CN110649372B - 低剖面平面型双反射面天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低剖面平面型双反射面天线。该天线包括：依次上下叠放第一层金属平行板、第二层金属平行板和第三层金属平行板，通过带有切角的180度弯折结构将相邻的两层金属平行板连接，在第一层金属平行板与第二层金属平行板之间、第二层金属平行板与第三层金属平行板之间设置主反射挡板和副反射挡板，顶层的第三层金属平行板延伸并张开一定角度作为天线的辐射口径结构，在第一层金属平行板的输入端设置有金属波导过渡结构，该金属波导过渡结构与波导转馈电波导的转接结构连接。本发明的天线的带宽宽，使用层间180度弯折结构以及张开的平行板，带宽可覆盖整个Ka波段。剖面低，便于集成。

Description

低剖面平面型双反射面天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种低剖面平面型双反射面天线。

背景技术

反射面天线是一种结构简单、方向性强、辐射效率高的口径面天线，常用于微波和毫米波频段以形成具有高增益的窄波束。基于pillbox结构的反射面天线，使得传统三维立体式反射面天线能够实现二维平面化的同时保持良好的天线性能，便于集成在无线系统中，在毫米波频段尤为重要。

虽然利用pillbox结构实现了反射面天线的平面形式，但反射面天线在波传输方向上的剖面高度仍未降低，对此，引入副反射面与馈源组合作为主反射面的二次馈源，与传统单反射面平面结构相比，在相同的等效焦距条件下，可在一定程度上降低反射器整体的剖面高度。但与无线系统中常见的平面阵列天线相比，这类平面型反射面天线的剖面尺寸仍相对较大，不利于集成化设计。

基于上述问题，如何在现有平面型反射面天线的基础上，实现剖面的进一步降低，同时保持反射面天线宽频带、高效率、高增益的优势，是亟待解决的一个关键问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种低剖面平面型双反射面天线，以克服现有技术的缺点。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种低剖面平面型双反射面天线，包括：依次自下而上叠放的第一层金属平行板、第二层金属平行板和第三层金属平行板，通过带有切角的180度弯折结构将相邻的两层金属平行板连接，在第一层金属平行板与第二层金属平行板之间设置第一层反射挡板，在第二层金属平行板与第三层金属平行板之间设置第二层反射挡板，第一层反射挡板为副反射挡板，第二层反射挡板为主反射挡板，顶层的第三层金属平行板延伸并张开一定角度作为天线的辐射口径结构，在第一层金属平行板的输入端设置有金属波导过渡结构，该金属波导过渡结构与波导转馈电波导的转接结构连接；

所述的第一层金属平行板作为馈电层，输入端有大小相同且沿直线均匀分布的4个矩形波导，第一层金属平行板的馈电波导与分布在天线两侧的天线输入端口之间有一段带有切角的直角弯折的波导结构，其中，直角弯折波导与第一层金属平行板的输入端口相连接的一侧波导高度渐变，宽度保持不变，与天线输入端波导口径尺寸相同；第一层金属平行板的输出端与位于第一、二层金属平行板之间的第一层反射挡板相连接作为能量耦合结构，具体为第一层金属平行板的底层金属板延伸一段距离后与垂直放置的第一层反射挡板相连，延伸距离与第一层金属平行板的高度一致，此外，第一层金属平行板的上层金属板同时作为第二层金属平行板的底层金属板，构成第一层金属平行板与第二层金属平行板之间的共用金属板，该共用金属板与第一层反射挡板之间保持第一层金属平行板底层金属板延伸的距离，

其中，第一层反射挡板是一段曲线柱面，作为反射副面；

第二层金属平行板的高度与第一层金属平行板高度相同，所述第二层金属平行板的输入端与第一层金属平行板的输出端通过垂直的第一层反射挡板相连，具体为第一层金属平行板的底层金属板延伸出与第一层金属平行板高度等长的距离，与第一层反射挡板的底端相连接，第二层金属平行板的上层金属板延伸出与第二层金属平行板高度等长的距离，与第一层反射挡板的顶端相连接，组成第一、二层金属平行板之间的能量耦合结构；

同时，第二层金属平行板的输出端以同样的方式结合垂直放置的位于第二、三层金属平行板之间的第二层反射挡板，与第三层金属平行板相连接，作为第二、三层金属平行板的能量耦合结构，其中，第二层反射挡板为一段曲线柱面，作为反射主面。

优选地，所述输入端有大小相同且沿直线均匀分布的四个矩形波导，波导宽度为7.112mm，高度为2mm。

优选地，所述天线馈电波导与分布在天线两侧的输入端口之间有一段带有切角的直角弯折的波导结构，其切角边长为5mm，其中，靠近第一层金属平行板输入端的一侧波导高度渐变，由2mm渐变到3.556mm。

优选地，所述反射副面口径为97mm，离心率为5，反射主面口径为110mm,焦距为60mm。

优选地，第一层金属平行板的上层金属板，同时作为第二层金属平行板的底层金属板，构成第一层金属平行板与第二层金属平行板之间的共用金属板，同样地，第二层金属平行板的上层金属板，同时作为第三层金属平行板的底层金属板，构成第二层金属平行板与第三层金属平行板之间的共用金属板；

第一层金属平行板与第二层金属平行板之间、第二层金属平行板与第三层金属平行板之间的共用金属板厚度均为1.4mm。

优选地，所述第一层金属平行板、第二层金属平行板和第三层金属平行板的尺寸相同，高度与馈电波导高度相同。

优选地，所述主反射挡板和副反射挡板距离天线的中间金属壁2mm。

优选地，所述切角的宽度和高度均为2mm。

优选地，所述第三层金属平行板的高度为2mm，输出端沿垂直方向张开后的口面宽度为110mm，高度为24.8mm，长度为19mm。

优选地，5个低剖面平面型双反射面天线组合成阵列，所述阵列的辐射喇叭倾斜的角度分别为±22.5°、±45°，所述阵列呈对称分布。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的带宽宽，使用层间180度弯折结构以及张开的平行板，带宽可覆盖整个Ka波段。平面型双反射面天线的剖面低，便于集成，在保证天线性能的前提下，剖面高度低于一般双反射面天线。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种低剖面平面型双反射面天线的三维结构图；

图2是本发明实施例提供的一种低剖面平面型双反射面天线的侧视图；

图3是本发明实施例的层1的俯视图；

图4是本发明实施例的层2的俯视图；

图5是本发明实施例的层3的俯视图；

图6是5个本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的组合成阵列的示意图；

图7是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的S参数设计结果，图(a)是1端口反射系数，图(b)是2端口反射系数，图(c)是传输系数；

图8是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的26GHz频点辐射方向图，图(a)是H面，图(b)是E面；

图9是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的33GHz频点辐射方向图，图(a)是H面，图(b)是E面；

图10是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的40GHz频点辐射方向图，图(a)是H面，图(b)是E面。

图11是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的增益曲线；

图12是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的阵列的S参数设计结果，图(a)是各端口反射系数，图(b)是传输系数；

图13是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的33GHz频点阵列的E面辐射方向图；

图14是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的阵列的增益曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明的目的就是为了解决现有技术之不足，提供了一种低剖面、带宽宽、增益高、具有二维波束扫描性能的低剖面平面型双反射面天线。

本发明实施例提供的低剖面平面型双反射面天线在传统pillbox天线基础上，采用三层金属平行板结构。本发明实施例提供的一种低剖面平面型双反射面天线的三维结构图如图1所示，侧视图如图2所示。上述低剖面平面型双反射面天线包括依次上下叠放和连接的三层金属平行板，通过带有切角的180度弯折结构将相邻的两层金属平行板连接，用以耦合能量，切角的宽度和高度均为2mm。上述低剖面平面型双反射面天线为对称结构，整体厚度为29.2mm。

第一层金属平行板作为馈电层，高度为2mm，输入端有大小相同且沿直线均匀分布的4个矩形的波导，波导宽度为7.112mm，高度为2mm，第一层金属平行板的馈电波导与分布在天线两侧的天线输入端口之间有一段带有切角的直角弯折的波导结构，切角边长为5mm，其中，直角弯折波导与第一层金属平行板的输入端口相连接的一侧波导高度渐变，由2mm渐变到3.556mm，宽度保持不变，与天线输入端波导口径尺寸相同。第一层金属平行板的输出端与反射挡板相连接作为能量耦合结构，具体为第一层金属平行板底层延伸2mm与垂直放置的第一层反射金属挡板相连，第一层金属平行板上层金属板同时作为第二层金属平行板的底层金属板，与第一层反射挡板之间保持2mm的距离，其中，第一层反射挡板是一段的曲线柱面，作为反射副面，口径为97mm，离心率为5。

第二层金属平行板的输入端与第一层金属平行板的输出端通过第一层反射挡板相连，具体为第二层金属平行板底层金属板为第一层金属平行板的上层金属板，作为第一、二层金属平行板之间的共用金属板，厚度为1.4mm,第一层金属平行板底层金属板延伸出2mm，与第一层反射挡板的底端相连接，第二层金属平行板的上层金属板延伸出2mm，与第一层反射挡板的顶端相连接，组成第一、二层金属平行板之间的能量耦合结构，同时，第二层金属平行板的输出端以同样的方式结合垂直放置的第二层反射挡板，即反射主面，与第三层金属平行板相连接，作为第二三层金属平行板的能量耦合结构，其中，反射主面的口径为110mm，焦距为60mm。

在图1中包括第一层金属平行板3、第二层金属平行板4和第三层金属平行板5，在第一层金属平行板3与第二层金属平行板4之间、第二层金属平行板4与第三层金属平行板5之间设置两段反射挡板6和2，其中，反射挡板6作为副反射板与平行板3的底层和平行板4的顶层垂直连接，反射挡板2作为主反射板与平行板4的底层和平行板5的顶层垂直连接。顶层的第三层金属平行板5延伸并张开一定角度作为天线的辐射口径结构7。上述低剖面平面型双反射面天线还包括矩形波导转馈电波导的转接结构1，第一层金属平行板3的输入端的馈电波导延伸出平行板与金属波导过渡结构1相连接，波导转接结构以及天线输入端波导法兰均位于天线的最底层。

本发明实施例提供的低剖面平面型双反射面天线采用三维打印技术制作和加工，材料为铝合金。三层金属平行板的尺寸相同，高度与馈电波导高度相同，均为2mm。主反射挡板和副反射挡板距离天线的中间金属壁2mm。

图3是本发明实施例提供的一种第一层金属平行板3的俯视图。如图3所示，第一层金属平行板3作为馈电层，高度为2mm，输入端有大小相同且沿直线均匀分布的4个矩形波导9，波导宽度7.112mm，高度2mm，经过渡高度渐变为3.556mm，直角过渡结构10切角边长为5mm，输入端口11长宽分别为7.112mm，及3.556mm，第一层反射挡板8口径为97mm，离心率为5。

图4是本发明实施例提供的一种第二层金属平行板4的俯视图。如图4所示，第二层金属平行板4的高度为2mm，两端分别为主副反射挡板13和14，利于形成窄波束，共用金属壁厚度为1.4mm，两侧边缘12及15分别距离主副反射挡板2mm，便于能量耦合。

图5是本发明实施例提供的一种第三层金属平行板5的俯视图。如图5所示，第三层金属平行板的高度为2mm，17为第二层反射挡板，口径110mm，焦距为60mm，16为张开的平行板，口面宽度为110mm，高度为29.2mm，长度为19mm。

如图6所示，5个本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线组合成阵列，采用五个低剖面双反射面天线组合实现扫描维度的扩展，其中辐射喇叭倾斜的角度分别为±22.5°，±45°，呈对称分布。

图7是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的S参数设计结果，图(a)是1端口反射系数，图(b)是2端口反射系数，图(c)是传输系数。由图7可以看出在整个Ka频段，|S₁₁||S₂₂|均低于-10dB，同时任意两个端口之间|S_mn|(m,n＝1,2,3,4)均低于-10dB，证明该天线具有宽带特性以及较高的端口隔离度，天线阻抗带宽大于42.4％，测试结果与仿真结果吻合较好，可以覆盖整个Ka频带。

图8是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的26GHz频点辐射方向图，图(a)是H面，图(b)是E面；图9是本发明的低剖面平面型双反射面天线的33GHz频点辐射方向图，图(a)是H面，图(b)是E面；图10是本发明的低剖面平面型双反射面天线的40GHz频点辐射方向图，图(a)是H面，图(b)是E面。图8、9、10为天线带宽内三频点的方向图，在整个带宽方向图较优，交叉极化低于-35dB。

图11是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的增益曲线。测试增益最大达23dBi，并且在整个工作频带内增益变化在-3dB以内，具有稳定的辐射特性。图12是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的阵列的S参数设计结果，图(a)是各端口反射系数，图(b)是传输系数。图13是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的33GHz频点阵列的E面辐射方向图。图14是本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的33GHz频点阵列各端口馈电时的增益曲线。

由图12可以看出，天线阵列的阻抗带宽大于42.4％，可以覆盖整个Ka频段，各端口之间隔离度较高。由图13可以看出，E面辐射方向图的扫描范围较大，在整个工作频带内辐射性能稳定。

图14是天线阵列各端口馈电时的增益曲线。仿真的最大增益达24.5dBi,随着辐射喇叭倾斜角度的增大，增益有所下降，工作频带内下降范围在-2dB之内，辐射性能稳定。

综上所述，本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的带宽宽，使用层间180度弯折结构以及张开的平行板，带宽可覆盖整个Ka波段。

本发明实施例的平面型双反射面天线的剖面低，便于集成，在保证天线性能的前提下，剖面高度低于一般双反射面天线。

本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线可实现二维波束扫描，矩形波导阵列位于焦平面上，不同的偏焦距离产生不同角度的倾斜波束，因此可实现水平面上一定角度范围的波束扫描，此外，采用多个天线组合可实现俯仰面上的波束扫描。

本发明实施例的低剖面平面型双反射面天线的增益高，张开的平行板扩大了辐射口径，在毫米波频段易于实现较高且稳定的增益。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，包括：依次自下而上叠放的第一层金属平行板、第二层金属平行板和第三层金属平行板，通过带有切角的180度弯折结构将相邻的两层金属平行板连接，在第一层金属平行板与第二层金属平行板之间设置第一层反射挡板，在第二层金属平行板与第三层金属平行板之间设置第二层反射挡板，第一层反射挡板为副反射挡板，第二层反射挡板为主反射挡板，顶层的第三层金属平行板延伸并张开一定角度作为天线的辐射口径结构，在第一层金属平行板的输入端设置有金属波导过渡结构，该金属波导过渡结构与波导转馈电波导的转接结构连接；

所述的第一层金属平行板作为馈电层，输入端有大小相同且沿直线均匀分布的4个矩形波导，第一层金属平行板的馈电波导与分布在天线两侧的天线输入端口之间有一段带有切角的直角弯折的波导结构，其中，直角弯折波导与第一层金属平行板的输入端口相连接的一侧波导高度渐变，宽度保持不变，与天线输入端波导口径尺寸相同；第一层金属平行板的输出端与位于第一、二层金属平行板之间的第一层反射挡板相连接作为能量耦合结构，具体为第一层金属平行板的底层金属板延伸一段距离后与垂直放置的第一层反射挡板相连，延伸距离与第一层金属平行板的高度一致，此外，第一层金属平行板的上层金属板同时作为第二层金属平行板的底层金属板，构成第一层金属平行板与第二层金属平行板之间的共用金属板，该共用金属板与第一层反射挡板之间保持第一层金属平行板底层金属板延伸的距离；

其中，第一层反射挡板是一段曲线柱面，作为反射副面；

第二层金属平行板的高度与第一层金属平行板高度相同，所述第二层金属平行板的输入端与第一层金属平行板的输出端通过垂直的第一层反射挡板相连，具体为第一层金属平行板的底层金属板延伸出与第一层金属平行板高度等长的距离，与第一层反射挡板的底端相连接，第二层金属平行板的上层金属板延伸出与第二层金属平行板高度等长的距离，与第一层反射挡板的顶端相连接，组成第一、二层金属平行板之间的能量耦合结构；

同时，第二层金属平行板的输出端以同样的方式结合垂直放置的位于第二、三层金属平行板之间的第二层反射挡板，与第三层金属平行板相连接，作为第二、三层金属平行板的能量耦合结构，其中，第二层反射挡板为一段曲线柱面，作为反射主面。

2.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，所述输入端有大小相同且沿直线均匀分布的四个矩形波导，波导宽度为7.112mm，高度为2mm。

3.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，所述天线馈电波导与分布在天线两侧的输入端口之间有一段带有切角的直角弯折的波导结构，其切角边长为5mm，其中，靠近第一层金属平行板输入端的一侧波导高度渐变，由2mm渐变到3.556mm。

4.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，所述反射副面口径为97mm，离心率为5，反射主面口径为110mm,焦距为60mm。

5.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，第一层金属平行板的上层金属板，同时作为第二层金属平行板的底层金属板，构成第一层金属平行板与第二层金属平行板之间的共用金属板，同样地，第二层金属平行板的上层金属板，同时作为第三层金属平行板的底层金属板，构成第二层金属平行板与第三层金属平行板之间的共用金属板；

第一层金属平行板与第二层金属平行板之间、第二层金属平行板与第三层金属平行板之间的共用金属板厚度均为1.4mm。

6.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，所述第一层金属平行板、第二层金属平行板和第三层金属平行板的尺寸相同，高度与馈电波导高度相同。

7.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，所述主反射挡板和副反射挡板距离天线的中间金属壁2mm。

8.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，所述切角的宽度和高度均为2mm。

9.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，所述第三层金属平行板的高度为2mm，输出端沿垂直方向张开后的口面宽度为110mm，高度为24.8mm，长度为19mm。

10.根据权利要求1所述的低剖面平面型双反射面天线，其特征在于，5个低剖面平面型双反射面天线组合成阵列，所述阵列的辐射喇叭倾斜的角度分别为±22.5°、±45°，所述阵列呈对称分布。

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