CN112490674A - 一种基于双频馈源馈电具有副反射面的低焦径比反射面天线 - Google Patents

一种基于双频馈源馈电具有副反射面的低焦径比反射面天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双频馈源馈电具有副反射面的低焦径比反射面天线，属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线，适用于微波、毫米波等雷达和通信系统中。本发明包括能够同时工作在Ku，E波段的双频馈源，反射面，支撑分离开内外波导的固定介质，高频副面介质，低频副面支撑金属，印刷有金属贴片的低频副面反射阵。低频副面反射阵的金属贴片调节低频的相移，实现在反射面的环焦上等相。本发明具有能够工作与Ku，E波段双频段，有效解决了反射面天线的双频和低剖面问题，可用于需要高增益的双频低剖面通信系统。

Description

一种基于双频馈源馈电具有副反射面的低焦径比反射面天线
技术领域
本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线，适用于微波、毫米波等雷达和通信系统中。
背景技术
基于反射面的反射面天线是常见的传统的高增益天线。虽然结构较为简单，但是由于馈源前置，馈源和馈源的固定装置会造成一定的馈源遮挡。并且为了使主反射面获得较好的照射幅度与锥削，一般焦径比都较大，馈源高出反射面的口面，使得天线轴向长度较大，占用了较大的空间。为了解决馈源的遮挡问题，人们提出了双反射面天线，电磁波从初级馈源发射出来后，经过副反射面的反射，然后照射到主反射面上。但是却存在一些问题，首先一般的馈源不能在频率间隔很宽的两个频段内保持对副反射面的照射波束不变，其次副反射面也需要可以工作在两个频段，因此用单个馈源实现有副面的反射面双频工作是一个难题。
近来年天线领域学者屈世伟教授在“K/Ka Dual-Band ReflectarraySubreflector for Ring-Focus Reflector Antenna”中提出利用在两个不同频段都可以有较大的相移范围的反射单元，优化设计了两个频段的副面的相位分布，获得了可以两个频段都有工作能力的副反射面。但是却存在一些问题就是没有一个可以工作在两个相应频段的馈源，并且天线焦径比较大。因此，需要实现单个馈源馈电的低剖面的双频反射面还需要进一步的设计。
综上所述，传统的反射面天线较难同时满足一个馈源实现双频工作并且焦径比小的能力。本发明正式针对这些关键问题而提出的。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述问题，设计一种低焦径比的反射面天线，使得该天线具有能双频同时工作能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于双频馈源馈电具有副反射面的低焦径比反射面天线，该天线包括：双频馈源、高频副面介质、副面支撑金属、低频副面反射阵、环焦反射面；
所述双频馈源包括：低频馈源和高频馈源，其中，低频馈源为同轴喇叭，该同轴喇叭包括传输段和扩张段，传输段为中空管状，扩张段为喇叭状，传输段底端的侧边开口为同轴喇叭的输入接口；高频馈源为圆波导，该圆波导与同轴喇叭的轴心重合，位于同轴喇叭腔体内部，从同轴喇叭的传输段底端开口为圆波导输入接口；同轴喇叭的传输段与扩张段的交界处设置固定介质，用于圆波导；
所述圆波导的输出端连接高频副面介质的一端，高频副面介质的另一端与副面支撑金属的一端配合连接，副面支撑金属的另一端固定于低频副面反射阵的中心位置；所述低频副面反射阵为平板状；所述高频副面介质整体呈圆锥形，圆锥顶部为阶梯状，圆锥底面向内凹陷，该凹面涂覆有银，该凹面的腰线为向内凸起的椭圆母线；圆锥顶部朝向双频馈源中的圆波导，阶梯状结构全部位于圆波导腔体内，圆锥底面与副面支撑金属的一端完全配合；
所述环焦主反射面为碗状，其内曲面线为抛物线母线，双频馈源从碗底伸入，低频副面反射阵位于碗的中心位置。
进一步的，所述双频馈源内的固定介质朝向同轴喇叭传输段的一侧为阶梯状。
本发明的有益效果是：通过能同时在Ku，E波段工作的双频馈源，分别低频给反射阵副面馈电，高频给环焦副面的形式，使得天线能够在焦径比0.2的情况下实现双频工作。
附图说明
图1中(a)为所述基于双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的结构示意图，(b)为本发明天线中双频馈源、高频副面介质、副面支撑金属、低频副面反射阵部分的结构示意图。
图2为中所述低频同轴喇叭的两个接口示意图。
图3中(a)为中所述双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的低频Ku频段E面方向图；(b)为中所述双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的低频Ku频段H面方向图。
图4中(a)为中所述双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的高频E频段E面方向图；(b)为中所述双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的高频E频段H面方向图。
图中，101.双频馈源，102.低频同轴喇叭，103.高频圆波导，104.固定介质，105.高频副面介质，106.低频副面反射阵，107.副面支撑金属，108.环焦反射主面，109.同轴喇叭输入端口，110.圆波导输入端口。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的在于：针对上述问题，设计一种低焦径比的反射面天线，使得该天线具有能双频同时工作能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线。所述基于双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线如图1所示，包括同轴喇叭102，圆波导103，固定介质104，高频副面介质105，印刷有金属贴片的低频副面反射阵106，副面支撑金属107，环焦反射面108。其中低频同轴喇叭102下方有横向弯折，该弯折设计是为了给低频馈电所做的处理，并且激励起低频所需要的馈电模式。两个频段分别用标准波导固定在低频同轴喇叭102的两个接口端面喇叭输入端口109处,圆波导输入端口110处馈电，其中低频从同轴喇叭输入端口109馈电，高频从圆波导输入端口110馈电。双频馈源部分包括双频馈源接头，低频同轴喇叭102，高频圆波导103，固定介质104。图2是指示说明低频同轴喇叭102的两个接口端面喇叭输入端口109处,圆波导输入端口110处。
环焦天线是副面为椭圆母线或者双曲线母线的曲面。高频的副面采用椭圆母线曲面。高频的副面是高频副面介质105的涂有银浆的曲线面，这样可以使得高频电磁波在该表面反射。该椭圆曲线的一个焦点为高频圆波导电磁波出射的相位中心，另一个焦点为反射面的环焦。高频副面介质105下方有阶梯型的变换，通过调节高频副面介质105下方的阶梯介质可以调节高频驻波，有效改善高频效率。
低频的副面是印刷有金属贴片的副面反射阵106。该副面中心挖有方形小孔，副面支撑金属107上端穿过该孔，副面支撑金属107下端的放在高频副面介质105上，这样就将低频的副面是印刷有金属贴片的副面反射阵106稳定在了高频副面上方，不会造成印刷有金属贴片的副面反射阵106的悬空放置。该副面是将传统的环焦天线的曲线副面利用平面反射阵实现。印刷有金属贴片的副面反射阵106的金属贴片单元可以补偿从低频同轴喇叭102出射的电磁波的相位。
高频的圆波导103的中心与低频同轴喇叭102的圆心重合，高频圆波导103嵌入进了低频同轴喇叭102下方孔中，固定住了下方，但是如果没有固定装置将高频圆波导103上方固定住，那么将会造成高频圆波导103的左右晃动，因此加入了固定介质104。固定介质104中间开有小孔，使得高频圆波导103穿过。这样就将高频圆波导103固定住。固定介质104下面有阶梯型的变化，这样是调节低频同轴喇叭102的驻波，使得加入固定介质104后的低频同轴喇叭有较小的反射系数。
给两个频段分别馈电的位置如图2所示，低频同轴喇叭102的喇叭输入端口109处为低频标准波导馈电处，低频同轴喇叭102的圆波导输入端口110处为高频标准波导馈电处。需要说明的是，高频圆波导工作在其主模式TE11模式，根据频段范围可以得到其圆波导的内壁半径；低频同轴喇叭102工作模式是同轴的高次模TE11模式，低频同轴喇叭102的喇叭输入端口109处通过标准矩形波导从侧面馈电进入低频同轴喇叭，激励起同轴波导内的TE11模式。同轴波导的高次模TE11和高次模TE21的截止波长分别如下：
TE11模截止波长：λTE11＝π(b+a)；
TE21模截止波长：λTE21＝π(b+a)/2；
通过以上公式可计算出低频同轴波导的内壁半径取值范围。另外通过调节低频同轴波导的内壁半径可以得到最优的从标准矩形波导到同轴波导的TE11模式激励系数。
传统的环焦天线是副面为椭圆母线或者双曲线母线的曲面。高频的副面采用椭圆母线曲面。高频的副面是高频副面介质105的涂有银浆的曲线面，这样可以使得高频电磁波在该表面反射。该椭圆曲线的一个焦点为高频圆波导电磁波出射的相位中心，另一个焦点为反射面的环焦。高频副面介质105下方有阶梯型的变换，通过调节高频副面介质105下方的阶梯介质可以调节高频驻波，有效改善高频效率。
低频的副面是印刷有金属贴片的副面反射阵106。该副面中心挖有小孔，该孔的大小与形状和副面支撑金属107的上端是一样，这样可以使副面支撑金属107的上端穿过该孔。副面支撑金属107下端的曲面形状与高频副面介质105的上方曲面形状完全一样，这样就能将副面支撑金属107下端放置在高频副面介质105上方。这样设计能使得印刷有金属贴片的副面反射阵106稳定在了高频副面上方，不会造成印刷有金属贴片的副面反射阵106的悬空放置。
高频的圆波导的中心与低频同轴喇叭的圆心重合，如果没有固定装置将高频圆波导固定住，那么将会造成高频圆波导的左右晃动，因此加入了固定介质104。固定介质104中间开有小孔，使得高频圆波导穿过。这样就将高频圆波导固定住。固定介质104下面有阶梯型的变化，这样是调节低频同轴喇叭的驻波，使得加入固定介质104后的低频同轴喇叭有较小的反射系数。
图3(a)所示是该双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的低频E面方向图，图3(b)所示是该双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的低频H面方向图，横坐标为theta值，单位为度，纵坐标为增益值，单位为dB值；
图4(a)所示是该双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的E高频方向图，图4(b)所示是该双频馈源馈电的具有副反射面的低焦径比反射面天线的H高频方向图，横坐标为theta值，单位为度，纵坐标为增益值，单位为dB值。

Claims (2)

1.一种基于双频馈源馈电具有副反射面的低焦径比反射面天线，该天线包括：双频馈源、高频副面介质、副面支撑金属、低频副面反射阵、环焦反射面；
所述双频馈源包括：低频馈源和高频馈源，其中，低频馈源为同轴喇叭，该同轴喇叭包括传输段和扩张段，传输段为中空管状，扩张段为喇叭状，传输段底端的侧边开口为同轴喇叭的输入接口；高频馈源为圆波导，该圆波导与同轴喇叭的轴心重合，位于同轴喇叭腔体内部，从同轴喇叭的传输段底端开口为圆波导输入接口；同轴喇叭的传输段与扩张段的交界处设置固定介质，用于圆波导；
所述圆波导的输出端连接高频副面介质的一端，高频副面介质的另一端与副面支撑金属的一端配合连接，副面支撑金属的另一端固定于低频副面反射阵的中心位置；所述低频副面反射阵为平板状；所述高频副面介质整体呈圆锥形，圆锥顶部为阶梯状，圆锥底面向内凹陷，该凹面涂覆有银，该凹面的腰线为向内凸起的椭圆母线；圆锥顶部朝向双频馈源中的圆波导，阶梯状结构全部位于圆波导腔体内，圆锥底面与副面支撑金属的一端完全配合；
所述环焦主反射面为碗状，其内曲面线为抛物线母线，双频馈源从碗底伸入，低频副面反射阵位于碗的中心位置。
2.如权利要求1所述的一种基于双频馈源馈电具有副反射面的低焦径比反射面天线，其特征在于，所述双频馈源内的固定介质朝向同轴喇叭传输段的一侧为阶梯状。
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