CN110739547A - 一种卡塞格伦天线 - Google Patents

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Abstract

一种卡塞格伦天线，包括馈源天线（11）、主反射面（13）和副反射面以及主副反射面固定装置（14）；所述馈源天线（11）为喇叭天线中的圆锥喇叭，主反射面（13）采用抛物面的形式，所述副反射面用频率选择表面（15）来取代，该频率选择表面能够在8‑14.5GHz和29‑34GHz频点处产生谐振，使该频点处的电磁波表现为透射，产生较宽的辐射方向图，而在其他频点处则表现为反射，方向图较窄，对动中通系统的性能提高很大，天线为双频工作，其工作频带分别为8‑14.5GHz和29‑34GHz，在两个工作频带内，其方向图分别包含一个波束较窄和波束较宽的辐射方向图，能够很好的应用于动中通天线系统。

Description

一种卡塞格伦天线
技术领域
本发明涉及一种天线。
背景技术
随着卫星通信的发展，动中通设备在没提现场采访等多种场合有着极其重要的应用。所谓的动中通系统，是“移动中的卫星地面站通信系统”的简称，其具体实现形式为车辆、船舶和飞机等在移动中的不间断通信，在这个过程中，需要动中通天线实时指向卫星的方向，此过程需要伺服系统实现。动中通天线需要具有较窄的波束宽度，较大的增益，卡塞格伦天线是一种能够很好的满足其需求。但是传统的卡塞格伦天线在整个频段内波束都很窄，轻微的偏移会导致目标丢失。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能产生较宽的波束宽度的卡塞格伦天线。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种卡塞格伦天线，包括馈源天线、主反射面和副反射面以及主副反射面固定装置；所述馈源天线为喇叭天线中的圆锥喇叭，主反射面采用抛物面的形式，所述副反射面用频率选择表面来取代，该频率选择表面能够在8-14.5GHz和29-34GHz频点处产生谐振，使该频点处的电磁波表现为透射，产生较宽的波束宽度，而在其他频点处则表现为反射，方向图较窄，采用这种方案对动中通系统的性能提高很大。
作为本发明的进一步改进，所述频率选择表面的中心处，开了一个边长约为2倍工作波长，4-7mm的正方形孔，开孔设计对天线的反射和透射特性并没有很大的影响，但是其中心处反射的减少能够很好的提升天线的驻波特性。
作为本发明的进一步改进，所述频率选择表面为两片，以相互倾斜方式放置。
作为本发明的进一步改进，所述频率选择表面为一种五层结构，其构成为单元格所构成的周期型结构，每个单元为边长为3mm的正方形，第一层“回”字形结构，材质为铜，厚度为0.017mm，外边框的外侧边长为2.85mm，内侧边长为2.35mm；内边框的外侧边长为1.85mm，被测边长为1.35mm，第二层为介电常数为2.65的介质材料，厚度为1mm，形状为边长3mm的正方形，第三层为“口”字形金属边框，外侧边长为3mm，内测边长为2.2mm，第四层为与第二层相同结构，第五层为与第一层相同结构，频率选择表面为8×8个单元所组成的，该频率选择表面能够在某些频段内在材料表面产生谐振，使得特定频段的电磁波能够透射，而其他频段的电磁波为反射，根据这一特性，使得所设计的改进型卡塞格伦天线在某些频段内变现为喇叭天线的特性，而其他频段内表现为卡塞格伦天线的特性，极大的增加了天线的适用范围。
作为本发明的进一步改进，所述频率选择表面由两个8×4的单元片成倾角组，倾斜角度为8-12°，使得电磁波的入射角度有一定的变化，但是对其透射特性影响较小，其反射特性由于角度的改变，使得反射波的方向发生改变，馈源天线接收的反射波较小，有效提升驻波特性，天线工作频带较宽，增益高，波束窄，可以广泛的应用于卫星通信当中。
作为本发明的进一步改进，所述圆锥喇叭采用底边半径为10mm，高度8-10mm的中空圆锥，后接半径8mm的圆管波导进行馈电，结构简单，馈电方式简单，具有适中的波束宽度，在适当的距离下能够很好的利用反射面，从结构看来，该天线是一个逐渐张大的波导口，方向性强。
作为本发明的进一步改进，所述副反射面双曲线方程为：
Figure BDA0002195867100000021
双曲面有双曲面绕x轴旋转而成，为了避免绕射和尽量小的遮挡，口面直径为8-12mm，采用双曲面的形式，双曲面具有从一个焦点辐射的电磁波，经双曲面反射，就相当于从双曲面另一个焦点直接辐射的电磁波的特性，因此，只需将双曲面的一个焦点与主反射面焦点重合，馈源天线为与其另一个焦点上，即可达到与从主反射面焦点直接辐射电磁波一样的效果。
作为本发明的进一步改进，所述主反射面抛物线方程为：y2＝4fmx，抛物面由抛物线绕x轴旋转而成，考虑到天线整体尺寸和工作效率，口面直径为130-180mm，采用抛物面的形式，主要应用了抛物线的聚焦特性，使卡塞格伦天线的能量汇聚于抛物面焦点处，对所测目标的辐射能量加以增强。
作为本发明的进一步改进，所述主反射面和副反射面连接固定装置是采用三根支撑杆连接主反射面和副反射面边沿，支撑杆采用半径0.5-1.5mm的金属棒，具有遮挡小，重量轻的特性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1为传统卡塞格伦天线结构；
图2为改进型副反射面；
图3为改进型副反射面第一，五层；
图4为改进型副反射面第二，四层；
图5为改进型副反射面第三层；
图6为开孔的副反射面；
图7为尖劈状副反射面；
图8为改进型卡塞格伦天线；
图9为改进型卡塞格伦天线回波损耗；
图10为改进型卡塞格伦天线方向图(9GHz)；
图11为改进型卡塞格伦天线方向图(13.5GHz)；
图12为改进型卡塞格伦天线方向图(29GHz)；
图13为改进型卡塞格伦天线方向图(32GHz)；
图14为副反射面为开孔形式(边长2.5mm正方形孔)改进型卡塞格伦天线回波损耗；
图15为副反射面为开孔形式(边长4mm正方形孔)改进型卡塞格伦天线回波损耗；
图16为副反射面为开孔形式(边长5mm正方形孔)改进型卡塞格伦天线回波损耗；
图17为副反射面为开孔形式改进型卡塞格伦天线方向图(11GHz)；
图18为副反射面为开孔形式(边长2.5mm正方形孔)改进型卡塞格伦天线方向图(31GHz)；
图19为副反射面为开孔形式(边长4mm正方形孔)改进型卡塞格伦天线方向图(31GHz)；
图20为副反射面为开孔形式(边长5mm正方形孔)改进型卡塞格伦天线方向图(31GHz)；
图21为副反射面为尖劈形式(倾角8°)改进型卡塞格伦天线回波损耗；
图22为副反射面为尖劈形式(倾角12°)改进型卡塞格伦天线回波损耗；
图23为副反射面为尖劈形式(倾角13°)改进型卡塞格伦天线回波损耗；
图24为副反射面为尖劈形式改进型卡塞格伦天线方向图(11GHz)；
图25为副反射面为尖劈形式(倾角8°)改进型卡塞格伦天线方向图(31GHz)；
图26为副反射面为尖劈形式(倾角12°)改进型卡塞格伦天线方向图(31GHz)；
图27为副反射面为尖劈形式(倾角13°)改进型卡塞格伦天线方向图(31GHz)；
具体实施方式
一种卡塞格伦天线，包括馈源天线11、主反射面13和副反射面12以及主副反射面固定装置14；所述馈源天线11为喇叭天线中的圆锥喇叭，主反射面13采用抛物面的形式，所述副反射面12用频率选择表面15来取代，该频率选择表面能够在8-14.5GHz和29-34GHz频点处产生谐振，使该频点处的电磁波表现为透射，产生较宽的波束宽度，而在其他频点处则表现为反射，方向图较窄，如图1，8所示，采用这种方案对动中通系统的性能提高很大。
作为本发明的进一步改进，所述频率选择表面15的中心处，开了一个边长约为2倍工作波长，4-7mm的正方形孔，开孔设计对天线的反射和透射特性并没有很大的影响，但是其中心处反射的减少能够很好的提升天线的驻波特性，如图6所示。
作为本发明的进一步改进，所述频率选择表面15为两片，以相互倾斜方式放置。
作为本发明的进一步改进，所述频率选择表面15为一种五层结构，其构成为单元格所构成的周期型结构，每个单元为边长为3mm的正方形，第一层151“回”字形结构，材质为铜，厚度为0.017mm，外边框的外侧边长为2.85mm，内侧边长为2.35mm；内边框的外侧边长为1.85mm，被测边长为1.35mm，第二层152为介电常数为2.65的介质材料，厚度为1mm，形状为边长3mm的正方形，第三层153为“口”字形金属边框，外侧边长为3mm，内测边长为2.2mm，第四层为与第二层152相同结构，第五层为与第一层151相同结构，频率选择表面为8×8个单元所组成的，该频率选择表面能够在某些频段内在材料表面产生谐振，使得特定频段的电磁波能够透射，而其他频段的电磁波为反射，根据这一特性，使得所设计的改进型卡塞格伦天线在某些频段内变现为喇叭天线的特性，而其他频段内表现为卡塞格伦天线的特性，极大的增加了天线的适用范围，如图2-5所示。
作为本发明的进一步改进，所述频率选择表面16由两个8×4的单元片成倾角组，倾斜角度为8-12°，使得电磁波的入射角度有一定的变化，但是对其透射特性影响较小，其反射特性由于角度的改变，使得反射波的方向发生改变，馈源天线接收的反射波较小，有效提升驻波特性，天线工作频带较宽，增益高，波束窄，可以广泛的应用于卫星通信当中，如图7所示。
作为本发明的进一步改进，所述圆锥喇叭采用底边半径为10mm，高度8-10mm的中空圆锥，后接半径8mm的圆管波导进行馈电，结构简单，馈电方式简单，具有适中的波束宽度，在适当的距离下能够很好的利用反射面，从结构看来，该天线是一个逐渐张大的波导口，方向性强。
作为本发明的进一步改进，所述副反射面12双曲线方程为：
Figure BDA0002195867100000051
双曲面有双曲面绕x轴旋转而成，为了避免绕射和尽量小的遮挡，口面直径为8-12mm，采用双曲面的形式，双曲面具有从一个焦点辐射的电磁波，经双曲面反射，就相当于从双曲面另一个焦点直接辐射的电磁波的特性，因此，只需将双曲面12的一个焦点与主反射面13焦点重合，馈源天线11为与其另一个焦点上，即可达到与从主反射面13焦点直接辐射电磁波一样的效果。
作为本发明的进一步改进，所述主反射面13抛物线方程为：y2＝4fmx，抛物面由抛物线绕x轴旋转而成，考虑到天线整体尺寸和工作效率，口面直径为130-180mm，采用抛物面的形式，主要应用了抛物线的聚焦特性，使卡塞格伦天线的能量汇聚于抛物面焦点处，对所测目标的辐射能量加以增强。
作为本发明的进一步改进，所述主反射面13和副反射面12连接固定装置14是采用三根支撑杆连接主反射面13和副反射面12边沿，支撑杆采用半径0.5-1.5mm的金属棒，具有遮挡小，重量轻的特性。
实施例1，一种卡塞格伦天线，包括馈源天线11、主反射面13和副反射面12以及主副反射面固定装置14；所述馈源天线11为喇叭天线中的圆锥喇叭，主反射面13采用抛物面的形式，所述副反射面12用频率选择表面16来取代，如图2所示，该频率选择表面能够在某些特定的频点处产生谐振，使该频点处的电磁波表现为透射，产生较宽的波束宽度，而在其他频点处则表现为反射，方向图较窄。
采用这种方案对动中通系统的性能提高很大，如图5所示，天线工作频带为8-14.5GHz和29-34GHz，其在工作频带内的回波损耗小于-10dB，9GHz处增益为6.93dB，波束宽度为86.0°；13.5GHz处增益为20.2dB，波束宽度为11°；29GHz处增益为24.2dB，波束宽度为7.1°；32GHz处增益为15.6dB，波束宽度为30.2°。其回波损耗和方向图如图9-13所示。
所述主反射面13抛物线方程为：y2＝4fmx，抛物面由抛物线绕x轴旋转而成，考虑到天线尺寸和工作效率，口面直径为130-180mm，采用抛物面的形式，主要应用了抛物线的聚焦特性，使卡塞格伦天线的能量汇聚于抛物面焦点处，对所测目标的辐射能量加以增强。
所述馈源天线11为为喇叭天线的一种——圆锥喇叭，采用底边半径为10mm，高度8-12mm的中空圆锥，后接半径8mm的圆管波导进行馈电，结构简单，馈电方式简单，具有适中的波束宽度，在适当的距离下能够很好的利用反射面，从结构看来，该天线是一个逐渐张大的波导口，方向性强。
所述主反射面13和副反射面12连接固定装置14是采用三根支撑杆连接主反射面13和副反射面12边沿，支撑杆采用半径1mm的金属棒，具有遮挡小，重量轻的特性，天线工作频带较宽，增益高，波束窄，可以广泛的应用于卫星通信当中。
所述频率选择表面15为一种五层结构，其构成为单元格所构成的周期型结构，每个单元为边长为3mm的正方形，第一层151“回”字形结构，材质为铜，厚度为0.017mm，外边框的外侧边长为2.85mm，内侧边长为2.35mm；内边框的外侧边长为1.85mm，被测边长为1.35mm，第二层152为介电常数为2.65的介质材料，厚度为1mm，形状为边长3mm的正方形，第三层153为“口”字形金属边框，外侧边长为3mm，内测边长为2.2mm，第四层为与第二层152相同结构，第五层为与第一层151相同结构，频率选择表面为8×8个单元所组成的，该频率选择表面能够在某些频段内在材料表面产生谐振，使得特定频段的电磁波能够透射，而其他频段的电磁波为反射，根据这一特性，使得所设计的改进型卡塞格伦天线在某些频段内变现为喇叭天线的特性，而其他频段内表现为卡塞格伦天线的特性，极大的增加了天线的适用范围，如图2-5所示。
该频率选择表面能够在某些频段内在材料表面产生谐振，使得特定频段的电磁波能够透射，而其他频段的电磁波为反射，根据这一特性，使得所设计的改进型卡塞格伦天线在某些频段内变现为喇叭天线的特性，而其他频段内表现为卡塞格伦天线的特性，极大的增加了天线的适用范围。
实施例2，实施例1中所述频率选择表面16的中心处，开了一个边长约为2倍工作波长(4-7mm)的正方形孔，如图3所示，开孔设计对天线的反射和透射特性并没有很大的影响，但是其中心处反射的减少能够很好的提升天线的驻波特性，电磁波辐射到副反射面上，中心处不产生反射，能够有效的降低天线的反射，减小后瓣和天线的回波损耗，该实施方法的使得天线的回波损耗小于15dB，增益提升至1dB，后瓣电平较没有开孔的降低3dB，如图14-16所示。
实施例3，实施例1中所述频率选择表面16由两个8×4的单元片成倾角组，倾斜角度为8-12°，如图4所示，使得电磁波的入射角度有一定的变化，但是对其透射特性影响较小，其反射特性由于角度的改变，使得反射波的方向发生改变，馈源天线接收的反射波较小，有效提升驻波特性；电磁波从圆锥喇叭11辐射到副反射面上，由于副反射面具有一定的对于入射波具有一定的角度，因此能够避免电磁波的垂直反射，能够起到降低天线回波损耗小于-15dB的效果，如图17-19所示。
值得指出的是，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种卡塞格伦天线，包括馈源天线(11)、主反射面(13)和副反射面(12)以及主副反射面固定装置(14)；所述馈源天线(11)为喇叭天线中的圆锥喇叭，主反射面(13)采用抛物面的形式，其特征在于所述副反射面(12)用频率选择表面(15)来取代，该频率选择表面能够在8-14.5GHz和29-34GHz频点处产生谐振，使该频点处的电磁波表现为透射，产生较宽的辐射方向图，而在其他频点处则表现为反射，方向图较窄。
2.根据权利要求1所述的卡塞格伦天线，其特征在于在所述频率选择表面(15)的中心处，开了一个边长为4-7mm的正方形孔。
3.根据权利要求1所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述频率选择表面(15)为两片，以相互倾斜方式放置。
4.根据权利要求1、2或3所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述频率选择表面(15)为一种五层结构，其构成为单元格所构成的周期型结构，每个单元为边长为3mm的正方形，第一层(151)“回”字形结构，材质为铜，厚度为0.017mm，外边框的外侧边长为2.85mm，内侧边长为2.35mm；内边框的外侧边长为1.85mm，被测边长为1.35mm，第二层(152)为介电常数为2.65的介质材料，厚度为1mm，形状为边长3mm的正方形，第三层(153)为“口”字形金属边框，外侧边长为3mm，内测边长为2.2mm，第四层为与第二层(152)相同结构，第五层为与第一层(151)相同结构，频率选择表面为8×8个单元所组成的。
5.根据权利要求3所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述频率选择表面(16)由两个8×4的单元片成倾角组，倾斜角度为8-12°。
6.根据权利要求1、2或3所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述圆锥喇叭采用底边半径为10mm，高度8-10mm的中空圆锥，后接半径8mm的圆管波导进行馈电。
7.根据权利要求1或2所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述副反射面(12)双曲线方程为：
Figure FDA0002195867090000011
双曲面有双曲面绕x轴旋转而成，口面直径为8-12mm。
8.根据权利要求1、2或3所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述主反射面(13)抛物线方程为：y2＝4fmx，抛物面由抛物线绕x轴旋转而成，口面直径为130-180mm。
9.根据权利要求1、2或3所述的卡塞格伦天线，其特征在于主反射面(13)和副反射面(12)连接固定装置(14)是采用三根支撑杆连接主反射面(13)和副反射面(12)边沿，支撑杆采用半径0.5-1.5mm的金属棒。
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