CN112542681A - 一种E-band双频段抛物面天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种E‑band双频段抛物面天线，包括天线本体，所述天线本体的内侧设置有天线式馈源，天线本体的底部依次设置有用于安装该天线本体的中心盘和用于将两个频段组合在一起的功分网络组件，本发明创新性的提出一种共喷口多频馈源，不但工艺简单成本低，而且通过加载匹配介质环和扼流槽，在口径上分别激励高低频的高次模TM11，结合馈线传输的TE11模，既改善了口径场分布，也保证了高低频的相位中心重合问题，使得高低频的E面和H面主瓣等化，可以获得更高的辐射效率和更优的低旁瓣辐射包络。

Description

一种E-band双频段抛物面天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种E-band双频段抛物面天线。

背景技术

随着空间微波技术的发展，对天线系统的要求日益提高，由单频段、单极化、单一功能向着多频段、多极化和多功能的方向发展。其中，双频或多频共用技术由于解决了一套天线复用多个频段的问题,带来了巨大的社会效益和经济效益，日益成为天线研究的热点。

双频段反射面天线具有常规单频天线同等的电气和机械性能，一个双频微波天线集合两个单频微波天线，这样的天线在工程应用中只使用一副天线的空间，在同一跳链路上传输高频信号(如E-band )保证传输带宽同时又能传输低频段(如15GHz、18GHz、23GHz )信号，高频段的高容量和低频段的长距离特性相结合，在提供超大带宽的同时还强化了QoS业务保护机制，是面向未来有效提升微波网络容量的极佳解决之道。该天线的研发和制造正是为了满足新一代微波通信技术的新需求，能够密集化的通信环境中保持良好的通信效果。由于双频微波天线在系统中作用十分明显，所以尽管价格较高，仍得到业界的一致好评，因此市场前景发展良好。

从当前国际市场上看，双频微波天线有需求的市场主要分布在通信市场较为成熟的国家，如北美、西欧、以色列、沙特阿拉伯和南非大陆等，均为5G通信建设较快的国家。虽然双频微波天线在世界上正处于刚刚起步发展的阶段，但随着5G的建设呈现出快速增长的态势，市场需求前景良好。

发明内容

本发明的目的是提供一种E-band双频段抛物面天线，本发明的E-band双频段抛物面天线实现了常规低频段和E-band频段的组合，实现了共用副面和主面，不仅可以为通信增加容量，还可以为通信传输增加传输距离。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种E-band双频段抛物面天线，包括天线本体，所述天线本体的内侧设置有天线式馈源，天线本体的底部依次设置有用于安装该天线本体的中心盘和用于将两个频段组合在一起的功分网络组件，天线式馈源包括副反射面、用于安装副反射面的副反射面支架以及设置在副反射面支架内部的共喷口同轴馈源，副反射面支架安装在天线本体的底部内侧；

共喷口同轴馈源包括第一E-band频段波导管和套设在第一E-band频段波导管外侧的第一低频段波导管，第一低频段波导管从天线本体的底部穿出后连接至功分网络组件，第一E-band频段波导管从第一低频段波导管的底部穿出后继续向外侧延伸并贯穿功分网络组件设置，功分网络组件的一侧沿水平方向设置有与功分网络组件相连的第二低频段波导管。

进一步的，所述共喷口同轴馈源还包括喇叭口、扼流槽、PC膜、PC介质块和金属套，喇叭口扣合在扼流槽的顶端且扼流槽的顶部与喇叭口之间压合有PC膜，扼流槽安装在第一低频段波导管的顶端，扼流槽对第一低频段波导管辐射的电磁能量具有抑制和改善作用，第一E-band频段波导管的顶端外侧设置有金属套，PC介质块设置在金属套与第一低频段波导管之间。

进一步的，所述的PC膜与扼流槽之间、扼流槽与第一低频段波导管之间、金属套与第一E-band频段波导管之间、PC介质块与金属套之间以及PC介质块与第一低频段波导管之间均具有相互配合的间隙结构并在该间隙结构处通过胶水实现固定和密封连接，以保证共喷口同轴馈源的气密性能。

进一步的，通过改变PC介质块的物理形状可以使第一低频段波导管传输的电磁波获得更好的驻波和交叉极化等电气性能。

进一步的，所述功分网络组件包括加载圆转矩正交模耦合器和十字型旋转门正交模耦合器，第一E-band频段波导管和第二低频段波导管分别通过一个加载圆转矩正交模耦合器实现双极化，第一E-band频段波导管实现双极化后在第一E-band频段波导管中传输，第二低频段波导管实现双极化后还通过一个十字型旋转门正交模耦合器连接至共喷口同轴馈源并可在共喷口同轴馈源中传输。

进一步的，所述副反射面整体呈倒立的锥形结构，其与副反射面支架以及共喷口同轴馈源共同组成环焦天线式馈源。

进一步的，所述副反射面整体呈弧形结构，其与副反射面支架以及共喷口同轴馈源共同组成卡塞格伦天线式馈源。

进一步的，所述天线本体包括宽频天线罩、用于固定宽频天线罩的金属压条、天线围边以及反射面，宽频天线罩通过金属压条与天线围边的顶端紧固连接，天线围边的底端与反射面的大口径端连接，天线围边的内侧设置有吸波材料，所述的共喷口同轴馈源居中设置在反射面的底部内侧。

进一步的，所述中心盘与反射面连接，中心盘通过相应的紧固装置将该抛物面天线固定在天线抱杆上。

进一步的，第一E-band频段波导管和第二低频段波导管均为圆波导。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的E-band双频段抛物面天线实现了常规低频段和E-band频段的组合，实现共用副面和主面，不仅可以为通信增加容量，也可以为通信传输增加传输距离；

2、解决了E-band天线对准困难问题，E-band频段天线具有高增益低半功率角的特点，天线对准难度大，而低频段相对E-band频段的半功率角较大，对准更为容易，有效解决E-band天线对准难的问题；

3、该发明的E-band双频段抛物面天具有较低的轮廓和流线型外形设计，降低了材料消耗和增强了抗风能力。

附图说明

图1是本发明一种E-band双频段抛物面天线的整体剖面结构示意图；

图2是本发明采用环焦天线式馈源时天线式馈源的结构示意图；

图3是本发明采用卡塞格伦天线式馈源时天线式馈源的结构示意图；

图4是本实施例中功分网络组件的结构示意图；

图中标记：101、宽频天线罩，102、金属压条，103、吸波材料，104、天线围边，105、反射面，106、天线式馈源，107、中心盘，108、功分网络组件，109、第二低频段波导管，201、副反射面支架，202、副反射面，203、喇叭口，204、扼流槽，205、PC膜，206、PC介质块，207、金属套，208、第一E-band频段波导管，209、第一低频段波导管，501、十字馈电结构，502、正交模耦合器，503、极化旋转结构，504、Y型合路结构，505、H面90°波导弯头，506、E面90°旋转弯头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的原理如下：本发明创新性的提出一种共喷口多频馈源，不但工艺简单成本低，而且通过加载匹配介质环和扼流槽，在口径上分别激励高低频的高次模TM11，结合馈线传输的TE11模，既改善了口径场分布，也保证了高低频的相位中心重合问题，使得高低频的E面和H面主瓣等化，可以获得更高的辐射效率和更优的低旁瓣辐射包络。

本发明的方案具体如下：一种E-band双频段抛物面天线，如图1所示，主要由宽频天线罩101、用于固定宽频天线罩的金属压条102、吸波材料103、天线围边104、反射面105、天线式馈源106、中心盘107和功分网络组件108构成。其中，因E-band频段具有高增益、低半功率角的特点，反射面105的口径选择为0.2-0.9m为佳。宽频天线罩101为MPP（聚丙乙烯微孔）发泡材料，介电常数稳定，介于1.1~1.15，对电磁波传输损耗小，选择厚度≥25mm，保证可靠的结构强度。宽频天线罩101通过金属压条102与天线围边104的顶端紧固连接，金属压条102和天线围边104均为倒“L”型结构；天线围边104上设置的孔为结构安装孔，天线围边104内侧附有吸波材料103，吸波材料103对天线远场方向图近旁瓣电平具有抑制作用，从而改善远场方向图，满足ETSI标准。

天线围边104的底端与反射面105的大口径端连接，反射面105将天线式馈源106产生的电磁能量进行反射和放大，并向外传输，天线式馈源106居中设置于反射面105的底部内侧，并固定在功分网络组件108上。

中心盘107与反射面105连接，中心盘107通过相应的紧固装置（如挂架），将天线固定在天线抱杆上。

功分网络组件108是将E-band频段和低频段组合一起的装置，其内部结构包含一个“十”字型旋转门正交模耦合器（OMT）和一个圆转矩正交模耦合器（OMT），将第二低频波导管109输入的导模中的相互正交的TE11模通过圆转矩正交模耦合器（OMT）分离，TE11模分别在功分网络组件108中传输，最终经过“十”字型旋转门正交模耦合器（OMT）将TE11模在共喷口同轴馈源106中传输，实现双极化；第一E-band频段波导管208和第二低频段波导管109均为圆波导，均可传输相互正交的TE11模，第一E-band频段波导管208通过加载圆转矩正交模耦合器（OMT）可实现双极化，此处需要说明的是，圆波导直接接一个正交模耦合器就可以实现双极化为行业的常识，所以图中并未示出，也没有给出具体说明。同样地，第二低频段波导管109通过加载圆转矩正交模耦合器（OMT）也可实现双极化传输，两个频段的馈电示意可参考图4。

本发明中的天线式馈源106可以是环焦天线式馈源，也可以是卡塞格伦天线式馈源，其中，环焦天线式馈源的结构如图2所示，其副反射面202整体呈倒立的锥形结构；卡塞格伦天线式馈源的结构如图3所示，其副反射面202整体呈弧形结构。为了更好的减小两个频段共用馈源和反射面而造成的天线口径相位差，同时为使两个频段的幅度分布更为合理，可以考虑对环焦抛物面和卡塞格伦天线进行赋形设计，其中，环焦反射面具有偏焦的特点，可以减少馈源遮挡，提高天线效率。结合馈源的边缘照射电平和锥削设计，优化焦径比和展角照射范围，拟结合泰勒分布的口面场，最终实现宽频带、高增益、低旁瓣、高隔离、高交叉极化的天线辐射性能。共用的副面可开模批量生产，有利于降低产品成本和适应大批量生产。

本发明以图2所示的环焦天线式馈源为例，对本发明的技术方案进行详细说明，副反射面202整体呈倒立的锥形结构并固定在副反射面支架201上，副反射面支架201固定在天线本体的底部内侧。

共喷口同轴馈源主要由喇叭口203、扼流槽204、PC（聚碳酸酯）膜205、PC（聚碳酸酯）介质块206、金属套207、第一E-band频段波导管208、第一低频段波导管209组成，喇叭口203压紧PC膜205，并在PC膜205边缘涂抹胶水，喇叭口203扣合在扼流槽204的顶端，其中，喇叭口203和扼流槽204具有相互配合的间隙结构，通过在间隙填充胶水使得两者紧固连接，同样地，扼流槽204和低频段波导管209通过同样方式紧固连接，可以使得共喷口同轴馈源密封，保证气密性能；扼流槽204对低频段波导管209辐射的电磁能量具有抑制和改善作用，使得低频段辐射的电磁能量满足边缘照射电平和锥削设计。金属套207与第一E-band频段波导管208通过间隙填充胶水结构紧固，同样地，PC介质块206使用同样结构功能紧固在金属套207和第一低频段波导管209之间，PC介质块206和金属套207具有固定第一E-band波导管208的作用，使第一E-band波导管208居中于第一低频段波导管209， PC介质块206和金属套207处于低频段波导管209内，通过改变其物理形状可以使低频段波导管209传输的电磁波获得更好的驻波和交叉极化等电气性能。第一E-band波导管208传输第一E-band频段电磁波，波长记为λ1，第一低频段波导管209传输低频段电磁波，波长记为λ2，（λ1/λ2）≥2，即E-band（71-86GHz）可以与35.5GHz及以下频段任意组合。

如图4所示为功分网络组件的结构示意图，所述功分网络组件包括加载圆转矩正交模耦合器和十字型旋转门正交模耦合器，第一E-band频段波导管208和第二低频段波导管109分别通过一个加载圆转矩正交模耦合器实现双极化，第一E-band频段波导管208实现双极化后在第一E-band频段波导管208中传输，第二低频段波导管109实现双极化后还通过一个十字型旋转门正交模耦合器连接至共喷口同轴馈源并可在共喷口同轴馈源中传输。

功分网络组件108主要由1个或多个以下结构或部分组成，本实施例中功分网络组件108包括两个加载圆转矩正交模耦合器和一个十字型旋转门正交模耦合器，其中，加载圆转矩正交模耦合器包括正交模耦合器502和极化旋转结构503，十字型旋转门正交模耦合器包括十字馈电结构501、H面90°波导弯头505、E面90°旋转弯头506和Y型合路结构504；第一低频段波导管209从天线本体的底部穿出后连接至十字馈电结构501，第一E-band频段波导管208从第一低频段波导管209的底部穿出后继续向外侧延伸并贯穿十字馈电结构501设置；

十字馈电结构501分出四路波导，其中两路相对设置的波导合成一路后，依次经过H面90°波导弯头505和Y型合路结构504后连接至正交模耦合器502，另两路相对设置的波导合成一路后，依次经过E面90°旋转弯头506和极化旋转结构503后连接至正交模耦合器502，经正交模耦合器502合路后共同连接至所述的第二低频段波导管109，反之亦然。

由第一低频段波导管209和第一E-band频段波导管208共同组成的共喷口同轴馈源和由第一E-band频段波导管208组成的圆波导馈源的口面直径决定馈源辐射方向图的波束宽度，为改善同轴馈源的方向图及驻波比性能，将同轴馈源的外导体进行改进，选择曲线轮廓加载，外加副镜，实现单馈源多频工作。共轴方法设计双频馈源，并经过对馈源和外部导体形状的优化、赋形，达到共用副反射面的效果，利用共轴方法设计同轴双频馈源，实现圆极化传输，易实现双极化。

经过对本发明提供的E-band双频段抛物面天线的宽频天线罩101的介电常数进行测试，可以得出本发明中的宽频天线罩101在1Ghz-80GHz介电常数稳定，介于1.1~1.15，接近空气介电常数1，本领域技术人员公知，任一物质的介电常数越接近空气，该物质对电磁传输的损耗就越小，所以该宽频天线罩作为本发明E-band双频段抛物面天线的天线罩是合适的。

本发明可以工作在5-86GHz，使该双频段抛物面天线的频段组合共用同一天线罩不受影响，该天线罩不仅能够保证电性能，还可以可以保护天线不受雨、雾、冰、沙、大风、紫外线等复杂恶劣的环境影响，实现防尘防水、抗风抗UV。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种E-band双频段抛物面天线，包括天线本体，其特征在于：所述天线本体的内侧设置有天线式馈源，天线本体的底部依次设置有用于安装该天线本体的中心盘和用于将两个频段组合在一起的功分网络组件，天线式馈源包括副反射面、用于安装副反射面的副反射面支架以及设置在副反射面支架内部的共喷口同轴馈源，副反射面支架安装在天线本体的底部内侧；

共喷口同轴馈源包括第一E-band频段波导管和套设在第一E-band频段波导管外侧的第一低频段波导管，第一低频段波导管从天线本体的底部穿出后连接至功分网络组件，第一E-band频段波导管从第一低频段波导管的底部穿出后继续向外侧延伸并贯穿功分网络组件设置，功分网络组件的一侧沿水平方向设置有与功分网络组件相连的第二低频段波导管。

2.根据权利要求1所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：所述共喷口同轴馈源还包括喇叭口、扼流槽、PC膜、PC介质块和金属套，喇叭口扣合在扼流槽的顶端且扼流槽的顶部与喇叭口之间压合有PC膜，扼流槽安装在第一低频段波导管的顶端，扼流槽对第一低频段波导管辐射的电磁能量具有抑制和改善作用，第一E-band频段波导管的顶端外侧设置有金属套，PC介质块设置在金属套与第一低频段波导管之间。

3.根据权利要求2所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：所述的PC膜与扼流槽之间、扼流槽与第一低频段波导管之间、金属套与第一E-band频段波导管之间、PC介质块与金属套之间以及PC介质块与第一低频段波导管之间均具有相互配合的间隙结构并在该间隙结构处通过胶水实现固定和密封连接，以保证共喷口同轴馈源的气密性能。

4.根据权利要求3所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：通过改变PC介质块的物理形状可以使第一低频段波导管传输的电磁波获得更好的驻波和交叉极化等电气性能。

5.根据权利要求1所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：所述功分网络组件包括加载圆转矩正交模耦合器和十字型旋转门正交模耦合器，第一E-band频段波导管和第二低频段波导管分别通过一个加载圆转矩正交模耦合器实现双极化，第一E-band频段波导管实现双极化后在第一E-band频段波导管中传输，第二低频段波导管实现双极化后还通过一个十字型旋转门正交模耦合器连接至共喷口同轴馈源并可在共喷口同轴馈源中传输。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：所述副反射面整体呈倒立的锥形结构，其与副反射面支架以及共喷口同轴馈源共同组成环焦天线式馈源。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：所述副反射面整体呈弧形结构，其与副反射面支架以及共喷口同轴馈源共同组成卡塞格伦天线式馈源。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：所述天线本体包括宽频天线罩、用于固定宽频天线罩的金属压条、天线围边以及反射面，宽频天线罩通过金属压条与天线围边的顶端紧固连接，天线围边的底端与反射面的大口径端连接，天线围边的内侧设置有吸波材料，所述的共喷口同轴馈源居中设置在反射面的底部内侧。

9.根据权利要求8所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：所述中心盘与反射面连接，中心盘通过相应的紧固装置将该抛物面天线固定在天线抱杆上。

10.根据权利要求1所述的一种E-band双频段抛物面天线，其特征在于：第一E-band频段波导管和第二低频段波导管均为圆波导。

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