CN111987464B - Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线 - Google Patents

Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线 Download PDF

Info

Publication number
CN111987464B
CN111987464B CN202010690078.6A CN202010690078A CN111987464B CN 111987464 B CN111987464 B CN 111987464B CN 202010690078 A CN202010690078 A CN 202010690078A CN 111987464 B CN111987464 B CN 111987464B
Authority
CN
China
Prior art keywords
horn
coaxial
antenna
band
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010690078.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111987464A (zh
Inventor
吴礼
王靖雯
彭树生
李小柳
戈尧
林子浩
郭曼菲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202010690078.6A priority Critical patent/CN111987464B/zh
Publication of CN111987464A publication Critical patent/CN111987464A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111987464B publication Critical patent/CN111987464B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H01Q13/0275—Ridged horns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/20—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements characterised by the operating wavebands
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，包括双频辐射模块和馈电模块，其中，所述双频辐射模块采用嵌套喇叭结构，具体包括圆波导喇叭和嵌套在圆波导喇叭外面的同轴喇叭，所述圆波导喇叭工作频段为Ka波段，用于辐射Ka波段信号，所述同轴喇叭工作频段为Ku波段，用于辐射Ku波段信号，所述馈电模块用于为双频辐射模块馈电。本发明的天线辐射方向图在Ku/Ka两个波段都呈现锥形波束特征。

Description

Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线
技术领域
本发明属于天线技术，具体为一种Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线。
背景技术
锥形波束天线是一类方位面呈全向辐射，俯仰面最大辐射方向与其法线方向呈一定锥角的天线，在法线方向的辐射很小。在对空中目标进行探测时，为了及时发现各方向的目标，一般可采取三种方式：利用较高增益的阵列天线进行自动跟踪；采用一个三维全向天线进行接收发射；采用锥形波束天线只对一定锥角范围内的区域进行照射。阵列天线自动跟踪系统的复杂度很高，成本居高不下；全向天线虽可以实现所有角度的目标跟踪，但增益较低。相较之下，锥形波束天线结构简单，性能好，成本低，因此在检测空中飞行目标上具有更广阔的研究前景。
现有公开的锥形波束天线包括：文献1(Row J S,Chan M C.ReconfigurableCircularly-Polarized Patch Antenna With Conical Beam[J].IEEE Transactions onAntennas&Propagation,2010,58(8):2753-2757.)使用贴片天线结构实现锥形波束，但由于波束形状及增益受辐射单元布阵影响，天线在辐射方向法向的尺寸难以控制，且布阵无法做到环形对称，导致方向图全向性效果不佳；文献2(Zhongxiang Shen,Jianpeng Wang,Kian Seng Lee.Open-Ended Coaxial Waveguide for Conical-Beam Radiation[J].IEEETransactions on Antennas&Propagation,2012,60(5):2518-2521.)使用开口同轴波导实现锥形波束，工作频率为10.4GHz，波束指向角为28°。上述文献都只工作在单个频段内，难以满足通信需求。
随着无线通信技术的发展，双频带系统越来越受到重视。其一优点是当某频段被干扰时，另一频段系统仍能正常工作，因此广泛用于各种制导跟踪系统；此外双频段可形成互补，如在卫星通信中同时处理上行和下行数据的要求需要双频段系统。传统的双频天线设计多采用耦合分枝结构，将两个频段分开，这类设计的缺点是两个频段的间隔具有严格的限制，而且天线纵向长度较长，质量大，不满足体积小、质量轻的要求。
文献3(Shi-Shan Qi,Wen Wu and Da-Gang Fang.Dual/Single Band Conical-Beam Nested Horn Antennas with Dual/Single Pointing Angles[J].IEEETransactions on Antennas and Propagation,2012,60(10):4911-2915.)采用同轴嵌套结构实现X/Ka双频段锥形波束天线，但X/Ka天线相对带宽都小于10％，存在阻抗带宽窄的缺点。同时X波段天线馈电通过矩圆转换器在同轴腔内激励TEM模，馈电结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线。
实现本发明的技术解决方案为：一种Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，包括双频辐射模块和馈电模块，其中，所述双频辐射模块采用嵌套喇叭结构，具体包括圆波导喇叭和嵌套在圆波导喇叭外面的同轴喇叭，所述圆波导喇叭工作频段为Ka波段，用于辐射Ka波段信号，所述同轴喇叭工作频段为Ku波段，用于辐射Ku波段信号，所述馈电模块用于为双频辐射模块馈电。
优选地，所述圆波导喇叭包括直波导、设置在直波导一端的开口喇叭，以及设置在开口喇叭开口处的三角脊。
优选地，所述三角脊的个数为2个或者4个。
优选地，所述直波导中心设有圆柱体空腔，空腔半径为0.74mm。
优选地，所述三角脊脊曲线由一段高度为1.1mm的直线和一段角度为51.53°的斜线延申到开口喇叭内壁构成，所述三角脊的宽度为3mm，三角脊到截面中心的距离为3.7mm。
优选地，所述同轴喇叭包括同轴波导、开口喇叭和设置在同轴波导内壁上的扇形脊。
优选地，所述同轴波导的高度为12mm，内导体为圆波导喇叭，外导体为金属外壁，半径为13.4mm，厚度为2mm；开口喇叭的高度为14mm，外导体半径为25mm，厚度为2mm。
优选地，所述扇形脊半径为10mm，角度为10°，扇形脊曲线由两段组成，分别是高度为5.8mm的直线和高度为3.6mm的弧线。
优选地，所述馈电模块包括Ka波段天线馈电部分和Ku波段天线馈电部分，所述Ka波段天线馈电采用同轴探针结构，在圆波导喇叭的直波导部分的空腔内插入探针；所述Ku波段天线馈电由一分四微带功分器连接同轴探针激励实现，所述一分四微带功分器与四个探针连接，探针通过同轴喇叭外壁的圆柱孔进入同轴腔。
优选地，所述同轴喇叭外壁的圆柱孔距离金属外壁底面8mm处，半径为0.74mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明处于双工作波段，结构紧凑、质量小；馈电简单；分别在圆喇叭开口处和同轴喇叭内导体外侧加上脊波导结构拓宽了阻抗带宽。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的Ku/Ka双频天线的一种实施例的结构示意图；
图2为本发明的Ku/Ka双频天线辐射部分的一种实施例的剖面示意图；
图3为本发明的Ku/Ka双频天线辐射部分的一种实施例的顶层俯视示意图；
图4为本发明的Ku/Ka双频天线辐射部分的一种实施例的不连续处示意图；
表1为本发明的具体参数表；
图5为本发明的Ku波段一分四微带功分器的一种实施例的俯视示意图；
图6为本发明的Ku波段一分四微带功分器回波损耗；
图7为本发明为Ku波段天线辐射方向图；
图8为本发明为Ka波段天线回波损耗；
图9为本发明为Ka波段天线辐射方向图。
具体实施方式
一种Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，包括双频辐射模块和馈电模块，其中，所述双频辐射模块采用嵌套喇叭结构，具体包括圆波导喇叭1和嵌套在圆波导喇叭外面的同轴喇叭2。所述圆波导喇叭1工作频段为Ka波段，用于辐射Ka波段信号；所述同轴喇叭2工作频段为Ku波段，用于辐射Ku波段信号，所述馈电模块用于为双频辐射模块馈电。
进一步的实施例中，所述圆波导喇叭1包括直波导、设置在直波导一端的开口喇叭，以及设置在开口喇叭开口处的三角脊，三角脊的设置实现探针到自由空间的阻抗平滑过渡，展宽阻抗带宽。
具体地，所述三角脊的个数为2个或者4个。
进一步的实施例中，所述直波导中心设有圆柱体空腔，空腔半径为0.74mm。
具体地，圆波导喇叭由直波导、开口喇叭和不连续处的四个三角脊构成。直波导的高度为H1+H2+t2-H4，外壁半径为R5，空腔半径为R8；开口喇叭的高度为H4，开口处内径为R1，喇叭口面内径为R2，口面外径为R3。
进一步的实施例中，三角脊的宽度为d2，从剖视图看脊曲线是由一段高度为H5的直线和一段角度为θ的斜线延申到开口喇叭内壁构成的，从俯视图看，三角脊到截面中心的距离为d1。
本发明通过对圆波导喇叭的开口处半径R1和口面半径R2的优化，减小Ka波段天线的回波损耗；通过对三角脊的脊宽度d2、脊间距2*d1和脊曲线的优化，实现同轴探针到开路圆波导的阻抗平滑过渡，使沿天线表面电流反射减小，拓宽Ka波段天线的阻抗带宽。
进一步的实施例中，同轴喇叭由同轴波导、开口喇叭和设置在同轴波导内壁上的扇形脊构成。同轴波导的高度为H2,内导体为圆波导喇叭，外导体为金属外壁，半径为R6，厚度为t1，在距离金属外壁底面H6处开四个半径为R8的圆柱孔；开口喇叭的高度为H1，外导体半径为R4,厚度为t1；扇形脊从俯视图看是半径为R9，角度为
Figure BDA0002589041770000041
的扇形，从剖视图看扇形脊由两段组成，分别是高度为H7的直线和高度为H8的弧线。
在某些实施例中，扇形脊的个数为4个，展宽阻抗带宽。
本发明通过对同轴喇叭的开口处半径R6和口面半径(R4)的优化，减小Ku波段天线的回波损耗；通过对扇形脊高度H7和H8、扇形角度
Figure BDA0002589041770000042
和半径(R9)的优化展宽Ku波段天线的阻抗带宽。
所述馈电模块包括Ka波段天线馈电部分和Ku波段天线馈电部分。
进一步的实施例中，Ka波段天线馈电采用同轴探针结构，在圆波导喇叭的直波导部分的空腔内插入半径为R7、长度为L1的探针，在开口处激励出圆波导的TM01模式，其场旋转对称分布，产生锥形波束。
进一步的实施例中，Ku波段天线馈电由一分四微带功分器3连接同轴探针激励实现。微带功分器设置在嵌套喇叭结构的外围，距离其底面高度为H6,将输入信号一等分成四路同相信号，通过焊接技术连接上四个半径为R7、长度为L2的探针，通过同轴喇叭外壁的圆柱孔进入同轴腔，使场模式在同轴腔内顺利过渡到TEM模，产生锥形波束。
本发明中，各参数的数值如表1所示：
Figure BDA0002589041770000051
表1
本发明利用同轴嵌套喇叭结构工作于Ku/Ka波段，提供一种结构紧凑、质量小、馈电结构简单、宽带的双频锥形波束喇叭天线。
下面结合实施例对本发明做进一步解释。
实施例1
如图1-5所示，本实施例的一种Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，其特征在于，所述天线结构由双频辐射部分和馈电部分组成。其中双频辐射部分采用嵌套喇叭结构，内层结构为工作频段为Ka波段的加脊圆波导喇叭，外层结构为加脊同轴喇叭，用于Ku波段天线的辐射。Ka波段天线馈电采用同轴探针结构，Ku波段天线馈电由一分四微带功分器连接同轴探针激励实现。
加脊圆波导喇叭工作在整个Ka波段，同轴探针激励，传输TM01模，抑制高次模。根据开路圆波导TM0m模的远场方向图函数，传输模式和开口处半径R2相关，也与同轴探针的长度L1有关。根据脊波导理论，脊波导可以拓宽圆波导喇叭的阻抗带宽，其参数由三角脊宽度d2、脊间距2d1和脊曲线决定。
同轴波导喇叭工作在Ku波段，由一分四微带功分器连接四根同轴探针实现馈电，其在同轴腔内激励出TEM模。通过设计同轴波导的开口处内壁半径R3和外壁半径R4，同轴探针的长度L2和高度H6可以实现锥形波束。扇形脊高度(H7+H8)、角度
Figure BDA0002589041770000061
和半径(R9)对同轴波导喇叭的阻抗带宽影响较大。同轴波导喇叭的金属外壁厚为2mm。
将天线整体结构在HFSS中进行仿真优化，得出Ku/Ka双频锥形波束喇叭天线仿真结果如图6-9所示。
本实施例单独馈电Ku波段同轴波导喇叭，如图6所示，在10.9-17.7GHz频段内回波损耗低于-10dB。如图7所示，工作频率为12.7GHz，天线增益10.8dBi，主波束指向角20°；工作频率为15GHz，增益11.3dBi，主波束指向角16°。
本实施例单独馈电Ka波段加脊圆波导喇叭，如图8所示，在25.7-48.1GHz频段内回波损耗小于-10dB，覆盖Ka波段，实现超宽带特性。如图9所示，工作频率为32.6GHz，天线增益9.9dBi，主波束指向角27°；工作频率为35.5GHz，天线增益10dBi，主波束指向角27°；工作频率为36GHz，天线增益10dBi，主波束指向角26°；工作频率为39.2Hz，天线增益11.4dBi，主波束指向角23°。

Claims (7)

1.一种Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，其特征在于，包括双频辐射模块和馈电模块，其中，所述双频辐射模块采用嵌套喇叭结构，具体包括圆波导喇叭(1)和嵌套在圆波导喇叭外面的同轴喇叭(2)，所述圆波导喇叭(1)工作频段为Ka波段，用于辐射Ka波段信号，所述同轴喇叭(2)工作频段为Ku波段，用于辐射Ku波段信号，所述馈电模块用于为双频辐射模块馈电；
所述圆波导喇叭(1)包括直波导、设置在直波导一端的开口喇叭，以及设置在开口喇叭开口处的三角脊；
所述直波导中心设有圆柱体空腔，空腔半径为0.74mm；
所述馈电模块包括Ka波段天线馈电部分和Ku波段天线馈电部分，所述Ka波段天线馈电采用同轴探针结构，在圆波导喇叭的直波导部分的空腔内插入探针；所述Ku波段天线馈电由一分四微带功分器(3)连接同轴探针激励实现，所述一分四微带功分器(3)与四个探针连接，探针通过同轴喇叭外壁的圆柱孔进入同轴腔。
2.根据权利要求1所述的Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，其特征在于，所述三角脊的个数为2个或者4个。
3.根据权利要求1或2所述的Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，其特征在于，所述三角脊脊曲线由一段高度为1.1mm的直线和一段角度为51.53°的斜线延伸到开口喇叭内壁构成，所述三角脊的宽度为3mm，三角脊到截面中心的距离为3.7mm。
4.根据权利要求1所述的Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，其特征在于，所述同轴喇叭包括同轴波导、开口喇叭和设置在同轴波导内壁上的扇形脊。
5.根据权利要求4所述的Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，其特征在于，所述同轴波导的高度为12mm，内导体为圆波导喇叭，外导体为金属外壁，半径为13.4mm，厚度为2mm；开口喇叭的高度为14mm，外导体半径为25mm，厚度为2mm。
6.根据权利要求4所述的Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，其特征在于，所述扇形脊半径为10mm，角度为10°，扇形脊曲线由两段组成，分别是高度为5.8mm的直线和高度为3.6mm的弧线。
7.根据权利要求5所述的Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线，其特征在于，所述同轴喇叭外壁的圆柱孔位于距离金属外壁底面8mm处，半径为0.74mm。
CN202010690078.6A 2020-07-17 2020-07-17 Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线 Active CN111987464B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010690078.6A CN111987464B (zh) 2020-07-17 2020-07-17 Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010690078.6A CN111987464B (zh) 2020-07-17 2020-07-17 Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111987464A CN111987464A (zh) 2020-11-24
CN111987464B true CN111987464B (zh) 2022-10-14

Family

ID=73438764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010690078.6A Active CN111987464B (zh) 2020-07-17 2020-07-17 Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111987464B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112821083B (zh) * 2020-12-31 2022-02-11 南京邮电大学 基于Ka波段的双圆极化阵列天线单元
CN112886252B (zh) * 2021-01-27 2022-07-22 北京邮电大学 紧缩场赋形馈源及紧缩场系统
CN114865326A (zh) * 2022-06-21 2022-08-05 南京理工大学 一种高增益低副瓣锥形波束天线

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102610921A (zh) * 2012-03-14 2012-07-25 北京天工开正科技有限责任公司 Ku/Ka双波段收发共用馈源
CN102938497A (zh) * 2012-11-20 2013-02-20 北京遥测技术研究所 一种四频多极化共口径馈源
CN105261839A (zh) * 2015-11-03 2016-01-20 南京中网卫星通信股份有限公司 一种C-Ku双频段一体化馈源
CN108258391A (zh) * 2017-12-05 2018-07-06 安徽四创电子股份有限公司 一种双频馈源喇叭
CN109473775A (zh) * 2019-01-07 2019-03-15 北京西宝电子技术有限责任公司 Ku/E波段双频一体馈源
CN109687142A (zh) * 2018-12-13 2019-04-26 北京遥测技术研究所 一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102610921A (zh) * 2012-03-14 2012-07-25 北京天工开正科技有限责任公司 Ku/Ka双波段收发共用馈源
CN102938497A (zh) * 2012-11-20 2013-02-20 北京遥测技术研究所 一种四频多极化共口径馈源
CN105261839A (zh) * 2015-11-03 2016-01-20 南京中网卫星通信股份有限公司 一种C-Ku双频段一体化馈源
CN108258391A (zh) * 2017-12-05 2018-07-06 安徽四创电子股份有限公司 一种双频馈源喇叭
CN109687142A (zh) * 2018-12-13 2019-04-26 北京遥测技术研究所 一种双频双工全同时单脉冲自跟踪卫通馈源
CN109473775A (zh) * 2019-01-07 2019-03-15 北京西宝电子技术有限责任公司 Ku/E波段双频一体馈源

Also Published As

Publication number Publication date
CN111987464A (zh) 2020-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111987464B (zh) Ku/Ka波段双频锥形波束喇叭天线
CN107086362B (zh) 一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线
CN106129593B (zh) 一种二维宽角度扫描的全金属相控阵雷达天线单元
CN101179150B (zh) 基于金属化通孔微扰的低轮廓背腔圆极化天线
CN105161862B (zh) 一种一体化六频段多用途复合馈源
CN111009728A (zh) 龙伯透镜及基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线、卫星天线
CN110176665B (zh) 一种相控阵天线及相控阵雷达
CN102969557B (zh) 一种Vivaldi天线阵列
CN112736475B (zh) 一种双频段锥/笔形复合波束嵌套天线
CN111786131B (zh) 一种宽带准端射微带八木天线
CN106207475B (zh) 一种共口径复用的多波段全极化天线馈源装置
CN101814659A (zh) 一种三角形波导缝隙阵列天线
LU502553B1 (en) Low-profile ultra-wideband end-fire antenna
CN106816717A (zh) 锥形波束的圆极化天线
CN107579346B (zh) 一种超宽带低雷达截面的微带天线
CN109672022A (zh) 一种圆锥喇叭天线
CN111082209B (zh) 一种新型馈电方式的低剖面平面螺旋天线
CN112366455B (zh) 一种非对称双脊喇叭天线
CN114759354A (zh) 小型化宽带稳定波束喇叭馈源天线
CN114824782A (zh) 微带天线及微带天线阵列
CN111600120B (zh) 一种紧凑的低交叉极化微带天线
CN209217213U (zh) 一种圆锥喇叭天线
Sironen et al. A 60 GHz conical horn antenna excited with quasi-Yagi antenna
CN208723104U (zh) 一种s波段超宽带穿墙雷达天线
CN111934093A (zh) 一种基于波束切换技术的宽波束覆盖范围锥状波束天线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant