CN111525279A - 一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，包括：前馈式馈源和后馈式馈源，所述前馈式馈源和所述后馈式馈源共用同一个反射表面；其特征在于，在所述反射表面内安装有金属支撑架；所述前馈式馈源安装在所述金属支撑架的顶部，包括组装在一起的极化分离器和辐射盘；所述后馈式馈源位于所述前馈式馈源的后方，包括波导管、副反射表面、以及将所述波导管的一端和所述副反射表面连接的介质辐射头；所述辐射盘与所述副反射表面同轴设置，且所述辐射盘的正投影面积＞所述副反射表面的正投影面积。本发明具有结构简单，加工简单，低成本，性能优越等优点。

Description

一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，尤其涉及一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线。
背景技术
随着现代科学技术的飞速发展，抛物面天线在现代天线技术以及军事科研领域的地位日益重要。抛物面天线作为通信领域天馈系统中最早的天线类型之一，其结构一般由反射面、馈源、天线罩等组成。这类天线具有非常尖锐的辐射方向图，因此常被用于空间直线长距离通信。抛物面天线在通信系统中的作用就如同运输工具，它将电路中的高频振荡电流或者馈线上的导行波有效地转变为某种极化的空间电磁波，或者将某种极化的空间电磁波有效地转变为电路中的高频振荡电流或馈线上的导行波。
发明内容
目前，抛物面天线作为微波中继传输中最普及的应用，受限于安装位置资源，为了能够在有限的安装位置资源布置更多的天线和频谱资源，双频抛物面天线成为了研发的一个重要方向。双频抛物面天线能够在同一个天线结构主体上同时应用多个频段，能节省空间资源的同时还能有效地提升微波网络容量。但现有的前后馈结构的双频天线结构大都处于理论阶段，且两个频段的反射系数|S11|很难做低，一般＞-10dB，性能较差，难以实际应用。特别是随着5G天线和微波天线的发展，如何设计一种兼容5G和80G的前、后馈双频天线结构是亟待解决的技术问题。
本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低、性能容易实现、且能兼容5G和80G两个差异较大频段的前后馈双频抛物面天线。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，包括：前馈式馈源和后馈式馈源，所述前馈式馈源和所述后馈式馈源共用同一个反射表面；其特征在于，在所述反射表面内安装有金属支撑架；所述前馈式馈源安装在所述金属支撑架的顶部，包括组装在一起的极化分离器和辐射盘；所述后馈式馈源位于所述前馈式馈源的后方，包括波导管、副反射表面、以及将所述波导管的一端和所述副反射表面连接的介质辐射头；所述辐射盘与所述副反射表面同轴设置，且所述辐射盘的正投影面积＞所述副反射表面的正投影面积。
作为上述方案的进一步说明，所述金属支撑架的底部通过支撑底座与所述反射表面连接固定，所述波导管的另一端与所述支撑底座连接固定。
作为上述方案的进一步说明，所述前馈式馈源为波纹槽馈源；所述极化分离器的主波导是直径为0.6～1.1λ的圆波导，所述辐射盘为配置在主波导口部的带扼流槽的辐射盘，，从而产生一个平而宽的辐射方向图。
作为上述方案的进一步说明，所述主波导以TE11模为主模。
作为上述方案的进一步说明，在所述主波导内设有若干根相互平行的金属针，各所述金属针位于所述极化分离器的水平极化输出端口和垂直极化输出端口之间，能够有效地提高隔离度，防止两个波导口之间的能量相关干扰。
作为上述方案的进一步说明，所述前馈式极化分离器与所述辐射盘之间设有阶梯渐进转换段，以实现阻抗匹配。
作为上述方案的进一步说明，所述前馈式馈源采用同轴馈电；在所述极化分离器上设有同轴连接器，在所述同轴连接器上连接有同轴电缆线。本发明中，前馈式馈源采用同轴馈电，在仿真时需采用集总端口激励。采用同轴电缆线连接，生产成本较低，但损耗较大。同轴线主要以TEM模工作，但也会出现TE模和TM模，TE模和TM模是同轴线的高次模，本设计运用同轴线的高次模为主模传输。
作为上述方案的进一步说明，所述金属支撑架为轴对称结构、并位于所述前馈式馈源的照射范围内，所述金属支撑架的对称轴与所述波导管的中心轴重合。不规则的金属会导致馈源辐射出来的电磁场能量出现不等幅不同相，从而导致能量的衰减；本发明中，采用最优化的金属支撑架形状能有效地降低对电磁场能量的恶化，从而得到很好的辐射特性和驻波特性。
作为上述方案的进一步说明，所述介质辐射头包括管内介质匹配段和管外介质辐射体，所述管内介质匹配段插入所述波导管内以实现阻抗匹配，所述管外介质辐射体位于所述波导管外以实现电磁波引导，从而使馈源方向图的形状符合最佳照射。
作为上述方案的进一步说明，所述波导管为圆波导管，所述前馈式馈源辐射的是低频段，所述后馈式馈源辐射的是高频段。
进一步地，所述介质辐射头应选用介电常数较低、损耗较低、强度及韧性较好、且易于加工的材料，如聚四氟乙烯、聚乙烯等。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是。
一、前馈式馈源结构简单、易于加工、性能优越、低成本，可以在现有后馈式抛物面天线上直接增加一个前馈式馈源，即可实现双频同时工作，方案容易实现。且对于两个差异较大的频段，如5G配搭80G，此方案无论从成本还是技术难度上，都有较大的优势，且容易实现批量生产。经测试，本发明提供的双频抛物面天线在搭配5GHz&80GHz双频馈源，其两个频段的反射系数|S11|都可以满足＜-14dB，性能优异。
二、两个频段的传输段分别采用同轴线传输和圆波导管传输，通过这种结构两个频段的传输之间可以独立进行，从而实现更好的驻波特性和辐射特性。
附图说明
图1所示为结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线的示意图。
图2所示为前馈式与后馈式馈源的组装结构示意图。
图3所示为前馈式馈源类型的结构示意图。
图4所示为后馈式馈源类型的结构示意图。
图5A、图5B所示为5GHz&80GHz双频馈源的两频段的S参数图。
附图标记说明。
1：天线罩， 2：反射表面， 3：电缆线， 4：金属支撑架， 5：极化分离器， 5-1：金属针，5-2：同轴连接器，6：辐射盘，7：介质辐射头，8：副反射表面，9：圆波导管，10：支撑底座。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“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隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括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低于第二特征。
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
如图1-图3所示，一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，包括：天线罩1，反射表面2，电缆线3，金属支撑架4，极化分离器（OMT ，Ortho_mode transducer）5，金属针5-1，同轴连接器5-2，辐射盘6，介质辐射头7，副反射表面8，圆波导管9和支撑底座10。
其中，所述电缆线3，金属支撑架4，极化分离器（OMT）5，金属针5-1，同轴连接器5-2，辐射盘6组成前馈式馈源；所述介质辐射头7，副反射表面8，圆波导管9组成后馈式馈源。本实施例中，所述极化分离器5、所述辐射盘6与副反射表面8、所述圆波导管9同轴设置，且所述辐射盘6的正投影面积＞所述副反射表面8的正投影面积。在这里，正投影的投影面指的是反射表面2最低点的切面，按图1展示的方向来看，为水平面。工作时，辐射盘6辐射的电磁波可直接经所述反射表面2反射，后馈式馈源辐射的电磁波经所述副反射表面8反射后再进入所述反射表面2反射。
采用本实施例提供的前馈式与后馈式组合形式，能够实现任意两个频带同时工作，结构简单，成本低廉，易于实现；且对于两个差异较大的频段，如5G配搭80G，此方案无论从成本上、性能上、还是技术难度上，都有较大的优势。另外，两个频段的传输段分别采用同轴线传输和圆波导管传输，通过这种结构两个频段的传输之间可以独立进行，从而实现更好的驻波特性和辐射特性。
再结合图2所示，前馈式馈源与后馈式馈源通过金属支撑架4和支撑底座10连接在一起，金属支撑架4的形状、厚度、离馈源的距离都在一定程度上影响馈源的辐射。本实施例中，优选所述金属支撑架4为轴对称结构、并位于所述前馈式馈源的照射范围内，优选所述金属支撑架4的对称轴与所述圆波导管9的中心轴重合。不规则的金属会导致馈源辐射出来的电磁场能量出现不等幅不同相，从而导致能量的衰减；本发明中，采用最优化的金属支撑架形状能有效地降低对电磁场能量的恶化，从而得到很好的辐射特性和驻波特性。当然，在其他实施方式中，金属支撑架的形状还可以采用其他相对规则的堆成方式，不局限于本实施例。
再结合图3所示，所述前馈式馈源的辐射部分由极化分离器（OMT）5，金属针5-1，同轴连接器5-2，辐射盘6组成，其作用将能够在波导馈线中正常传输的微波信号，沿着规定的路线和要求，导引信号到辐射盘口，以同一个相位中心向前发出球面波；其中金属针5-1排列在前馈式极化分离器（OMT）的腔体内，能降低两个端口之间相互干扰；前馈式极化分离器（OMT）5与辐射盘6之间有一段阶梯转换，其目的是为了实现阻抗匹配。
再结合图4所示，所述后馈式馈源由介质辐射头7，副反射表面8，圆波导管9组成，其中介质辐射头7分为管内介质匹配段、管外介质辐射体，管内介质匹配段实现阻抗匹配功能，管外介质辐射体实现调整照射角功能，副反射表面把电磁波反射到反射表面2上进行发射。当然，圆波导管9也不局限于这一种形状，其他形状的波导管也适用于本发明，改变圆波导9的形状可能会牺牲一部分天线性能。
如图5A、图5B所示，其为本实施例提供的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线应用于5.1GHz~5.9GHz和71GHz~86GHz的电性能仿真数据。从这两个仿真图可以看出：两个频段的反射系数|S11|都可以满足＜-14dB，其中频段5.1GHz~5.9GHz为前馈式馈源频段，71GHz~86GHz为后馈式馈源频段。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (10)

1.一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，包括：前馈式馈源和后馈式馈源，所述前馈式馈源和所述后馈式馈源共用同一个反射表面；其特征在于，在所述反射表面内安装有金属支撑架；所述前馈式馈源安装在所述金属支撑架的顶部，包括组装在一起的极化分离器和辐射盘；所述后馈式馈源位于所述前馈式馈源的后方，包括波导管、副反射表面、以及将所述波导管的一端和所述副反射表面连接的介质辐射头；所述辐射盘与所述副反射表面、同轴设置，且所述辐射盘的正投影面积＞所述副反射表面的正投影面积。
2.根据权利要求1所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，所述金属支撑架的底部通过支撑底座与所述反射表面连接固定，所述波导管的另一端与所述支撑底座连接固定。
3.根据权利要求1所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，所述前馈式馈源为波纹槽馈源；所述极化分离器的主波导是直径为0.6~1.1λ的圆波导，所述辐射盘为配置在主波导口部的带扼流槽的辐射盘。
4.根据权利要求3所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，所述主波导以TE11模为主模。
5.根据权利要求3所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，在所述主波导内设有若干根相互平行的金属针，各所述金属针位于所述极化分离器的水平极化输出端口和垂直极化输出端口之间。
6.根据权利要求1所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，所述前馈式极化分离器与所述辐射盘之间设有阶梯渐进转换段。
7.根据权利要求1所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，所述前馈式馈源采用同轴馈电；在所述极化分离器上设有同轴连接器，在所述同轴连接器上连接有同轴电缆线。
8.根据权利要求1所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，所述金属支撑架为轴对称结构、并位于所述前馈式馈源的照射范围内，所述金属支撑架的对称轴与所述波导管的中心轴重合。
9.根据权利要求1所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，所述介质辐射头包括管内介质匹配段和管外介质辐射体，所述管内介质匹配段插入所述波导管内以实现阻抗匹配，所述管外介质辐射体位于所述波导管外以实现电磁波引导。
10.根据权利要求1所述的一种结合前馈式与后馈式的双频抛物面天线，其特征在于，所述波导管为圆波导管，所述前馈式馈源辐射的是低频段，所述后馈式馈源辐射的是高频段。
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