CN112599980A - 一种双频段多模组合馈源喇叭 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双频段多模组合馈源喇叭，属于微波技术领域。包括支座，所述支座与外结构固定连接，所述支座上设有C频段馈源和S频段馈源组，所述C频段馈源设于支座中心，所述S频段馈源组设于C频段馈源外侧；所述S频段馈源组包括多个S频段馈源，多个所述S频段馈源沿支座中心环向均匀间隔分布，任一所述S频段馈源后端对接波导变换器。所述C频段馈源采用环加载波纹喇叭；所述环加载波纹喇叭包括光壁区、环加载区、波纹区和张角区，所述光壁区与波纹区之间通过环加载区过渡连接，所述张角区对接波纹区。本申请适用于C频段和S频段，设计合适的C频段馈源结构和口径，从而兼顾两个频段的性能。

Description

一种双频段多模组合馈源喇叭
技术领域
本发明涉及一种双频段多模组合馈源喇叭，属于微波技术领域。
背景技术
由于军事、民生、医疗等领域的发展需要，使得卫星通信技术得到了迅猛发展。对于探测遥远目标，反射面天线具有高效率特点，是国内外通信站首选体系年形式。对于任意一种形式的反射面天线而言，如果没有高效率的喇叭作为初级辐射器(简称馈源)，高效率反射面将是一句空话，可见馈源对天线性能影响极大。馈源是将来自反射面的电磁波进行处理，包括提取有用模、整合极化方式、阻抗变换等将电磁波变化为后端能够处理的信号形式；将后端送到的射频功率以电磁波形式，高效率地辐射给反射面，使其产生合适的场分布。实际应用中，馈源一般为单一频段、单一形式的喇叭天线，使得天线效率低。根据项目需要，设计一款适用于C频段和S频段的组合型馈源，且必须兼顾彼此性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种双频段多模组合馈源喇叭，适用于C频段和S频段，兼顾两者性能，提高工作效率。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种双频段多模组合馈源喇叭，包括支座，所述支座与外结构固定连接，所述支座上设有C频段馈源和S频段馈源组，所述C频段馈源设于支座中心，所述S频段馈源组设于C频段馈源外侧；
所述S频段馈源组包括多个S频段馈源，多个所述S频段馈源沿支座中心环向均匀间隔分布，任一所述S频段馈源后端对接波导变换器。
所述C频段馈源采用环加载波纹喇叭；所述环加载波纹喇叭包括光壁区、环加载区、波纹区和张角区，所述光壁区与波纹区之间通过环加载区过渡连接，所述张角区对接波纹区。
所述环加载区和波纹区的横截面分别为梯形，所述环加载区的内壁开设多个第一环向槽，多个所述第一环向槽竖向均匀间隔设置，所述第一环向槽内分别设有环，所述波纹区的内壁开设多个第二环向槽，多个所述第二环向槽竖向均匀间隔设置。
各个所述环的宽度从下至上逐渐减小。
所述环加载波纹喇叭的内口径为265～275mm，所述环加载波纹喇叭的半张角为12～18°，所述环加载波纹喇叭的相位中心与喇叭口径面相距190～210mm。
所述S频段馈源采用圆锥喇叭，所述圆锥喇叭的口径为115～125mm，各个所述圆锥喇叭的中心设于直径为410～425mm的任一圆周上。
各个所述波导变换器为渐变结构件，所述渐变结构件包括矩形波导和圆形波导，两者逐步过渡对接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：一种双频段多模组合馈源喇叭，适用于C频段和S频段。本申请在C频段馈源四周环向设置S频段馈源，在S频段馈源设于的圆周直径和C频段馈源口径(含结构要求)的双重条件约束下，设计合适的C频段馈源结构和口径，从而兼顾两个频段的性能，不仅保证了天线在C频段的工作效率高增益，而且在增加了S频段馈源后保证喇叭的遮挡尽可能小。
附图说明
图1为本发明实施例一种双频段多模组合馈源喇叭的三维示意图；
图2为图1的正视图；
图3为图1中C频段馈源的剖视图；
图4为C频段馈源频率为3.6GHz的接收方向图；
图5为C频段馈源频率为4.2GHz的接收方向图；
图6为C频段馈源频率为5.6GHz的发射方向图；
图7为C频段馈源频率为6.5GHz的发射方向图；
图8、图9为C频段喇叭接收和发射频段驻波图；
图10为图1中S频段馈源频率为2.2GHz的阵列方向图；
图11为图1中S频段馈源频率为2.4GHz的阵列方向图；
图12为S频段馈源组天线方向图特性与单元间距的关系图；
图13为图1中波导变换器的三维示意图；
图中1 C频段馈源、1.1光壁区、1.2环加载区、1.3波纹区、1.4张角区、2 S频段馈源、3支座、4波导转换器、4.1矩形波导、4.2圆形波导。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1、2所示，本实施例中的一种双频段多模组合馈源喇叭，包括支座3，支座3上设有C频段馈源1和8个S频段馈源2，C频段馈源1设于支座3中心，8个S频段馈源2环向均匀间隔分布于C频段馈源1四周，且S频段馈源2后端分别对接波导变换器4。支座3还与外结构进行固定连接。本申请实现C频段馈源1和S频段馈源2共面设计，2个频段均形成高增益、低副瓣等指标要求的天线口径分布场，实现信号的有效辐射/接收。
图3所示，其中，C频段馈源1发射频率5.8～6.5GHz；接收频率3.6～4.2GHz，由于与S频段馈源共面设计，C频段馈源1需要在保证指标的前提下尽可能小，因此，C频段馈源为环加载波纹喇叭。环加载波纹喇叭包括光壁区1.1、环加载区1.2、波纹区1.3和张角区1.4，光壁区1.1与波纹区1.3之间通过环加载区1.2过渡连接，张角区1.4对接波纹区1.3，通过内部的台阶或张角来激励、控制高次模，因为主模从光壁区中入射到波纹区时，会激发出高次模，通过控制波纹环的尺寸就可以得到所需高次模，为防止高次模辐射性能变差，设计了环加载区1.2来完成选模，张角区1.4辅助控制高次模。光壁区1.1的半径d1为43.4mm，长度b2为50mm，满足低频段的驻波特性。环加载区1.2和波纹区1.3的横截面分别为梯形，环加载区1.2的内壁开设10个第一环向槽，10个第一环向槽竖向均匀间隔设置，第一环向槽内分别设有环，每个环的宽度按照1.0至0.15比例从下至上逐渐减小。波纹区1.3的内壁开设20个第二环向槽，且第二环向槽的槽宽b1为10mm，槽深c1为22mm，20个第二环向槽竖向均匀间隔设置。张角区1.4的内径为130mm，外径为135mm。
环加载波纹喇叭的口面尺寸d2为270mm，环加载波纹喇叭的半张角α为15°，环加载波纹喇叭的相位中心与喇叭口面相距200mm。
参照图4、5、6、7，从理论计算的方向图得出，当C频段波纹喇叭对副面边缘的照射角为20°时，边缘照射电平约为-10dB，这样可以保证C频段照射效率。
参照图8、9，C频段波纹喇叭接收频段的驻波低于-45dB，满足指标要求；C频段波纹喇叭发射频段驻波低于-37.5dB，可以工作到6.5GHz。
在一个大气压下，输入1W的脉冲功率时C频段波纹喇叭内各个模式的电场分布及场强最大值。其中TM11模的场强最大(764V/m),推算在空气击穿条件下脉冲功率容量为14.4MW。同理，主模TE11模的场强为582V/m，推算其在空气击穿条件下(2.9KV/cm)的脉冲功率容量为24.82MW，由此可知C频段波纹喇叭可以承受15KW的平均功率。
S频段馈源频率范围为2.2～2.4GHz，S频段馈源为圆锥喇叭，圆锥喇叭的口面尺寸为120mm，根据仿真计算的结果，对于S频段馈源组而言，在S频段馈源口径确定的条件下，如图12所述，当S频段馈源之间的间距变大时，天线方向图的主瓣形状会畸变成马鞍形，增益下降，波束宽度变大；反之，天线方向图的主瓣增益变大，波束宽度变窄。受C频段馈源的口径、结构和厚度的约束，S频段馈源的中心设于直径为420mm的圆周上为最佳。
参照图10、11，S频段光壁喇叭阵列仿真方向图2.2GHz增益为19.0117,、2.4GHz增益为18.7508。其中，4个喇叭单元形成俯仰和/差信号，另4个喇叭单元形成方位和/差信号。并将俯仰/方位上的4喇叭和信号相加，形成8喇叭单元阵列的和信号。
参照图13，波导变换器是矩形波导到圆形波导的过渡结构，实现矩形波导主模TE10到圆波导TE11模相互转换，它是一种渐变结构，从横截面上看，它将矩形逐步变化为圆形，其总长为180mm，矩形口面为80mm*80mm。通过这种自然变化，减少了反射，降低了驻波，具有良好的阻抗匹配。
本申请包括C频段馈源、S频段馈源组、支座和波导变换器组成，整体采用嵌套式结构实现双频段馈源组合。C频段馈源采用环加载波纹喇叭，内部为半波纹和半光壁结构相结合的结构形式，以减小天线口径。S频段馈源组由8个S频段馈源组成，采用阵列方式均匀分布在C频段馈源四周，实现和/差信号的形成。支座不仅安装C频段馈源、S频段馈源组，同时也是将其固定在外部结构上的结构件。波导变换器是S频段馈源信号传输通道，保证信号质量。本申请在C频段馈源四周环向设置S频段馈源，在S频段馈源设于的圆周直径和C频段馈源口径(含结构要求)的双重条件约束下，设计合适的C频段馈源结构和口径，从而兼顾两个频段的性能，不仅保证了天线在C频段的工作效率高增益，而且在增加了S频段馈源后保证喇叭的遮挡尽可能小。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双频段多模组合馈源喇叭，其特征在于：包括支座，所述支座与外结构固定连接，所述支座上设有C频段馈源和S频段馈源组，所述C频段馈源设于支座中心，所述S频段馈源组设于C频段馈源外侧；
所述S频段馈源组包括多个S频段馈源，多个所述S频段馈源沿支座中心环向均匀间隔分布，任一所述S频段馈源后端对接波导变换器。
2.根据权利要求1所述的一种双频段多模组合馈源喇叭，其特征在于：所述C频段馈源采用环加载波纹喇叭；所述环加载波纹喇叭包括光壁区、环加载区、波纹区和张角区，所述光壁区与波纹区之间通过环加载区过渡连接，所述张角区对接波纹区。
3.根据权利要求2所述的一种双频段多模组合馈源喇叭，其特征在于：所述环加载区和波纹区的横截面分别为梯形，所述环加载区的内壁开设多个第一环向槽，多个所述第一环向槽竖向均匀间隔设置，所述第一环向槽内分别设有环，所述波纹区的内壁开设多个第二环向槽，多个所述第二环向槽竖向均匀间隔设置。
4.根据权利要求3所述的一种双频段多模组合馈源喇叭，其特征在于：各个所述环的宽度从下至上逐渐减小。
5.根据权利要求2所述的一种双频段多模组合馈源喇叭，其特征在于：所述环加载波纹喇叭的内口径为265～275mm，所述环加载波纹喇叭的半张角为12～18°，所述环加载波纹喇叭的相位中心与喇叭口径面相距190～210mm。
6.根据权利要求1所述的一种双频段多模组合馈源喇叭，其特征在于：所述S频段馈源采用圆锥喇叭，所述圆锥喇叭的口径为115～125mm，各个所述圆锥喇叭的中心设于直径为410～425mm的任一圆周上。
7.根据权利要求1所述的一种双频段多模组合馈源喇叭，其特征在于：各个所述波导变换器为渐变结构件，所述渐变结构件包括矩形波导和圆形波导，两者逐步过渡对接。
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