CN111934093B - 一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线 - Google Patents

一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，包括垂直共线排布且具有不同波束指向角的同轴CTS天线和三级圆波导口径天线，同轴CTS天线由六个同轴CTS单元级联而成，采用嵌套同轴结构。三级圆波导口径天线由三个口径依次增大的圆波导、同轴馈电探针组成。三级圆波导口径天线与同轴CTS天线垂直共线安装。本发明通过切换馈电完成波束切换，从而实现宽波束覆盖范围的锥状波束，同时保持了较高的增益，克服了天线增益与半功率波束宽度间的矛盾关系。

Description

一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线
技术领域
本发明涉及一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，应用于卫星通信、WLAN和制导系统等领域。
背景技术
锥状波束天线是一类波瓣图和极化方向径向对称的天线，它在孔径的法线方向上没有辐射，最大辐射方向在与法线成一定倾角的锥面上，是一种具有周向对称性的天线。在卫星通信、室内WLAN通信和制导系统中，为避免由于终端设备或目标的无规则运动造成而造成信号连接中断，需要终端设备和弹载引信的天线方向图具有周向全向性，而锥状波束天线的出现使得该问题得以解决。一般锥状波束天线在覆盖一定波束范围的同时，还能够提供稳定的信号质量，即在波束指向角方向具有较高的增益。目前，锥状波束天线的实现形式有螺旋天线、微带贴片天线、径向波导缝隙天线以及开口圆波导天线等，大部分都是借助天线所激励的TM0m、TE0m、TMm1(m>1)、TEm1(m>1)模式进行辐射。上述的锥状波束天线一般具有较窄的波束覆盖范围，而在某些应用领域中，宽波束覆盖范围具有不可比拟的优势，如使系统更加紧凑，不需要通过机械扫描方式来实现波束的扫描，简化信号处理系统的复杂度，实现多目标同时探测等。但是在实现宽波束覆盖范围的同时，天线的增益会降低，因为高增益与宽波束覆盖范围是相互限制的，即同时实现高增益和宽波束覆盖范围的锥状波束天线较为困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，包括垂直共线排布且具有不同波束指向角的同轴CTS天线和三级圆波导口径天线。
优选地，所述同轴CTS天线包括同轴波导、顶盖、5个金属圆盘、底盖以及短路金属圆环，所述顶盖、底盖分别设置在同轴波导的两端，5个金属圆盘等间距设置在顶盖、底盖间，所述短路金属圆环设置在底盖底部且与同轴波导连接，所述同轴波导内部以及顶盖、5个金属圆盘、底盖、短路金属圆环围成的区间内填充聚四氟乙烯形成圆柱体。
优选地，所述同轴波导包括同心设置的第一空心圆柱和第二空心圆柱，所述第一空心圆柱设置在第二空心圆柱的内部且上端与三级圆波导口径天线连接，所述第二空心圆柱与短路金属圆环连接，所述空心圆柱与空心圆柱所围成的区域内填充聚四氟乙烯。
优选地，所述第一空心圆柱与三级圆波导口径天线连接的一端设有一个倾角为45的圆台，所述圆台与顶盖连接。
优选地，所述三级圆波导口径天线包括同心设置的金属圆柱、探针，所述探针设置在金属圆柱内部的下端，且与穿过同轴波导内部的同轴馈电电缆连接。
优选地，所述金属圆柱包括四个口径依次减小的圆波导～，所述最小口径的圆波导与探针所形成的区域内填充聚四氟乙烯，且共同构成了同轴馈电探针。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
1、利用波束切换技术，切换具有不同波束指向角的锥状波束天线，在实现宽波束范围的同时，保持了较高的增益，克服了天线的增益与半功率波束宽度间的矛盾关系。
2、采用同轴嵌套结构，使得天线的最大辐射方向与馈电端口间的夹角大于90°，减小了馈电结构对天线辐射造成的遮挡和相互干扰，便于天线的安装，使得天线的结构更加紧凑。
下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线的三维结构示意图
图2是图1中的宽波束覆盖范围锥状波束天线的透视图
图3是图1中的宽波束覆盖范围锥状波束天线的剖视图
图4是图2中的同轴波导的三维结构示意图
图5是图4中的同轴波导的尺寸示意图
图6是图1中的CTS同轴外导体和横向枝节的尺寸示意图
图7是图1中的三级圆波导口径天线的尺寸示意图
图8是实施例宽波束覆盖范围锥状波束天线的反射参数S11曲线
图9是实施列宽波束覆盖范围锥状波束天线馈电端口间的隔离S21曲线
图10是实施例宽波束覆盖范围锥状波束天线的垂直面方向图
具体实施方式
如图1～4所示，一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，包括垂直共线排布且具有不同波束指向角的同轴CTS天线1和三级圆波导口径天线2。
进一步的实施例中，所述同轴CTS天线1包括同轴波导11、顶盖12、5个金属圆盘13、底盖14、短路金属圆环15；所述顶盖12、底盖14分别设置在同轴波导11的两端，5个金属圆盘13等间距设置在顶盖12、底盖14间，短路金属圆环15设置在底盖14底部且与同轴波导11连接，所述同轴波导11内部以及顶盖12、5个金属圆盘13、底盖14以及短路金属圆环15围成的区间内填充聚四氟乙烯16。同轴波导11作为同轴CTS天线1的内导体，顶盖12、5个金属圆盘13、底盖14以及短路金属圆环15作为同轴CTS天线1的外导体和横向枝节。
进一步的实施例中，所述同轴波导11包括同心设置的第一空心圆柱111和第二空心圆柱112，所述第一空心圆柱111设置在第二空心圆柱112的内部且上端与三级圆波导口径天线2连接，所述第二空心圆柱112与短路金属圆环15连接，所述空心圆柱111与空心圆柱112所围成的区域内填充聚四氟乙烯。
具体地，所述第一空心圆柱111与三级圆波导口径天线2连接的一端设有一个倾角为45的圆台1111，所述圆台1111与顶盖12连接。
进一步的实施例中，所述三级圆波导口径天线2包括同心设置的金属圆柱21、探针22。所述探针22设置在金属圆柱21内部的下端，且与穿过同轴波导11内部的同轴馈电电缆连接。
具体地，所述的金属圆柱21包括四个口径依次减小的圆波导211～214，所述最小口径的圆波导214与探针22所形成的区域内填充聚四氟乙烯24，且共同组成了同轴馈电探针。
本发明实现了工作在35GHz，波束范围为30°～70°的锥状波束天线，其中三级圆波导口径天线实现倾角为40°的锥状波束，3dB波束范围从30°到50°；同轴CTS天线的波束倾角为60°，3dB波束范围从50°到70°。
本发明的工作过程为：三级圆波导口径天线利用同轴馈电探针在圆波导213中激励起TM0m主模，同时也会存在其他低阶模，低阶模对应的波束对TM0m主模所产生的主波束表现为副瓣，为抑制低阶模对主波束的影响，通过增加圆波导211212来控制模式间的幅度和相位关系，从而抑制副瓣。同轴CTS天线利用由同轴波导11、顶盖12、5个金属圆盘13、底盖14、短路金属圆环15以及它们之间区域填充的聚四氟乙烯介质16组成的同轴线和横向枝节，在横向枝节处将同轴波导11中传输的TEM模过渡到TM0m模，在端口处因不连续性产生向自由空间的辐射。
本发明采用波束切换技术，切换具有不同波束指向角的同轴CTS天线和三级圆波导口径天线的馈电来实现宽波束覆盖范围锥状波束。其中，同轴CTS天线的同轴波导、顶盖、5个金属圆盘、底盖、短路金属圆环以及它们之间区域填充的聚四氟乙烯介质共同组成了同轴CTS天线的同轴部分和横向枝节；三级圆波导口径天线主要由四个口径依次减小的圆波导、探针以及最小圆波导和探针之间的填充的聚四氟乙烯介质共同构成。为防止同轴CTS天线和三级圆波导口径天线辐射间的相互影响，采用垂直共线安装的方式。为实现两个波束指向的切换，通过将三级圆波导口径天线和同轴CTS天线的馈电连接至单刀双掷开关的输出，控制单刀双掷开关使得两个输出端口以一定的频率切换输出从而对天线进行馈电，实现波束的切换。
实施例：
一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，包括垂直共线排布且具有不同波束指向角的同轴CTS天线1和三级圆波导口径天线2。
所述同轴CTS天线1包括同轴波导11、顶盖12、5个金属圆盘13、底盖14、短路金属圆环15；所述顶盖12、底盖14分别设置在同轴波导11的两端，5个金属圆盘13等间距设置在顶盖12、底盖14间，短路金属圆环15设置在底盖14底部且与同轴波导11连接，所述同轴波导11内部以及顶盖12、5个金属圆盘13、底盖14以及短路金属圆环15围成的区间内填充聚四氟乙烯16。
如图5所示，同轴波导的尺寸示意图。同轴波导外中空圆柱的内壁直径为D5＝12mm，壁厚t＝1mm，高度为h5＝37mm；带圆台的内中空圆柱的外壁直径为D4＝8mm，高度为h6＝39.1mm；圆台的直径D6＝11mm，高度为h7＝1.5mm，距离顶端的距离为h8＝1mm。
如图6所示，CTS同轴外导体和横向枝节的尺寸示意图。CTS同轴外导体包括顶盖、5个金属圆盘、底盖和短路金属圆环。其中，为实现在馈电端口激励的TEM波从同轴波导传输到CTS同轴中，两部分之间需要过渡，该过渡由具有三个空心部分组成的顶盖和同轴波导包围的区域来实现，三个空心部分为：两个高度为h2＝1.6mm、h4＝1mm，直径为D2＝18mm、D4＝8mm的圆波导和一个高度为h3＝1.5mm，上下直径为D7＝15mm、D2＝18mm的圆台；构成同轴CTS天线横向枝节的5个等距金属圆盘的内直径和外直径分别为D2＝18mm、D3＝24mm，金属圆盘的高度为h1＝2.6mm，金属圆盘间的距离d＝4.6mm；底盖由两个不同外径、相同内径的中空圆柱组成，内径为D2＝18mm，外径分别为D3＝24mm、D2+2t＝20mm，高度h＝8mm，t＝1mm；与底盖相连接的短路金属圆环的内径为D1＝14mm,外径为D2+2t＝20mm，厚度t＝1mm。
如图7所示，三级圆波导口径天线的尺寸示意图。通过一个直径为2a＝0.6mm，长度为l＝1mm的同轴探针激励起TM0m模式来实现锥状波束。产生TM0m模式的圆波导的直径d1＝6.8mm，长度L1＝5.1mm，同时为抑制副瓣和降低反射，加入另外两级圆波导，其中尺寸分别为d2＝18.26mm，L2＝4mm和d3＝22mm,L3＝4mm；同轴馈电电缆从天线底部中心贯穿同轴CTS天线的同轴波导为三级圆波导口径天线馈电。
图8是利用HFSS仿真软件，工作在35GHz频率处，本发明实施例宽波束覆盖范围锥状波束天线的反射系数S11。由图可知，此时天线在33.5GHz～35.5GHz范围内的S11均小于-10dB。
图9是利用HFSS仿真软件，工作在35GHz频率处，本发明实施例宽波束覆盖范围锥状波束天线中两个馈电端口间的隔离度。由图可知，此时两馈电端口间的隔离度在33.5GHz～35.5GHz范围内达到-40dB以下,具有良好的隔离，两种天线能够独立工作而不会相互干扰。
图10是利用HFSS仿真软件，工作在35GHz频率处，本发明实施例宽波束覆盖范围锥状波束天线的垂直面方向图。由左图可知，三级圆波导口径天线的波束指向角为40°，3dB波束宽度为30°～50°；由右图可知，同轴CTS天线的波束指向角为60°，3dB波束宽度为50°～70°。由此，通过切换馈电，实现了波束范围从30°～70°的宽波束覆盖范围的锥状波束天线，同时保持了较高的增益。

Claims (4)

1.一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，其特征在于，包括垂直共线排布且具有不同波束指向角的同轴CTS天线(1)和三级圆波导口径天线(2)；所述同轴CTS天线(1)包括同轴波导(11)、顶盖(12)、5个金属圆盘(13)、底盖(14)以及短路金属圆环(15)，所述顶盖(12)、底盖(14)分别设置在同轴波导(11)的两端，5个金属圆盘(13)等间距设置在顶盖(12)、底盖(14)间，所述短路金属圆环(15)设置在底盖(14)底部且与同轴波导(11)连接，所述同轴波导(11)内部以及顶盖(12)、5个金属圆盘(13)、底盖(14)、短路金属圆环(15)围成的区间内填充聚四氟乙烯(16)形成圆柱体；所述同轴波导(11)包括同心设置的第一空心圆柱(111)和第二空心圆柱(112)，所述第一空心圆柱(111)设置在第二空心圆柱(112)的内部且上端与三级圆波导口径天线(2)连接，所述第二空心圆柱(112)与短路金属圆环(15)连接，所述空心圆柱(111)与空心圆柱(112)所围成的区域内填充聚四氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，其特征在于，所述第一空心圆柱(111)与三级圆波导口径天线(2)连接的一端设有一个倾角为45度的圆台(1111)，所述圆台(1111)与顶盖(12)连接。
3.根据权利要求1所述的基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，其特征在于，所述三级圆波导口径天线(2)包括同心设置的金属圆柱(21)、探针(22)，所述探针(22)设置在金属圆柱(21)内部的下端，且与穿过同轴波导(11)内部的同轴馈电电缆连接。
4.根据权利要求3所述的基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线，其特征在于，所述金属圆柱(21)包括四个口径依次减小的圆波导(211)～(214)，所述最小口径的圆波导(214)与探针(22)所形成的区域内填充聚四氟乙烯(24)，且共同构成了同轴馈电探针。
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