CN110289483A - 双频双圆极化导航测控天线馈源 - Google Patents

双频双圆极化导航测控天线馈源 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种双频双圆极化导航测控天线馈源，其包括同轴多环波导喇叭天线、隔板式圆极化器和同轴波导转换器。其中，同轴多环波导喇叭天线包括圆波导和同轴多环外壁。隔板式圆极化器沿轴向依次包括：方形波导，与圆波导相连；阶梯状隔板，位于方形波导的中轴线上。同轴波导转换器与隔板式圆极化器相连，包括：矩形波导和同轴探针，同轴探针用于将矩形波导内的电磁波转换为同轴线的信号。

Description

双频双圆极化导航测控天线馈源
技术领域
本公开涉及一种导航测控天线馈源，尤其涉及一种双频双圆极化导航测控天线馈源。
背景技术
常见的导航测控天线由于要求的增益较高，一般都为抛物面所组成，其主要区别主要为馈源的组成不同。
传统馈源有两种类型，微带型和振子型天线。微带型天线的圆极化合成一般由两个线极化功分器加90度移相器的微带电路组成，具有体积小，重量轻，集成度较高，成本低的特点，
但是在微波频段由于介质板材的特性，其天线损耗大、带宽窄(一般不超过10％)，往往只能点频使用。因此难以同时满足L、S双频高性能测控天线的要求(频率1.5～2.2GHz，具备同时双圆极化，轴比要求小于1.5dB)。
而振子型天线主要利用单元振子作为馈源的辐射单元，避免了微带天线介质带来的损耗，因此馈源效率较高。然而，振子单元自身的带宽有限，且辐射方向图的轴对称性不好，造成极化鉴别率不高。
上述两种馈源都采用了线极化合成的原理，后端还需要加入功分器和90度移相器，进一步制约了整体馈源的性能，往往只能单频单极化使用。
随着微波技术的发展，特别是宽带圆极化器和辐射器的波导型馈源设计技术的成熟，使得同时覆盖L、S频段的宽带圆极化器测控天线成为可能。
随着导航卫星载荷的发展，导航测控天线已经由传统的L波段单圆极化向L、S双频双圆极化方向发展。导航卫星的使用离不开地面导航测控天线。由于频率低、增益要求高，地面测控天线一般使用抛物面天线，其核心为天线馈源。而传统的测控天线馈源往往多为单频单圆极化，这样对多颗卫星的导航测控而言，往往需要两副甚至多副天线才能满足，增加对场地、人员的要求，存在着成本高，占地面积大等缺点，不能满足新一代导航测控任务的要求。
发明内容
为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种双频双圆极化导航测控天线馈源，其包括同轴多环波导喇叭天线、隔板式圆极化器和同轴波导转换器。其中，同轴多环波导喇叭天线包括圆波导和同轴多环外壁。隔板式圆极化器包括：方形波导，与圆波导相连；阶梯状隔板，位于方形波导的中轴线上。同轴波导转换器与隔板式圆极化器相连，包括：矩形波导和同轴探针，同轴探针用于将矩形波导内的电磁波转换为同轴线的信号。
根据本公开的至少一个实施方式，方形波导包括第一波导侧壁和第二波导侧壁，第一波导侧壁、阶梯状隔板和第二波导侧壁依次放置，并通过紧固件接合在一起。
根据本公开的至少一个实施方式，矩形波导的波导侧壁与第一波导侧壁、阶梯状隔板和第二波导侧壁采用一体加工制成。
根据本公开的至少一个实施方式，同轴多环波导喇叭天线、隔板式圆极化器和同轴波导转换器由非导电材料制成，且表面涂覆有导电材料。
根据本公开的至少一个实施方式，同轴多环波导喇叭天线、隔板式圆极化器和同轴波导转换器由导电材料制成。
根据本公开的至少一个实施方式，阶梯状隔板包括四级阶梯，四级阶梯的长度依次为0.31～0.35λ0、0.33～0.37λ0、0.29～0.33λ0和0.08～0.12λ0，高度依次为0.07～0.11λ0、0.18～0.22λ0、0.29～0.33λ0和0.47～0.51λ0，其中λ0为中心频率对应的波长。
根据本公开的至少一个实施方式，方形波导的内壁边长为0.55～0.75λ0，方形波导的侧壁的厚度为2mm～2.5mm，阶梯状隔板的厚度为1.5mm～1.8mm。
根据本公开的至少一个实施方式，圆波导的内径为0.82～0.86λ0、高度为0.45～0.55λ0；以及同轴多环外壁的内径依次为0.95～1.05λ0、1.5～1.7λ0、1.8～2.0λ0，高度为0.4～0.48λ0，壁厚为2～5mm。
根据本公开的至少一个实施方式，同轴探针深入矩形波导内的长度为0.15～0.22λ0，直径为0.02～0.05λ0，探针距离矩形波导的短端面的距离为0.22～0.32λ0。
根据本公开的至少一个实施方式，与双频双圆极化导航测控天线馈源配套使用的抛物面天线的口径为1.8m～10m。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的整体结构装配示意图。
图2是根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的爆炸图。
图3是根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的隔板式圆极化器的轴测图。
图4是根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的隔板式圆极化器的俯视图。
图5是根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的隔板式圆极化器的主视图。
图6是根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的同轴多环喇叭天线的轴测图。
图7根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的同轴多环喇叭天线的俯视图。
图8根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的同轴多环喇叭天线的主视图。
图9根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的同轴波导转换器的轴测图。
图10根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的同轴波导转换器的仰视图。
图11根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源的同轴波导转换器的主视图。
图12根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源与抛物面天线进行组装的整体示意图。
图13根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源形成传播信号的双矩形波导传输线的原理图。
图14根据本公开至少一个实施方式的双频双圆极化导航测控天线馈源形成传播信号的方波导传输线的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种双频双圆极化导航测控天线馈源，如图1所示，其包括隔板式圆极化器1、同轴多环波导喇叭天线2和同轴波导转换器3。天线馈源装配时，同轴多环波导喇叭天线2、隔板式圆极化器1、同轴波导转换器3依次叠在一起。
同轴多环波导喇叭天线2被叠在隔板式圆极化器1的前部，包括圆波导21和同轴多环外壁22(参见图2、图6、图7和图8)。圆波导21，与隔板式圆极化器1的方形波导进行连接，将接收的电磁波良好地传输到后端。由于工作带宽较宽，圆波导21的辐射特性难以做到轴对称，影响天线极化鉴别率。同轴多环外壁22通过引入高次模，对圆波导21的辐射特性进行补偿，使得整体馈源在宽带范围内的一致性。此外也可对圆波导21的辐射方向图角度进行适当调整，适应于不同焦径比的抛物面。可见，本公开提供的同轴多环波导喇叭天线2除了在宽带范围内具备良好的辐射方向图便于与抛物面天线进行匹配外，馈源方向图还具备良好的轴对称性，提高了天线的极化鉴别率。
隔板式圆极化器1沿轴向依次包括：方形波导和阶梯状隔板11。其中，方形波导与圆波导21相连，保证接收的电磁波良好传输到后端，其边长必须精心选择，保证不产生高次模，同时与前端的圆波导21的阻抗特性匹配，提高传输效率。阶梯状隔板11，位于方形波导的中轴线上(参见图2、图3、图4和图5)。隔板式圆极化器1能够实现L和S双频、左旋和右旋双圆极化以及收发共用的功能。例如，将后端的矩形波导31的垂直极化波进行极化转换，转化为幅度相同的水平极化波和垂直极化波，同时进行90°移相，形成转换为圆极化波。由于双矩形波导31相对于阶梯状隔板11的方向不同，因此对应转换的左右旋极化也不同。
同轴波导转换器3与阶梯状隔板11末端连接，包括矩形波导31和同轴探针32。同轴探针32用于将矩形波导31内的电磁波转换为同轴线的信号，使得能量从矩形波导31传递到后端同轴线中(参见图2、图9、图10和图11)。
方形波导包括第一波导侧壁12和第二波导侧壁13，第一波导侧壁12、阶梯状隔板11和第二波导侧壁13依次放置，并通过紧固件接合在一起，例如可以设计成由螺栓和螺母接合在一起的三层堆叠结构。这样做的优点为，虽然整体天线馈源结构比较复杂，但通过分层方法能够容易地制造，而且整体天线馈源的结构集成度较高。与使用介电材料的微带型或振子型天线相比，根据本公开制造的天线在带宽、信号传输效率和增益上都较高。
为了方便加工和提高集成度，矩形波导31的波导侧壁与第一波导侧壁12、阶梯状隔板11和第二波导侧壁13采用一体加工制成。中间层导电板的上表面与顶层导电板的下表面两层紧密结合，从而构成完整的波导传输馈线。
为了保证批量生产性，本公开天线馈源的同轴多环波导喇叭天线2、隔板式圆极化器1和同轴波导转换器3均可由非导电材料，塑料制成，且表面涂覆有导电材料。或者，为了保证好的电气性能，同轴多环波导喇叭天线2、隔板式圆极化器1和同轴波导转换器3也可由导电材料精密加工制成。根据本公开的至少一个实施例，该天线馈源由塑料制成，并在表面涂覆导电金属，或者直接由金属材料加工而成。
如图12所示，外部频率信号通过抛物面天线4进行聚焦后，通过同轴多环波导喇叭天线2输入，信号聚集到圆波导21中，并依次通过隔板式圆极化器1完成圆极化波到线极化波的转化，其中左旋圆极化波和右旋原极化波分别进入后端两个不同的矩形波导31中，随后通过同轴探针32将波导内的电磁波信号转换为同轴线的信号送往后端测控处理机。
形成传播信号的波导传输线的原理分别如图13和图14所示，第一波导侧壁12、第二波导侧壁13、阶梯状隔板11彼此叠在一起。当导电板表面闭合时，形成方形波导波导槽道传输线；在后端，第一波导侧壁12、第二波导侧壁13、阶梯状隔板11彼此叠在一起，闭合构成两个矩形波导传输线。具体的，如图14所示，在前端，阶梯状隔板为全开放状态，第一波导侧壁12与第二波导侧壁13共同形成一个封闭的方形波导空腔，用于传输圆极化的电磁波信号。如图13所示，阶梯状隔板11为全封闭状态下，与第一波导侧壁12形成一个封闭的矩形波导空腔，用于传输线极化的电磁波信号；同时，阶梯状隔板11与第二波导侧壁13形成另一个封闭的矩形波导空腔，用于传输另外一个线极化的电磁波信号。
阶梯的高度和长度选择必须使得圆极化器在工作频率范围内的轴比和驻波比综合达到最优。例如轴比＜1.5dB，驻波比小于1.5。为了保证驻波比，阶梯高度必须按照从低到高依次排列。为了保证轴比性能，必须保证方波导内的垂直极化和水平极化电磁波的分量幅度相等，相位相差90度。
阶梯状隔板包括四级阶梯，四级阶梯的长度依次为0.31～0.35λ0、0.33～0.37λ0、0.29～0.33λ0和0.08～0.12λ0，高度依次为0.07～0.11λ0、0.18～0.22λ0、0.29～0.33λ0和0.47～0.51λ0，其中λ0为中心频率对应的波长，中心频率为通频带中间的频率，一般用两个3dB点的算术平均来表示。
方形波导的内壁边长为0.55～0.75λ0，方形波导的侧壁的厚度为2mm～2.5mm，阶梯状隔板的厚度为1.5mm～1.8mm。
圆波导的内径为0.82～0.86λ0、高度为0.45～0.55λ0；以及同轴多环外壁的内径依次为0.95～1.05λ0、1.5～1.7λ0、1.8～2.0λ0，高度为0.4～0.48λ0，壁厚为2～5mm。
同轴探针深入矩形波导内的长度为0.15～0.22λ0，直径为0.02～0.05λ0，探针距离矩形波导的短端面的距离为0.22～0.32λ0。
与双频双圆极化导航测控天线馈源配套使用的抛物面天线的口径为1.8m～10m。
下面以一个具体的优选实施例，详细说明本公开提供的双频双圆极化导航测控天线馈源的具体参数以及技术效果。然而，所选的实施例仅用于说明本公开，而不限制本公开的范围。
以卫星导航常用的1.5GHz(L波段)和2.2GHz(S波段)进行说明，为了保证对低频L波段信号的插损较低和高频S波段信号不产生高次模，隔板式圆极化器1的方形波导内部边长选择为105mm，方形波导的侧壁厚度一般选为2mm～2.5mm。为方便加工同时保证强度，内部阶梯状隔板11的厚度为1.5mm～1.8mm。
阶梯状隔板11的阶梯数、阶梯长度、高度的选择需要满足S、L频段的圆极化波的轴比要求。在本实施例中，阶梯状隔板11包括四级阶梯，其长度依次为53.3mm、56.5mm、50.0、16.6mm，高度依次为14.0mm、32.6mm、49.6mm、79.6mm。
同轴多环波导喇叭天线2的圆波导21内径为136mm，高度为75.6mm，同轴多环外壁22的内径依次为159.9mm、255.8mm、315.8mm，厚度为4.4mm，高度均为70mm。
同轴波导转换器3中，矩形波导31内截面尺寸为105mm(长)、51.4mm(宽)。同轴探针32深入矩形波导31内长度为31mm，直径为7.6mm，同轴探针32距离矩形波导31的端面43.9mm。为了保证大功率处理能力，同轴波导转换器3的连接器选为N型射频同轴连接器。
与上述馈源配套的抛物面天线4口径为2.4m，与该馈源配合情况下，全频段驻波＜1.8，轴比在S波段<1.5dB，L波段小于1.0dB。整体抛物面馈源天线在S和L波段效率较高，均大于58％，极化鉴别率＞30dB。
该款馈源的核心采用隔板式圆极化器1，其具有可宽带使用，轴比特性好，便于与前端馈源喇叭、后端同轴波导转换器对接等优点。在提高整体天线的集成度的同时，提高了天线的辐射效率。辐射器部分采用同轴多环波导喇叭天线2形式，除了在宽带范围内具备良好的辐射方向图、便于与抛物面天线进行匹配外，馈源方向图还具备良好的轴对称性，提高了天线的极化鉴别率。上述技术的综合应用，保证了天线的匹配带宽和辐射效率，形成了一种低损耗、高度集成的双圆极化LS双频测控抛物面天线。与传统天线相比，该天线既提高了整体天线性能，又实现了多频使用和双圆极化，替代了以前分离的两副甚至四副天线的功能，是一种新型的具有低成本、高性能的导航测控天线，具有广阔的军、民用前景。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，包括：
同轴多环波导喇叭天线，所述同轴多环波导喇叭天线包括：圆波导和同轴多环外壁；
隔板式圆极化器，所述隔板式圆极化器包括：方形波导，所述方形波导与所述圆波导相连；阶梯状隔板，所述阶梯状隔板位于所述方形波导的中轴线上；以及
同轴波导转换器，所述同轴波导转换器与所述隔板式圆极化器相连，包括：矩形波导和同轴探针，所述同轴探针用于将所述矩形波导内的电磁波转换为同轴线的信号。
2.根据权利要求1所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，所述方形波导包括第一波导侧壁和第二波导侧壁，所述第一波导侧壁、所述阶梯状隔板和所述第二波导侧壁依次配置，并通过紧固件接合在一起。
3.根据权利要求2所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，所述矩形波导的波导侧壁与所述第一波导侧壁、所述阶梯状隔板和所述第二波导侧壁采用一体加工制成。
4.根据权利要求1所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，所述同轴多环波导喇叭天线、所述隔板式圆极化器和所述同轴波导转换器由非导电材料制成，且表面涂覆有导电材料。
5.根据权利要求1所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，所述同轴多环波导喇叭天线、所述隔板式圆极化器和所述同轴波导转换器由导电材料制成。
6.根据权利要求1所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，所述阶梯状隔板包括四级阶梯，所述四级阶梯的长度依次为0.31～0.35λ0、0.33～0.37λ0、0.29～0.33λ0和0.08～0.12λ0，高度依次为0.07～0.11λ0、0.18～0.22λ0、0.29～0.33λ0和0.47～0.51λ0，其中λ0为中心频率对应的波长。
7.根据权利要求6所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，所述方形波导的内壁边长为0.55～0.75λ0，所述方形波导的侧壁的厚度为2mm～2.5mm，所述阶梯状隔板的厚度为1.5mm～1.8mm。
8.根据权利要求7所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，所述圆波导的内径为0.82～0.86λ0、高度为0.45～0.55λ0；以及所述同轴多环外壁的内径依次为0.95～1.05λ0、1.5～1.7λ0、1.8～2.0λ0，高度为0.4～0.48λ0，壁厚为2～5mm。
9.根据权利要求8所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，所述同轴探针深入所述矩形波导内的长度为0.15～0.22λ0，直径为0.02～0.05λ0，所述探针距离所述矩形波导的短端面的距离为0.22～0.32λ0。
10.根据权利要求9所述的双频双圆极化导航测控天线馈源，其特征在于，与所述双频双圆极化导航测控天线馈源配套使用的抛物面天线的口径为1.8m～10m。
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