CN109755749A - 一种应用于单偏置反射面天线的斜槽波纹多模馈源喇叭 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信技术领域，公开了一种应用于单偏置反射面天线的斜槽波纹多模馈源喇叭及卫星通信系统，所述斜槽波纹多模馈源喇叭起始端是输入波导段，传播主模TE₁₁模；输入波导段末端接连续变径段，增加阻抗带宽；末尾辐射器是由五个不等深斜槽构成的波纹段，将TE₁₁和TE₂₁模转换成HE₁₁和HE₂₁模；在变径段和波纹段之间加入一段波导过渡段，在其内壁插入三个间隔120°排列的圆柱，激励起高次模TE₂₁模。由于TE₂₁模在喇叭口径处场分布和偏置带来的交叉极化场分布很相似，因此调节TE₂₁模达到合适的相位和幅度就可以抵消交叉极化电平。本发明使用共轭匹配的原理显著降低了偏置反射面天线的交叉极化电平；喇叭与反射面组成的卫星通信系统具有高效率，宽频带和低交叉极化等特点。

Description

一种应用于单偏置反射面天线的斜槽波纹多模馈源喇叭

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种斜槽波纹多模馈源喇叭及单偏置反射面天线。

背景技术

反射面天线最初是军用通信技术，后来随着卫星通信技术的发展以及反射面天线性能不断地改良，反射面天线得到了更广泛的应用。但是通信业务以及信道干扰与日俱增，卫星通信系统的抗干扰能力变得尤为重要，而交叉极化是衡量天线系统抗干扰能力的重要指标之一。因此，如何降低卫星通信系统的交叉极化一直是国内外专家学者的研究热点，常用且高效的降低交叉极化电平的手段就是在喇叭的辐射器部分加入波纹槽。理论上，槽深在天线工作频率对应波长1/4左右的波纹可以有效减少喇叭辐射口径附近的边缘绕射现象，改善辐射方向图的旋转对称性，降低交叉极化电平等。40年代以来，波纹喇叭的形式不断变化，推陈出新。根据应用场景主要分为三类：直槽即波纹槽深垂直于喇叭中轴的波纹形式。此类喇叭照射角很小，仅适用于较小的反射面或很大的焦距，增益很低且不利于小型化；轴向槽即波纹槽深平行于喇叭中轴。此类喇叭照射角略大，但喇叭口径较大，同时辐射效果一般；斜槽即本文使用的波纹形式张角很大，适用于小焦径比的反射面，利于天线系统的小型化，同时具有优良的辐射性能。同时本文设计了五个不等槽深的斜槽波纹，分别工作于不同的频率，极大地展宽了带宽。为了避免喇叭本身对于反射面的遮挡，提高天线效率，将馈源偏置是一种很好的解决方案。但是偏置给馈源辐射引入了不对称面，在该面上的交叉极化电平急剧升高，影响天线系统的抗干扰能力。为了解决这一问题，常用的方法有增大焦径比，但是这就意味着更大的焦距和更大的天线系统，不符合卫星通信系统对于小型化的要求。论文《Cancellation of polarization rotation in an offset paraboloid bya polarization grid》中，作者在反射面和馈源中间加入极化选择阶梯来过滤交叉极化，但是这样就使得天线系统过于复杂，增加加工和组装难度。论文《A shaped singlereflector offset antenna with low cross-polarization fed by a lens horn》在喇叭中加入相位矫正透镜，但是这样就影响了喇叭本身的主极化传输性能，降低了天线系统的增益和效率，得不偿失。论文《Cross-Polarization Cancellation in an OffsetParabolic Reflector Antenna Using a Corrugated Matched Feed》中的采用得直槽波纹段张角较小，不适合较大的反射面，同时带宽也非常有限，很难直接用于卫星通信系统。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)多模馈源喇叭的结构过于复杂，加工组装难度以及成本较高；

(2)普通波纹喇叭的照射角较小，工作的阻抗带宽和交叉极化带宽较窄；

(3)偏置反射面天线系统的体积较大，很难适用于卫星通信系统。

解决上述技术问题的难度和意义：

卫星通信系统对于体积和重量有很高的要求，因此天线的小型化和轻量化是非常具有意义的；同时由于卫星数量的增加和传输信道的拥挤，提高卫星通信的隔离度和尤其是天线系统的交叉极化是非常有必要的；与此同时，卫星通信还需要较高的增益，因此，使用更加可靠的偏置反射面结构来实现低交叉极化和小型化的难度不言而喻，其应用价值也不可估量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于单偏置反射面天线的斜槽波纹多模馈源喇叭及卫星通信系统。

本发明是这样实现的，一种斜槽波纹多模馈源喇叭，根据连接顺序，依次包括起始端输入波导段、连续变径段、波导过渡段和波纹段，其特征在于：

所述波导过渡段，其内壁插入三个间隔120°排列的圆柱体；

所述波纹段为辐射器，由五个不等深斜槽组成。

进一步，所述输入波导段内截面直径为19.2mm。

进一步，所述波导过渡段的内壁插入三个间隔120°的圆柱，圆柱对称中轴均垂直于过渡段对称中轴，且位于同一个平面。

进一步，所述波纹段中五个不等深斜槽的深度在设计频段对应波长的1/4范围之间，波纹宽度和波纹间距分别相同，并且波纹槽均垂直于辐射器内壁。

进一步，所述多模喇叭应用于焦径比为0.4、馈源仰角为69°的单偏置反射面天线。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述斜槽波纹多模馈源喇叭的单偏置反射面天线及卫星通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：使用共轭匹配的原理，通过在喇叭的渐变段后面增加一段波导过渡段，插入三个相隔120°的圆柱体，在TE₁₁模的基础上激励起TE₂₁模，由于TE₂₁模在喇叭口径处场分布和偏置带来的交叉极化场分布很相似，因此调节TE₂₁模达到合适的相位和幅度就可以抵消交叉极化电平，降低偏置反射面天线的交叉极化，不仅结构简单，有利于加工组装，节约成本，而且最小化对传输性能的影响，馈源喇叭与反射面联合仿真后有较高的的效率。进一步调节插入圆柱体的位置可以改变馈源喇叭的工作频段，调节其大小以适用于不同的偏置反射面天线，使用的圆柱体结构可以通过销钉的形式插入过渡段，组装加工非常简单。同时，传统调节高次模和主模间的相位差的方法是通过调节过渡段的长度实现的，本发明将过渡段长度固定同输入波导段和变径段，通过调节插入圆柱体的相对位置获得理想的相位差，这样就可以控制喇叭体整体的长度。波纹段使用斜槽应用在较大口径和较小焦距的反射面情况下，具有良好的性能，适用于卫星通信系统对于天线系统体积和重量的严格要求。为了获得较宽的带宽，本发明摒弃传统的等深斜槽，使用不等深斜槽，槽深设计在工作频带对应波长1/4的范围内，实现了宽驻波比带宽和宽交叉极化带宽。同时斜槽间距和宽度分别相同，且大小合理，保证了喇叭体的结构强度也降低了加工难度。

本发明与焦径比(F/D)为0.4、馈源偏置角度为69°的反射面组成天线系统联合仿真，仿真得到的增益结合反射面的投影口径以及工作频率等参数，可以计算出整个反射面天线系统的效率。经过不断的改进与优化，最终确定斜槽波纹多模馈源喇叭的最终结构，仿真结果显示，本发明同配套的反射面组成的单偏置反射面天线系统获得了很好的带内交叉极化衰减，较高的效率，同时也具有较宽的阻抗带宽和交叉极化带宽；满足了卫星通信系统对于抗干扰能力以及天线大小重量的要求；解决了偏置反射面天线结构复杂，带宽较窄，效率较低等问题。本发明使用共轭匹配的原理显著降低了偏置反射面天线的交叉极化电平；波纹段新颖的不等深斜槽一方面适用于大反射面需要的大张角馈源，另一方面也可以降低交叉极化，展宽反射面天线系统的交叉极化带宽；喇叭与反射面组成的卫星通信系统具有高效率，宽频带和低交叉极化等特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的斜槽波纹多模馈源喇叭结构示意图；

图中：(a)剖面主视图；(b)俯视图；

图2是本发明实施例提供的变径段结构示意图；

图3是本发明实施例提供的过渡段结构示意图；

图中：(a)剖面主视图；(b)俯视图；

图4是本发明实施例提供的波纹段结构示意图；

图5是本发明实施例提供的焦径比为0.4、馈源仰角为69°的单偏置反射面天线系统示意图；

图中：(a)主视图；(b)侧视图；

图6是本发明实施例提供的斜槽波纹多模馈源喇叭和图5反射面天线系统的电压驻波比仿真结果示意图；

图7是本发明实施例提供的多模馈源喇叭照射单偏置反射面的归一化增益与交叉极化电平仿真结果示意图；

图中：(a)fL频点归一化增益与交叉极化方向图仿真结果；(b)f0频点归一化增益与交叉极化方向图仿真结果；(c)fH频点归一化增益与交叉极化方向图仿真结果；

图8是本发明实施例提供的多模馈源喇叭照射单偏置反射面的归一化增益与交叉极化电平最大值随频率的变化曲线仿真结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明为偏置反射面设计了多模馈源，不仅大大降低了偏置带来的高交叉极化，提高了极化隔离度，减小了极化干扰，同时还具有结构简单、体积小巧、便于加工使用等优点，对于反射面天线系统的发展尤其是卫星通信来说意义重大。同时本发明优化了传输性能，展宽了工作带宽，也具有很高的可拓展性和研究潜力。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的斜槽波纹多模馈源喇叭包括：输入波导段1、连续变径段2、波导过渡段3和波纹段辐射器4。输入波导段始端和末端相同，可以看做高通滤波器，满足频带内最低频点以上主模TE₁₁的传输。

如图2所示，连续变径段2由始端5、中间变径段和末端6组成。始端5 连接输入波导段1末端，具有相同的直径19.2mm。连续变径使得圆波导的截止频率变小，从而展宽工作带宽。

如图3所示，波导过渡段3由始端8，中间传输段、三个小圆柱7和末端9 组成。始端8连接变径段2的末端6。三个圆柱对称中轴垂直于过渡段对称中轴且位于同一个平面，三个圆柱互相之间的间隔10为120°，这样对于图3(b)中的垂直面就是对称面，水平面就是非对称面，主模TE₁₁经过小圆柱就会沿着非对称面激励起高次模TE₂₁模，对于单偏置反射面来说，仅仅水平面有偏置并会产生较高的交叉极化电平，因此本发明中1过渡段3的设计就针对这种情况在水平面激励起TE₂₁模，又因为TE₂₁模在喇叭口径处的电场分布类似交叉极化的电场分布，因此使其等幅反相就可以相互抵消掉，从而降低交叉极化电平。因为高次模TE₂₁模和主模TE₁₁不同大小的相位因子，所以调节过渡段3的长度就可以改变他们之间的相位差，理论上当相位差在-90°且等幅时二者就可以完全抵消。本发明为了满足卫星通信对于天线系统体积和重量的要求，固定了较小的过渡段长度，使其和输入波导段及变径段的长度相同。通过调节小圆柱距离过渡段始端8的距离来调节相位差，同时这样也更利于分析相位便于设计。

如图4所示，波纹段辐射器由始端12、五个不等深波纹13和末端11组成。波纹段始端12连接过渡段末端9。波纹段长度14为16.4mm，末端内截面直径 11为57.2mm，五个不等深斜槽的深度在设计频段对应波长的1/4范围之间，波纹宽度和波纹间距分别相同，并且波纹槽均垂直于辐射器内壁。波纹喇叭的波纹部分又叫模变换段，可以将TE₁₁模和TE₂₁模分别变换为HE₁₁模和HE₂₁模，减少了辐射器口径处的边缘绕射，降低交叉极化，使得方向图具有更好的旋转对称特性。本发明为了满足卫星通信，使用较大的口径和较小的焦距的反射面，斜槽波纹喇叭在这种情况下具有更好的性能，而优化的不等深斜槽分别工作在不同的谐振频率，展宽了天线系统的带宽。

如图5所示，由斜槽波纹多模馈源和单偏置反射面组成的单偏置反射面天线系统各参数为：反射面口径(D)15，反射面焦距(F)17，馈源偏置高度16，馈源偏置角度18为69°，本发明中反射面焦径比F/D为0.4。馈源相位中心位于反射面的焦点上，馈源中轴射线通过馈源相位中心到反射面上下边缘角度的半张角位置，可以达到最高辐射效率。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

本发明使用HFSS软件进行仿真设计，得出仿真结果如图6、图7和图8。图6给出了斜槽波纹多模馈源喇叭(VSWR Horn)和其照射的单偏置反射面天线系统(VSWR Reflector)的电压驻波比曲线仿真结果，天线工作的频带为fL(GHz) -fH(GHz)，带宽为10.5％，中心频点为f0。图6中馈源喇叭驻波比在带内优于 1.1，天线系统驻波比在带内优于1.12，匹配情况良好。

图7给出了本发明和焦径比为0.4，偏置角度为69°的单偏置反射面使用 HFSS联合仿真的归一化方向图及交叉极化电平。其中，图7(a)、图7(b)、图 7(c)分别为fL、f0、fH频点的联合仿真结果图，CoPol曲线为归一化增益电平，CxPol曲线为归一化交叉极化电平。频带内归一化交叉极化电平最大值均小于-29dB，根据增益及反射面的数据计算得到的天线总效率分别为在 fL、f0、fH频点分别为74.2％、73.8％、74.1％。仿真结果显示，本发明与反射面联合仿真度的结果达到了较高的效率和明显的交叉极化衰减，可以满足卫星通信对于极化隔离度的要求。图8给出了本发明和反射面联合仿真的交叉极化电平带宽。工作带宽内交叉极化电平最大值小于-29dB，-25dB交叉极化带宽超过15％。本发明通过在普通馈源喇叭的输入波导段和波纹段之间加入波导过渡段，并在内壁上插入间隔120°的小圆柱引入不对称结构，从而激励起高次模TE₂₁模，利用其场分布的特点与偏置引起的交叉极化电场反相抵消，降低了偏置反射面的交叉极化电平，同时获得了较高的辐射效率；另一方面通过采用新颖的不等深斜槽波纹，展宽了天线的工作带宽，对于小焦径比的反射面有良好的辐射性能。相较于其他的多模喇叭，本发明结构简单，易于加工组装，且天线系统体积较小，能够满足卫星通信系统的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种斜槽波纹多模馈源喇叭，根据连接顺序，依次包括起始端输入波导段、连续变径段、波导过渡段和波纹段，其特征在于：

所述波导过渡段，其内壁插入三个间隔120°排列的圆柱体；

所述波纹段为辐射器，由五个不等深斜槽组成。

2.如权利要求1所述的斜槽波纹多模馈源喇叭，其特征在于，所述输入波导段内截面直径为19.2mm。

3.如权利要求1所述的斜槽波纹多模馈源喇叭，其特征在于，所述波导过渡段的内壁插入三个间隔120°的圆柱，圆柱对称中轴均垂直于过渡段对称中轴，且位于同一个平面。

4.如权利要求1所述的斜槽波纹多模馈源喇叭，其特征在于，所述波纹段中五个不等深斜槽的深度在设计频段对应波长的1/4，波纹宽度和波纹间距分别相同，并且波纹槽均垂直于辐射器内壁。

5.如权利要求1所述的斜槽波纹多模馈源喇叭，其特征在于，所述多模喇叭应用于焦径比为0.4、馈源仰角为69°的单偏置反射面天线。

6.一种使用权利要求1～6任意一项所述斜槽波纹多模馈源喇叭的单偏置反射面天线。

7.一种使用权利要求1～6任意一项所述斜槽波纹多模馈源喇叭的卫星通信系统。