CN112397882B - 一种用于高轨卫星宽波束高增益测距天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于高轨卫星宽波束高增益测距天线，是适用于高轨卫星的宽波束高增益ka波段双极化天线，能够实现高轨卫星Ka频段精密测距、功能的实现。在20GHz和30GHz工作频带范围内在保证高口径效率的前提下，实现了双频段的波束等化，即：在20GHz和30GHz内的波束宽度相近，峰值增益和覆盖区增益接近，保证天线兼顾了两个频带范围内的高增益需求，保证高轨卫星链路测距测控的链路需求，同时还可以实现了主极化和交叉极化后瓣减小，保证装星后天线受星体影响降到最小，相位中心稳定性不大于2mm，绝对群时延不大于0.04ns，是覆盖区内增益更高、交叉极化和主极化的后瓣更小、相位中心稳定性更高的波束赋形天线，可实现高轨卫星的精密测距需求。

Description

一种用于高轨卫星宽波束高增益测距天线
技术领域
本发明属于星载微波天线的技术领域，具体涉及一种用于高轨卫星宽波束高增益测距天线。
背景技术
随着我国高轨遥感卫星的发展，对卫星的精密测距提出了新的要求，一般需要星载Ka波段扩频精密测距系统配合地面Ka波段扩频测距站完成地面为主的多站距离测量，提供测距信息供事后精密定轨系统应用，同时，也需要提供1个Ka波段的上行遥控和下行扩频测控通道。
我国高轨卫星Ka频段精密测距系统目前规划是20GHz提供卫星下行、在31GHz提供卫星上行，考虑到高轨卫星的链路需求，在19GHz～31GHz工作频段范围内，需要天线波束宽度能覆盖到±15°，增益应不小于13dBi，相位中心稳定性不大于2mm，绝对群时延不大于0.04ns，才能满足星载Ka频段精密测距系统的应用需求。
目前常用星载Ka频段天线，主要形式为阵列天线、反射面天线和喇叭天线，对于无源阵列天线,虽然可以实现上述指标,但是存在Ka频段馈电网络损耗大，天线组阵复杂、且天线口径尺寸较大；对于反射面天线,增益过低，辐射效率不高,难以实现上述指标；对于传统波纹喇叭天线，一般实现形式为水平波纹形式，曲线多为正弦曲线、指数曲线等等，但是对于实现±15°的增益指标也比较困难。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于高轨卫星宽波束高增益测距天线，是适用于高轨卫星的宽波束高增益ka波段双极化天线，能够实现高轨卫星Ka频段精密测距、功能的实现。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一种用于高轨卫星宽波束高增益测距天线，包括天线辐射喇叭、圆极化器和双端口波导；
其中，所述天线辐射喇叭内壁设有波导过渡段、垂直波纹以及水平波纹；
垂直波纹包括若干的垂直波纹齿，每个垂直波纹齿包括一个垂直齿和一个垂直槽；水平波纹包括若干的水平波纹齿，每个水平波纹齿包括一个水平齿和一个水平槽；垂直波纹数量少于水平波纹；波导过渡段的输入直径与圆极化器的输出端口直径相同，波导过渡段的输出直径大于输入直径；
所述双端口波导用于将同舱内设备连接波导；
所述圆极化器，将从双端口波导馈入的射频信号分离成两个幅度相等、相位相差90°的信号；
所述天线辐射喇叭，将圆极化器分馈入的信号形成多模混合叠加，形成圆极化辐射。
其中，波导过渡段13的输出直径为输入直径的1.05倍～1.2倍。
其中，波导过渡段13的长度为0.5波长～1.5波长。
其中，每个垂直波纹齿的宽度均相同，为1/4波长～1/8波长，垂直齿的宽度为0.15～0.5倍的垂直波纹齿的宽度。
其中，垂直波纹齿的深度均不同，垂直波纹齿的深度为1/4波长～1波长，垂直波纹齿的数量为2个～6个。
其中，每个水平波纹齿的宽度尺寸相同，为1/6波长～1/3波长，水平齿的宽度为0.15～0.4倍的水平波纹齿的宽度。
其中，每个水平波纹齿深度均不同，水平波纹齿的深度为1/6波长～1/2波长，水平波纹齿的数量为6个～100个。
其中，水平波纹齿的数量根据双频段频点进行适应性优化。
其中，所述圆极化器为波导形圆极化器。
有益效果：
本发明的用于高轨卫星宽波束高增益测距天线，是高轨卫星收发共用的宽波束高增益Ka频段双圆极化赋形波束天线，适用于高轨卫星Ka频段精密测距，在20GHz和30GHz工作频带范围内在保证高口径效率的前提下，实现了双频段的波束等化，即：在20GHz和30GHz内的波束宽度相近，峰值增益和覆盖区增益接近，保证天线兼顾了两个频带范围内的高增益需求，保证高轨卫星链路测距测控的链路需求，同时还可以实现了主极化和交叉极化后瓣减小，保证装星后天线受星体影响降到最小，相位中心稳定性不大于2mm，绝对群时延不大于0.04ns，是覆盖区内增益更高、交叉极化和主极化的后瓣更小、相位中心稳定性更高的波束赋形天线，可实现高轨卫星的精密测距需求。
附图说明
图1为本发明用于高轨卫星宽波束高增益测距天线的示意图。
图2为本发明天线辐射喇叭的剖面图。
图3为本发明垂直波纹的细节图。
图4为本发明水平波纹的细节图。
图5为本发明天线测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明用于高轨卫星宽波束高增益测距天线的示意图如图1所示，包括天线辐射喇叭1、圆极化器2和双端口波导3。
天线辐射喇叭1的剖面图如图2所示，所述天线辐射喇叭1内壁设有波导过渡段13、垂直波纹12以及水平波纹11。垂直波纹数量少于水平波纹。
其中，波导过渡段13的输入直径与圆极化器2的输出端口直径相同，波导过渡段13的输出直径应大于输入直径，一般为1.05倍～1.2倍。波导过渡段13的长度一般为0.5波长～1.5波长。具体应根据优化进行确定。
垂直波纹12的细节图如图3所示，包括若干的垂直波纹齿，每个垂直波纹齿包括一个垂直齿和一个垂直槽。为了方便加工制造，每个垂直波纹齿的宽度、垂直槽的宽度尺寸应尽量确保相同，每个周期的垂直波纹齿尺寸cw一般为1/4波长～1/8波长，垂直齿的宽度cw1一般为0.15～0.5倍cw。为了确保天线辐射特性和阻抗特性垂直齿的深度根据具体优化进行确定，且每个垂直波纹齿深度chi均可以不同，深度一般为1/4波长～1波长。一般情况下，根据具有性能优化，垂直波纹齿的数量一般为2个～6个。
水平波纹11的细节图如图4所示，包括若干的水平波纹齿，每个水平波纹齿包括一个水平齿和一个水平槽。为了方便加工制造，每个水平波纹齿的宽度尺寸、水平槽的宽度尺寸应尽量确保相同，每个水平波纹齿尺寸sw一般为1/6波长～1/3波长，水平槽的宽度sw1一般为0.15～0.4倍sw。为了确保天线辐射特性和阻抗特性每个水平波纹齿的深度Shi根据具体优化进行确定，且每个水平齿深度均可以不同，深度一般为1/6波长～1/2波长。一般情况下，根据具体性能优化，水平波纹齿的数量一般为6个～100个，主要取决于天线增益、副瓣等性能确定。为了兼顾实现双频段每个相邻的水平槽深度不同，根据双频段频点进行适应性优化。
其中，所述双端口波导3用于方便同舱内设备连接波导；
所述圆极化器2，将从双端口波导馈入的射频信号分离成两个幅度相等、相位相差90°的信号；
所述天线辐射喇叭1，将圆极化器分馈入的信号形成多模混合叠加，形成圆极化辐射，波束形状可通过天线辐射喇叭内各项参数进行调整。
进一步的，所述圆极化器为波导形圆极化器。
本发明天线实现圆极化辐射具体过程为：电磁射频信号从双端口波导3馈入圆极化器2，圆极化器2将馈入的信号分离成两个幅度相等、相位相差90°的信号(具体是通过将信号功率分配成±π/2差相移，便可以得到具有等功率分配和线、圆极化转换电磁波信号)；随后馈入天线辐射喇叭1进行矢量叠加，形成特定的方向图，矢量叠加具体是将天线辐射喇叭内部的阻抗变换、水平波纹以及垂直波纹电磁模式相互叠加，从而形成圆极化辐射。
在20GHz和30GHz工作频带范围内对本发明天线进行测试，测试结果如图5所示。图5(a)为F＝30.xxGHz测试方向图；图5(b)为F＝20.xxGHz测试方向图。可以看出，在20GHz和30GHz工作频带范围内在保证高口径效率的前提下，本发明天线实现了双频段的波束等化，即：在20GHz和30GHz内的波束宽度相近，峰值增益和覆盖区增益接近，保证天线兼顾了两个频带范围内的高增益需求，保证高轨卫星链路测距测控的链路需求，同时还可以实现了主极化和交叉极化后瓣减小，保证装星后天线受星体影响降到最小，相位中心稳定性不大于2mm，绝对群时延不大于0.04ns，是覆盖区内增益更高、交叉极化和主极化的后瓣更小、相位中心稳定性更高的波束赋形天线，可实现高轨卫星的精密测距需求。
以上公开的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于所述的实施例。通过以上所述可知，本发明中的许多内容可作修改和替换，本实施例固定了某些取值只是为了更好地说明本发明的原理和应用，从而更易理解和运用。凡在本发明的技术方案的基础上所做的局部改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于高轨卫星宽波束高增益测距天线，其特征在于，包括天线辐射喇叭(1)、圆极化器(2)和双端口波导(3)；
其中，所述天线辐射喇叭(1)内壁设有波导过渡段(13)、垂直波纹(12)以及水平波纹(11)；
垂直波纹(12)包括若干的垂直波纹齿，每个垂直波纹齿包括一个垂直齿和一个垂直槽；水平波纹(11)包括若干的水平波纹齿，每个水平波纹齿包括一个水平齿和一个水平槽；垂直波纹(12)数量少于水平波纹(11)；波导过渡段(13)的输入直径与圆极化器(2)的输出端口直径相同，波导过渡段(13)的输出直径大于输入直径；
所述双端口波导(3)用于将同舱内设备连接波导；
所述圆极化器(2)，将从双端口波导馈入的射频信号分离成两个幅度相等、相位相差90°的信号；
所述天线辐射喇叭(1)，将圆极化器分馈入的信号形成多模混合叠加，形成圆极化辐射；
波导过渡段(13)的输出直径为输入直径的1.05倍～1.2倍；
波导过渡段(13)的长度为0.5波长～1.5波长；
每个垂直波纹齿的宽度均相同，为1/4波长～1/8波长，垂直齿的宽度为0.15～0.5倍的垂直波纹齿的宽度；
垂直波纹齿的深度均不同，垂直波纹齿的深度为1/4波长～1波长，垂直波纹齿的数量为2个～6个；
每个水平波纹齿的宽度尺寸相同，为1/6波长～1/3波长，水平齿的宽度为0.15～0.4倍的水平波纹齿的宽度；
每个水平波纹齿深度均不同，水平波纹齿的深度为1/6波长～1/2波长，水平波纹齿的数量为6个～100个；
水平波纹齿的数量根据双频段频点进行适应性优化。
2.如权利要求1所述的用于高轨卫星宽波束高增益测距天线，其特征在于，所述圆极化器(2)为波导形圆极化器。
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