CN208596773U - 一种高性能微波溅散板馈源天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高性能微波溅散板馈源天线，包括：一个通过模具冷压形成的碳纤维标准抛物面形成的分瓣便携主反射器；一个沿主反射器轴线方向馈电分段连接的圆波导管；一个赋形的旋转对称的介质溅散板，该介质溅散板位于圆波导管上方；一个设置在介质溅散板底面并经由金属薄片而形成的副反射器；一个将圆波导管和主反射器连接在一起的馈源连接波导。本实用新型的天线性能更加良好、轻便、美观且成本低廉的高性能微波溅散板天线。

Description

一种高性能微波溅散板馈源天线

技术领域

本实用新型属于微波天线设计与工艺技术领域，它特别涉及卫星通信系统中小口径天线Q、Ka、Ku及X等频段的溅散板天线设计与工艺。

背景技术

溅散板馈源天线属于双反射面后馈天线。相比传统的卡塞格伦、格里高利天线和环焦天线，溅散板馈源天线具有主反射面不需赋形，只赋形支撑介质表面和副反射面，所以既能控制天线口面的幅度分布，又能控制相位分布，实现高增益、低旁瓣、低交叉极化的天线方向图。并且溅散板馈源天线以介质作支撑，并以溅散板为副反射面，从而省去了支撑副反射面的支杆，消除支杆的遮挡，提高了天线效率，降低了天线方向图旁瓣，因而在卫星通信、射电天文、微波通信和遥感系统等领域得到大量应用。

环焦、卡塞格伦、格里高利和抛物面天线也是常用反射面天线类型，然而在毫米波天线由于波长很短，因而对天线结构设计和加工技术有十分严格的要求(通常要求表面加工精度为λ/16，容许的机械公差仅为0.02mm)，所以环焦、卡塞格伦和抛物面天线相对于小口径毫米波天线而言，会因为副反射面或者馈源的遮挡影响天线效率，并导致天线方向图旁瓣提高和不对称。而随着通讯技术的不断发展，为了方便使用需要更小的口径，更高的增益，电气性能更好的毫米波天线，溅散板抛物面天线更适用于小口径天线，天线效率更高，方向图性能更好。

目前的溅散板馈源天线主要问题是馈源开口辐射波导的终端匹配不理想，造成电压驻波比较高。而且由于溅散板馈源天线的馈源多为光壁圆波导，这样频率升高时，波导开口处由于不连续性在波导内激励并传播有害的波导模式，影响天线的宽频带波瓣等化特性。现有解决办法就是增加销锥或者柱状台阶匹配过渡，但也只能解决较窄的频段匹配，无法解决如卫星通信中宽频段收发甚至多频段收发的问题。因此迫切需要发展新的设计与工艺技术来满足这种需求。

实用新型内容

针对上述微波溅散板馈源天线存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于提供一种性能更加良好、轻便、美观且成本低廉的高性能微波溅散板馈源天线。

为了实现上述任务，本实用新型采用如下技术解决方案：

一种高性能微波溅散板馈源天线，包括：

一个碳纤维标准抛物面形成的分瓣便携主反射器；

一个沿主反射器轴线方向馈电分段连接的圆波导管；

一个赋形的旋转对称的介质溅散板，该介质溅散板位于圆波导管上方；

一个在介质溅散板底面经由金属薄片而形成的赋形的副反射器；

一个将圆波导管和主反射器连接在一起的馈源连接波导；

所述介质溅散板外部轮廓为实心锥体，其最大直径为工作波长的 2.5～3.5倍之间，且其高度小于最大直径；介质溅散板的材料为介电常数在2～3之间的聚合物；介质溅散板外露于圆波导管的侧面部分开若干个有一定高度和宽度的环形台阶，环形台阶的个数根据需要控制的幅度和相位分布来确定，每个槽的高度与宽度都一致；

所述介质溅散板在圆波导管内部分外轮廓为三阶圆柱台阶，而内部为三阶圆柱内腔体，外轮廓圆柱台阶直径从由窄到宽再到窄，最顶端的是较窄的第一圆柱体；紧挨着的是最宽的第二圆柱体，第二圆柱体的直径要大于圆波导管变径前的内径，起到溅散板与波导管固定的作用，减少了介质溅散板粘接难度；与第二圆柱体紧挨着是最窄的第三圆柱体，第三圆柱体的直径与圆波导管变径前的内径一致,且圆柱体最后是与波导管外介质的螺纹杆相连接，螺纹杆具体规格根据不同频段和溅散板大小选择；第一圆柱体、第二圆柱体、第三圆柱体和波导管环形槽共同完成外轮廓的阻抗匹配和方向图的优化；

介质溅散板圆波导管内部分内腔体三阶内台阶腔体，腔体由宽往窄逐阶级变，最顶端的是最宽的圆柱腔体在第一圆柱体中心；紧挨着的是圆柱腔体在第二圆柱体中心；最窄的圆柱腔体在第三圆柱体中心。

所述主反射器为标准旋转碳纤维抛物面，由冷压加工而成单板碳纤维面板，面板中心预埋有中心孔和连接法兰的预埋件。

所述溅散板馈源开口辐射波导的终端匹配采用内外双圆柱台阶，驻波比在Ka频段低于1.25，Q频段低于1.4，适用于宽频带天线或多频带；所述溅散板馈源开口辐射波导增加若干匹配环形槽，用于优化终端匹配效果和预期的辐射场。

所述副反射器为有一定厚度根据不同频段赋形的金属薄膜，附着在介质溅散板的上表面并与表面的相吻合。

所述介质溅散板一端与圆波导管用粘结剂相连，另一端与副反射器相粘连，起到将圆波导管和副反射器连接在一起的作用；介质溅散板由波导管内部分和波导管外部分分别加工后，经过螺纹组装在一起。

本实用新型的微波溅散板馈源天线，和现有的天线相比，带来的技术效果是：

以介质作支撑并以附着在介质上的金属薄片作为副反射器，从而省去了支杆，消除了支杆的遮挡，提高了天线效率。

馈源照射角以外的电磁波照射到介质内表面，部分地被反射到介质副反射面，经多次反射和折射后到达主面，从而提高了馈源的照射效率。

因为采用了副反射器和介质表面赋形的双赋形技术，所以既能控制天线口面的幅度分布又能控制相位分布。这样，就可以采用优化的口面场分布实现预期的辐射场。例如可降低天线旁瓣和背瓣的电平。

溅散板馈源开口辐射圆波导管的终端匹配采用内外双圆柱台阶，比传统的销锥或圆柱台阶匹配更加理想，驻波比在Ka频段低于1.25， Q频段低于1.4，更加适用于宽频带天线或多频带。

溅散板馈源开口辐射圆波导管内壁增加若干匹配环形槽。这样就可以进一步优化终端匹配效果和预期的辐射场。例如可降低天馈系统驻波、天线旁瓣和背瓣的电平。

与卡塞格伦，格里高利及环焦天线相比，省去了副面支杆，结构简洁，便于安装，拆卸和运输。

以铜为主材料，材料相对便宜；由于馈源零部件加工工艺简单，组件数量少，易于组装，大大降低了成本。

批量生产时无需调试，缩减了生产流程，节省了一定的人力物力，加快了成品速度，缩短了供货周期。

附图说明

图1为本实用新型的整体剖视图；

图2为本实用新型的馈源结构组装图；

图3为本实用新型的溅散板、副反射面和部分波导管的剖视图；

图4为本实用新型的馈源连接波导的剖视图

图5为本实用新型应用在20Ghz频段的典型的驻波曲线图

图6为本实用新型应用在30Ghz频段的典型的驻波曲线图

图7为本实用新型应用在44Ghz频段的典型的驻波曲线图

图8为本实用新型应用于1.0m口径在18.2GHz频率的方向图及 RPE性能；

图9为本实用新型应用于1.2m口径在19.2GHz频率的方向图及 RPE性能；

图10为本实用新型应用于1.0m口径在31GHz频率的方向图及 RPE性能；

图11为本实用新型应用于1.2m口径在45.5GHz频率的方向图及RPE性能。

具体实施方式

本实施例给出一种高性能微波溅散板馈源天线，包括：

一个通过模具冷压形成的碳纤维标准抛物面形成的分瓣便携主反射面(1)；

一个沿主反射器轴线方向馈电分段连接的圆波导管(2)；

一个赋形的旋转对称的介质溅散板(3)，该介质溅散板位于圆波导管(2)上方；

一个在介质溅散板(3)底面经由金属薄片而形成的副反射器(4)；

一个将圆波导管(2)和主反射器(1)连接在一起的馈源连接波导(5)；

在能量传送过程中，首先由圆波导管(2)发射出球面波能量，球面波能量传递到介质溅散板(3)上经过多次反射和折射达到副反射器(4)，再由副反射器(4)经过多次折射和反射辐射到自由空间，进而到达主反射器(1)，再通过主反射器(1)反射出去。能量经过这一系列过程从主反射器(1)反射出去时已从最初始的球面波变为平面波。这是天线作为发射天线的工作原理，作为接收天线时，正好与上述传输路径相反。

本实施例中，最关键的部件为圆波导管(2)、介质溅散板(3)、副反射器(4)和主反射器(5)，这四个部件为本实用新型电气性能上最关键之所在，其他部件或为连接件，或为改善产品电气性能，或为其他性能上考虑的部件。圆波导管(2)理论上是整个天线的馈源，然而作为后馈天线，可将圆波导管(2)、介质溅散板(3)和副反射器(4)三者组合成为天线的实际馈源。三者同处于主反射器(1)的轴线位置，相互连接，且每个部件旋转对称。

根据特定的频段，圆波导管(2)选取合适的内径以使电磁能量以主模方式传播，圆波导管(2)与介质(3)连接处有一次内径变化 (2.a)，采用了过渡介质(3)采用三阶内台阶腔体和三阶外台阶的方法抑制了高次模的产生，对于毫米波频段可以进步采用与介质连接处的波导管内壁增加若干环形槽(2.b)作为匹配缝隙的方法进一步抑制高次模优化天线方向图。而在加工时要求波导管粗糙度小于0.2，环形槽(2.b)根据不同频段增加数量及宽度，数量在3～10个之间，高度在0.1mm～2mm。

圆波导管(2)的长度与主反射器(1)的直径的比值符合一定的焦径比。而由于加工难度以及内腔体的加工精度的影响，可以适当对圆波导管(2)进行分段加工，但是分段连接处必须采用紧配合连接而且需要增加定位销或定位台阶(2.c)，如。对于毫米波频段波导管(2)，与溅散板介质(3)连接处的变径窄波导管(2.a)内壁上需要增加3～10个，深度在0.5mm～3mm,高度在0.1mm～2mm的环形槽 (2.b)，主要作用在于毫米波频段变宽，波长变窄，需要经一波抑制高次模，优化天线方向图。

介质溅散板(3)一端与圆波导管(2)用粘结剂相连，另一端与副反射器(4)相粘连，起到将圆波导管(2)和副反射器(4)连接在一起的作用。介质溅散板(3)由波导管内部分(3.1)和波导管外部分(3.2) 分别加工后，经过螺纹(3.3)组装在一起。这样做的好处是节省材料，加固波导管(2)与介质溅散板(3)的连接，以及降低加工风险。

介质溅散板(3)外部轮廓为实心锥体，其最大直径为工作波长的2.5～3.5倍之间，且其高度小于最大直径。介质溅散板(3)的材料为介电常数在2～3之间的聚合物。材料的选择将对电气性能影响很大。只有选取合适介电常数的介质材料，且对介质进行一定的赋形才能有效控制天线口面的幅度分布和相位分布。介质溅散板(3)外露于圆波导管(2)的侧面部分开若干个有一定高度和宽度的环形台阶(3.2.a)，环形台阶的个数根据需要控制的幅度和相位分布来确定，一般每个槽的高度与宽度都一致。其上表面为赋形锥面，而上表面的赋形实质是副反射器4的赋形。

介质溅散板在圆波导管内部分(3.1)外轮廓为三阶圆柱台阶，而内部为三阶圆柱内腔体。外轮廓圆柱台阶直径从由窄到宽再到窄，最顶端的是较窄的第一圆柱体(3.1.a)；紧挨着的是最宽的第二圆柱体(3.1.b)，第二圆柱体(3.1.b)的直径要大于圆波导管变径前(2.a) 的内径，起到溅散板与波导管固定的作用，减少了介质溅散板粘接难度；与第二圆柱体(3.1.b)紧挨着是最窄的第三圆柱体(3.1.c)，第三圆柱体(3.1.c)的直径与圆波导管变径前(2.a)的内径一致, 且圆柱体(3.1.c)最后是与波导管外介质的螺纹杆(3.3)相连接，螺纹杆(3.3)具体规格根据不同频段和溅散板大小选择；第一圆柱体 (3.1.a)、第二圆柱体(3.1.b)、第三圆柱体(3.1.c)和波导管环形槽(2.b)共同完成外轮廓的阻抗匹配和方向图的优化。介质溅散板圆波导管内部分内腔体三阶内台阶腔体，腔体由宽往窄逐阶级变，最顶端的是最宽的圆柱腔体(3.1.d)在第一圆柱体(3.1.a)中心；紧挨着的是圆柱腔体(3.1.e)在第二圆柱体(3.1.b)中心；最窄的圆柱腔体(3.1.f)在第三圆柱体(3.1.c)中心。介质溅散板(3.2) 的圆柱体内外台阶(3.2.a)级数越多，馈源的匹配特性就越好，天线的频带宽度也就越宽，但一般根据需要进行调整。

副反射器(4)为有一定厚度根据不同频段赋形的金属薄膜，附着在介质溅散板(3)的上表面并与表面的相吻合。

馈源连接波导为带三个法兰盘的圆波导管，馈源连接波导的前端法兰盘(5.a)插入其反射面(1)中心处且高于反射面(1)与圆波导 (2)连接；中间最大的法兰(5.b)与反射面底部连接；后端法兰盘 (5.c)可以通过过渡和双工器连接。

圆波导管(2)、馈源连接波导(5)、介质溅散板(3)和副反射器(4)四个零件同处于主反射器(1)的轴线上。

主反射器(1)为标准旋转碳纤维抛物面，可由冷压加工而成单板碳纤维面板，面板中心预埋有中心孔和连接法兰的预埋件。主反射器(1)口径不仅适用于小口径天线也适用于大中型口径天线。为了便携拆装，可以对反射面就行分瓣拼装。

经过以上措施，电气方面解决了以下几个问题：

1、解决了传统抛物面天线效率不高的问题，使得天线的效率至少可以达到65％以上；

2、解决了传统溅散板馈源天线高频以及超高频宽频带和驻波匹配的问题。即使在Ka频段时，驻波比小于1.25：1，Q频段时，驻波比小于1.4：1。

3、天线系统各项指标满足甚至超过ETSI CLASS-3标准。

4、本实用新型解决了传统的溅散板馈源的微波天线只能用于小口径的问题，不仅适用于小口径天线也适用于大中型口径天线。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作出的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施仅限于这些说明。对于本实用新型所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种高性能微波溅散板馈源天线，其特征在于，包括：

一个碳纤维标准抛物面形成的分瓣便携主反射器；

一个沿主反射器轴线方向馈电分段连接的圆波导管；

一个赋形的旋转对称的介质溅散板，该介质溅散板位于圆波导管上方；

一个在介质溅散板底面经由金属薄片而形成的赋形的副反射器；

一个将圆波导管和主反射器连接在一起的馈源连接波导；

所述介质溅散板外部轮廓为实心锥体，其最大直径为工作波长的2.5～3.5倍之间，且其高度小于最大直径；介质溅散板的材料为介电常数在2～3之间的聚合物；介质溅散板外露于圆波导管的侧面部分开若干个有一定高度和宽度的环形台阶，环形台阶的个数根据需要控制的幅度和相位分布来确定，每个槽的高度与宽度都一致；

所述介质溅散板在圆波导管内部分外轮廓为三阶圆柱台阶，而内部为三阶圆柱内腔体，外轮廓圆柱台阶直径从由窄到宽再到窄，最顶端的是较窄的第一圆柱体；紧挨着的是最宽的第二圆柱体，第二圆柱体的直径要大于圆波导管变径前的内径，起到溅散板与波导管固定的作用，减少了介质溅散板粘接难度；与第二圆柱体紧挨着是最窄的第三圆柱体，第三圆柱体的直径与圆波导管变径前的内径一致,且圆柱体最后是与波导管外介质的螺纹杆相连接，螺纹杆具体规格根据不同频段和溅散板大小选择；第一圆柱体、第二圆柱体、第三圆柱体和波导管环形槽共同完成外轮廓的阻抗匹配和方向图的优化；

介质溅散板圆波导管内部分内腔体三阶内台阶腔体，腔体由宽往窄逐阶级变，最顶端的是最宽的圆柱腔体在第一圆柱体中心；紧挨着的是圆柱腔体在第二圆柱体中心；最窄的圆柱腔体在第三圆柱体中心。

2.如权利要求1所述高性能微波溅散板馈源天线，其特征在于：

所述主反射器为标准旋转碳纤维抛物面，由冷压加工而成单板碳纤维面板，面板中心预埋有中心孔和连接法兰的预埋件。

3.如权利要求1所述高性能微波溅散板馈源天线，其特征在于：

所述溅散板馈源开口辐射波导的终端匹配采用内外双圆柱台阶，驻波比在Ka频段低于1.25，Q频段低于1.4，适用于宽频带天线或多频带；所述溅散板馈源开口辐射波导增加若干匹配环形槽，用于优化终端匹配效果和预期的辐射场。

4.如权利要求1所述高性能微波溅散板馈源天线，其特征在于：

所述副反射器为有一定厚度根据不同频段赋形的金属薄膜，附着在介质溅散板的上表面并与表面的相吻合。

5.如权利要求1所述高性能微波溅散板馈源天线，其特征在于：

所述介质溅散板一端与圆波导管用粘结剂相连，另一端与副反射器相粘连，起到将圆波导管和副反射器连接在一起的作用；介质溅散板由波导管内部分和波导管外部分分别加工后，经过螺纹组装在一起。