CN115360532A - 一种双极化高隔离度卡塞格伦天线 - Google Patents

一种双极化高隔离度卡塞格伦天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，包括主反射面、副反射面和对角喇叭馈源；对角喇叭馈源包括一体的交叉极化耦合结构和对角喇叭突出结构，对角喇叭突出结构中空部为对角喇叭状，喇叭开口向上；对角喇叭馈源内设置楞线，且楞线贯穿对角喇叭突出结构和交叉极化耦合结构；交叉极化耦合结构包括第一端口和第二端口，第二端口位于对角喇叭馈源的侧面，其接入口联通对角喇叭的楞线，第一端口位于对角喇叭馈源的底面。本发明的双极化高隔离度卡塞格伦天线，通过设置主反射面、副反射面和对角喇叭馈源，通过提供的特殊的对角喇叭馈源的结构，实现了良好的端口隔离度与辐射交叉极化特性。

Description

一种双极化高隔离度卡塞格伦天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波射频天线领域，具体而言涉及一种应用于毫米波气象雷达与通信的双极化高隔离度卡塞格伦天线系统。
背景技术
毫米波是指频率范围为30-300GHz的电磁波，在毫米波中继通信、雷达、遥感和导弹制导等领域中应用较多。
目前毫米波气象雷达大多工作在35GHz、94GHz、140GHz、220GHz等作为工作频点。140GHz、220GHz大多处于基础研发阶段。目前主要的研究与应用还集中在35GHz与94GHz。相比于35GHz的毫米波气象雷达系统，工作于94GHz的气象雷达具有更高的分辨率、更小的体积、更强的探知能力，对于分析与反演早期云体结构与云粒子的分布具有重要意义，是目前研究和应用的热点。双极化雷达可以发射与接收两个极化的电磁波，相比于单极化雷达，双极化可以获得目标物在两个垂直方向的散射特性，这对于雷达的探测与分析能力判断能力具有重要的意义，是气象雷达研究与应用的一个重点。
天线是雷达系统和通信系统的重要组成部分，它的主要功能把射频探测信号按照设计要求发射与接收。在气象雷达系统应用中，要求双极化天线具有良好的高增益、低损耗、高隔离度、高功率特性，优秀的交叉极化特性与一致的端口辐射增益方向图。一般的微带天线或基于新型电磁材料的天线的损耗比较大，旁瓣高、增益不够理想、耐功率能力较低的问题。反射面天线、卡塞格伦天线具有结构简单、效率高、损耗小、旁瓣小、增益高、耐功率性强的优点。所以依然广泛使用与毫米波雷达和遥感系统中。
基于卫星通信设计的圆极化天线因为主要关注天线的极化特性，但现有的天线的端口的极化隔离特性不高，端口隔离度较低，不完全满足气象雷达参数要求。
发明内容
本发明旨在针对现有技术存在的不足，为双极化气象雷达与毫米波远距离通信系统的应用，设计一种结构简单、端口辐射方向高度一致的双极化高隔离度卡塞格伦天线。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
提供一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，包括主反射面、副反射面和对角喇叭馈源；所述对角喇叭馈源包括一体的交叉极化耦合结构和对角喇叭突出结构，所述对角喇叭突出结构中空部为对角喇叭状，喇叭开口向上；对角喇叭馈源内设置楞线，且所述楞线贯穿对角喇叭突出结构和交叉极化耦合结构；
所述交叉极化耦合结构包括第一端口和第二端口，第二端口位于交叉极化耦合结构的侧面，其接入口连通楞线的侧部，第一端口位于交叉极化耦合结构的底面，且连通所述楞线的底部。
进一步地，第二端口左剖面的接入口处设置第二端口左剖面匹配调结构，第二端口右剖面的接入口处设置第二端口右剖面第一匹配调结构。
再进一步地，第二端口的右剖面上距离第二端口的接入口设定距离设置第二端口右剖面第二匹配调结构。
进一步地，所述副反射面连接在固定盘上，所述固定面通过副反射面支架结构连接在主反射面上。
再进一步地，所述副反射面支架结构为4个菱形棱柱，各菱形棱柱的一端连接固定面上，另一端连接主反射面的边缘。
进一步地，所述对角喇叭馈源包括连接固定底板的部位，所述固定底板用于安装和固定所述双极化高隔离度卡塞格伦天线。
本发明所取得的有益技术效果：
(1)本发明的双极化高隔离度卡塞格伦天线，通过设置主反射面、副反射面和对角喇叭馈源，通过提供的特殊的对角喇叭馈源的结构，实现了良好的端口隔离度与辐射交叉极化特性。
(2)本发明的双极化高隔离度卡塞格伦天线使用对角喇叭作为天线的馈源基本结构，设计具有双极化特性的双极化高隔离度卡塞格伦天线，使天线在两个端口分别馈电使具有几乎完全一致的辐射方向图，对于提高雷达的探测灵敏度与两个极化探测的一致性具有良好的作用。
(3)本发明的双极化高隔离度卡塞格伦天线通过第二端口的结构实现端口的良好匹配，有效降低天线在后期的调试的复杂度。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的结构剖面图；
图3是本发明实施例对角喇叭馈源的结构细节示意图一；
图4是本发明实施例对角喇叭馈源的结构细节示意图二；
图5是本发明实施例对角喇叭馈源的结构细节示意图三；
图6是本发明实施例对角喇叭馈源的结构细节示意图四；
图7为本发明实施例的端口1驻波测试图；
图8为本发明实施例的端口2驻波测试图；
图9为本发明实施例的端口隔离度测试图；
图10为本发明实施例的端口1E面方向图测试图；
图11为本发明实施例的端口1H面方向图测试图；
图12为本发明实施例的端口2E面方向图测试图；
图13为本发明实施例的端口2H面方向图测试图；
其中附图标记：1-主反射面；2-副反射面；3-对角喇叭馈源；4-反射面支架结构；5-固定盘；6-边缘固定点；7-楞线；8-交叉极化耦合结构；81-交叉极化耦合结构左剖面；82-交叉极化耦合结构右剖面；9-对角喇叭馈源底面；10-对角喇叭突出结构；11-固定底板；31-第一端口左剖面；32-第一端口右剖面；33-第二端口左剖面匹配调结构；34-第二端口右剖面第一匹配调结构；35-第二端口右剖面第二匹配调结构。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1：一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，包括：主反射面1、副反射面2和对角喇叭馈源4；
对角喇叭馈源3包括一体的交叉极化耦合结构8和对角喇叭突出结构10，对角喇叭突出结构10中空部为对角喇叭状，喇叭开口向上；对角喇叭馈源3内设置楞线7，且所述楞线7贯穿对角喇叭突出结构10和交叉极化耦合结构8；
交叉极化耦合结构8包括第一端口和第二端口，第二端口位于对角喇叭馈源的侧面，其接入口连通楞线7，第一端口位于对角喇叭馈源的底面，且接入口连通楞线7的底部。
本实施例中，主反射面1为抛物面，副反射面2为双曲面，主反射面1的焦点与副反射面2的位于上面的曲面的焦点重合；对角喇叭馈源3位于主反射面1中间底部，对角喇叭馈源3的辐射相位中心位于副反射面1的公共焦点重合。
参照图1与图2，本实施例中，副反射面位于主反射面与馈源的上方、其第二焦点与主反射面的焦点F2重合。对角喇叭馈源的辐射相位中心位于副反射面第一焦点F1上。对角喇叭馈源3位于主反射面1中间底部，可选地，使用螺钉与主反射面1固定贴合。
参照图3和图4，所述对角喇叭馈源化对角喇叭天线，两个输入端口为使用WR10标准波导的两个相互垂直入射端口，分别为第一端口和第二端口。第一端口左剖面31和第一端口右剖面32如图3和图4所示；第二端口的接入口左剖面处设置第二端口左剖面匹配调结构33，第二端口的接入口右剖面处设置第二端口右剖面第一匹配调结构34，交叉极化耦合结构左剖面81；82-交叉极化耦合结构右剖面82，如图5和图6所示。
第二端口的接入口通过第二端口左剖面匹配调结构33与第二端口右剖面第一匹配调结构34降低了第二端口的接入口对第一端口发射电磁波时的电流的影响。第二端口通过第二端口左剖面匹配调结构33与第二端口右剖面第一匹配调结构34接入馈源喇叭的方法可以有效减小了第二端口的开口对第一端口的电流的影响，减小第二端口的接入对对角喇叭馈源3的辐射方向图的影响，有利于第二端口的匹配调节与端口间的隔离度提高。
在其它实施例中，距离第二端口的接入口设定距离设置第二端口右剖面第二匹配调结构35，通过距离接入口一段距离的设置该匹配调结构实现良好的端口匹配。
本实施例中，副反射面2连接在固定盘5上，固定盘5通过副反射面支架结构4连接在主反射面1上。
副反射面支架结构4为4个菱形棱柱，各菱形棱柱的一端连接固定盘5，另一端连接主反射面1的边缘固定点6。可选地，各菱形棱柱与对角喇叭馈源3的楞线7的角度
Figure BDA0003804093710000071
进一步地，在其他实施例中，对角喇叭馈源3包括连接固定底板11的部位，固定底板11用于将安装和固定所述双极化高隔离度卡塞格伦天线。
图2中的参数数据为主反射面1的半径R1＝270mm，副反射面2的半径r1＝41.5mm，主反射面1的焦距f1＝201.8mm，副反射面2的焦距f2＝66.8mm，副反射面2的顶点与焦点F1的距离c1＝24.8mm，对角喇叭馈源3的波束角度宽度
Figure BDA0003804093710000072
图3、图4图5和图6中的参数尺寸数据为，对角喇叭馈源3的边长a1＝9mm,对角喇叭突出结构10的长度l1＝77.6mm，交叉极化耦合结构8的馈源安装固定长度l2＝30mm，交叉极化耦合结构8馈源安装固定宽度l4＝10mm,第二端口2的波导长度l5＝24.36mm，第二端口距离对角喇叭馈源底面9的距离l6＝13mm，第二端口左剖面匹配调结构33与楞线7的距离l7＝4.27mm，第二端口左剖面匹配调结构33的高度h1＝0.385mm，第二端口右剖面第二匹配调结构35的高度h2＝0.35mm，第二端口左剖面匹配调结构33的宽度w2＝1.04mm，第二端口右剖面第二匹配调结构35的宽度w3＝0.4mm。可选地，第二端口右剖面第一匹配调结构34和第二端口右剖面第二匹配调结构35的高度相同，且第二端口右剖面第一匹配调结构34的宽度大于第二端口右剖面第二匹配调结构35的宽度。
本发明的技术效果可以通过以下性能测试进一步说明。
参照图7和图8是对实物对角喇叭馈源3的第一端口与第二端口的驻波测试结果。第二端口在93.2-95.3GHz范围内的驻波比小于1.5:1，第一端口在90-100GHz整个频段内匹配良好。
参照图9是对实物对角喇叭馈源3的第一端口与第二端口间的隔离度的测试结果。在93.2-95.3GHz范围内，两个端口之间的隔离度大于50dB。
参照图10是对实物双极化高隔离度卡塞格伦天线的第一端口的E面的辐射方向图的测试结果，天线的增益为50.85dB,旁瓣为-25.2dB，3dB波束宽度0.42°，交叉极化优于39dB。
参照图11是对实物双极化高隔离度卡塞格伦天线的第一端口的H面的辐射方向图的测试结果，天线的增益为50.85dB,旁瓣为-26dB，3dB波束宽度0.415°，交叉极化优于37dB。
参照图12是对实物双极化高隔离度卡塞格伦天线的第二端口的H面的辐射方向图的测试结果，天线的增益为50.85dB,旁瓣为-26dB，3dB波束宽度0.42°，交叉极化优于37dB。
参照图13是对实物双极化高隔离度卡塞格伦天线的第二端口的H面的辐射方向图的测试结果，天线的增益为50.85dB,旁瓣为-25.5dB，3dB波束宽度0.42°，交叉极化优于37dB。
参照图7～图13为对双极化高隔离度卡塞格伦天线的辐射方向图测试结果，第一端口与第二端口的驻波与隔离度满足本发明的应用背景的工程技术要求，天线的两个端口的E和H面的辐射方向图的测试结果一致性较好，符合本发明的设计初衷。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，包括主反射面、副反射面和对角喇叭馈源；所述对角喇叭馈源包括一体的交叉极化耦合结构和对角喇叭突出结构，所述对角喇叭突出结构中空部为对角喇叭状，喇叭开口向上；对角喇叭馈源内设置楞线，且所述楞线贯穿对角喇叭突出结构和交叉极化耦合结构；
所述交叉极化耦合结构包括第一端口和第二端口，第二端口位于交叉极化耦合结构的侧面，其接入口连通楞线的侧部，第一端口位于交叉极化耦合结构的底面，且连通所述楞线的底部。
2.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，第二端口左剖面的接入口处设置第二端口左剖面匹配调结构，第二端口右剖面的接入口处设置第二端口右剖面第一匹配调结构。
3.根据权利要求2所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，第二端口的右剖面上距离第二端口的接入口设定距离设置第二端口右剖面第二匹配调结构。
4.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，所述副反射面连接在固定盘上，所述固定面通过副反射面支架结构连接在主反射面上。
5.根据权利要求4所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，所述副反射面支架结构为4个菱形棱柱，各菱形棱柱的一端连接固定面上，另一端连接主反射面的边缘。
6.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，所述对角喇叭馈源包括连接固定底板的部位，所述固定底板用于安装和固定所述双极化高隔离度卡塞格伦天线。
7.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，对角喇叭突出结构中喇叭的边长设置为9mm。
8.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，对角喇叭突出结构的长度设置为77.6mm。
9.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，第二端口的波导长度设置为24.36mm。
10.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度卡塞格伦天线，其特征在于，第二端口距离对角喇叭馈源底面设置为13mm。
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