CN206451818U - 馈源及天线系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种馈源及一种天线系统。馈源包括：波导管，用于传输电磁波且作为初级辐射源提供初级辐射的电磁波；副反射面，用于反射所述初级辐射的电磁波；以及介质头，用于连接所述波导管和所述副反射面，其中，所述副反射面包括前端面和后端面，所述副反射面的后端面包括中心区域和周边区域，所述中心区域与所述介质头连接，所述周边区域具有至少一个阶梯状环形凹槽。天线系统包括上述馈源以及主反射面。根据本实用新型的馈源及天线，能够降低辐射电磁波的交叉极化水平和旁瓣，馈源具有自支撑结构，避免了使用支撑杆带来的对辐射电磁波的遮挡，从而便于安装和调试。

Description

馈源及天线系统

技术领域

本实用新型涉及天线领域，更具体地，涉及一种馈源及天线系统。

背景技术

天线系统包括金属反射面和馈源。馈源是天线系统的初级辐射器，用于将电信号转换成电磁波。根据天线的类型，天线系统可以包括一个或多个反射面。在发射状态，馈源产生的电磁波在金属反射面反射之后，形成向空气中辐射的窄波束。

电磁波的极化指其在最大辐射方向上辐射电波的极化，定义为在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹，由于天线本身物理结构等原因，天线辐射远场的电场矢量除了有所需要方向的分量外，还在其正交方向上存在分量，通常将上述与主极化正交的极化分量称为天线的交叉极化。

交叉极化是卫星通信天线、通信基站天线很重要的一个参数，一般交叉极化要求在主方向上辐射的交叉极化增益要远小于主极化增益，而交叉极化的电平受天线馈源结构的影响较大。另外，现有的天线系统中需要采用馈源支架将馈源安装在反射面的合适位置上，如果馈源未准确地设置于抛物面焦点，将会引起口径效率下降。

期望对馈源的结构作进一步优化以降低交叉极化的水平并且便于安装在天线系统上。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种馈源级天线系统，以降低辐射电磁波的交叉极化水平。

根据本实用新型提供的一方面，提供一种馈源，包括：波导管，用于传输电磁波且作为初级辐射源提供初级辐射的电磁波；副反射面，用于反射所述初级辐射的电磁波；以及介质头，用于连接所述波导管和所述副反射面，其中，所述副反射面包括前端面和后端面，所述副反射面的后端面包括中心区域和周边区域，所述中心区域与所述介质头连接，所述周边区域具有至少一个阶梯状环形凹槽。

优选地，所述阶梯状环形凹槽数目为多个，并且同心设置。

优选地，所述阶梯状环形凹槽数目为多个，并且截面形状不同。

优选地，所述副反射面的前端面为平整的圆形表面，所述副反射面的后端面的所述中心区域为椎体。

优选地，所述副反射面上开设有减重槽。

优选地，所述介质头包括用于与所述副反射面连接的前端面和与所述波导管连接的后端面，所述介质头的前端面为与所述椎体形状匹配的锥孔。

优选地，所述介质头的后端面包括直径不同的多个圆孔形成的连续贯通的盲孔，在所述介质头的后端面至前端面的方向上，所述多个圆孔的直径逐渐减小。

优选地，所述波导管包括用于与所述介质头的后端面连接的前端和用于连接外部的收发信机的后端。

优选地，所述波导管还包括用于连接至天线的主反射面的法兰，所述法兰位于所述波导管的后端

根据本实用新型的另一方面，提供一种天线系统，包括：主反射面，用于辐射或汇聚电磁波；以及根据上述任一项的馈源，其中，所述馈源从所述主反射面的焦点位置延伸穿过所述主反射面到达其背面。

优选地，所述馈源固定在所述主反射面上。

优选地，所述主反射面为环焦抛物面。

根据本实用新型的馈源，副反射面包括前端面和后端面，其中后端面包括中心区域和周边区域，所述周边区域具有至少一个阶梯状环形凹槽，该馈源的性能反映在天线性能图上，可以实现较低的第一旁瓣和远场旁瓣，E面与H面的辐射方向图类似，从而可以降低交叉极化水平。

根据该实施例的天线系统，馈源从反射面的焦点位置延伸到达反射面的背面，并且直接安装在反射面上。该天线系统的馈源不需要附加的馈源支架，从而避免使用馈源支架对信号辐射的遮挡，也便于安装和调试。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本实用新型实施例的天线系统的结构示意图；

图2和3分别示出根据本实用新型实施例的天线系统中使用的馈源的立体图和截面图；

图4至7分别示出图2所示的馈源在不同频率下的方向图仿真结果。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

图1示出根据本实用新型实施例的天线系统的结构示意图。该天线系统1000包括馈源100以及主反射面200。馈源100从主反射面200的焦点位置延伸穿过主反射面200，到达主反射面200的背面。

主反射面200的形状为环焦抛物面。例如，主反射面200由抛物线旋转360°得到，其中抛物线的方程为y＝x²/4f，f为抛物线焦距。优选地，在抛物面中心有半径为r的环焦。抛物面的作用是对馈源辐射出的电磁波进行反射与汇聚。主反射面200例如由铝合金板构成，厚度例如为1.5mm-3mm，或者由玻璃钢或碳纤维构成主体，然后在主体表面粘附金属箔、金属网或金属栅。网孔的尺寸与天线工作频率的波长相关。例如，网孔的最大尺寸小于λ/8至λ/10，其中，λ是天线工作频率的波长。如果网孔的尺寸过大，则电磁波容易穿透主反射面，导致天线无法正常工作。

馈源100是天线系统的初级辐射器，用于将电信号转换成电磁波。馈源100的一端连接至收发信机。在发射状态，收发信机产生电信号，经由波导管传输至馈源100的前端面。根据天线的类型不同，馈源100的前端面产生的电磁波直接辐射至主反射面200，或者经由副反射面反射至主反射面200，然后经由主反射面200向空间辐射。在抛物面天线中，馈源100发射的球面波经抛物面的主反射面200反射之后为变换成平面波，沿抛物面轴向辐射窄波束。在接收状态，主反射面200收集空间传输的电磁波。根据天线的类型不同，主反射面200将电磁波直接汇聚至馈源100的前端面，或者先汇聚至副反射面，然后由副反射面聚焦至馈源100的前端面，经由波导管传输至收发信机并且转换成电信号。

与现有技术的天线系统不同，根据该实施例的天线系统的馈源100从主反射面200的焦点位置延伸到达反射面的背面，并且直接安装在主反射面200上。该天线系统1000的馈源100不需要附加的馈源支架，从而避免使用馈源支架对信号辐射的遮挡，同时便于安装和调试。

图2和3分别示出根据本实用新型实施例的天线系统中使用的馈源的立体图和截面图。馈源100包括副反射面110、介质头120和波导管130。在该实施例中，波导管130作为初级辐射源，用于提供初级辐射的电磁波，副反射面100作为一次反射面，用于反射初级辐射的电磁波。

副反射面110包括前端面111和后端面，副反射面110的后端面又包括中心区域112和周边区域113。副反射面110的前端面111为大致平整的圆形，后端面的中心区域112可与介质头120连接，该中心区域112可以是椎体，在一个改进方案中，副反射面上可以开设有减重槽。

与现有技术不同的是，后端面的周边区域113具有至少一个阶梯状环形凹槽114。由于副反射面110的尺寸与形状将影响反射电磁波幅度与相位的空间分布，优选地，阶梯状环形凹槽114的数目可以是多个，并且同心设置，另外，多个阶梯状环形凹槽114的截面形状可以不同。

在本实施例中，以副反射面110包括两个阶梯状环形凹槽114为例说明，其中如图所示，两个阶梯环形凹槽114的槽深、端面高度、槽宽以及阶梯高度均不同。可以理解的是，阶梯环形凹槽114的也可以是其他数目，例如三个、四个等，其具体尺寸可根据遗传算法优化得到。上述副反射面110的形状的性能如果反映在天线性能图上，可以实现较低的第一旁瓣和远场旁瓣，E面与H面的辐射方向图类似，从而可以降低交叉极化水平。副反射面110的各部分的具体尺寸可以通过遗传算法优化得到，从而实现较宽的频带。副反射面110所用材料例如为铝。

介质头120在结构上起支撑和连接副反射面110和波导管130的作用。在电性能上也将影响馈源的驻波、主极化与交叉极化分量的幅度和相位方向图。介质头120包括用于与副反射面110连接的前端面121和与波导管130连接的后端面122。介质头120的前端面121可以与副反射面110的后端面的中心区域112对应，是与所述椎体形状匹配的锥孔。介质头120的后端插入波导管130中。进一步地，介质头120的后端面122包括多个直径不同的圆孔，从后端面122开始，多个圆孔连续贯通，并且直径逐渐减小，形成盲孔。所述多个圆孔起到阻抗匹配的作用。孔的直径和长度可以通过遗传算法优化得到。介质头120由介电常数稳定、低损耗、机械性能良好的实心介质材料构成。例如，介质头120可以由选自陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯，High Density Polyethylene)、ABS(AcrylonitrileButadiene Styrene)中的一种材料组成。

波导管130在天线系统中起到初级辐射源的作用。波导管130的形状为中空圆管，其包括用于与介质头120的后端面122连接的前端和用于连接外部的收发信机的后端。波导管130的前端和后端各具有开口，其中前端的开口使得介质头120的后端面122可以至少部分插入波导管130内。后端的开口可以方便与收发信机相连接。尽管未示出，然而，波导管130的后端还可以包括附加的法兰，用于将波导管130固定在主主反射面200上。波导管130所用的材料例如为铝，并且可以是金属成型件。

通过在波导管130上设置法兰使得馈源具有自支撑结构，从而避免使用馈源支架引起的不必要的遮挡。另外本实施例的馈源结构相对简单，加工成本也较低。

图4至图7分别示出图2所示的馈源在Ku以及Ka频段不同频率下的方向图仿真结果。其中图4和图5示出在Ku频段不同频率下的方向图仿真结果，其中分别示出工作频率为12.5GHz和14.25GHz的情形下沿不同方向的增益。如图4所示，在工作频率为12.5Ghz的情形下，主瓣幅度为39.6dBi，主瓣方向为0度，副瓣级别为-24.3dB。如图5所示，在工作频率为14.25GHZ的情形下，主瓣幅度为41.2dBi，主瓣方向为0度，副瓣级别为-23.0dB。图6和图7示出在Ka频段不同频率下的方向图仿真结果，其中分别示出工作频率为20.4GHz和30.2GHz的情形下沿不同方向的增益。如图4所示，在工作频率为20.4Ghz的情形下，主瓣幅度为44.2dBi，主瓣方向为0度，副瓣级别为-27.9dB。如图5所示，在工作频率为30.2GHZ的情形下，主瓣幅度为48dBi，主瓣方向为0度，副瓣级别为-24.6dB。该馈源可以实现较低的第一旁瓣和远场旁瓣，还可以降低交叉极化水平，通过采用遗传算法优化，可以实现较宽的频带。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (12)

1.一种馈源，其特征在于，包括：

波导管，用于传输电磁波且作为初级辐射源提供初级辐射的电磁波；

副反射面，用于反射所述初级辐射的电磁波；以及

介质头，用于连接所述波导管和所述副反射面，

其中，所述副反射面包括前端面和后端面，所述副反射面的后端面包括中心区域和周边区域，所述中心区域与所述介质头连接，所述周边区域具有至少一个阶梯状环形凹槽。

2.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，所述阶梯状环形凹槽数目为多个，并且同心设置。

3.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，所述阶梯状环形凹槽数目为多个，并且截面形状不同。

4.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，所述副反射面的前端面为平整的圆形表面，所述副反射面的后端面的所述中心区域为椎体。

5.根据权利要求4所述的馈源，其特征在于，所述副反射面上开设有减重槽。

6.根据权利要求4所述的馈源，其特征在于，所述介质头包括用于与所述副反射面连接的前端面和与所述波导管连接的后端面，所述介质头的前端面为与所述椎体形状匹配的锥孔。

7.根据权利要求4所述的馈源，其特征在于，所述介质头的后端面包括直径不同的多个圆孔形成的连续贯通的盲孔，在所述介质头的后端面至前端面的方向上，所述多个圆孔的直径逐渐减小。

8.根据权利要求1所述的馈源，其特征在于，所述波导管包括用于与所述介质头的后端面连接的前端和用于连接外部的收发信机的后端。

9.根据权利要求8所述的馈源，其特征在于，所述波导管还包括用于连接至天线的主反射面的法兰，所述法兰位于所述波导管的后端。

10.一种天线系统，其特征在于，包括：

主反射面，用于辐射或汇聚电磁波；以及

根据权利要求1至9中任一项所述的馈源，

其中，所述馈源从所述主反射面的焦点位置延伸穿过所述主反射面到达其背面。

11.根据权利要求10所述的天线系统，其特征在于，所述馈源固定在所述主反射面上。

12.根据权利要求10所述的天线系统，其特征在于，所述主反射面为环焦抛物面。