CN115966897A - 一种高性能小口径卡塞格伦天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能小口径卡塞格伦天线，包括金属围边、主反射面、天线罩、副反射面、馈源以及若干个支撑杆，馈源包括圆波导管、扼流槽以及若干级圆锥辐射喇叭，圆波导管的一端与主反射面的内侧连接、另一端与副反射面相对布置，扼流槽与圆波导管的另一端连接，若干级圆锥辐射喇叭设置在圆波导管内；通过上述结构使得卡塞格伦天线具有结构简单、性能优异的优点，能解决溅散板馈源驻波大、设计复杂、应用于高频毫米波时介质难加工以及副辐射面生产成本高的痛点，可在5G时代帮助运营商更加轻松地应对大容量回传业务。

Description

一种高性能小口径卡塞格伦天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种高性能小口径卡塞格伦天线。

背景技术

5G网络技术对微波承载提出了更高的传输速率要求。传统微波频段(6-42GHz)频谱资源已日趋紧张，且带宽容量更是非常有限，难以满足5G时代超大带宽(10G级别)的回传需求。而E-Band微波(80GHz)凭借其频带资源丰富、传输容量大(最高传输容量可超过10Gbps级别)等优势，可在5G时代帮助运营商更加轻松地应对大容量回传业务。

目前，应用于微波回传的微波天线主要以抛物面为主，其馈源又多以学术名为溅散板的馈源为主；如图1所示，溅散板馈源由金属副面91、介质92和圆波导管93组成，溅散板馈源的金属副面91由安装于圆波导管93上的介质92支撑，从而省去了支杆，消除了支杆遮挡，提高了天线效率；此外，由于省去了支撑金属副面91的支杆，故溅散板馈源较容易拆装；然而，尽管溅散板具有众多优点，但也存在如下不足：

①溅散板馈源自身驻波较大；

②溅散板馈源方向图的控制需通过对副面和介质表面赋形，涉及的设计变量较多，故设计难度大；

③溅散板馈源的副面一般由电镀工艺或金属块粘接实现，前者对环境不友好，且工艺成本高，后者工序多，制造成本高；

④当溅散板馈源应用于高频毫米波，如E-Band，其介质对加工工艺要求非常高，存在成本较高的缺点；

上述缺点制约着溅散板馈源在高频毫米波的广泛应用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高性能小口径卡塞格伦天线。

本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高性能小口径卡塞格伦天线，包括：

金属围边；

主反射面，连接于金属围边的一端开口；

天线罩，连接于金属围边的另一端开口，金属围边、主反射面以及天线罩围合成一辐射腔体；

副反射面，设置在辐射腔体内；

馈源，设置在辐射腔体内，馈源包括圆波导管、扼流槽以及若干级圆锥辐射喇叭，圆波导管的一端与主反射面的内侧连接、另一端与副反射面相对布置，扼流槽与圆波导管的另一端连接，若干级圆锥辐射喇叭设置在圆波导管内；

若干个支撑杆，其一端间隔连接于主反射面的内侧，另一端间隔连接于副反射面背向主反射面的一侧上。

进一步地，卡塞格伦天线的离心率e1由以下步骤计算：

步骤1：设定d_m为主反射面口径、f_m为主反射面焦距、d_s为副反射面直径、f_s为副反射面焦距、e为离心率、θ_m1为副反射面边缘对主反射面焦点的半张角、θ_m2为副反射面边缘对馈源相位中心的半张角；其中，d_m、f_m、d_s和f_s为已知值；

步骤2：通过以下公式求得θ_m1、θ_m2和e；

步骤3：保持d_m、f_m、d_s、f_s、θ_m1和θ_m2的值不变，令e 1＝k*e，其中，0.4<k<0.8。

进一步地，金属围边的内壁上设置有吸波层。

进一步地，吸波层设置为吸波泡棉。

进一步地，天线罩由介电常数为1.05-1.10的MPP材料制成。

本发明的有益效果：一种高性能小口径卡塞格伦天线，包括金属围边；主反射面，连接于金属围边的一端开口；天线罩，连接于金属围边的另一端开口，金属围边、主反射面以及天线罩围合成一辐射腔体；副反射面，设置在辐射腔体内；馈源，设置在辐射腔体内，馈源包括圆波导管、扼流槽以及若干级圆锥辐射喇叭，圆波导管的一端与主反射面的内侧连接、另一端与副反射面相对布置，扼流槽与圆波导管的另一端连接，若干级圆锥辐射喇叭设置在圆波导管内；若干个支撑杆，其一端间隔连接于主反射面的内侧，另一端间隔连接于副反射面背向主反射面的一侧上；通过上述结构使得卡塞格伦天线具有结构简单、性能优异的优点，能解决溅散板馈源驻波大、设计复杂、应用于高频毫米波时介质难加工以及副辐射面生产成本高的痛点，可在5G时代帮助运营商更加轻松地应对大容量回传业务。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有微波天线的溅散板馈源的结构示意图；

图2为一种高性能小口径卡塞格伦天线隐藏天线罩后的结构示意图；

图3为一种高性能小口径卡塞格伦天线的截面图；

图4为图3中A区域的局部放大图；

图5为卡塞格伦天线的几何尺寸计算示意图；

图6为一种高性能小口径卡塞格伦天线的馈源S11仿真结果图；

图7为一种高性能小口径卡塞格伦天线中频点V极化方向图的实测结果图；

图8为一种高性能小口径卡塞格伦天线中频点H极化方向图的实测结果图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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的限制。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”、“安装”、“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图8，一种高性能小口径卡塞格伦天线，包括：

金属围边10；

主反射面20，连接于金属围边10的一端开口；

天线罩30，连接于金属围边10的另一端开口，金属围边10、主反射面20以及天线罩30围合成一辐射腔体40；

副反射面50，设置在辐射腔体40内；

馈源60，设置在辐射腔体40内，馈源60包括圆波导管61、扼流槽62以及若干级圆锥辐射喇叭63，圆波导管61的一端与主反射面20的内侧连接、另一端与副反射面50相对布置，扼流槽62与圆波导管61的另一端连接，若干级圆锥辐射喇叭63设置在圆波导管61内；

若干个支撑杆70，其一端间隔连接于主反射面20的内侧，另一端间隔连接于副反射面50背向主反射面20的一侧上。

作为优选，支撑杆共有4根，用于支撑副反射面20；而金属围边10为一直径与主反射面20口径相当的圆形金属套筒，用于抑制天线的远旁瓣；结合在金属围边10的内壁上设置有吸波层80，吸波层80优选为吸波泡棉制成，用于抑制天线的远旁瓣；参照图3，天线罩30为一直径与主反射面20口径相当的圆形平板，安装于金属围边10上方，天线罩30用于保护天线，使天线免受户外复杂环境的影响而导致性能恶化；本发明实施例由于工作频段为高频毫米波E-Band，故采用损耗低且介电常数接近于1的MPP(M i c r oce l l u l a r Pol yp r opy l ene Foam，微孔发泡聚丙烯)材质，能够在较宽频带内具有传输效率高、传输损耗小以及质量轻的优点。

在本发明中，多级圆锥辐射喇叭63用于将由圆波导管61馈入的导行电磁波转换成空间电磁波向空间辐射，而副反射面50为改进型旋转双曲线，用于将馈源60发出的电磁波反射至主反射面20上，主反射面20为横向偏焦旋转抛物面，主反射面20用于将副反射面50照射至主反射面20的电磁波进行二次反射，获得相应方向的平面波束，从而实现定向辐射；作为优选改进型旋转双曲线的副反射面50，实质上是在原双曲线基础上，结合馈源60的边缘照射电平和锥削设计，通过修改双曲线的离心率，以及优化多级圆锥辐射喇叭63的物理尺寸，从而控制天线口径场的幅度和相位分布，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；

卡塞格伦天线的离心率e 1由以下步骤计算：

步骤1：设定d_m为主反射面口径、f_m为主反射面焦距、d_s为副反射面直径、f_s为副反射面焦距、e为离心率、θ_m1为副反射面边缘对主反射面焦点的半张角、θ_m2为副反射面边缘对馈源相位中心的半张角；其中，d_m、f_m、d_s和f_s为已知值；

步骤2：通过以下公式求得θ_m1、θ_m2和e；

步骤3：保持d_m、f_m、d_s、f_s、θ_m1和θ_m2的值不变，令e 1＝k*e，其中，0.4<k<0.8。

具体的，参照图5，卡塞格伦天线的几何尺寸由7个几何参数而定，分别为：主反射面口径d_m、主反射面焦距f_m、副反射面直径d_s、副反射面焦距f_s、离心率e、副反射面边缘对主反射面焦点的半张角θ_m1、副反射面边缘对馈源相位中心的半张角θ_m2，对于上述7个几何参量，如若获知任意4个，便可通过公式唯一确定其余3个几何参量，本发明已知d_m、f_m、d_s和f_s，先通过上述公式能依次求出θ_m1、θ_m2和e，由卡塞格伦天线几何参量之间的关系发现，上述7个几何参量中，有6个参量可以不依赖于e存在，换言之，单独改变e的值，不会改变其余6个参量，e的值可由双曲线焦距与实轴长的比值求出，由于焦距为定值，故只需改变实轴长，则可以改变e的值，值得注意的是，由于焦距不变，由双曲线的几何关系可知，改变实轴长，除e会变外，虚轴长也会随之改变。

对于本发明的改进型旋转双曲线的离心率e1的值，可取原离心率的0.4-0.8倍，即e1＝ke，0.4<k<0.8，本发明提供实施例选用0.59倍的原离心率；另，本发明提供的技术适用于口径小于等于1.2m的抛物面天线，本发明提供实施例采用的抛物面天线口径为0.6m。

本发明的优点在于：

1、采用本发明提供的改进型旋转双曲线以及具有多级圆锥辐射喇叭的馈源，不但驻波低，而且能使副反射面50辐射至主反射面20的E面和H面方向图有很好的等化，以及较好的边缘照射电平，从而获得较低的近旁瓣电平；

2、通过加载附有吸波层80的金属围边10，实现对远旁瓣的抑制，提高前后比，从而使得天线方向图满足ETS IC l ass3包络等级；

3、采用介电常数接近于1的低损MPP泡沫作为天线罩30，具体为介电常数在1.05-1.10之间的MPP泡沫，在性能上，能使天线在较宽频带内反射小、驻波优异，而且传输损耗小，传输效率高；此外，MPP天线罩材质轻，估在结构上可减轻天线整体重量，减少塔的负重。

4、综上，本发明提出的高性能小口径E-Band改进型卡塞格伦天线，具有结构简单、性能优异的优点，能解决溅散板馈源驻波大、设计复杂、应用于高频毫米波时介质难加工以及副辐射面生产成本高的痛点，可在5G时代帮助运营商更加轻松地应对大容量回传业务。

当然，本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形和替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种高性能小口径卡塞格伦天线，其特征在于，包括：

金属围边(10)；

主反射面(20)，连接于所述金属围边(10)的一端开口；

天线罩(30)，连接于所述金属围边(10)的另一端开口，所述金属围边(10)、主反射面(20)以及天线罩(30)围合成一辐射腔体(40)；

副反射面(50)，设置在所述辐射腔体(40)内；

馈源(60)，设置在所述辐射腔体(40)内，所述馈源(60)包括圆波导管(61)、扼流槽(62)以及若干级圆锥辐射喇叭(63)，所述圆波导管(61)的一端与所述主反射面(20)的内侧连接、另一端与所述副反射面(50)相对布置，所述扼流槽(62)与所述圆波导管(61)的另一端连接，若干级所述圆锥辐射喇叭(63)设置在所述圆波导管(61)内；

若干个支撑杆(70)，其一端间隔连接于所述主反射面(20)的内侧，另一端间隔连接于所述副反射面(50)背向所述主反射面(20)的一侧上。

2.根据权利要求1所述的一种高性能小口径卡塞格伦天线，其特征在于：卡塞格伦天线的离心率e1由以下步骤计算：

步骤1：设定d_m为主反射面口径、f_m为主反射面焦距、d_s为副反射面直径、f_s为副反射面焦距、e为离心率、θ_m1为副反射面边缘对主反射面焦点的半张角、θ_m2为副反射面边缘对馈源相位中心的半张角；其中，d_m、f_m、d_s和f_s为已知值；

步骤2：通过以下公式求得θ_m1、θ_m2和e；

步骤3：保持d_m、f_m、d_s、f_s、θ_m1和θ_m2的值不变，令e1＝k*e，其中，0.4<k<0.8。

3.根据权利要求1所述的一种高性能小口径卡塞格伦天线，其特征在于：所述金属围边(10)的内壁上设置有吸波层(80)。

4.根据权利要求3所述的一种高性能小口径卡塞格伦天线，其特征在于：所述吸波层(80)设置为吸波泡棉。

5.根据权利要求1所述的一种高性能小口径卡塞格伦天线，其特征在于：所述天线罩(30)由介电常数为1.05-1.10的MPP材料制成。

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