CN117117487A - 一种溅散板宽频馈源及微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种溅散板宽频馈源，包括：赋形介质棒和圆形波导；所述赋形介质棒包括同轴相连且一体成型的：过渡阶梯、连接台和支撑镜；所述过渡阶梯呈塔状变径结构，并且所述过渡阶梯、所述连接台和所述支撑镜之间满足匹配关系。所述过渡阶梯嵌入所述圆形波导内；所述连接台连接所述过渡阶梯和所述支撑镜；所述支撑镜的一侧凹陷以在所述支撑镜的内侧壁上形成与所述连接台相匹配的副反射面；所述圆形波导的端口与所述过渡阶梯固定连接。本发明还提出一种微波天线。本发明通过设计过渡阶梯、连接台和支撑镜之间特殊的匹配关系，从而调整馈源的特性阻抗，由此提高了使用该馈源的微波天线的相对带宽。

Description

一种溅散板宽频馈源及微波天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，尤其涉及一种溅散板宽频馈源及微波天线。

背景技术

随着微波通信的发展，微波链路对于通信容量的要求也越来越高。常规的微波天线带宽较窄，一般相对带宽在10％左右，绝对带宽在2GHz左右。这样的带宽程度已越来越难满足现代微波通信的需求。馈源是抛物面天线的基本组成部分，是高增益天线的初级辐射器。馈源的作用是将高频电流或束缚电磁波变成辐射的电磁波能量，其对天线的性能有巨大的影响。

目前，溅散板馈源是微波天线主流的馈源形式，因其结构简单、电性能优良、一致性好、易于大批量制造等优点受到微波天线制造厂家的青睐。微波天线一个新的发展趋势是需要将天线的相对带宽越宽越好，相对带宽宽度可以达到40％左右，甚至达到50％，从而方便将常规两个或者三个频段集成到一个宽频天线上，同时天线的驻波，增益等电气性能保持不变。然而，现有溅散板馈源的性能均无法满足目前微波天线的发展需求。

发明内容

为了解决背景技术中所述的现有溅散板馈源性能无法满足目前微波天线发展需求的问题，本发明提出了如下技术方案：

一种溅散板宽频馈源，包括：赋形介质棒和圆形波导；所述赋形介质棒包括同轴相连且一体成型的：过渡阶梯、连接台和支撑镜；所述过渡阶梯呈塔状变径结构，并且所述过渡阶梯、所述连接台和所述支撑镜之间满足匹配关系。所述过渡阶梯嵌入所述圆形波导内；所述连接台连接所述过渡阶梯和所述支撑镜；所述支撑镜的一侧凹陷以在所述支撑镜的内侧壁上形成与所述连接台相匹配的副反射面；所述圆形波导的端口与所述过渡阶梯固定连接。

其中，所述过渡阶梯包括基准轴以及和所述基准轴同轴且依次层叠设置的多段圆柱；每段所述圆柱的直径均大于所述基准轴的直径，并且在所述圆形波导到所述支撑镜的轴向上，每段所述圆柱的直径逐段递增。

进一步地，所述匹配关系为：在所述过渡阶梯的横截面上，所述基准轴的右角点A1和每段所述圆柱同侧的波峰点B均位于第一直线L1上；所述基准轴的左角点A2和每段所述圆柱同侧的波谷点C均位于第二直线L2上，并且所述第一直线L1和所述第二直线L2相互平行。

进一步地，所述支撑镜靠近所述连接台一侧的外周面上设有环形凹槽。

进一步地，所述赋形介质棒旋转对称，在所述赋形介质棒的横截面上，所述第一直线L1穿过所述环形凹槽横截面的上槽点D1；所述第二直线L2穿过所述环形凹槽横截面的下槽点D2和所述支撑镜的边角点E。

进一步地，所述圆形波导的主模为TE11模。

进一步地，所述赋形介质棒的介电常数为2.4～2.8。

进一步地，所述副反射面上电镀有金属层。

进一步地，在所述赋形介质棒的横截面上，所述连接台的侧边与同侧的第一直线L1共线。

本发明的另一目的在于提出一种微波天线，所述微波天线包括上述的溅散板宽频馈源。

有益效果：本发明通过设计过渡阶梯、连接台和支撑镜之间特殊的匹配关系，从而调整馈源的特性阻抗，由此提高了使用该馈源的微波天线的相对带宽。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种溅散板宽频馈源的剖面结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种赋形介质棒横截面的点位示意图；

图3为根据本发明实施例提供的一种微波天线的结构示意图；

图4为副反射面为锥面的微波天线信号传播线路示意图；

图5为有支撑介质后的微波天线信号传播线路示意图；

图6为根据本发明实施例提供的一种微波天线的电磁波传播线路示意图；

图7为根据本发明实施例的1.8m 14.4-23.6G天线的驻波仿真结果图；

图8为根据本发明实施例的1.8m 14.4-23.6G天线的驻波实测结果图；

图9为根据本发明实施例在1.8m 14.4-23.6G天线的频点F＝14.4G的实测方向图；

图10为根据本发明实施例在1.8m 14.4-23.6G天线的频点F＝23.6G的实测方向图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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专利的限制。

图1为根据本发明实施例的一种溅散板宽频馈源的剖面结构示意图。

参照图1，根据图1本发明实施例的一种溅散板宽频馈源包括：赋形介质棒1和圆形波导2；赋形介质棒1包括同轴相连且一体成型的：过渡阶梯11、连接台12和支撑镜13；过渡阶梯11呈塔状变径结构，并且过渡阶梯11、连接台12和支撑镜13之间满足匹配关系。过渡阶梯11嵌入圆形波导2内；连接台12连接过渡阶梯11和支撑镜13；支撑镜13的一侧凹陷以在支撑镜13的内侧壁上形成与连接台12相匹配的副反射面3；圆形波导2的端口与过渡阶梯11固定连接。

具体地，过渡阶梯11包括基准轴111和与基准轴111同轴且依次层叠设置的多段同轴圆柱112，每段圆柱112的直径均大于基准轴111的直径。每段圆柱112的直径均不相等，并且在从圆形波导2到支撑镜13的轴向上，每段圆柱112的直径逐段递增。最末段的圆柱112的端面与圆形波导2的端口之间固定连接，该固定连接的方式包括但不限于胶水粘连等不可拆卸的固定方式，在本实施例中，圆柱112的个数为4个。在其他实施例中，圆柱112的个数还可以是3～5个，由于匹配关系和天线尺寸的约束，个数越多，基准轴111越细，越容易因磕碰而受到损坏。赋形介质棒1整体呈旋转对称结构，支撑镜13靠近连接台12一侧的外周面上设有环形凹槽131，支撑镜13远离连接台12的一端向内凹陷形成锥形的曲面(即副反射面3)。

具体地，匹配关系为：在赋形介质棒1的横截面上，基准轴111的右角点A1和每个圆柱112同侧的波峰点B均位于第一直线L1上，基准轴111的左角点A2和每段圆柱112同侧的波谷点C均位于第二直线L2上，第一直线L1和第二直线L2之间相互平行。进一步地，第一直线L1穿过连接台12的上槽点D1，第二直线L2分别穿过连接台12的下槽点D2和支撑镜13的侧端点E。其中，在赋形介质棒1的横截面上，连接台12呈等腰梯形状，连接台12的腰所在的直线与第一直线L1共线。

下面以本实施例(圆柱112的个数为4个)为例，进一步说明本发明：

从圆形波导2到支撑镜13的轴向方向上，依次为基准轴111、第一圆柱1121、第二圆柱1122、第三圆柱1123、第四圆柱1124、连接台12、支撑镜13。继续参照图1，在赋形介质棒1的横截面上，以图1中所示的左侧为例进行说明，由于赋形介质棒1为旋转对称结构，赋形介质棒1的右侧可通过对称原理得出，在此不再赘述。

图2为根据本发明实施例的一种赋形介质棒横截面的点位示意图。

参照图2，在基准轴111的横截面上，基准轴111远离连接台12的一侧的右端点为基准轴111的右角点A1，基准轴111远离连接台12的一侧的左端点为基准轴111的左角点A2。基准轴111与第一圆柱1121在横截面上的交汇点为第一圆柱1121的波峰点B1，第一圆柱1121和第二圆柱1122在横截面上的交汇点为第二圆柱1122的波峰点B2；以此类推，第二圆柱1121和第三圆柱1123在横截面上的交汇点为第三圆柱1123的波峰点B3，第三圆柱1123和第四圆柱1124在横截面上的交汇点为第四圆柱1124的波峰点B4。

第一圆柱1121的横截面上远离支撑镜13一侧的端点为第一圆柱1121的波谷点C1，以此类推，第二圆柱1122的横截面上远离支撑镜13一侧的端点为第二圆柱1122的波谷点C2，第三圆柱1123的横截面上远离支撑镜13一侧的端点为第三圆柱1123的波谷点C3，第四圆柱1124的横截面上远离支撑镜13一侧的端点为第四圆柱1124的波谷点C4。支撑镜13的横截面上，环形凹槽131靠近支撑镜13一侧的上端点为支撑镜13的上槽点D1，环形凹槽131远离支撑镜13一侧的下端点为支撑镜13的下槽点D2。

基准轴111的右角点A1、第一圆柱1121的波峰点B1、第二圆柱1122的波峰点B2、第三圆柱1123的波峰点B3、第四圆柱1124的波峰点B4、支撑镜13横截面的上槽点D1、支撑镜13横截面的边角点E均在第一直线L1上。基准轴111的左角点A2、第一圆柱1121的波谷点C1、第二圆柱1122的波谷点C2、第三圆柱1123的波谷点C3、第四圆柱1124的波谷点C4、支撑镜13横截面的下槽点D2均在第二直线L2上。第一直线L1和第二直线L2相平行，并且连接台12横截面的腰边与第一直线L1共线。

图3为根据本发明实施例提供的一种微波天线的结构示意图。

本发明的另一目的在于提出一种微波天线，包括：主反射面和上述的溅散板宽频馈源。参照图3，主反射面整体呈抛面状，圆形波导2穿入并固定在主反射面凹陷的一侧，赋形介质棒1远离主反射面的凹陷。

图4为副反射面为锥面的微波天线信号传播线路示意图。图5为有支撑介质后的微波天线信号传播线路示意图。

具体地，参照图4，微波天线上抛物面(主反射面)曲线焦点为F，馈源相位中心O位于圆波导开口圆心处，根据反射理论，O的镜像与F重合，即馈源镜像相位中心位于焦点处，根据抛物面特性，此时口径场同相。当副反射面形状为锥面时，即图1(右)所示情况。此时，相位中心O的镜像位于F′，与焦点F的距离为Δf。F点和F′点到达抛物面底部中心的路程差为Δf，则O的镜像分别位于F点和F′点时，口径场中心处的相位差为：

由于O的镜像位于F点时，口径场同相，不妨设为0，则O的镜像位于F′点时，口径场中心处的绝对相位为：

考虑更一般的情况，抛物面上任意一点P处，张角θ，其对应口径场位置处的绝对相位为：

以θ＝0o归一，可以得到O的镜像位于F′点时，口径场的相位差为：

将1-cos(θ)展开级数，得出：

由式(5)可知，口径场相位差呈平方律变化，根据口径天线理论，平方律相差会使得副瓣电平升高，口径效率下降。

由相位中心O发出的任意射线在锥形介质馈源的传播路径如图2(右)所示，图中，O点发射后先由副反射面反射，再入射至介质内表面，并在介质空气处发生折射，设此时入射角为折射角为/>根据折射理论，可得：

式中，n为介质折射率且n＞1，则：

沿折射线反向延长可得镜像相位中心位于F′点，与F的距离为Δf′。O的镜像位于F′点时，产生的口径场相位差为：

展开级数后，可得：

对比式(5)和式(9)可知，当副反射面为斜面时，若支撑介质段采用合适的锥面赋性，会使得口径场同相。将伸进波导管内的锥面赋型成多阶台阶变换，带宽需求越宽，则台阶的数量越多。为了进一步提升天线的增益和前后比，我们需要对介质进一步赋型，这次将介质锥面的底部赋型为锯齿形的凹槽，通过符合上述匹配规则的赋型设计，可以将经副反射面反射后穿过介质的电磁波尽可能辐射到主反射面的内部。

图6为根据本发明实施例提供的一种微波天线的电磁波传播线路示意图。

参照图6，电磁波从空气中穿入圆形波导2内时，由于传输媒介由空气变为赋形介质棒1(即传输媒介由固态变为气态)，为了减小电磁波的反射，从而使得电磁波能尽可能地沿传输方向传播，赋形介质棒1需要进行一定的设计进而达到良好的阻抗匹配效果。电磁波穿透入赋形介质棒1后沿传播方向到达反射面3并发生反射，反射波在传输到赋形介质棒1的过程中经过连接台12的腰边和支撑镜13后会反射回空气，最后在经过主反射面的作用后大部分均沿着与圆形波导2方向相同的方向向外传播。在该过程中，连接台12的腰边、支撑镜13、环形凹槽131这三者的赋型相互关联，通过不同的赋形设计使得电磁波从赋形介质棒1内辐射出来后可以尽可能多地进入主反射面内，而进入主反射面外的电磁波尽可能地少，以此提高天线的利用效率。

电磁波由圆形波导2传入的电磁波经过副反射面3的第一次反射，并在主反射镜面第二次反射之后达到天线的口径。在本实施例中，赋形介质棒1的介电常数为2.6。在另一实施例中，赋形介质棒1的介电常数为2.4或2.8。在其他实施例中，赋形介电常数位于2.4～2.8之间，具体根据微波天线的性能需求选取。圆形波导2内传播的主模为TE11模(横电模)。

图7为根据本发明实施例的1.8m 14.4-23.6G天线的驻波仿真结果图。

图8为根据本发明实施例的1.8m 14.4-23.6G天线的驻波实测结果图。

图8为根据本发明实施例的1.8m 14.4-23.6G天线的驻波实测结果图。

图9为根据本发明实施例在1.8m 14.4-23.6G天线的频点F＝14.4G的实测方向图。

一并参照图7、图8、图9、图10，经过仿真计算可知，使用本发明作为馈源的微波天线的相对带宽可以达到48.4％。圆形波导2内传播的电池波通过对副反射面3的赋形可以适配不同的主反射面，通过设置合适数量的同心的圆柱112，可以设计不同带宽的天线，相对带宽最大可以达到50％。同时，其他性能与窄频抛物面天线保持一致，即天线效率可达60％-70％，驻波满足1.3(回波损耗-17.7dB)，方向图满足ETSI协会(欧洲电信标准化协会)中的CLASS3标准(第三等级标准，等级越高，抗干扰能力越强)，适用于4米以内任何口径。

综上所述，本发明通过设计过渡阶梯、连接台和支撑镜之间的匹配关系，从而调整馈源的特性阻抗，由此提高了使用该馈源的微波天线的相对带宽。

上述对发明的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。

在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。

以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。

本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (10)

1.一种溅散板宽频馈源，其特征在于，所述溅散板宽频馈源包括：赋形介质棒(1)和圆形波导(2)；所述赋形介质棒(1)包括同轴相连且一体成型的：过渡阶梯(11)、连接台(12)和支撑镜(13)；所述过渡阶梯(11)呈塔状变径结构，并且所述过渡阶梯(11)、所述连接台(12)和所述支撑镜(13)之间满足匹配关系。所述过渡阶梯(11)嵌入所述圆形波导(2)内；所述连接台(12)连接所述过渡阶梯(11)和所述支撑镜(13)；所述支撑镜(13)的一侧凹陷以在所述支撑镜(13)的内侧壁上形成与所述连接台(12)相匹配的副反射面(3)；所述圆形波导(2)的端口与所述过渡阶梯(11)固定连接。

2.根据权利要求1中所述的一种溅散板宽频馈源，其特征在于，所述过渡阶梯(11)包括基准轴(111)以及和所述基准轴(111)同轴且依次层叠设置的多段圆柱(112)；每段所述圆柱(112)的直径均大于所述基准轴(111)的直径，并且在所述圆形波导(2)到所述支撑镜(13)的轴向上，每段所述圆柱(112)的直径逐段递增。

3.根据权利要求2中所述的一种溅散板宽频馈源，其特征在于，所述匹配关系为：在所述过渡阶梯(11)的横截面上，所述基准轴(111)的右角点A1和每段所述圆柱(112)同侧的波峰点B均位于第一直线L1上；所述基准轴(111)的左角点A2和每段所述圆柱(112)同侧的波谷点C均位于第二直线L2上，并且所述第一直线L1和所述第二直线L2相互平行。

4.根据权利要求3中所述的一种溅散板宽频馈源，其特征在于，所述支撑镜(13)靠近所述连接台(12)一侧的外周面上设有环形凹槽(131)。

5.根据权利要求4中所述的一种溅散板宽频馈源，其特征在于，所述赋形介质棒(1)旋转对称，在所述赋形介质棒(1)的横截面上，所述第一直线L1穿过所述环形凹槽(131)横截面的上槽点D1；所述第二直线L2穿过所述环形凹槽(131)横截面的下槽点D2和所述支撑镜(13)的边角点E。

6.根据权利要求1中所述的一种溅散板宽频馈源，其特征在在于，所述圆形波导(2)的主模为TE11模。

7.根据权利要求1中所述的一种溅散板宽频馈源，其特征在于，所述赋形介质棒(1)的介电常数为2.4～2.8。

8.根据权利要求1中所述的一种溅散板宽频馈源，其特征在于，所述副反射面(3)上电镀有金属层。

9.根据权利要求5中所述的一种溅散板宽频馈源，其特征在于，在所述赋形介质棒(1)的横截面上，所述连接台(12)的侧边与同侧的第一直线L1共线。

10.一种微波天线，其特征在于，所述微波天线包括权利要求1～9任意一项中所述的一种溅散板宽频馈源。