CN111370866A - 低剖面倒置抛物面反射天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低剖面倒置抛物面反射天线，包括：馈源、抛物面型极化栅格和转极化反射板，其中，所述抛物面型极化栅格的反射面口面向下，所述转极化反射板设置于所述抛物面型极化栅格下方，并覆盖所述抛物面型极化栅格的反射面口面，所述馈源的中心相位位于所述抛物面型极化栅格的焦点上。本发明的低剖面倒置抛物面反射天线重量较轻，对抱杆和挂架的要求较低，并且结构紧凑，机械性能优，能够更好地应对雨雪暴风等恶劣天气。

Description

低剖面倒置抛物面反射天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种低剖面倒置抛物面反射天线。

背景技术

在微波点对点或者点对多点的通信网络中，微波天线是必不可少的接收和发射电磁波信号的装置，其中抛物面天线是常见的一种设计方法。抛物面天线通常包括四个组件：馈源、反射面、天线罩以及辅助的安装件等。安装件主要将天线安装、固定在抱杆或铁塔上；天线罩则起到保护天线免受雨、雪、沙尘等自然环境影响的作用，同时要求天线罩对天线的透波性能影响尽可能地小。而反射面和馈源则主要决定天线的电性能。当抛物面天线作接收天线时，从远处传播来的电磁波经反射面反射汇聚，再由馈源接收经波导等封闭传输线至接收机；当抛物面天线作发射天线时，由信号源发出的电磁波信号经波导等封闭传输线至馈源，再由馈源辐射并按照一定幅度和相位分布要求照射至反射面，最后经反射面反射至自由空间辐射。

微波中继通信系统中使用的抛物面天线，根据反射面的结构可分为抛物面板状天线、抛物面栅格天线、无源中继反射板等；从天线的馈源结构上分为前馈式抛物面天线、后馈式卡塞格伦天线；从天线的安装方式上分为座驾安装式天线、挂架安装式天线。微波中继天线的技术要求包括机械性能和电气性能。其中机械性能主要包括天线抗风能力、天线挂架调整范围、覆冰厚度、工作温度、天线系统重量、天线对挂架或抱杆的要求。电气性能包括工作频率、驻波比、天线增益、前后比、半功率角、交叉极化鉴别率、隔离度、天线辐射包络图、法兰接口类型。

传统的抛物面天线的体积大，重量大，对抱杆或挂架的要求较高，且由于开口面向外，容易遭受雨、雪、沙尘等自然环境影响，其机械结构和电性能不稳定。因此现有抛物面反射天线的设计难以同时达到剖面低、性能高、成低本、结构稳定等综合指标良好的要求。

发明内容

本发明为解决目前抛物面天线的重量大，对抱杆或挂架的要求较高，且容易遭受雨、雪、沙尘等自然环境影响，机械结构和电性能不稳定的技术问题，提供了一种低剖面倒置抛物面反射天线。

本发明采用的技术方案如下：

一种低剖面倒置抛物面反射天线，包括：馈源、抛物面型极化栅格和转极化反射板，其中，所述抛物面型极化栅格的反射面口面向下，所述转极化反射板设置于所述抛物面型极化栅格下方，并覆盖所述抛物面型极化栅格的反射面口面，所述馈源的中心相位位于所述抛物面型极化栅格的焦点上。

所述馈源包括圆波导和扼流盘。

所述抛物面型极化栅格为金属栅格。

所述转极化反射板包括金属反射面，用于将入射电磁波的极化方向旋转90°。

所述的低剖面倒置抛物面反射天线还包括球轴承万向节，所述球轴承万向节支撑所述转极化反射板，以便通过连杆传动机构带动所述转极化反射板转动。

本发明的有益效果：

本发明的低剖面倒置抛物面反射天线采用抛物面型极化栅格，重量较轻，对抱杆和挂架的要求较低，抛物面型极化栅格的反射面口面向下，属于前馈式抛物面天线，结构紧凑，机械性能优，能够更好地应对雨雪暴风等恶劣天气。

附图说明

图1为本发明实施例的低剖面倒置抛物面反射天线的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的馈源的侧视图；

图3为本发明一个实施例的馈源的俯视图；

图4为本发明一个实施例的平面波入射无限大的缝隙金属屏的示意图；

图5为本发明一个实施例的平面波入射无限大的缝隙金属屏的等效传输线模型图；

图6为本发明一个实施例的抛物面型极化栅格的俯视图；

图7为本发明一个实施例的抛物面型极化栅格的侧视图；

图8为本发明一个实施例的转极化反射板的俯视图；

图9为本发明一个实施例的转极化反射板的侧视图；

图10为本发明一个实施例的极化转换器原理示意图；

图11为本发明一个实施例的低剖面倒置抛物面反射天线的回波损耗图；

图12为本发明一个实施例的低剖面倒置抛物面反射天线的方向图；

图13为本发明一个实施例的转极化反射板转动时中心频点处的辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1所示，本发明实施例的低剖面倒置抛物面反射天线，包括馈源100、抛物面型极化栅格200和转极化反射板300。其中，抛物面型极化栅格200的反射面口面向下，转极化反射板300设置于抛物面型极化栅格200下方，并覆盖抛物面型极化栅格200的反射面口面，馈源100的中心相位位于抛物面型极化栅格200的焦点上。

在本发明的实施例中，馈源100可提供特定能量分布，其结构如图2和图3所示，包括圆波导101和扼流盘102。在本发明的一个具体实施例中，低剖面倒置抛物面反射天线的工作频率为28GHz，圆波导101的内半径设置为a＝0.35λ₀，外半径b＝0.45λ₀，高为h＝25mm；扼流盘102的内半径设置为c＝0.9λ₀，外半径d＝λ₀(λ₀取中心频率所对应的波长)，深度设置为4mm。

在本发明的一个实施例中，抛物面型极化栅格200为金属栅格，其用于将平行于栅条方向的电磁波完全反射回去，而对于垂直于栅条方向的电磁波完全透射。其工作原理可通过使用传输线模型来进行等效分析。如图4所示，假设有一个电场强度为E_i的线极化平面波垂直入射到一个无限延长的等效表面导纳为Y₁的缝隙金属面，则电磁波经过缝隙栅产生的反射波和透射波的电场强度分别为E_r和E_t。通过等效电路来模拟金属栅的屏蔽特性，假设有一无限长传输线如图5所示，其特性导纳为Y₀，在线上跨过接入一个并联导纳Y₁。则从左侧入射的行波电压V_i在Y₁上面发生部分反射，其反射波电压为V_r，越过Y₁后向右继续传输的波的电压为V_t。

设无限大缝隙金属屏周围的媒质是自由空间，其本征导纳为Y₀，有：

图5所示传输线上的电压传输系数T_V为：

则该等效电路所模拟的图4所示的电场传输系数T_c为：

由式(3)能够看出，透射系数取决于并联导纳Y₁，Y₁越小，透射系数越大，当Y₁＝0时，T_c＝1，电磁波可以完全从金属栅透射过去；反之，如果Y₁越大，那么金属栅的透射系数越小，当Y₁趋向于∞时，T_c为0，电磁波将被金属栅全反射，透射波为零。所以，如果想要金属栅能够将电磁波全部屏蔽，那么要求金属缝隙表面阻抗Z₁＝0，即必须是理想导电金属板。若无限大缝隙金属屏为平行金属条的无限大栅阵，设有低频平面波垂直入射向金属屏。

a)如果电场平行于金属条，则近似有Z₁＝0，Y₁＝∞。由式(3)得T_c＝0，即该金属栅表现为完全反射屏，透射场为零，当频率升高时，金属栅开始透过部分入射波；

b)如果电场垂直于金属条，则近似有Z₁＝∞，Y₁＝0。由式(3)得T_c＝1，即该栅阵可以完全透射电磁波，随着频率的升高，金属栅将反射部分入射波；

c)如果电场与金属栅成一定的夹角，则既有平行于金属栅的电场分量，也有垂直于金属栅的电场分量。此时Z₁为有限值，Y₁也为有限值。由式(3)知，0＜T_c＜1，既有反射又有透射。

上述的a、b、c三种情况介绍了一个无限延伸的金属栅对不同极化方向的电磁波的传播特性。可以总结出，金属栅能够透射电场方向垂直于栅条方向的电磁波，却能够全反射电场方向平行于栅条方向的电磁波。即金属栅对不同方向的线极化波表现为各向异性。在本发明的实施例中将金属栅条做成抛物面且该栅条方向与初级馈源辐射场的极化方向平行。栅条厚度为4.5mm，直径为160mm，张角为88度。抛物面型极化栅格200的俯视和侧视图分别如图6和图7所示。

在本发明的一个实施例中，转极化反射板300包括金属反射面，用于将入射电磁波的极化方向旋转90°。转极化反射板300的结构如图8和图9所示，其金属反射面包括间隔设置的多个直线型凹槽。转极化反射板300的大小可与抛物面型极化栅格200的反射面口面大小相同，以便覆盖抛物面型极化栅格200的反射面口面。转极化反射板300选取的介质厚度为四分之一个波长，由极化栅的理论可知，极化栅会让平行于金属栅极化方向的电磁波全反射，让垂直于金属栅极化方向的电磁波全透射，所以对于平行于金属栅极化方向的电磁波而言，这个方向的电磁波会被直接反射，所以不会到达下方的金属反射面，只有垂直于金属栅极化方向的电磁波会透射过金属栅到达金属反射面。具体转换方式如图10所示：假设电磁波1为任意垂直入射向极化栅的电磁波，相对于极化栅可以分解为电场极化方向为y方向的电磁波2和电场极化方向为x方向的电磁波3，通过理论知3可以透射而2会被反射到转极化反射板300上，转极化反射板300与极化栅有45°的夹角，将电磁波2沿图示金属栅转极化器方向分解可得4和5两种极化方向的电磁波，5与金属栅转极化器方向垂直，故可以透过栅结构到达下方反射面，电磁波5在通过转极化器再被反射回转极化器表面时所经过的路程恰恰为二分之一个波长，根据电磁场与电磁波理论，5’与5会产生180度的相位偏移，而4由于与转极化器金属栅平行，所以会直接反射没有变化，当4和5’重新合成时会形成电磁波6，而6与极化栅方向正好垂直，可以完美通过极化栅，至此所有电磁波都转化为电场极化方向垂直于金属栅极化方向的电磁波辐射出天线。

基于上述的低剖面倒置抛物面反射天线结构，金属栅方向与馈源辐射场的极化方向平行，馈源发射出的电磁波首先到达抛物面型极化栅格，此时极化方向与栅格方向垂直的电磁波将透过抛物面继续传播，平行极化方向的电磁波反射至转极化反射板上，转极化反射板使极化方向旋转90°变成垂直极化方向后，再将其反射至抛物面型极化栅格上，并完全透射出抛物面。从而达到向自由空间辐射的目的。

通过全波仿真计算，得到本发明实施例的低剖面倒置抛物面反射天线的回波损耗图(S11)和方向图分别如图11和图12所示。

此外，在本发明的一个实施例中，低剖面倒置抛物面反射天线还可包括球轴承万向节，球轴承万向节支撑转极化反射板，以便通过连杆传动机构带动转极化反射板转动。由此，省去了一般天线所用的旋转关节。图13为转极化反射板转动5°时在中心频点的辐射方向图，可以看出转极化反射板的转动可以实现低剖面倒置抛物面反射天线的波束扫描。

根据本发明实施例的低剖面倒置抛物面反射天线，采用抛物面型极化栅格，重量较轻，对抱杆和挂架的要求较低，抛物面型极化栅格的反射面口面向下，属于前馈式抛物面天线，结构紧凑，机械性能优，能够更好地应对雨雪暴风等恶劣天气。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种低剖面倒置抛物面反射天线，其特征在于，包括：馈源、抛物面型极化栅格和转极化反射板，其中，所述抛物面型极化栅格的反射面口面向下，所述转极化反射板设置于所述抛物面型极化栅格下方，并覆盖所述抛物面型极化栅格的反射面口面，所述馈源的中心相位位于所述抛物面型极化栅格的焦点上。

2.根据权利要求1所述的低剖面倒置抛物面反射天线，其特征在于，所述馈源包括圆波导和扼流盘。

3.根据权利要求1所述的低剖面倒置抛物面反射天线，其特征在于，所述抛物面型极化栅格为金属栅格。

4.根据权利要求1所述的低剖面倒置抛物面反射天线，其特征在于，所述转极化反射板包括金属反射面，用于将入射电磁波的极化方向旋转90°。

5.根据权利要求1所述的低剖面倒置抛物面反射天线，其特征在于，还包括球轴承万向节，所述球轴承万向节支撑所述转极化反射板，以便通过连杆传动机构带动所述转极化反射板转动。

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