。
进一步的实施例中，所述矩形圆形过度结构的长度为13mm。
进一步的实施例中，所述第一波导段的长度为180mm。
进一步的实施例中，所述第二波导段的长度为9.6mm。
进一步的实施例中，所述第三波导段的长度为10mm。
进一步的实施例中，所述Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线采用卡式结构，减小了高频信号在波导中的传输距离，减小了射频信号的衰减，提高了天线的整体效率。
所述Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线采用对称结构，降低了天线的旁瓣，提高天线口径利用率，同时可以有效提高天线的交叉计划。
以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：
(1)本发明的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线同时实现了35和94GHz双频工作。
(2)本发明的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线通过大口径提高天线的总体增益。同时使用一个馈源喇叭实现辐射35、94GHz射频信号保证了天线在35和94GHz两个频率点的天线辐射方向图的指向相同。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的结构示意图。
图2是本发明的馈源喇叭的结构示意图。
图3为Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的Ka频段驻波测试图。
图4为Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的W频段驻波测试图。
图5为Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的Ka频段隔离度测试图。
图6为Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的W频段隔离度测试图。
图7为Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的35GHz E面方向图测试图。
图8为Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的35GHz H面方向图测试图。
图9为Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的94GHz E面方向图测试图。
图10为Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线的94GHz H面方向图测试图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1，本发明提出一种Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，所述天线包括高隔离度双频双极化馈源(图1下部的矩形结构，其内部结构为图2左半部分，图二右半部分为馈源喇叭内部)、馈源喇叭30、副反射面20、主反射面10、以及支架结构40。
所述主反射面10呈抛物面结构，所述副反射面20呈双曲面结构，其位于主反射面10之上、并且其远离主反射面10一侧的焦点与主反射面10的焦点重合，所述高隔离度双频双极化馈源与馈源喇叭构成馈源喇叭系统，馈源喇叭的辐射相位中心设置在副反射面20临近主反射面10一侧的焦点上。
优选的，所述高隔离度双频双极化馈源为垂直极化输入的35/94GHz双频天线，通过垂直极化输入实现天线的交叉计划。
所述支架结构40设置在主反射面10上，连接主反射面10和副反射面20，用以将副反射面20固定在主反射面10上方。
所述馈源喇叭30位于主反射面10中间，穿过主反射面10与馈源连接。
结合图2，所述馈源喇叭30包括第一矩形波导31、矩形圆形过度结构32、第二矩形波导34、波导低通滤波器35、圆波导。
以35/94GHz双频天线为例，为了便于电磁波的传播，所述第一矩形波导31选用WR-10，用以传播94GHz射频信号，所述第二矩形波导34选用WR-28，用以传播35GHz射频信号。
所述圆波导包括依次连接的第一波导段331、第二波导波段和第三波导段333，其中，第一波导段331和第三波导段333呈半径分别为r和R的圆柱体结构，第二波导段332呈圆台结构，第二波导段332与第一波导段331连接处的底面被定义成上底面，上底面半径为r，第二波导段332与第三波导段333连接处的底面被定义成下底面，下底面半径为R，r小于R。
例如，将所述第一波导段331的半径设置为3mm，第二波导段332的半径设置为4.8mm。
由于第一矩形波导31的截面为矩形，第一波导段331的截面为圆形，因此，需要设置一个矩形圆形过度结构32以连接第一矩形波导31和第一波导段331。
所述矩形圆形过度结构32沿电磁波传导方向设置有第一端部和第二端部，其中，第一端部呈矩形，与第一矩形波导31连接，第二端部呈圆形，与第一波导段331远离第二波导段332的一侧连接，第一端部的形状尺寸与第一矩形波导31相对应，第二端部的形状尺寸与第一波导段331的横截面相对应。通过矩形圆型过度结构实现第一矩形波导31到圆波导的平稳过度。
假设，第一矩形波导31选用WR-10，截面尺寸为2.54*1.27mm，第一波导段331的半径为3mm，可以得出，矩形圆形过度结构32在电磁波传播方向上的横截面是在不断变大的。
所述第一波导段331的侧面设置有一开口，波导低通滤波器35设置在该开口外侧，连接第二矩形波导34和第一波导段331。
具体实施例一
假设第一矩形波导31选用WR-10，用以传播94GHz射频信号，所述第二矩形波导34选用WR-28，用以传播35GHz射频信号，所述主反射面10的口径为80cm，焦距240mm，副反射面20曲面半径96mm，所述矩形圆形过度结构32的长度为13mm，所述第一波导段331的长度为180mm，所述第二波导段332的长度为9.6mm，所述第三波导段333的长度为10mm。
结合图3-图10，可以得出以下结论：
(1)本发明的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线在94GHz的天线增益达到了51dB,在35GHz的天线增益达到了43dB。
(2)本发明的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线在94GHz的3dB波束宽度为0.45°，在35GHz的dB波束宽度为0.85°。
(3)本发明的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线在35GHz的辐射方向图旁瓣小于-26.5dB，在94GHz的辐射方向图旁瓣小于-27.5dB。
(4)本发明的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线在35GHz的辐射方向图3dB波束宽度内的交叉极化大于-40dB，在94GHz的辐射方向图3dB波束宽度内的交叉极化大于-30dB。
(5)本发明的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线端口间的隔离度大于-50dB。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述天线包括高隔离度双频双极化馈源、馈源喇叭、副反射面、主反射面、以及支架结构；
所述主反射面呈抛物面结构，所述副反射面呈双曲面结构，其位于主反射面之上、并且其远离主反射面一侧的焦点与主反射面的焦点重合，所述高隔离度双频双极化馈源与馈源喇叭构成馈源喇叭系统，馈源喇叭的辐射相位中心设置在副反射面临近主反射面一侧的焦点上；
所述馈源喇叭位于主反射面中间，穿过主反射面与馈源连接；
所述馈源喇叭包括第一矩形波导、矩形圆形过度结构、第二矩形波导、波导低通滤波器、圆波导；
所述圆波导包括依次连接的第一波导段、第二波导波段和第三波导段，其中，第一波导段和第三波导段呈半径分别为r和R的圆柱体结构，第二波导段呈圆台结构，第二波导段与第一波导段连接处的底面被定义成上底面，上底面半径为r，第二波导段与第三波导段连接处的底面被定义成下底面，下底面半径为R，r小于R；
所述矩形圆形过度结构沿电磁波传导方向设置有第一端部和第二端部，其中，第一端部呈矩形，与第一矩形波导连接，第二端部呈圆形，与第一波导段远离第二波导段的一侧连接，第一端部的形状尺寸与第一矩形波导相对应，第二端部的形状尺寸与第一波导段的横截面相对应；
所述第一波导段的侧面设置有一开口，波导低通滤波器设置在该开口外侧，连接第二矩形波导和第一波导段；
所述支架结构设置在主反射面上，连接主反射面和副反射面，用以将副反射面固定在主反射面上方。
2.根据权利要求1所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述高隔离度双频双极化馈源为垂直极化输入的35/94GHz双频天线。
3.根据权利要求2所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述第一矩形波导为WR-10，所述第二矩形波导为WR-28。
4.根据权利要求1或者2所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述主反射面的口径为80cm。
5.根据权利要求1或者2所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述第一波导段的半径为3mm，第二波导段的半径为4.8mm。
6.根据权利要求1或者2所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述矩形圆形过度结构的长度为13mm。
7.根据权利要求1或者2所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述第一波导段的长度为180mm。
8.根据权利要求1或者2所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述第二波导段的长度为9.6mm。
9.根据权利要求1或者2所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述第三波导段的长度为10mm。
10.根据权利要求1或者2所述的Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线，其特征在于，所述Ka/W双频双极化高隔离度高增益卡塞格伦天线采用卡式结构。
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