CN115621738B - 一种微波天线馈源结构及微波天线系统 - Google Patents

一种微波天线馈源结构及微波天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波通信技术领域，公开了一种微波天线馈源结构及微波天线系统，该微波天线馈源结构，包括安装件，还包括分别与所述安装件连接的槽线天线、同轴天线，所述同轴天线包括内管、套设于所述内管外的外管，所述槽线天线、所述内管、所述外管同轴且电连接，所述槽线天线用于收发低频段双极化电磁波，所述外管用于收发中频段电磁波，所述内管用于收发高频段电磁波。本发明解决了现有技术存在的无法在9倍频以上的宽带内多频同时工作，且因相位中心随频率线性移动导致的反射面天线效率降低的问题。

Description

一种微波天线馈源结构及微波天线系统
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，具体是一种微波天线馈源结构及微波天线系统。
背景技术
微波通信是一种高效可靠的宽带无线传输系统，能有效解决光纤有效部署的难题，主要应用于应急通信专网、宽带接入回传等点对点通信领域。5G时代，随着业务复杂性以及业务量的不断增大，对于站点回传容量以及回传距离提出了更高的要求。
常规微波频段（6~42GHz）适用于长距传输，但是现有微波反射面天线的带宽不超过40%，导致容量有限；E Band（71~86GHz）和D Band（110~170GHz）频段可实现100gbps及以上的传输容量需求，但是受雨衰影响较大，在高雨区部署距离通常小于5km。将核心业务通过常规频段传输，一般业务降低可用度后通过E Band和/或D Band传输，能有效解决高雨区（如亚太地区）微波传输带宽和距离瓶颈的问题。馈源是微波反射面天线的核心组件，设计一款能够同时工作于常规频段、E Band和D Band的馈源，是解决上述问题的关键环节之一。
现有的馈源结构，如溅散板天线，其工作带宽为窄频，且辐射方向图的轴对称性较差。vivaldi天线只能实现连续频段的宽频工作，在多频段使用时还需要额外增加合路器，从而提高成本并且增加损耗；其相位中心也随频率线性移动，导致无法在整个宽频段内实现反射面天线高效率工作。
综上所述，现有技术存在的问题是：
（1）无法在相隔较远的三个及以上波段、9倍频宽频同时工作。
（2）频带内相位中心不一致，导致反射面天线效率降低。
解决上述技术问题的难度：
需要同时解决馈源多频、宽频工作及相位中心稳定性问题，目前业界无有效解决方案。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种微波天线馈源结构及微波天线系统，解决现有技术存在的无法在9倍频以上的宽带内多频同时工作，且因相位中心随频率线性移动导致的反射面天线效率降低的问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种微波天线馈源结构，包括安装件，还包括分别与所述安装件连接的槽线天线、同轴天线，所述同轴天线包括内管、套设于所述内管外的外管，所述槽线天线、所述内管、所述外管同轴且电连接，所述槽线天线用于收发低频段双极化电磁波，所述外管用于收发中频段电磁波，所述内管用于收发高频段电磁波。
作为一种优选的技术方案，所述槽线天线包括关于所述同轴天线对称的对向设置的Y极化第一结构件、Y极化第二结构件，以及关于所述同轴天线对称的对向设置的X极化第一结构件、X极化第二结构件；Y极化第一结构件、Y极化第二结构件用于配对实现Y极化电磁波的收发，X极化第一结构件、X极化第二结构件用于配对实现X极化电磁波的收发；Y极化第一结构件与Y极化第二结构件的对称面、X极化第一结构件与X极化第二结构件的对称面相互正交。
作为一种优选的技术方案，所述Y极化第一结构件、所述X极化第一结构件的底部均电连接有金属探针，所述金属探针外套设有介质套筒。
作为一种优选的技术方案，所述Y极化第一结构件、所述X极化第一结构件上均设有阶梯匹配段，阶梯匹配段包括沿所述金属探针垂直方向延伸的M段相互连通的空腔；M≥2且M为整数。
作为一种优选的技术方案，所述Y极化第一结构件、所述X极化第一结构件、所述Y极化第二结构件、所述X极化第二结构件远离所述安装件的一端均设有张口，所述张口的横截面的形状为符合指数曲线或线性曲线，指数曲线的方程为：Y=C1exp（C2*Z），其中，Y是指数渐变线的Y坐标，Z是指数渐变线的Z坐标，C1和C2是常数系数；所述内管的形状为方管状或圆管状，所述外管的形状为方管状或圆管状。
作为一种优选的技术方案，所述外管远离所述安装件的一端设有扩张的开口。
作为一种优选的技术方案，所述外管与所述内管之间设有阶梯型匹配介质，所述阶梯型匹配介质包括沿所述同轴天线高度方向延伸的N段相互连通的空腔；N≥2且N为整数。
作为一种优选的技术方案，所述内管的半径为r1，所述外管的半径为r2，范围为：
2.405*λmin1/(2*π)>r1>1.841*λmax1/(2*π)，其中，λmin1是高频段电磁波最短工作波长，λmax1是高频段电磁波最长工作波长；
r2>λmax2/π-r1，其中，λmax2是中频段电磁波最长工作波长。
作为一种优选的技术方案，所述安装件为金属圆盘，所述安装件与所述槽线天线、所述外管分别电连接。
一种微波天线，包括所述的一种微波天线馈源结构，还包括副反射面、主反射面，所述主反射面为旋转抛物面，所述副反射面为旋转椭球面或旋转双曲面，所述主反射面的焦点与所述副反射面的实焦点重合，所述微波天线馈源结构的内管的上端面与所述副反射面的虚焦点重合。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本发明将常规微波频段、毫米波和太赫兹频段结合起来使用，有效解决点对点传输距离和容量瓶颈的问题；
（2）本发明可以在低频、中频、高频等多个相隔较远的频段工作，整个工作频段能够实现9倍频以上的宽频覆盖，即同时具备了宽频、多频电磁波收发的能力，内部馈源间互不干扰；不同频段的波束指向相同且沿天线轴向，相位中心保持一致；
（3）本发明损耗小、集成度高、成本低、功率容量大，适应于卡塞格伦、格里高利等双反射面天线系统。
附图说明
图1是本发明实施例提供的馈源整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的馈源背面结构示意图。
图3是本发明实施例提供的馈源剖面图。
图4是本发明实施例提供的同轴喇叭天线的剖面图。
图5是本发明实施例提供的双反射面天线系统示意图。
图6是本发明实施例提供的馈源低频段回波损耗图。
图7是本发明实施例提供的馈源中频段回波损耗图。
图8是本发明实施例提供的馈源高频段回波损耗图。
图9是本发明实施例提供的双反射面天线系统低频段方向图。
图10是本发明实施例提供的双反射面天线系统中频段方向图。
图11是本发明实施例提供的双反射面天线系统高频段方向图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、槽线天线；11、Y极化第一结构件；12、X极化第一结构件；13、Y极化第二结构件；14、X极化第二结构件；15、安装件；16、张口；17、阶梯匹配段；18、金属探针；19、介质套筒；2、同轴天线；21、外管；22、阶梯型匹配介质；23、内管；24、开口；3、副反射面；4、主反射面。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图11所示，一种微波天线馈源结构，所述微波天线馈源结构包括，金属槽线天线（即槽线天线1）、同轴天线2（优选地，采用同轴喇叭天线）、金属圆盘（即安装件15）；
所述金属槽线天线包括，Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12、Y极化第二结构件13、X极化第二结构件14（优选地，Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12、Y极化第二结构件13、X极化第二结构件14均为金属结构件），Y极化第一结构件11与Y极化第二结构件13的对称面、X极化第一结构件12与X极化第二结构件14的对称面相互正交，Y极化第一结构件11和Y极化第二结构件13用于Y极化电磁波收发，X极化第一结构件12和X极化第二结构件14用于X极化电磁波收发，Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12的底部包括金属探针18和阶梯匹配段17，金属探针18用于馈电，阶梯匹配段17用于回波损耗的改善，金属槽线天线用于低频段双极化电磁波收发；
所述同轴天线2包括，同轴嵌套的外管21（外圆管）和内管23（内圆管），位于金属槽线天线中间，外管21用于中频段电磁波收发，内管23用于高频段电磁波收发；
所述金属槽线天线的对称轴和同轴喇叭天线外管21、内管23的对称轴重合。
作为一种优选方案，所述Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12和Y极化第二结构件13、X极化第二结构件14可与金属圆盘作为整体机加得到。
可选的，所述Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12和Y极化第二结构件13、X极化第二结构件14可单独机加后通过螺钉等方式固定安装在金属圆盘上。
优选地，金属探针18与Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12既可以直接接触电连接，也可以电耦合连接。
作为一种优选方案，所述阶梯匹配段17，其阶梯个数≥2。优选地，阶梯匹配段17的M段空腔的截面高度可以是依次递增或递减，也可以大小交错排列。
作为一种优选方案，所述金属探针18周围设置有介质套筒19，介质套筒19可胶粘于Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12上，介质套筒19与金属探针18共轴，介质套筒19可用于金属探针18的固定和定位。
作为一种优选方案，所述Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12和Y极化第二结构件13、X极化第二结构件14的张口16都一样，可以是指数曲线或线性曲线等。
作为一种优选方案，所述同轴喇叭天线外管21、内管23可以是方管或圆管。
进一步的，所述同轴喇叭天线外管21顶端端面可以高于、等于或低于内管23顶端端面。
进一步的，所述同轴喇叭天线外管21顶端有扩张的开口24，可以调节外管21辐射的初级波束的增益。
进一步的，所述同轴喇叭天线外管21和内管23之间有阶梯型匹配介质22，用于对外管21的回波损耗进行调节。优选地，阶梯型匹配介质22的N段空腔的截面高度可以是依次递增或递减，也可以大小交错排列。
进一步的，所述内管23的半径为r1，参照公式：
2.405*λmin1/(2*π)>r1>1.841*λmax1/(2*π)，其中λmin1是高频段电磁波最短工作波长，λmax1是高频段电磁波最长工作波长。
进一步的，所述外管21的半径为r2，参照公式：
r2>λmax2/π-r1，其中λmax2是中频段电磁波最长工作波长。
可选的，所述微波天线馈源结构安装在主反射面4和副反射面3构成的双反射面天线系统中。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明将常规微波频段、毫米波和太赫兹频段结合起来使用，有效解决点对点传输距离和容量瓶颈的问题。本发明可以在低频、中频、高频等多个相隔较远的频段工作，整个工作频段能够实现9倍频以上的宽频覆盖，即同时具备了宽频、多频电磁波收发的能力，内部馈源间互不干扰；不同频段的波束指向相同且沿天线轴向，相位中心保持一致。本发明损耗小、集成度高、成本低、功率容量大，适应于卡塞格伦、格里高利等双反射面天线系统。
实施例2
如图1至图11所示，作为实施例1的进一步优化，在实施例1的基础上，本实施例还包括以下技术特征：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种微波天线馈源结构，下面结合具体方案对本发明作详细的描述。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明实施例提供的微波天线馈源结构包括，金属槽线天线、同轴天线2、金属圆盘。
金属槽线天线包括：Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12、Y极化第二结构件13、X极化第二结构件14，Y极化第一结构件11与Y极化第二结构件13的对称面、X极化第一结构件12与X极化第二结构件14的对称面相互正交，Y极化第一结构件11和Y极化第二结构件13用于Y极化电磁波收发，X极化第一结构件12和X极化第二结构件14用于X极化电磁波收发。Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12的底部包括金属探针18和阶梯匹配段17，金属探针18用于馈电，阶梯匹配段17分为两段，用于回波损耗的改善。
同轴天线2包括，同轴嵌套的外管21和内管23，位于金属槽线天线中间。
金属槽线天线的对称轴和同轴喇叭天线外管21、内管23的对称轴重合。
Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12和Y极化第二结构件13、X极化第二结构件14与金属圆盘作为整体机加得到。
金属探针18周围设置有介质套筒19，介质套筒19胶粘于Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12上，介质套筒19与金属探针18共轴。
Y极化第一结构件11、X极化第一结构件12和Y极化第二结构件13、X极化第二结构件14的张口16采用指数曲线，其方程为：
Y=C1exp（C2*Z），其中，Y和Z是指数渐变线的Y坐标和Z坐标，C1和C2是常数系数，这里取C1=8，C2=0.02。
同轴喇叭天线外管21顶端端面高于内管23顶端端面4.5mm。
同轴喇叭天线外管21顶端有扩张的开口24。
同轴喇叭天线外管21和内管23之间有阶梯型匹配介质22，阶梯型匹配介质22分为三段。
内圆管半径r1=0.7mm，外圆管半径r2=2.5mm。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
本发明馈源同时工作在三个频段，其中金属槽线天线用于17~39GHz频段内电磁波收发，同轴天线2的外管21用于71~86GHz频段内电磁波收发，同轴天线2的内管23用于140~160GHz频段内电磁波收发。
如图5所示，本发明安装在卡塞格伦天线系统中，主反射面4是抛物面，直径300mm，焦距75mm；副反射面3是双曲面，直径30mm，离心率3.5。
图6、图7和图8给出卡塞格伦天线中本发明馈源的回波损耗。金属槽线天线在17~39GHz频段内（相对带宽78%）回波损耗在-10dB以下，同轴天线2中的外管21在71~86GHz频段内（相对带宽19%）回波损耗在-20dB以下，同轴天线2中的内管23在140~160GHz频段内（相对带宽13%）回波损耗在-19dB以下。
图9、图10和图11给出卡塞格伦天线的辐射方向图性能。其中，低频段以23GHz频点为例，方向图增益33.8dBi，对应口径效率45.7%；中频段以76GHz频点为例，方向图增益45.3dBi，对应口径效率58.9%；高频段以150GHz频点为例，方向图增益50.8dBi，对应口径效率53.7%。整个频段内天线口径效率都高于45%。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含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和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微波天线馈源结构，其特征在于，包括安装件（15），还包括分别与所述安装件（15）连接的槽线天线（1）、同轴天线（2），所述同轴天线（2）包括内管（23）、套设于所述内管（23）外的外管（21），所述槽线天线（1）、所述内管（23）、所述外管（21）同轴且电连接，所述槽线天线（1）用于收发低频段双极化电磁波，所述外管（21）用于收发中频段电磁波，所述内管（23）用于收发高频段电磁波；
所述槽线天线（1）包括关于所述同轴天线（2）对称的对向设置的Y极化第一结构件（11）、Y极化第二结构件（13），以及关于所述同轴天线（2）对称的对向设置的X极化第一结构件（12）、X极化第二结构件（14）；Y极化第一结构件（11）、Y极化第二结构件（13）用于配对实现Y极化电磁波的收发，X极化第一结构件（12）、X极化第二结构件（14）用于配对实现X极化电磁波的收发；Y极化第一结构件（11）与Y极化第二结构件（13）的对称面、X极化第一结构件（12）与X极化第二结构件（14）的对称面相互正交；
所述Y极化第一结构件（11）、所述X极化第一结构件（12）的底部均电连接有金属探针（18），所述金属探针（18）外套设有介质套筒（19）；
其中，
所述槽线天线（1）为金属槽线天线；
所述安装件（15）为金属结构件；
Y极化第一结构件（11）、X极化第一结构件（12）、Y极化第二结构件（13）、X极化第二结构件（14）均为金属结构件。
2.根据权利要求1所述的一种微波天线馈源结构，其特征在于，所述Y极化第一结构件（11）、所述X极化第一结构件（12）上均设有阶梯匹配段（17），阶梯匹配段（17）包括沿所述金属探针（18）垂直方向延伸的M段相互连通的空腔；M≥2且M为整数。
3.根据权利要求2所述的一种微波天线馈源结构，其特征在于，所述Y极化第一结构件（11）、所述X极化第一结构件（12）、所述Y极化第二结构件（13）、所述X极化第二结构件（14）远离所述安装件（15）的一端均设有张口（16），所述张口（16）的横截面的形状为符合指数曲线或线性曲线，指数曲线的方程为：Y=C1exp（C2*Z），其中，Y是指数渐变线的Y坐标，Z是指数渐变线的Z坐标，C1和C2是常数系数；所述内管（23）的形状为方管状或圆管状，所述外管（21）的形状为方管状或圆管状。
4.根据权利要求3所述的一种微波天线馈源结构，其特征在于，所述外管（21）远离所述安装件（15）的一端设有扩张的开口（24）。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种微波天线馈源结构，其特征在于，所述外管（21）与所述内管（23）之间设有阶梯型匹配介质（22），所述阶梯型匹配介质（22）包括沿所述同轴天线（2）高度方向延伸的N段相互连通的空腔；N≥2且N为整数。
6.根据权利要求5所述的一种微波天线馈源结构，其特征在于，所述内管（23）的半径为r1，所述外管（21）的半径为r2，范围为：
2.405*λmin1/(2*π)>r1>1.841*λmax1/(2*π)，其中，λmin1是高频段电磁波最短工作波长，λmax1是高频段电磁波最长工作波长；
r2>λmax2/π-r1，其中，λmax2是中频段电磁波最长工作波长。
7.根据权利要求6所述的一种微波天线馈源结构，其特征在于，所述安装件（15）为金属圆盘，所述安装件（15）与所述槽线天线（1）、所述外管（21）分别电连接。
8.一种微波天线，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的一种微波天线馈源结构，还包括副反射面（3）、主反射面（4），所述主反射面（4）为旋转抛物面，所述副反射面（3）为旋转椭球面或旋转双曲面，所述主反射面（4）的焦点与所述副反射面（3）的实焦点重合，所述微波天线馈源结构的内管（23）的上端面与所述副反射面（3）的虚焦点重合。
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