CN116544667B - 一种多通道馈源结构及天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波通信技术领域，公开了一种多通道馈源结构及天线系统，该结构，包括内管、套设于所述内管外的外管、第一正交模耦合器以及第二正交模耦合器，所述内管的底部与所述第一正交模耦合器的公共端电连接，所述外管的底部与所述第二正交模耦合器的公共端电连接，所述内管与所述外管同轴；所述内管设置有耦合缝隙；所述内管、外管、第一正交模耦合器以及第二正交模耦合器均为金属结构件；所述内管和所述外管工作在同一频段。本发明解决了现有技术存在的难以同时解决信道复用、天面复用及插损较高问题，从而实现：在极化复用的基础上通过同频去耦实现通道、容量翻倍，且插损较小，天线复用不额外增加塔租成本。
Description
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，具体是一种多通道馈源结构及天线系统。
背景技术
微波通信是一种高效可靠的点对点、或点对多点无线通信传输系统，在灵活性、抗灾性和移动性方面具有光纤传输所无法比拟的优点，且建网快、部署成本低。随着5G部署和应用的增加，无光纤汇聚站、热点大流量站的回传对站点容量提出了更高的要求。
提高微波天线容量的方法之一是采用极化复用技术，能够同时传输两个正交的极化模式且互不干扰，从而实现容量翻倍。极化复用技术的关键部件是正交模耦合器（OMT），将溅散板馈源的波导端口与OMT的公共端口相连，OMT的两个输入端口分别输入单一信号的基模，而在公共端口输出两个正交的主模，同时保证所有电端口匹配并且输入信号之间有较高的隔离度和交叉极化抑制。受极化正交限制，最多同时使用两个极化（水平和垂直极化，或者左旋圆极化和右旋圆极化）来提升容量。
微波多输入多输出（MIMO）技术，即分别使用多个发射天线和多个接收天线，让信号通过多个微波天线进行传输，来改善无线通信的质量，可以在不额外增加频谱资源的情况下，实现容量相对单链路提升4倍。但是，使用微波MIMO可能存在垂直安装抱杆高度不够或者水平安装空间受限的情况，多面天线平行链路的部署也会增加部署难度，提高塔租成本。
馈源端接选频合路器，可以以滤波多工方式工作，实现两路及以上信号高隔离合成，保证系统在多个不同频段内同时传输信号来提升容量，常用的有3dB平衡式合路器和6dB非平衡式合路器。但是采用合路器会引起功率损失，3dB平衡式合路器一路分路信号的功率与原有信号相比衰减约3dB，6dB非平衡式合路器中功率较小的分路信号的功率与原有信号相比衰减约6dB。
综上所述，现有提升传输容量的技术存在的问题是：
（1）极化复用技术受极化正交限制，最多使用两个极化来提升容量。
（2）多输入多输出技术可能存在安装空间受限问题，而且会增加部署难度，提高塔租成本。
（3）选频合路技术会引起功率损失，降低传输距离。
解决上述技术问题的难度：
需要同时解决信道复用、天面复用及插损较高问题，目前业界无有效解决方案。
解决上述技术问题的意义：
在不增加塔租等成本和降低传输距离的前提下，实现传输容量持续提升，可有效应对5G应用对微波回传容量的更高要求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种多通道馈源结构及天线系统，解决现有技术存在的难以同时解决信道复用、天面复用及插损较高问题，从而实现：在极化复用的基础上通过同频去耦实现通道、容量翻倍，且插损较小，天线复用不额外增加塔租成本。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种多通道馈源结构，包括内管、套设于所述内管外的外管、第一正交模耦合器以及第二正交模耦合器，所述内管的底部与所述第一正交模耦合器的公共端电连接，所述外管的底部与所述第二正交模耦合器的公共端电连接，所述内管与所述外管同轴；所述内管上设置有耦合缝隙，耦合缝隙的分布特征为：所述耦合缝隙沿内管轴向方向排列的组数为N，每组耦合缝隙个数为4K，每组中4K个耦合缝隙沿内管周向方向等间距排列；其中，N≥1且N为整数，K≥1且K为整数；
所述内管、外管、第一正交模耦合器以及第二正交模耦合器均为金属结构件；
所述内管用于双极化电磁波的接收和发射，所述外管用于双极化电磁波的接收和发射，所述内管和所述外管工作在同一频段。
作为一种优选的技术方案，所述第一正交模耦合器的公共端设置有波导腔体一，波导腔体一为关于所述内管的某个纵截面对称的结构，波导腔体一的对称面连接有波导宽边合成输出端口一；所述第一正交模耦合器的公共端设置有波导腔体二，波导腔体二为关于所述内管的某个纵截面对称的结构，波导腔体二的对称面连接有波导宽边合成输出端口二；波导腔体一的对称面与波导腔体二的对称面相互正交。
作为一种优选的技术方案，所述第一正交模耦合器的公共端设置有阶梯匹配块一，所述阶梯匹配块一包括沿所述内管轴向方向延伸的L段相互连通的柱状结构；其中，L≥2且L为整数。
作为一种优选的技术方案，所述第二正交模耦合器的公共端设置有波导腔体三，波导腔体三为关于所述内管的某个纵截面对称的结构，波导腔体三的对称面连接有波导宽边合成输出端口三；所述第二正交模耦合器的公共端设置有波导腔体四，波导腔体四为关于所述内管的某个纵截面对称的结构，波导腔体四的对称面连接有波导宽边合成输出端口四；波导腔体三的对称面与波导腔体四的对称面相互正交。
作为一种优选的技术方案，所述第二正交模耦合器的公共端设置有阶梯匹配块二，所述阶梯匹配块二包括沿所述内管轴向方向延伸的S段相互连通的柱状结构；其中，S≥2且S为整数。
作为一种优选的技术方案，所述耦合缝隙的形状为圆形、椭圆形或矩形。
作为一种优选的技术方案，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，所述内管与所述外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内管轴向方向延伸的M段相互连通的柱状结构；其中，M≥2且M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*λmin/(2*π)>r1>1.841*λmax/(2*π)，r2>λmax/π-r1，其中λmin是电磁波最短工作波长，λmax是电磁波最长工作波长。
一种微波天线，包括所述的一种多通道馈源结构，还包括主反射面、副反射面，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，所述内管的顶端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）本发明通过正交模耦合器的极化复用以及耦合缝隙的同频去耦，提高各通道间隔离度，实现多通道复用；
（2）本发明损耗小，集成度高，波束指向相同且沿天线轴向；
（3）本发明适应于卡塞格伦、格里高利等双反射面天线系统，天面复用不额外增加塔租成本，实现微波大容量传输。
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整体结构的剖面图。
图3是本发明实施例提供的第一正交模耦合器、第二正交模耦合器的内部腔体结构示意图。
图4是本发明实施例提供的第一正交模耦合器、第二正交模耦合器的内部腔体结构的剖面图。
图5是本发明实施例提供的内管结构示意图。
图6是本发明实施例提供的内管结构的剖面图。
图7是本发明实施例提供的双反射面天线系统示意图。
图8是本发明实施例提供的馈源各通道隔离度示意图。
图9是本发明实施例提供的双反射面天线系统方向图。
附图中标记及其相应的名称：11、内管；21、外管；31、第一正交模耦合器；41、第二正交模耦合器；51、阶梯型匹配介质；12、耦合缝隙；32、波导腔体一；33、波导腔体二；34、输出端口一；35、输出端口二；36、阶梯匹配块一；42、波导腔体三；43、波导腔体四；44、输出端口三；45、输出端口四；46、阶梯匹配块二；2、主反射面；3、副反射面。
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6所示，一种多通道馈源结构，包括内管11、套设于所述内管11外的外管21、第一正交模耦合器31以及第二正交模耦合器41，所述内管11的底部与所述第一正交模耦合器31的公共端电连接，所述外管21的底部与所述第二正交模耦合器41的公共端电连接；所述内管11与所述外管21同轴，保证内管11收发的电磁波束与外管21收发的电磁波束指向相同；所述内管11上设置有耦合缝隙12，耦合缝隙12的分布特征为：所述耦合缝隙12沿内管11轴向方向排列的组数为N，每组耦合缝隙12个数为4K，每组中4K个耦合缝隙12沿内管11周向方向等间距排列；其中，N≥1且N为整数，K≥1且K为整数；通过耦合缝隙12引入的内管11和外管21之间的互耦可以抵消这两个管子在顶端的耦合量，从而提高两个管子的极化隔离度；所述内管11、外管21、第一正交模耦合器31以及第二正交模耦合器41均为金属结构件；所述内管11和所述外管21均用于双极化电磁波收发，且所述内管11和所述外管21工作在同一频段，可以实现同频4通道同时工作。
作为一种优选方案，所述第一正交模耦合器31的公共端设置有沿内管11的某个纵截面对称排列的波导腔体一32，通过宽边合成输出端口一34，实现波导腔体32两条支路内的电磁场180°反相合成输出，所述第一正交模耦合器31的公共端设置有沿内管11的某个纵截面对称排列的波导腔体二33，通过宽边合成输出端口二35，实现波导腔体33两条支路内的电磁场180°反相合成输出；波导腔体一32的对称面与波导腔体二33的对称面相互正交。
为一种优选方案，所述第一正交模耦合器31的公共端设置有阶梯匹配块一36，用于对第一正交模耦合器31的公共端进行驻波匹配，所述阶梯匹配块一36包括沿所述内管11轴向方向延伸的L段相互连通的柱状结构，L≥2且L为整数。
作为一种优选方案，所述第二正交模耦合器41的公共端设置有沿内管11的某个纵截面对称排列的波导腔体三42，通过宽边合成输出端口三44，实现波导腔体42两条支路内的电磁场180°反相合成输出，所述第二正交模耦合器41的公共端设置有沿内管11的某个纵截面对称排列的波导腔体四43，通过宽边合成输出端口四45，实现波导腔体43两条支路内的电磁场180°反相合成输出；波导腔体三42的对称面和波导腔体四43的对称面相互正交。
作作为一种优选方案，所述第二正交模耦合器41的公共端设置有阶梯匹配块二46，用于对第二正交模耦合器41的公共端进行驻波匹配，所述阶梯匹配块二46包括沿所述内管11轴向方向延伸的S段相互连通的柱状结构，S≥2且S为整数。
作为一种优选方案，所述耦合缝隙12的形状为圆形、椭圆形或矩形。
作为一种优选方案，所述内管11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。
作为一种优选方案，所述内管11与所述外管21之间设有阶梯型匹配介质51，用于对外管21的回波损耗进行调节，所述阶梯型匹配介质包括沿所述内管轴向方向延伸的M段相互连通的柱状结构，M≥2且M为整数。
作为一种优选方案，所述内管11的半径为r1，所述外管21的半径为r2，范围为：
2.405*λmin/(2*π)>r1>1.841*λmax/(2*π)，该尺寸选取是为了保证内管11构成的圆波导结构中传输基模TE11模；
r2>λmax/π-r1，该尺寸选取是为了保证外管21与内管11构成的同轴结构中能够传输最低次高次模TE11模；
式中λmin是电磁波最短工作波长，λmax是电磁波最长工作波长。
一种微波天线，包括所述的一种多通道馈源结构，还包括主反射面2、副反射面3，所述主反射面2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2的焦点与所述副反射面3的实焦点重合，内管11的顶端与所述副反射面3的虚焦点重合。
实施例2
作为实施例1的进一步细化，在实施例1的基础上，本实施例还包括以下技术特征：
如图1至图6所示，一种多通道馈源结构，包括内圆管（内管11）、套设于内圆管外的外圆管（外管21）、第一正交模耦合器31以及第二正交模耦合器41，内圆管的底部与第一正交模耦合器31的公共端电连接，外圆管的底部与第二正交模耦合器41的公共端电连接；内圆管与外圆管同轴，保证内圆管收发的电磁波束与外圆管收发的电磁波束指向相同；内圆管设置有耦合缝隙12，耦合缝隙沿内圆管轴向方向排列个数为四，耦合缝隙沿内圆管周向方向分四组按照90°等角度（亦即等间距、等弧长）排列，耦合缝隙12引入的内管11和外管21之间的互耦可以抵消这两个管子在顶端的耦合量，从而提高两个管子的隔离度；内圆管、外圆管、第一正交模耦合器31以及第二正交模耦合器41均为金属结构件；内圆管和外圆管均用于双极化电磁波收发，且内圆管和外圆管均工作在EBand（71~86GHz），可以实现同频4通道同时工作。
内圆管半径r1=1.3mm，外圆管半径r2=3.6mm。
内管11与外管21之间设有圆柱阶梯型匹配介质51，共分成三段，用于对外管21的回波损耗进行调节，圆柱阶梯型匹配介质51可胶粘在内管11和外管21金属壁上，同时用于实现内管11和外管21的同轴定位。
第一正交模耦合器31的公共端设置有沿内管11的某个纵截面对称排列的波导腔体一32，通过宽边合成输出端口一34，用于接收内管11构成的圆波导结构中传输的Y极化TE11模电磁波；第一正交模耦合器31的公共端设置有沿内管11的某个纵截面对称排列的波导腔体二33，通过宽边合成输出端口二35，用于接收内管11构成的圆波导结构中传输的X极化TE11模电磁波；波导腔体一32的对称面和波导腔体二33的对称面相互正交。
第二正交模耦合器41的公共端设置有沿内管11的某个纵截面对称排列的波导腔体三42，通过宽边合成输出端口三44，用于接收外管21与内管11构成的同轴结构中传输的Y极化TE11模电磁波；第二正交模耦合器41的公共端设置有沿内管11的某个纵截面对称排列的波导腔体四43，通过宽边合成输出端口四45，用于接收外管21与内管11构成的同轴结构中传输的X极化TE11模电磁波；波导腔体三42的对称面和波导腔体四43的对称面相互正交。
第一正交模耦合器31的公共端设置有圆柱形阶梯匹配块一36，共分成两段，用于对第一正交模耦合器31的公共端进行驻波匹配。
第二正交模耦合器41的公共端设置有圆柱形阶梯匹配块二46，共分成两段，用于对第二正交模耦合器41的公共端进行驻波匹配。
如图7所示，本发明馈源安装在卡塞格伦天线系统中，主反射面2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8给出了本发明馈源各通道间的隔离度。在71~86GHz频段内，正交模耦合器内的异极化隔离度（包括第一正交模耦合器X极化到第一正交模耦合器Y极化，第二正交模耦合器X极化到第二正交模耦合器Y极化）小于-17dB，两个正交模耦合器间的同极化隔离度（第一正交模耦合器X极化到第二正交模耦合器X极化，第一正交模耦合器Y极化到第二正交模耦合器Y极化）小于-14.5dB；即四个通道间都具有较高的隔离度。
图9给出卡塞格伦天线的辐射方向图性能。其中，第一正交模耦合器对应的两个极化的方向图增益45dBi，对应口径效率55.5%；第二正交模耦合器对应的两个极化的方向图增益44.7dBi，对应口径效率51.8%；即卡塞格伦天线中四个通道均保持较高的辐射口径效率。
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)
1.一种多通道馈源结构，其特征在于：
包括内管（11）、套设于所述内管（11）外的外管（21）、第一正交模耦合器（31）以及第二正交模耦合器（41），所述内管（11）的底部与所述第一正交模耦合器（31）的公共端电连接，所述外管（21）的底部与所述第二正交模耦合器（41）的公共端电连接，所述内管（11）与所述外管（21）同轴；所述内管（11）上设置有耦合缝隙（12），耦合缝隙（12）的分布特征为：所述耦合缝隙（12）沿内管（11）轴向方向排列的组数为N，每组耦合缝隙（12）个数为4K，每组中4K个耦合缝隙（12）沿内管（11）周向方向等间距排列；其中，N≥1且N为整数，K≥1且K为整数；
所述内管（11）、外管（21）、第一正交模耦合器（31）以及第二正交模耦合器（41）均为金属结构件；
所述内管（11）用于双极化电磁波的接收和发射，所述外管（21）用于双极化电磁波的接收和发射，所述内管（11）和所述外管（21）工作在同一频段；
所述第一正交模耦合器（31）的公共端设置有波导腔体一（32），波导腔体一（32）为关于所述内管（11）的某个纵截面对称的结构，波导腔体一（32）的对称面连接有波导宽边合成输出端口一（34）；所述第一正交模耦合器（31）的公共端设置有波导腔体二（33），波导腔体二（33）为关于所述内管（11）的某个纵截面对称的结构，波导腔体二（33）的对称面连接有波导宽边合成输出端口二（35）；波导腔体一（32）的对称面与波导腔体二（33）的对称面相互正交；
所述第二正交模耦合器（41）的公共端设置有波导腔体三（42），波导腔体三（42）为关于所述内管（11）的某个纵截面对称的结构，波导腔体三（42）的对称面连接有波导宽边合成输出端口三（44）；所述第二正交模耦合器（41）的公共端设置有波导腔体四（43），波导腔体四（43）为关于所述内管（11）的某个纵截面对称的结构，波导腔体四（43）的对称面连接有波导宽边合成输出端口四（45）；波导腔体三（42）的对称面与波导腔体四（43）的对称面相互正交。
2.根据权利要求1所述的一种多通道馈源结构，其特征在于：所述第一正交模耦合器（31）的公共端设置有阶梯匹配块一（36），所述阶梯匹配块一（36）包括沿所述内管（11）轴向方向延伸的L段相互连通的柱状结构；其中，L≥2且L为整数。
3.根据权利要求1所述的一种多通道馈源结构，其特征在于：所述第二正交模耦合器（41）的公共端设置有阶梯匹配块二（46），所述阶梯匹配块二（46）包括沿所述内管（11）轴向方向延伸的S段相互连通的柱状结构；其中，S≥2且S为整数。
4.根据权利要求1所述的一种多通道馈源结构，其特征在于：所述耦合缝隙（12）的形状为圆形、椭圆形或矩形。
5.根据权利要求1所述的一种多通道馈源结构，其特征在于：所述内管（11）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。
6.根据权利要求1所述的一种多通道馈源结构，其特征在于：所述内管（11）与所述外管（21）之间设有阶梯型匹配介质（51），所述阶梯型匹配介质（51）包括沿所述内管（11）轴向方向延伸的M段相互连通的柱状结构；其中，M≥2且M为整数。
7.根据权利要求1所述的一种多通道馈源结构，其特征在于：所述内管（11）的半径为r1，所述外管（21）的半径为r2，范围为：
2.405*λmin/(2*π)>r1>1.841*λmax/(2*π)，r2>λmax/π-r1，其中λmin是电磁波最短工作波长，λmax是电磁波最长工作波长。
8.一种微波天线，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的一种多通道馈源结构，还包括主反射面（2）、副反射面（3），所述主反射面（2）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（2）的焦点与所述副反射面（3）的实焦点重合，所述内管（11）的顶端与所述副反射面（3）的虚焦点重合。
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