CN110739547B - 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，动中通设备在媒体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，其特征在于副反射面12为中心处设置边长为4-7mm正方形孔的频率选择表面，该频率选择表面能够在8-11.5GHz和29-31GHz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，波束宽度较窄，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121为“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，内侧边长为1.35mm，第二层122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123为“口”字形金属边框，外侧边长为3mm，内侧边长为2.2mm，第四层为与第二层122相同的结构，第五层为与第一层121相同的结构，频率选择表面由8×8个单元所组成，并且，在所述频率选择表面15中心处，设置了一个边长为4-7mm的正方形孔。
作为本发明的进一步改进，所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述频率选择表面15由两个8×4的单元片成倾角组成，倾斜角度为8-12°。
作为本发明的进一步改进，所述的卡塞格伦天线，在于所述圆锥喇叭的馈电结构包括底边半径为10mm、高度为8-10mm的中空圆锥，所述中空圆锥后接半径8mm的圆管波导。
作为本发明的进一步改进，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 GDA0002983827520000021
双曲面由双曲线绕x轴旋转而成，口面直径为8-12mm。
作为本发明的进一步改进，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，所述固定装置14通过三根支撑杆连接主反射面13和副反射面12的边沿，支撑杆采用半径0.5-1.5mm的金属棒。
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为改进型卡塞格伦天线结构(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)；
图2为改进型副反射面(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)；
图3为改进型副反射面第一，五层(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)；
图4为改进型副反射面第二，四层(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)；
图5为改进型副反射面第三层(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)；
图6为倾角型副反射面；
图7为双曲面型副反射面
图8为改进型卡塞格伦天线回波损耗(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)；
图9为改进型卡塞格伦天线方向图(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)(9GHz)；
图10为改进型卡塞格伦天线方向图(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)(13.5GHz)；
图11为改进型卡塞格伦天线方向图(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)(29GHz)；
图12为改进型卡塞格伦天线方向图(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)(32GHz)；
图13为改进型卡塞格伦天线方向图(副反射面为中心设置边长2.5mm正方形孔)(31GHz)；
图14为改进型卡塞格伦天线方向图(副反射面为中心设置边长6mm正方形孔)(31GHz)；
图15改进型卡塞格伦天线方向图(副反射面为中心设置边长8mm正方形孔)(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，其特征在于副反射面12为中心处设置边长为4-7mm正方形孔的频率选择表面，该频率选择表面能够在8-11.5GHz和29-31GHz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，波束宽度较窄，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121为“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，内侧边长为1.35mm，第二层122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123为“口”字形金属边框，外侧边长为3mm，内侧边长为2.2mm，第四层为与第二层122相同的结构，第五层为与第一层121相同的结构，频率选择表面由8×8个单元所组成，并且，在所述频率选择表面15中心处，设置了一个边长为4-7mm的正方形孔。
作为本发明的进一步改进，所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述频率选择表面15由两个8×4的单元片成倾角组成，倾斜角度为8-12°。
作为本发明的进一步改进，所述的卡塞格伦天线，在于所述圆锥喇叭的馈电结构包括底边半径为10mm、高度为8-10mm的中空圆锥，所述中空圆锥后接半径8mm的圆管波导。
作为本发明的进一步改进，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 GDA0002983827520000041
双曲面由双曲线绕x轴旋转而成，口面直径为8-12mm。
作为本发明的进一步改进，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，所述固定装置14通过三根支撑杆连接主反射面13和副反射面12的边沿，支撑杆采用半径0.5-1.5mm的金属棒。
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为中心处设置边长为4-7mm正方形孔的频率选择表面，如图1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，波束宽度较窄。
所述馈源天线11为喇叭天线的一种——圆锥喇叭，所述圆锥喇叭的馈电结构包括底边半径为10mm、高度为8-10mm的中空圆锥，所述中空圆锥后接半径8mm的圆管波导。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是采用四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。
所述副反射面12为一种五层结构的频率选择表面，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121为“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，内侧边长为1.35mm，第二层122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123为“口”字形金属边框，外侧边长为3mm，内侧边长为2.2mm，第四层为与第二层122相同结构，第五层为与第一层121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表现为反射，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表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。并且，所述频率选择表面15的中心处，设置了一个边长约为2倍工作波长(4-7mm)的正方形孔，如图2-5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，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中心的反射，减小后瓣和天线的回波损耗，增大增益。
采用这种方案对动中通系统的性能提高很大，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-15dB，9GHz处增益为6.93dB，波束宽度为86.0°；13.5GHz处增益为21.2dB，波束宽度为11°；29GHz处增益为25.2dB，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8-12所示。该实施方法的使得天线的回波损耗较未开孔降低了5dB，增益提升1dB，后瓣电平较未开孔的降低3dB。此外，中心处正方形孔的边长对于天线方向图的影响，如图13-15所示，过大或过小，均会引起方向图的分裂。
实施例2，实施例1中所述频率选择表面15由所述频率选择表面15构成，倾斜角度为8-12°，如图6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-18dB的效果。
实施例3，实施例1中所述频率选择表面15由双曲面型副反射面构成，如图7所示，根据几何原理改进，能够起到降低天线回波损耗小于-17dB的效果。
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 (5)

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，其特征在于副反射面(12)为中心处设置边长为4-7mm正方形孔的频率选择表面，该频率选择表面能够在8-11.5GHz和29-31GHz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，波束宽度较窄，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(121)为“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，内侧边长为1.35mm，第二层(122)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(123)为“口”字形金属边框，外侧边长为3mm，内侧边长为2.2mm，第四层为与第二层(122)相同的结构，第五层为与第一层(121)相同的结构，频率选择表面由8×8个单元所组成，并且，在所述频率选择表面(15)中心处，设置了一个边长为4-7mm的正方形孔。
2.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)由两个8×4的单元片成倾角组成，倾斜角度为8-12°。
3.根据权利要求1或2所述的卡塞格伦天线，其特征在于所述圆锥喇叭的馈电结构包括底边半径为10mm、高度为8-10mm的中空圆锥，所述中空圆锥后接半径8mm的圆管波导。
4.根据权利要求1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 FDA0002983827510000011
双曲面由双曲线绕x轴旋转而成，口面直径为8-12mm。
5.根据权利要求1或2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)，所述固定装置(14)通过三根支撑杆连接主反射面(13)和副反射面(12)的边沿，支撑杆采用半径0.5-1.5mm的金属棒。
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