CN213692335U - 一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线 - Google Patents

Abstract

一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，包括数据处理模块、T/R模块、矩阵开关模块、馈源和龙伯介质球，多个馈源沿龙伯介质球外围排列成馈源阵列，并与矩阵开关模块对应，所述的馈源阵列中两个馈源为一组，每个馈源均具有一个波导，同一组中两个馈源的波导相连接，在两个波导相接面的反方向侧，每个波导都连接有两个相互垂直的同轴端口，构成交叉双极化，每个同轴端口通过同轴线与矩阵开关模块进行连接。相比较于传统的单波导而言，一方面提高了馈源阵列结构的紧凑程度，实现了小型化，同时在俯仰面形成了双波束，提高了俯仰面的覆盖角度。

Description

一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线

技术领域

本实用新型涉及一种通信天线，具体地说是一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线。

背景技术

龙伯透镜天线由于其自身的高增益、大带宽、多波束的特点，可在卫星通信、汽车雷达、气象监测等方面具有较大的运用潜力，随着龙伯透镜的制造技术不断提升，近年来龙伯透镜天线的研究也越来越受到大家的关注。

透镜天线的设计是基于光学原理，利用透镜的折射作用，通过对入射波的传播路径和相速改变，使得从馈源射出的电磁波经过透镜作用后达到某个平面的总相位变化为恒定值，因此具有良好的聚焦特性。龙伯透镜天线作为一种球形变折射率透镜，其介质材料呈镜像对称，折射率随距离圆心不同而变化。龙伯透镜因自身结构具有完全对称性，因此利用多个馈源天线共享透镜光圈可以产生多个指向不同而幅度相同的波束。

龙伯透镜具有以下优点，在球表面焦点位置放置多个馈源，便可以实现多波束，且每个波束辐射特性相同；工作频段取决于馈源，与透镜介质材料无关；应用跟踪扫描时，只要移动馈源，大大提高了扫描的速率和效率。扫描角度理论上可以达到360°，为了避免馈源遮挡，实际多波束覆盖范围约120°；龙伯透镜由介质材料构成，相比昂贵复杂的相控阵天线，造价低，结构简单，更适合大量生产。

龙伯透镜的应用之一为卫星通信，由于良好的辐射特性，克服了抛物面天线的许多缺点，单个龙伯透镜天线可以对多颗卫星进行通信，用于卫星新闻转播车、移动式卫星地面站等，目前在国外许多国家得到应用。龙伯透镜的应用之二为无源反射器，用于电子干扰系统中，在龙伯球体表面加上特定面积的金属面组成龙伯透镜反射器，根据实际需求可设计单向和全向反射器。这种反射器具有较大散射截面和较宽散射宽度，散射截面比同尺寸角反射器理论上大30倍，主要用于安全导航的目标识别、海上信标、回波信号增强器、靶标和电子干扰的假目标等。龙伯透镜还可应用于其他方面，例如像汽车防撞系统中，其波束扫描速度快，无需移动笨重的天线体，增加了扫描效率和速度，并且相对于相控阵天线而言，它的造价也更低。并且在近几年，变形的柱形龙伯透镜越来越受到学者关注，这种龙伯透镜天线具有增益高，损耗小和毫米波频段体积小等优点，较为适合用于汽车防撞雷达系统中。

龙伯透镜虽然理论上可以代替抛物面天线和相控阵天线，但实际工程应用不是特别广泛，主要原因是制造高性能龙伯透镜难度大，介质材料加工精度要求高。在实际应用中小尺寸透镜应用意义不大,由于尺寸过小，无法使用多个馈源，使用大尺寸龙伯透镜的困难在于体积相对大，从而导致球体重量过大和不易固定，特别是在空间有限的飞机，舰船中，这些问题大大限制了常规球形龙伯透镜的应用。近几年，利用光学变换原理设计新的器件，可以改变天线的外形，满足不同场合需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服龙伯透镜天线使用多个馈源时体积大的问题，提供一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，包括数据处理模块、T/R模块、矩阵开关模块、馈源和龙伯介质球，多个馈源沿龙伯介质球外围排列成馈源阵列，并与矩阵开关模块对应，所述的馈源阵列中两个馈源为一组，每个馈源均具有一个波导，同一组中两个馈源的波导相连接，在两个波导相接面的反方向侧，每个波导都连接有两个相互垂直的同轴端口，构成交叉双极化，每个同轴端口通过同轴线与矩阵开关模块进行连接。

所述馈源阵列中，同一组馈源的两个波导通过机加工一体化成型连接成为一个整体。

所述波导的截面呈矩形，同一组馈源的两个波导在其矩形截面的一个顶角处相连接。

所述波导连接的两个相互垂直的同轴端口分别设置在矩形截面波导上两个相互垂直的侧面上。

所述波导内部设置有金属隔离柱。

所述的金属隔离柱设置在两个相互垂直的同轴端口中心线相交的位置。

所述馈源阵列中每两个馈源为一组，各组馈源沿龙伯介质球外围上下排列。

所述的龙伯介质球采用分层结构，每层材料与尺寸均保持不同。

本实用新型的有益效果是：每个波导都连接有两个相互垂直的同轴端口，构成交叉双极化。两个馈源波导连接在一起，相比较于传统的单波导而言，一方面提高了馈源阵列结构的紧凑程度，实现了小型化，同时在俯仰面形成了双波束，提高了俯仰面的覆盖角度。

附图说明

图1是龙伯透镜天线结构示意图。

图2是本实用新型馈源波导的截面示意图。

图3是本实用新型实物测试的驻波系数频率变化图

图4本实用新型实物测试的端口隔离度频率变化图。

图5是本实用新型的产品波束覆盖范围图。

图中标记：1、第一波导的同轴接口，2、第一波导的另一同轴接口，3、第一波导金属壁，4、第一波导口，5、第一波导金属隔离柱，6、第二波导的同轴接口，7、第二波导的另一同轴接口，8、第二波导金属壁，9、第二波导口，10、第二波导金属隔离柱，11、数据处理模块，12、T/R模块，13、矩阵开关模块，14、馈源，15、龙伯介质球。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本实用新型的实施方式。

如图1所示，本实用新型应用于Ka波段的龙伯透镜天线包括数据处理模块11、T/R模块12、矩阵开关模块13、馈源14和龙伯介质球15。其中数据处理模块11主要控制数据的发送，以及对接收回来的数据进行处理与分析；T/R模块12包括一组发射射频通道及一组接收射频通道，主要作用是将收发信号进行放大、滤波等处理后通过SPDT开关进行收发切换，实现收发分时工作功能。矩阵开关模块13含有N组通道，主要作用是将一路T/R模块输入的信号经1级SP4T、4级SP8T开关选择，实现单刀32掷开关功能。多个馈源与矩阵开关模块对应，并沿龙伯介质球外围排列成馈源阵列，产生N组辐射方向不同的波束。龙伯介质球采用分层结构，每层材料与尺寸均保持不同，其介电常数呈梯度变化。

在本实用新型中，馈源采用开波导天线，馈电方式为同轴馈电。每个馈源均具有一个波导，每个波导都连接有两个相互垂直的同轴端口，构成±45°交叉双极化，每个同轴端口通过同轴线与矩阵开关模块进行连接，通过对开关的控制，形成对龙伯球波束的控制。

如图2所示，馈源阵列中两个馈源为一组，同一组中两个馈源的波导相连接，可以通过机加工一体化成型连接成为一个整体。在图2所示实施例中，所述波导的截面呈矩形，同一组馈源的两个波导在其矩形截面的一个顶角处相连接。在两个波导相接面的反方向侧，每个波导都连接有两个相互垂直的同轴端口，两个相互垂直的同轴端口分别设置在矩形截面波导上两个相互垂直的侧面上。

在波导内部设置有金属隔离柱，作用是提高两个同轴端口的隔离度。优选的金属隔离柱设置在两个相互垂直的同轴端口中心线相交的位置。

所述馈源阵列中每两个馈源为一组，各组馈源沿龙伯介质球外围上下排列，可提高俯仰面的覆盖角度；整个龙伯球周围由N个此类型的结构构成，形成N*2个波束。此结构相比较于传统的单波导而言，一方面提高了结构的紧凑程度，实现了小型化，同时在俯仰面形成了双波束，提高了俯仰面的覆盖角度。

图3和4所示为龙伯透镜天线产品的驻波及端口隔离度测试图，在频段24GHz-28GHz内，其驻波比是低于2的，这表明在要求频段内的馈源匹配性较好。其同个馈源的两个端口隔离度小于-25dB，结果比较理想。

图5所示龙伯透镜天线的8组波束方向图。由结果可知，其E/H面方向图方向性较好，副瓣较低，波束覆盖范围-60°~+60°。

Claims (8)

1.一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，包括数据处理模块、T/R模块、矩阵开关模块、馈源和龙伯介质球，多个馈源沿龙伯介质球外围排列成馈源阵列，并与矩阵开关模块对应，其特征在于：所述的馈源阵列中两个馈源为一组，每个馈源均具有一个波导，同一组中两个馈源的波导相连接，在两个波导相接面的反方向侧，每个波导都连接有两个相互垂直的同轴端口，构成交叉双极化，每个同轴端口通过同轴线与矩阵开关模块进行连接。

2.如权利要求1所述的一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，其特征在于：所述馈源阵列中，同一组馈源的两个波导通过机加工一体化成型连接成为一个整体。

3.如权利要求1所述的一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，其特征在于：所述波导的截面呈矩形，同一组馈源的两个波导在其矩形截面的一个顶角处相连接。

4.如权利要求3所述的一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，其特征在于：所述波导连接的两个相互垂直的同轴端口分别设置在矩形截面波导上两个相互垂直的侧面上。

5.如权利要求1—4任一项所述的一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，其特征在于：所述波导内部设置有金属隔离柱。

6.如权利要求5所述的一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，其特征在于：所述的金属隔离柱设置在两个相互垂直的同轴端口中心线相交的位置。

7.如权利要求1所述的一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，其特征在于：所述馈源阵列中每两个馈源为一组，各组馈源沿龙伯介质球外围上下排列。

8.如权利要求1所述的一种应用于Ka波段的龙伯透镜天线，其特征在于：所述的龙伯介质球采用分层结构，每层材料与尺寸均保持不同。

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