CN110838624B - 一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，包括波导双工器和波纹喇叭，波导双工器的整体为Y型结构，波导双工器包括H面T型结构、内部带有多组窄边膜片的高频带通滤波器、内部带有多组窄边膜片的低频带通滤波器、阻抗匹配金属柱和L型阻抗匹配阶梯，在H面T型结构的两端分别连接内部带有多组窄边膜片的高频带通滤波器和内部带有多组窄边膜片的低频带通滤波器，波纹喇叭包括圆波导输入段和辐射段。本发明在波导双工器前端加载Ku波段波纹喇叭天线进行联合，波纹喇叭在波纹内部加载阶梯装置，最终可实现频带内S11低于‑15dB，带外抑制率达95dB，可以作为卫星通信反射阵列天线的馈源使用。

Description

一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源
技术领域
本发明创造属于反射阵列天线技术领域，尤其是涉及一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源。
背景技术
卫星通信是地球表面通信基站通过地球同步卫星为中继进行的通信方式，随着空间技术与通信技术的快速发展，卫星通信技术因为其通信距离远、可进行多址通信、通信容量大、覆盖区域广、安全可靠等特点，成为现代通信技术的重要组成部分，被广泛地应用于军事、法治、气象、农业、广播电视等各个领域。在地球某些特殊区域偏远区域如：森林、沙漠等地区，移动通信无法对其进行覆盖，当发生自然灾害与险情时，此种区域与外界通信便成为棘手问题，而卫星通信可不受地理条件的限制，可满足人们要求，进行实时通信。
而传统卫星通信中，固定位置的通信基站可以保证静态的对星实时通信，无法在运动中进行实时通信，因此在移动中的卫星地面站通信系统成为了当下卫星通信领域研究的热点问题，“动中通”系统则可实现在运动中的不间断实时通信，系统通过实时跟踪卫星来实现不间断通信，不局限于某一地点的通信，可提供实时音视频通信，动中通系统可分为海事移动通信系统与陆地移动通信系统。实现点对点、点对多点、点对主站移动卫星的通信，并且信号在传输过程中节点减少，可保证信号传输质量与可靠性。由此可见，移动卫星通信技术在军事指挥、抢险救灾、电视转播、物流管理等领域可发挥巨大的作用。
在动中通系统中，若想使得系统实现收发天线共用的双工功能，提高信号的选择性，合理利用频谱资源，双工器则是系统中必不可少的一个重要组件，并且要保证通信质量，减少干扰，则要求双工器需要有较宽且较低的带外抑制和良好的驻波比，高隔离度可保证接收通道与发射通道之间干扰极小，良好的驻波比可实现更好的匹配。
卫星通信常用的天线为高增益天线，一般采用由馈源天线与反射面结构组成的反射面天线形式，传统反射面天线包括抛物面天线、卡塞格伦天线等。
反射阵列天线是一种新形式的反射面天线，与传统意义上的反射面天线不同的是，反射阵列天线是一种平面式结构，通过天线阵列单元相位的不同实现高增益波束或聚焦等功能。并且可以实现天线的小型化，减轻系统的整体重量。根据反射阵列单元形式的不同实现各种不同的功能，更具有灵活性，具有波束可调控等特性，可实现高性能与低成本。
本发明专利针对Ku波段动中通系统中的反射阵列天线，设计了一种带外抑制率为-95dB，频带内整体S11小于-15dB的加载Y型波导双工器的波纹喇叭馈源天线，两频带分别为12.25-12.75GHz，14-14.5GHz(两频带为Ku波段卫星通信典型频率)。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，在波导双工器前端加载Ku波段波纹喇叭天线进行联合，波纹喇叭在波纹内部加载阶梯装置，最终可实现频带内S11低于-15dB，带外抑制率达95dB，可以作为卫星通信反射阵列天线的馈源使用。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，包括波导双工器和波纹喇叭，所述的波导双工器1的整体为Y型结构，所述的波导双工器包括H面T型结构、内部带有多组窄边膜片的高频带通滤波器、内部带有多组窄边膜片的低频带通滤波器、阻抗匹配金属柱和L型阻抗匹配阶梯，在所述的H面T型结构的两端分别连接内部带有多组窄边膜片的高频带通滤波器和内部带有多组窄边膜片的低频带通滤波器，每组所述窄边膜片均包括正对的两个膜片，在高频带通滤波器和低频带通滤波器中相邻两组窄边膜片之间的距离均不相同，相邻两组窄边膜片中的每组窄边膜片的两个膜片之间的距离均不相同，所述高频带通滤波器的多组窄边膜片和所述低频带通滤波器的多组窄边膜片的组数和分布均不同，所述的阻抗匹配金属柱设置两个，且对称设置在所述H面T型结构的公共波导口处，所述的L型阻抗匹配阶梯设置在H面T型结构的前端，位于两个滤波器之间，且靠向高频带通滤波器设置，所述的L型阻抗匹配阶梯的L型朝向高频带通滤波器设置；
所述的波纹喇叭包括圆波导输入段和辐射段，所述的圆波导输入段的一端与辐射段连接，另一端通过圆波导与矩形波导过渡段与波导双工器的公共波导口连接，所述的辐射段内壁呈渐张的喇叭状，所述的辐射段包括若干口径线性渐张的周期性波纹结构，所述辐射段的每个周期的波纹的法向槽的宽度均相同，所述辐射段的每个周期的波纹的齿的宽度均相同，在靠近圆波导输入段一侧的三个法向槽内均设有一槽间阶梯，所有的槽间阶梯均靠近各自法向槽的边缘设置。
进一步的，所述辐射段的波纹的法向槽的深度和齿的长度均线性渐张，其线性渐张与辐射段的波纹口径线性渐张相同。
进一步的，所有所述槽间阶梯的大小均相同。
进一步的，所述的高频带通滤波器内设有7组窄边膜片，所述的低频带通滤波器内设有8组窄边膜片。
进一步的，所述波导双工器为采用铣削加工方式加工而成。
进一步的，在所述波导双工器表面设有多个调节螺钉。
进一步的，在所述波导双工器的内部进行镀银处理。
进一步的，所有部件均采用铝材质材料。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源具有以下优势：
本发明所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，
提出的一种应用于“动中通”的Ku波段高性能波导双工器，由低频带通滤波器(12.25-12.75GHz)、高频带通滤波器(14.0-14.5GHz)与T型功率分配器组成，为考虑小型化设计，设计中采用了H面波导双工器的形式。滤波器采用了切比雪夫滤波器的形式，低频滤波器与高频滤波器分别采用了为8阶膜片与7阶膜片的形式，并且创新性的加载L型阶梯与金属柱，保证了带内的驻波比良好与优异的带外抑制；
波纹喇叭在圆波导口端采用的是TE11模式的电磁波，波纹结构由法向槽与槽间阶梯组成，槽的作用是使内部的混合模式HE11模式进行传播，而槽间阶梯的作用是使HE11混合模式的混合比例更加匹配，从而进一步匹配阻抗，降低天线整体的反射系数；
在波导双工器与波纹喇叭连接处，采用圆波导与矩形波导过渡的形式，进行连接，以保证阻抗匹配的良好。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源的结构示意图；
图2为波导双工器的结构示意图；
图3为波纹喇叭的结构示意图；
图4为波导双工器的S参数曲线图；
图5为双工馈源的S11曲线图；
图6为双工馈源在12.5GHz中心频点的辐射方向图；
图7为双工馈源在14.25GHz中心频点的辐射方向图。
附图标记说明：
1-波导双工器，11-H面T型结构，12-高频带通滤波器，13-低频带通滤波器，14-阻抗匹配金属柱，15-L型阻抗匹配阶梯，16-窄边膜片，17-公共公共波导口，2-波纹喇叭，21-圆波导输入段，22-辐射段，23-圆波导与矩形波导过渡段，24-法向槽，25-齿，26-槽间阶梯。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
如图1-图3所示，一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，包括波导双工器1和波纹喇叭2，所述的波导双工器1的整体为Y型结构，所述的波导双工器1包括H面T型结构11、内部带有多组窄边膜片16的高频带通滤波器12、内部带有多组窄边膜片16的低频带通滤波器13、阻抗匹配金属柱14和L型阻抗匹配阶梯15，在所述的H面T型结构11的两端分别连接内部带有多组窄边膜片16的高频带通滤波器12和内部带有多组窄边膜片16的低频带通滤波器13，每组所述窄边膜片16均包括正对的两个膜片，在高频带通滤波器12和低频带通滤波器13中的相邻两组窄边膜片16之间的距离均不相同，相邻两组窄边膜片16中的每组窄边膜片的16两个膜片之间的距离均不相同，所述高频带通滤波器12的多组窄边膜片16和所述低频带通滤波器13的多组窄边膜片16的组数和分布均不同，所述的阻抗匹配金属柱14设置两个，且对称设置在所述H面T型结构11的公共波导口17处，所述的L型阻抗匹配阶梯15设置在H面T型结构11的前端，位于两个滤波器之间，且靠向高频带通滤波器12设置，所述的L型阻抗匹配阶梯15的L型朝向高频带通滤波器12设置；
所述的波纹喇叭2包括圆波导输入段21和辐射段22，所述的圆波导输入段21的一端与辐射段22连接，另一端通过圆波导与矩形波导过渡段23与波导双工器1的公共波导口17连接，所述的辐射段22内壁呈渐张的喇叭状，所述的辐射段22包括若干口径线性渐张的周期性波纹结构，所述辐射段22的每个周期的波纹的法向槽24的宽度均相同，所述辐射段22的每个周期的波纹的齿25的宽度均相同，在靠近圆波导输入段21一侧的三个法向槽24内均设有一槽间阶梯26，所有的槽间阶梯26均靠近各自法向槽24的边缘设置。
辐射段22的波纹的法向槽24的深度和齿25的长度均线性渐张，其线性渐张与辐射段22的波纹口径线性渐张相同。
所有槽间阶梯26的大小均相同。
在波导内部H面插入电感膜片，膜片之间有一定间距，来实现波导腔体之间的相互耦合，波导腔体可以看做一个微波腔体谐振器，可以使电磁波在限定区域内发生电磁振荡，从而产生谐振。
在此设计中，波导的H面插入膜片，引入不连续性，这对于电磁场理论中的模式匹配法非常适用，通过不连续区域的位置的匹配条件等，可以得出滤波器整体的S参数矩阵，同时利用微波网络中的K变换理论，可通过理论计算，初步确定各个膜片的位置与长度。之后通过仿真优化得到最终结果。膜片厚度为1.5mm。
高频带通滤波器12内设有7组窄边膜片16，7组窄边膜片形成六个横向间隔，六个横向间隔中第三间隔和第四间隔的尺寸相同，其余四个横向间隔的尺寸以第三横向间隔和第四个横向间隔为对称轴依次对称递减分布，7组窄边膜片形成7个纵向间隔，其余六个纵向间隔的尺寸以第四个纵向间隔为对称轴依次对称递增分布，
所述的低频带通滤波器内设有8组窄边膜片16，8组窄边膜片形成七个横向间隔，其余六个横向间隔的尺寸以第四个横向间隔为对称轴依次对称递减分布，8组窄边膜片形成八个纵向间隔，其中第四纵向间隔和第五纵向间隔的尺寸相同，其余六个纵向间隔的尺寸以第四纵向间隔和第五个纵向间隔为对称轴依次对称递增分布，具体尺寸为：
高频带通滤波器12内的7组窄边膜片16，相邻两组窄边膜片之间的横向间隔距离分别为10.16mm、11.46mm、11.64mm、11.64mm、11.46mm和10.16mm，每组窄边膜片17的两个膜片之间的纵向间隔距离为8.6mm、5.62mm、5.04mm、4.96mm、5.04mm、5.62mm和8.6mm；
低频带通滤波器内设有8组窄边膜片16，相邻两组窄边膜片之间的横向间隔距离分别为12.17mm、13.83mm、14.1mm、14.14mm、14.1mm、13.83mm和12.17mm，每组窄边膜片17的两个膜片之间的纵向间隔距离为9.79mm、6.6mm、5.88mm、5.74mm、5.74mm、5.88mm、6.6mm和9.79mm。
波导双工器1为采用铣削加工方式加工而成，进行一体式加工，单独在波导内部进行插片，在节省工时的同时也可避免加工与焊接造成的误差。
在波导双工器1表面设有多个调节螺钉，原因是因为波导双工器对于内部膜片的尺寸极其敏感，为了补偿加工误差，可以通过调节螺钉的方式进行优化性能，在测试完成之后，需要在表面调节螺钉涂抹胶质，以防使用过程中造成螺钉的移动，降低双工器的性能。
在波导双工器1的内部进行镀银处理，可以有效地降低双工器的插入损耗。
所有部件均采用铝材质材料加工而成，减轻整体系统的重量。
图4为波导双工器的S参数曲线，由图可知，在12.25-12.75GHz和14.0-14.5GHz通带内，反射系数低于-18dB，发射上行端在12.25-12.75GHz频带范围内，带外抑制大于110dB，接收下行端在14.0-14.5GHz频带范围内，带外抑制大于95dB。
图5为双工馈源S11曲线图，可看出两频带内整体S11小于-15dB。
图6为双工馈源在12.5GHz中心频点的辐射方向图，图7为双工馈源在14.25GHz中心频点的辐射方向图，在图6和7中可以看出：在12.25-12.75GHz和14.0-14.5GHz通带内，反射系数低于-15dB，在12.5GHz与14.25GHz天线增益分别为14.6dB、15.7dB。副瓣电平分别为-25dB和-21dB。
其中图4-图7中：
S参数：S11反射系数、S21低频带通滤波器的传输系数、S31高频带通滤波器的传输系数；
仿真软件：CST Microwave
Figure BDA0001769190930000081
E面：天线的最大辐射方向与电场构成的平面；
H面：天线的最大辐射方向与磁场构成的平面。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，其特征在于：包括波导双工器(1)和波纹喇叭(2)，所述的波导双工器(1)的整体为Y型结构，所述的波导双工器(1)包括H面T型结构(11)、内部带有多组窄边膜片(16)的高频带通滤波器(12)、内部带有多组窄边膜片(16)的低频带通滤波器(13)、阻抗匹配金属柱(14)和L型阻抗匹配阶梯(15)，在所述的H面T型结构(11)的两端分别连接内部带有多组窄边膜片(16)的高频带通滤波器(12)和内部带有多组窄边膜片(16)的低频带通滤波器(13)，每组所述窄边膜片(16)均包括正对的两个膜片，在高频带通滤波器(12)和低频带通滤波器(13)中的相邻两组窄边膜片(16)之间的距离均不相同，相邻两组窄边膜片(16)中的每组窄边膜片的(16)两个膜片之间的距离均不相同，所述高频带通滤波器(12)的多组窄边膜片(16)和所述低频带通滤波器(13)的多组窄边膜片(16)的组数和分布均不同，所述的阻抗匹配金属柱(14)设置两个，且对称设置在所述H面T型结构(11)的公共波导口(17)处，所述的L型阻抗匹配阶梯(15)设置在H面T型结构(11)的前端，位于两个滤波器之间，且靠向高频带通滤波器(12)设置，所述的L型阻抗匹配阶梯(15)的开口朝向高频带通滤波器(12)设置；
所述的波纹喇叭(2)包括圆波导输入段(21)和辐射段(22)，所述的圆波导输入段(21)的一端与辐射段(22)连接，另一端通过圆波导与矩形波导过渡段(23)与波导双工器(1)的公共波导口(17)连接，所述的辐射段(22)内壁呈渐张的喇叭状，所述的辐射段(22)包括若干口径线性渐张的周期性波纹结构，所述辐射段(22)的每个周期的波纹的法向槽(24)的宽度均相同，所述辐射段(22)的每个周期的波纹的齿(25)的宽度均相同，在靠近圆波导输入段(21)一侧的三个法向槽(24)内均设有一槽间阶梯(26)，所有的槽间阶梯(26)均靠近各自法向槽(24)的边缘设置。
2.根据权利要求1所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，其特征在于：所述辐射段(22)的波纹的法向槽(24)的深度和齿(25)的长度均线性渐张，其线性渐张与辐射段(22)的波纹口径线性渐张相同。
3.根据权利要求2所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，其特征在于：所有所述槽间阶梯(26)的大小均相同。
4.根据权利要求3所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，其特征在于：所述的高频带通滤波器(12)内设有7组窄边膜片，所述的低频带通滤波器(13)内设有8组窄边膜片(16)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，其特征在于：所述波导双工器(1)为采用铣削加工方式加工而成。
6.根据权利要求5所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，其特征在于：在所述波导双工器(1)表面设有多个调节螺钉。
7.根据权利要求6所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，其特征在于：在所述波导双工器(1)的内部进行镀银处理。
8.根据权利要求7所述的一种应用于动中通系统反射阵列天线的双工馈源，其特征在于：所有部件均采用铝材质材料。
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