CN112421238A - 一种星载宽波束波纹喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载宽波束波纹喇叭天线，解决了现有的喇叭天线不能同时满足大功率、高效率、宽频带、宽波束的各种要求，不适用于某些低轨卫星通信中的问题。本发明包括90°波纹喇叭天线、膜片圆极化器、圆波导同轴转换器，所述90°张角波纹喇叭天线的一端与所述膜片圆极化器一端连接，所述膜片圆极化器的另一端与所述圆波导同轴转换器连接，所述90°波纹喇叭天线包括第一圆形波导段，所述第一圆形波导段的口部端平面开设有三个90°张角的波纹槽，所述90°波纹喇叭天线的面轮廓为圆形。本发明具有宽波束、波束赋形满足地球匹配、工作频带宽、右旋圆极化，可很好的应用于卫星通信等工程应用中等优点。

Description

一种星载宽波束波纹喇叭天线

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种星载宽波束波纹喇叭天线及其应用。

背景技术

近年来，在卫星通信中，为对特定区域进行有效覆盖，减少邻区干扰和提高效率，对星载天线的辐射方向图提出了与服务区形状匹配的要求，赋形天线越来越受到重视，喇叭天线具有赋形、成本低、尺寸小、低交叉极化电平，低副瓣和在工作频段具有良好的驻波的优点，适用于对天线要求苛刻的卫星通信中。

其中，波纹喇叭天线向自由空间所发射的三维电磁波束具有轴对称性、很小的旁瓣电容、低的交叉极化水平等特点，波纹喇叭天线是金属波导和自由空间电磁波进行能量转换的高效率器件。波纹喇叭天线广泛应用于现代无线通讯系统中，特别是在卫星通讯、射电天文等科学领域，用于提高天线的发射效率和改善天线的交叉极化分量。

但是对于低轨卫星通信中，对天线有特殊要求，如要求具有大功率、效率高、宽频带、宽波束、结构简单、易于加工、结构坚固等特点。

而现有的喇叭天线中，较难同时满足以上条件，因此，有必要针对低轨卫星通信的具体应用环境，对喇叭天线进行结构和尺寸改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的喇叭天线不能同时满足大功率、高效率、宽频带、宽波束的各种要求，不适用于某些低轨卫星通信中。

本发明可通过下述技术方案实现：

一种星载宽波束波纹喇叭天线，包括90°波纹喇叭天线、膜片圆极化器、圆波导同轴转换器，所述90°张角波纹喇叭天线的一端与所述膜片圆极化器一端连接，所述膜片圆极化器的另一端与所述圆波导同轴转换器连接，所述90°波纹喇叭天线包括第一圆形波导段，所述第一圆形波导段的口部端平面开设有三个90°张角的波纹槽，所述90°波纹喇叭天线的面轮廓为圆形。

本发明通过设置90°波纹喇叭天线，且通过设置三个波纹槽，增大俯仰最大增益指向角度，形成波束俯仰面为蝶形的赋型波束，用于补偿地球曲率带来的远近传输距离导致的不同电波空间损耗，为了提高天线效率，在喇叭线的一端设置膜片圆极化器，线极化信号变换为圆极化信号，原理在于圆波导内存在着两个极化正交的模式，为改变两种模式的传播常数，可以在圆波导或方波导内周期性或非周期性加载一定数量的金属膜片，圆波导波纹圆极化器的膜片一般加载在对称壁上，膜片使正交的两个分量一个相位超前，一个相位滞后，适当选择膜片数量、深度、厚度、间距，就可使两个分量的相位相差90°，从而实现线极化信号到圆极化信号的转换，该天线适合高频段工作，具有大功率、效率高、宽频带、宽波束、结构简单、易于加工、结构坚固等特点，可应用于低轨卫星的星间通信中，具有现实意义。

本发明优选一种星载宽波束波纹喇叭天线，所述膜片圆极化器包括第二圆形波导段，所述第二圆形波导段的内侧壁上对称设置若干金属膜片，相向设置的两个金属膜片形成椭圆形结构。本发明优选一种星载宽波束波纹喇叭天线，所述金属膜片的高度沿第二圆形波导段径向呈渐变结构，所述金属膜片的弧形长度沿第二圆形波导段周向呈渐变结构。

本发明优选一种星载宽波束波纹喇叭天线，所述金属膜片的的渐变结构为：金属膜片的高度从金属膜片的中间向两端逐渐减小，所述金属膜片在所述第二圆形波导段的内侧壁呈弧形设置，所述弧形的长度从第二圆形波导段中部向两端逐渐减小。

本发明为了实现极低的反射损耗，金属膜片的高度沿波导周向的分布采用渐变结构，为了简化加工过程、降低加工成本、减少过渡波导段的数量，将膜片圆极化器的金属膜片相对对称设置形成椭圆形空间结构，使得两个极化分量的一致性较好。

本发明优选一种星载宽波束波纹喇叭天线，所述圆波导同轴转换器的一端呈圆形结构，另一端口为同轴端口，所述同轴端口外接射频连接器。

发射信号从射频同轴连接器端口进入，经同轴-探针-圆波导转换后到膜片圆极化器，经膜片圆极化器把线极化信号转换为了圆极化信号，再通过90°张角波纹喇叭天线把圆极化信号辐射出去。

本发明优选一种星载宽波束波纹喇叭天线，所述90°波纹喇叭天线、膜片圆极化器、圆波导同轴转换器的波导端口都采用直径为11.2mm的圆波导。

本发明优选一种星载宽波束波纹喇叭天线，所述第一圆波导段的端口平面设置有法兰盘，所述法兰盘上开设有张角为90°的三个波纹槽。

本发明优选一种星载宽波束波纹喇叭天线，所述圆波导同轴转换器与膜片圆极化器呈45°角分布。

本发明优选一种星载宽波束波纹喇叭天线，所述射频连接器为探针，所述探针的插入深度和所述探针到短路面的距离可调。

进一步地，所述探针的插入深度以及探针距离短路面的距离为波长的四分之一，调节范围为3.7-5.0mm。

本发明探针为为射频同轴连接器的一部分，装配简单。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过设置圆形波导段和三个波纹槽，可增大俯仰最大增益指向角度，形成波束俯仰面为蝶形的赋型波束，用于补偿地球曲率带来的远近传输距离导致的不同电波空间损耗，通过膜片圆极化器实现线极化信号到圆极化信号的转换，本发明的天线适合高频段工作，具有大功率、效率高、宽频带、宽波束、结构简单、易于加工、结构坚固等特点，可以实现±62°的波束赋形，可应用于低轨卫星通信中。

2、本发明通过设计膜片圆极化器的金属膜片的数量、形状和渐变结构，使得两个极化分量的插损基本一致。

3、本发明的圆波导同轴转换器，通过调节探针的插入深度和到短路面的距离，可获得好的驻波特性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明天线的结构示意图；

图2为本发明的仿真模型图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明膜片圆极化器的结构示意图。

图5为本发明圆极化器的两个极化分量插损曲线。

图6为本发明的方向图仿真曲线；

图7为本发明的轴比仿真曲线；

图8为本发明的驻波仿真曲线；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-90°波纹喇叭天线，2-膜片圆极化器，3-圆波导同轴转换器，4-金属膜片，5-探针，6-短路面，7-波纹槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如图1-图3所示，一种星载宽波束波纹喇叭天线，包括90°波纹喇叭天线1、膜片圆极化器2、圆波导同轴转换器3，所述90°张角波纹喇叭天线的一端与所述膜片圆极化器2一端连接，所述膜片圆极化器2的另一端与所述圆波导同轴转换器3连接，所述90°波纹喇叭天线1包括第一圆形波导段，所述第一圆波导段的端口平面的法兰盘上开设有张角为90°的三个波纹槽7，所述90°波纹喇叭天线1的面轮廓为圆形。

所述90°波纹喇叭天线1、膜片圆极化器2、圆波导同轴转换器3的波导端口都采用直径为11.2mm的圆波导。

所述圆波导同轴转换器3与膜片圆极化器2呈45°角分布。

所述膜片圆极化器2包括第二圆形波导段，所述第二圆形波导段的壁上下对称设置8个金属膜片4，相向设置的所述金属膜片4形成椭圆形的空间结构，所述金属膜片4的高度沿第二圆形波导段径向呈渐变结构，所述金属膜片4的弧形长度沿第二圆形波导段周向呈渐变结构，渐变结构具体为：金属膜片4的高度从金属膜片4的中间向两端逐渐减小，所述金属膜片4在所述第二圆形波导段的内侧壁呈弧形设置，所述弧形的长度从第二圆形波导段中部向两端逐渐减小。

所述金属膜片4的高度方向是指从第二圆形波导的圆柱壁指向其轴线的方向。

所述金属膜片4的厚度方向是指第二圆形波导轴线方向。

所述金属膜片4的弧形长度方向是指第二圆形波导的圆柱壁周向方向。

发射信号从射频同轴连接器端口进入，经同轴-探针5-圆波导转换后到膜片圆极化器2，经膜片圆极化器2把线极化信号转换为了圆极化信号，再通过90°张角波纹喇叭天线把圆极化信号辐射出去。

本发明通过设置90°波纹喇叭天线1，且通过设置三个波纹槽7，增大俯仰最大增益指向角度，形成波束俯仰面为蝶形的赋型波束，用于补偿地球曲率带来的远近传输距离导致的不同电波空间损耗，为了提高天线效率，在喇叭线的一端设置膜片圆极化器2，线极化信号变换为圆极化信号，原理在于圆波导内存在着两个极化正交的模式，为改变两种模式的传播常数，可以在圆波导或方波导内周期性或非周期性加载一定数量的金属膜片4，圆波导波纹圆极化器的膜片一般加载在对称壁上，膜片使正交的两个分量一个相位超前，一个相位滞后，适当选择膜片数量、深度、厚度、间距，就可使两个分量的相位相差90°，从而实现线极化信号到圆极化信号的转换，该天线适合高频段工作，具有大功率、效率高、宽频带、宽波束、结构简单、易于加工、结构坚固等特点，可应用于低轨卫星的星间通信中，具有现实意义。

本发明为了实现极低的反射损耗，金属膜片4的高度沿波导周向的分布采用渐变结构，为了简化加工过程、降低加工成本、减少过渡波导段的数量，将膜片圆极化器2的金属膜片4设计为椭圆形，使得两个极化分量的一致性较好。

所述圆波导同轴转换器3的一端呈圆形结构，另一端口为同轴端口，所述同轴端口外接射频连接器，所述外接射频连接器为探针5，所述探针5的插入深度为和所述探针5距离短路面6的距离可调，均约为波长的四分之一，具体调节范围为3.7mm-5.0mm。

对实施例的天线进行仿真，得到的结果如下：

图5为本发明圆极化器的两个极化分量插损曲线，从图5中可以看到，通过本发明的金属膜片4的特殊设计，水平极化和垂直极化的插损误差不超过0.01，一致性较好。

图6展示了本实施例的方向图仿真曲线，从图6中可以看到±62°边缘增益不低于1dBi，方向图是中间低两边高的，能很好的用于低轨卫星的，因为地球是圆的，与卫星之间通信的传输距离不一致，这个天线就可以补偿距离差。

图7展示了本实施例的轴比仿真曲线，从图中可以看到±62°轴比优于2。

图8展示了本实施例的驻波仿真曲线，从图中可以看到，在19-23GHz驻波小于1.35。

综上，本发明的喇叭天线实现了±62°宽波束覆盖、波束赋形满足地球匹配、工作频带宽、右旋圆极化，可很好的应用于卫星通信等工程应用中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，包括90°波纹喇叭天线(1)、膜片圆极化器(2)、圆波导同轴转换器(3)，所述90°张角波纹喇叭天线的一端与所述膜片圆极化器(2)一端连接，所述膜片圆极化器(2)的另一端与所述圆波导同轴转换器(3)连接，所述90°波纹喇叭天线(1)包括第一圆形波导段，所述第一圆形波导段的口部端平面开设有三个90°张角的波纹槽(7)，所述90°波纹喇叭天线(1)的面轮廓为圆形。

2.根据权利要求1所述的一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，所述膜片圆极化器(2)包括第二圆形波导段，所述第二圆形波导段的内侧壁上对称设置若干金属膜片(4)，相向设置的两个金属膜片(4)形成椭圆形结构。

3.根据权利要求2所述的一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，所述金属膜片(4)的高度沿第二圆形波导段径向呈渐变结构，所述金属膜片(4)的弧形长度沿第二圆形波导段周向呈渐变结构。

4.根据权利要求2或3所述的一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，所述金属膜片(4)的渐变结构为：金属膜片(4)的高度从金属膜片(4)的中间向两端逐渐减小，所述金属膜片(4)在所述第二圆形波导段的内侧壁呈弧形设置，所述弧形的长度从第二圆形波导段中部向两端逐渐减小。

5.根据权利要求1或2所述的一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，所述圆波导同轴转换器(3)的一端呈圆形结构，另一端口为同轴端口，所述同轴端口外接射频连接器。

6.根据权利要求1或2所述的一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，所述90°波纹喇叭天线(1)、膜片圆极化器(2)、圆波导同轴转换器(3)的波导端口都采用直径为11.2mm的圆波导。

7.根据权利要求1或2所述的一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，所述第一圆波导段的端口平面设置有法兰盘，所述法兰盘上开设有张角为90°的三个波纹槽(7)。

8.根据权利要求1或2所述的一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，所述圆波导同轴转换器(3)与膜片圆极化器(2)呈45°角分布。

9.根据权利要求5所述的一种星载宽波束波纹喇叭天线，其特征在于，所述射频连接器为探针(5)，所述探针(5)的插入深度和所述探针(5)到短路面(6)的距离的调节范围为3.7-5.0mm。

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