CN114050421B - 两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统及应用 - Google Patents

两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，包括馈源、偏馈主反射面、副反射面、俯仰旋转机构和方位旋转机构；馈源为圆锥形的馈源喇叭，馈源固定不动，馈源的轴线与偏馈主反射面的辐射主瓣方向垂直；副反射面位于偏馈主反射面辐射方向一侧，副反射面的法相方向与偏馈主反射面的辐射方向夹角为45°；俯仰旋转机构与副反射面连接，带动副反射面绕偏馈主反射面的辐射主轴转动；方位旋转机构与偏馈主反射面、副反射面连接，带动偏馈主反射面、副反射面绕馈源的轴线转动。采用本发明的两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统及应用，可以实现较为快速的旋转速度，同时较为方便地实现天线系统的车载运输和工作展开。

Description

两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统及应用
技术领域
本发明涉及一种两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统及应用，属于高功率微波技术领域。
背景技术
随着高功率微波技术的发展，基于大口径反射面的高功率微波天线以其结构简单、成本低在国内外研究单位中得到广泛应用。国内西北核技术研究院研制了基于波束波导的大口径反射面天线，工作频率x波段，美国雷神公司研制一款反无人机高功率微波辐射装置，其辐射天线也是双反射面天线。
目前对于低频率的反射面天线，不能采用波束波导，要实现波束扫描，大都通过旋转关节，以较大的馈线损耗为代价，通过带动馈源喇叭和反射面机械旋转实现方位和俯仰波束扫描。为实现高功率微波功率容量，馈源喇叭和馈线尺寸和重量均不小，这又为实现快速旋转带来了较大的难度。
高功率微波装置要实现车载运输，需要进行天线收装，以满足车载运输尺寸要求，传统高功率微波反射面天线，由于要带着馈源喇叭及传输馈线进行天线转动，因此天线收装较为困难。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，本发明可以实现较为快速的旋转速度，同时较为方便地实现天线系统的车载运输和工作展开。
本发明采用的技术方案如下：
两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，包括馈源、偏馈主反射面、副反射面、俯仰旋转机构和方位旋转机构；
所述馈源为圆锥形的馈源喇叭，馈源固定不动，馈源的轴线与偏馈主反射面的辐射主瓣方向垂直；
所述副反射面位于偏馈主反射面辐射方向一侧，副反射面的法相方向与偏馈主反射面的辐射方向夹角为45°，将偏馈主反射面的辐射直角反射；
所述俯仰旋转机构与副反射面连接，俯仰旋转机构以偏馈主反射面的辐射主轴为旋转轴，带动副反射面绕偏馈主反射面的辐射主轴转动；
所述方位旋转机构与偏馈主反射面、副反射面连接，方位旋转机构以馈源的轴线为旋转轴，带动偏馈主反射面、副反射面绕馈源的轴线转动。
在本发明中，在进行波束扫描时，保持馈源固定不动；方位旋转机构带动偏馈主反射面、副反射面绕馈源的轴线转动，从而实现辐射波束的方位0°～360°扫描；俯仰旋转机构单独带动副反射面绕偏馈主反射面的辐射主轴转动，从而实现辐射波束的俯仰-10°～+90°扫描。本发明在馈源喇叭固定的情况下，通过仅旋转反射面实现辐射波束的两维波束扫描，由于不需旋转馈源喇叭，可以实现较为快速的旋转速度，解决了传统高功率微波大口径反射面天线辐射波束扫描速度较慢的缺点；同时本发明的天线系统基于馈源与反射面分置的偏馈反射面设计，便于反射面收装，特别实用于公路或火车车载技术要求。
作为优选，所述馈源的喇叭口径为400mm，长度为178mm，馈入端口的直径为115.5mm，天线窗的厚度为半波长42mm。
在上述方案中，当偏馈主反射面绕馈源轴线方位旋转时，馈源对偏馈主反射面的照射锥角会相应变化，从而影响偏馈主反射面的辐射效率，通过设计优化馈源结构，可以将辐射效率波动控制在一定合理范围内。
作为优选，所述馈源馈入高功率微波的模式为TE11模，馈源采用真空绝缘和平板介质窗实现真空密封，馈源满足高功率微波功率容量要求：馈源喇叭腔内最大电场不大于600kV/cm，介质窗真空侧最大电场不大于60kV/cm，介质窗大气侧最大电场不大于40kV/cm。
作为优选，所述馈源的辐射相位中心与偏馈主反射面的焦点重合。
作为优选，所述馈源的方向图照射锥削与偏馈主反射面相匹配。
在上述方案中，馈源辐射在主反射面边缘电平为-10dB左右，馈源的方向图照射锥削(-10dB)与偏馈主反射面相匹配。
作为优选，所述馈源的方向图照射锥削角与馈源对偏馈主反射面的照射角相匹配。
在上述方案中，所述馈源的E面、H面方向图-10dB角与馈源对偏馈主反射面的照射角(E面、H面)接近，可以实现较为优化的照射锥削。
作为优选，所述偏馈主反射面和副反射面的最小尺寸不小于10倍微波波长。
作为优选，所述偏馈主反射面的辐射口径为长方形，偏馈主反射面的长为6.4m，宽为2.8m。
在上述方案中，长方形的结构便于装配。
作为优选，所述副反射面为椭圆形，副反射面的长轴为4.5m，短轴为2.8m。
在上述方案中，由于来自偏馈主反射面的辐射波束并非固定的高斯波束，因此当副反射面沿旋转轴转动实现俯仰波束扫描时会带来辐射效率的波动，合理设计偏馈主反射面和副反射面结构，可将波动控制在合理范围内。
作为优选，所述偏馈主反射面、副反射面采用碳纤维制作。
在上述方案中，采用碳纤维材料制作，可以具有较轻的重量，从而实现较快的波束扫描速度。
一种上述两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统的应用，所述天线系统设置于车辆或火车车厢上。
作为优选，所述偏馈主反射面的一端通过转轴铰接在车厢顶板上，另一端设置螺纹丝杠实现偏馈主发射面工作状态的支撑和收装；可方便实现车载运输及工作展开。
本发明的两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，可在馈源喇叭固定的情况下，通过仅旋转反射面实现辐射波束的两维波束扫描，由于不需旋转馈源喇叭，可以实现较为快速的旋转速度，解决了传统高功率微波大口径反射面天线辐射波束扫描速度较慢的缺点；同时基于馈源喇叭与反射面分置的偏馈反射面设计，便于反射面收装，因此特别实用于公路或火车车载技术要求。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、可以实现较为快速的旋转速度；
2、可以方便实现车载运输及工作展开。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是天线系统的结构示意图；
图2是天线系统的旋转示意图；
图3是偏馈反射面的天线设计图；
图4是S波段馈源喇叭结构示意图；
图5是S波段馈源喇叭电场分布图；
图6是馈源喇叭辐射E面方向图；
图7是馈源喇叭辐射H面方向图；
图8是天线系统结构布局及仿真得到的三维方向图；
图9是天线系统E面方向图；
图10是天线系统H面方向图；
图11是天线系统的馈入反射曲线。
图中标记：1-馈源、2-偏馈主反射面、3-副反射面、4-俯仰旋转机构、5-方位旋转机构。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，本实施例的两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，包括馈源、偏馈主反射面、副反射面、俯仰旋转机构和方位旋转机构；
馈源为圆锥形的馈源喇叭，馈源固定不动，馈源的轴线与偏馈主反射面的辐射主瓣方向垂直，馈源的辐射相位中心与偏馈主反射面的焦点重合；馈源的喇叭口径为400mm，长度为178mm，馈入端口的直径为115.5mm，天线窗的厚度为半波长42mm；馈源馈入高功率微波的模式为TE11模，馈源采用真空绝缘和平板介质窗实现真空密封，馈源满足高功率微波功率容量要求：馈源喇叭腔内最大电场不大于600kV/cm，介质窗真空侧最大电场不大于60kV/cm，介质窗大气侧最大电场不大于40kV/cm；
副反射面位于偏馈主反射面辐射方向一侧，副反射面的法相方向与偏馈主反射面的辐射方向夹角为45°，将偏馈主反射面的辐射直角反射；偏馈主反射面的辐射口径为长方形，偏馈主反射面的长为6.4m，宽为2.8m；副反射面为椭圆形，副反射面的长轴为4.5m，短轴为2.8m；偏馈主反射面、副反射面采用碳纤维制作；
俯仰旋转机构与副反射面连接，俯仰旋转机构以偏馈主反射面的辐射主轴为旋转轴，带动副反射面绕偏馈主反射面的辐射主轴转动；
方位旋转机构与偏馈主反射面、副反射面连接，方位旋转机构以馈源的轴线为旋转轴，带动偏馈主反射面、副反射面绕馈源的轴线转动。
俯仰旋转机构单独带动副反射面绕偏馈主反射面的辐射主轴转动，实现辐射波束的俯仰-10°～+90°扫描。
如图2所示，在进行波束扫描时，保持馈源固定不动，方位旋转机构带动偏馈主反射面、副反射面绕馈源的轴线转动，实现辐射波束的方位0°～360°扫描；馈源喇叭辐射方向图照射锥削(-10dB)与偏馈主反射面相匹配(馈源喇叭辐射在主反射面边缘电平为-10dB左右)。当偏馈主反射面绕馈源轴线方位旋转时，馈源对偏馈主反射面的照射锥角会相应变化，从而影响偏馈主反射面的辐射效率，通过设计优化馈源结构，可以将辐射效率波动控制在一定合理范围内；以S波段天线为例，偏馈主反射面辐射口径2.8m，馈源喇叭口径400mm，长度178mm，可以将偏馈主反射面辐射效率的波动控制在1dB之内。
副反射面的法相方向与偏馈主反射面的辐射方向夹角为45°，将偏馈主反射面的辐射直角反射，俯仰旋转机构单独带动副反射面绕偏馈主反射面的辐射主轴转动，实现辐射波束的俯仰-10°～+90°扫描。由于来自偏馈主反射面的辐射波束并非固定的高斯波束，因此当副反射面沿旋转轴转动实现俯仰波束扫描时会带来辐射效率的波动，合理设计偏馈主反射面和副反射面结构，可将波动控制在合理范围内；以S波段天线为例，副反射面为椭圆结构，照射口径为2.8m，副反射面旋转时，天线辐射效率波动可控制在0.3dB以内，综合全天线系统，实现方位和俯仰两维波束扫描，天线辐射效率波动可控制在1.3dB以内。
图4-5是S波段馈源喇叭结构示意图和电场分布图。馈源喇叭功率容量主要受到天线介质窗真空侧微波击穿电场的限制，介质真空侧表面刻槽后天线介质窗真空侧微波击穿阈值约60kV/cm，馈源喇叭功率容量约1.2GW。
图6-7是馈源喇叭辐射E面和H面方向图。E面和H面方向图-10dB角分别为63°和45°，与馈源对反射面的照射角(E面64°，H面48°)较为接近，可以实现较为优化的照射锥削。
图8是天线系统结构布局及仿真得到的三维方向图(仿真软件CST)。偏馈主反射面的辐射口径为长方形(结构上便于装配)，长6.4m，宽2.8m；副反射为椭圆，长轴4.5m，短轴长度2.8m。长度全系统天线增益33.9dB，总的口径效率38％。
图9-10是天线系统E面和H面方向图，天线E面和H面方向图3dB主瓣宽度分别为2.7°和3.1°。
图11是天线系统的馈入反射曲线，反射均小于-20dB。
由于馈源喇叭对偏馈主反射面的照射角E面和H面并不相同，为此天线方位旋转时，馈源喇叭对偏馈主反射面的照射锥削的变化，最终影响天经辐射增益，仿真结果表明，固定馈源喇叭不动，天线辐射波束两维扫描时，最大增益波动约1.3dB，考虑到加工误差等因素的影响，最终可得到天线辐射增益不小于32dB。
将上述两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统应用于火车，偏馈主反射面的一端通过转轴铰接在车厢顶板上，另一端设置螺纹丝杠实现偏馈主发射面工作状态的支撑和收装。
需要指出的，为满足火车车厢运输，天线设计时不完全以提高天线口径效率为目标。天线辐射效率受到了馈源喇叭与主偏馈反射面的距离和副反射面截获微波效率的影响。理论上为提高偏馈反射面效率，需要延长馈源喇叭与主偏馈反射面的距离，但火车车厢高度仅2.8m，工程设计时，不能将主偏馈反射面过高地架高；同时天线系统反射面要收装在车厢顶部，火车标准货运车厢宽度为2.8m，因此要求反射面宽度不大于2.8m，反射面倒伏在火车车顶，天线总长度加起来要小于一般火车标准货运车厢长度15.5m。
本发明在馈源喇叭固定的情况下，通过仅旋转反射面实现辐射波束的两维波束扫描，由于不需旋转馈源喇叭，可以实现较为快速的旋转速度，解决了传统高功率微波大口径反射面天线辐射波束扫描速度较慢的缺点；同时本发明的天线系统基于馈源与反射面分置的偏馈反射面设计，便于反射面收装，特别实用于公路或火车车载技术要求。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，其特征在于：包括馈源、偏馈主反射面、副反射面、俯仰旋转机构和方位旋转机构；
所述馈源为圆锥形的馈源喇叭，馈源固定不动，馈源的轴线与偏馈主反射面的辐射主瓣方向垂直；
所述副反射面位于偏馈主反射面辐射方向一侧，副反射面的法相方向与偏馈主反射面的辐射方向夹角为45°，将偏馈主反射面的辐射直角反射；所述俯仰旋转机构与副反射面连接，俯仰旋转机构以偏馈主反射面的辐射主轴为旋转轴，带动副反射面绕偏馈主反射面的辐射主轴转动；
所述方位旋转机构与偏馈主反射面、副反射面连接，方位旋转机构以馈源的轴线为旋转轴，带动偏馈主反射面、副反射面绕馈源的轴线转动；所述馈源的喇叭口径为400mm，长度为178mm，馈入端口的直径为115.5mm；
所述馈源的方向图照射锥削与偏馈主反射面相匹配；
所述偏馈主反射面和副反射面的最小尺寸不小于10倍微波波长；
所述偏馈主反射面的辐射口径为长方形，偏馈主反射面的长为6.4m，宽为2.8m；
所述副反射面为椭圆形，副反射面的长轴为4.5m，短轴为2.8m。
2.如权利要求1所述的两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，其特征在于：所述馈源馈入高功率微波的模式为TE11模，馈源采用真空绝缘和平板介质窗实现真空密封，馈源满足高功率微波功率容量要求：馈源喇叭腔内最大电场不大于600kV/cm，介质窗真空侧最大电场不大于60kV/cm，介质窗大气侧最大电场不大于40kV/cm。
3.如权利要求1所述的两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，其特征在于：所述馈源的辐射相位中心与偏馈主反射面的焦点重合。
4.如权利要求1所述的两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统，其特征在于：所述偏馈主反射面、副反射面采用碳纤维制作。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的两维波束扫描高功率微波偏馈双反射面天线系统的应用，其特征在于：所述天线系统设置于车辆或火车车厢上。
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