CN102231456A - 双频段双极化共口径天线 - Google Patents

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CN102231456A CN2011101026838A CN201110102683A CN102231456A CN 102231456 A CN102231456 A CN 102231456A CN 2011101026838 A CN2011101026838 A CN 2011101026838A CN 201110102683 A CN201110102683 A CN 201110102683A CN 102231456 A CN102231456 A CN 102231456A
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Abstract

本发明涉及双频段双极化共口径天线。该天线包括至少三根并列连接的辐射波导管和微波基板；奇数辐射波导管和偶数辐射波导管的顶面的纵向中心线两边分别交错设有第一至第四辐射缝和第五至第八辐射缝；八条辐射缝均为水平极化辐射缝；奇数和偶数辐射波导管相邻处的微波基板顶部设有至少四片辐射片；四片辐射片均避开辐射波导管上的辐射缝，每两片辐射片之间由金属线连接，金属线和辐射波导管上分别设有馈孔和波导管馈孔。作为馈源天线，本发明结构简单、集成度高，便于安装；在抛物柱面天线中本发明线作为馈源，数据更新快，测量精度高，功能更强，不仅能测雨，还能测云、雪，并可提供对强雷暴、飓风等恶劣天气的报警和其它更多的气象信息的预测。

Description

双频段双极化共口径天线
技术领域
本发明涉及双频段双极化共口径天线，具体是一种由辐射波导管和微带贴片构成的双频段双极化共口径天线。
本发明主要用做反射面天线的馈源天线，既可用于接收、也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作雷达***的终端天线和反射面天线的馈源天线。在民用方面，可作为气象雷达天线、星载雷达天线和反射面天线的馈源天线等。
背景技术
在大气科学、海洋科学和环境科学的研究中，降水量是个非常重要的物理量。降水量的精确测量对进行气象灾害预报、减灾防灾和安排工农业生产等各项工作都具有重要意义。
降水测量雷达的发展趋势是采用卫星作为载体，即星载降水测量雷达。星载降水测量雷达天线的发展趋势是双频段双极化天线。采用双频段双极化天线的星载降水测量雷达的优势如下：具有测量雨滴分布、测量垂直雨速、运动趋势预报等功能，还具有对雨、雪的鉴别能力，并可以提供对飓风、强雷暴等恶劣天气的报警和其他更多的气象信息的预测。
在星载降水测量雷达天线方面，国际上正在研制的双频段双极化天线有2种方案，一种是采用平面阵列天线，另一种是采用抛物柱面天线。平面阵列天线由许多相同的天线单元组成，与抛物柱面天线相比，在达到同样的电性能指标情况下，平面阵列天线比抛物柱面天线设备量大，因此，抛物柱面天线代表着星载降水测量雷达的使用趋势。
抛物柱面天线由抛物柱反射面和馈源天线两部分组成，其中的设计难点是馈源天线的设计。只有通过巧妙的馈源天线设计，才能使星载降水测量雷达工作在双频段双极化模式，从而体现出采用双频段双极化天线的星载降水测量雷达的优势。
发明内容
为了使星载降水测量雷达天线工作在双频段双极化模式，本发明提供双频段双极化共口径天线。
具体的技术解决方案如下：
双频段双极化共口径天线包括至少三根并列连接的辐射波导管和微波基板；每根辐射波导管为方管，且一端面为短路面，另一端为能量输入口；奇数辐射波导管的顶面的纵向中心线两边分别交错设有第一辐射缝1、第二辐射缝2、第三辐射缝3和第四辐射缝4，偶数辐射波导管的顶面的纵向中心线两边交错设有第五辐射缝5、第六辐射缝6、第七辐射缝7和第八辐射缝8；所述八条辐射缝均为水平极化辐射缝；所述奇数辐射波导管和偶数辐射波导管相邻处的微波基板顶部设有至少四片辐射片；所述四片辐射片均避开辐射波导管上的辐射缝，每两片辐射片之间由金属线连接，所述金属线连接上设有馈孔；与所述馈孔对应的辐射波导管上设有波导管馈孔；
所述每根辐射波导管的横截面的宽度a范围是：                                                
Figure 484173DEST_PATH_IMAGE001
，高度b范围是：
Figure 2011101026838100002DEST_PATH_IMAGE002
；相邻辐射波导管之间的距离Dwg范围是：
Figure 525947DEST_PATH_IMAGE003
；其中
Figure 2011101026838100002DEST_PATH_IMAGE004
是Ka波段上边频自由空间波长，
Figure 430318DEST_PATH_IMAGE005
是Ka波段下边频自由空间波长；
 所述第一辐射缝1和第五辐射缝5与辐射波导管的能量输入口的距离Dopen均为0.25，第四辐射缝4 和第八辐射缝8与辐射波导管的短路面的距离Dshort均为0.25
Figure 950161DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 702217DEST_PATH_IMAGE006
是Ka波段中心频率波导波长；所述第一辐射缝1 、第二辐射缝2 、第三辐射缝3和第四辐射缝4的相邻纵向之间的间距，第五辐射缝5、第六辐射缝6、第七辐射缝7和第八辐射缝8的相邻纵向之间的间距均相等；所述
Figure 735067DEST_PATH_IMAGE006
是Ka波段中心频率波导波长；
所述第一辐射缝1和第5辐射缝5的缝长Ls1均为，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D1为
Figure 2011101026838100002DEST_PATH_IMAGE008
，
所述第二辐射缝2和第六辐射缝6的缝长Ls2均为，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D2为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
所述第三辐射缝3和第七辐射缝7的缝长Ls3均为
Figure 119147DEST_PATH_IMAGE011
，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D3为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
所述第四辐射缝2和第八辐射缝8的缝长Ls4均为
Figure 50194DEST_PATH_IMAGE013
，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D4为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
所述
Figure 116108DEST_PATH_IMAGE015
是Ka波段中心频率波长；
所述八条辐射缝的缝宽Ws相同，均为1mm~2mm。
所述由金属线连接的两片辐射片均为矩形或M形，两片辐射片之间的距离DP为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；矩形的辐射片的长度Lp为，宽度Wp为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；M形的辐射片的长度Lp为
Figure 625772DEST_PATH_IMAGE017
，宽度Wp为
Figure 993300DEST_PATH_IMAGE018
，M形的辐射片的两条内槽的长度Lpn为
Figure 421876DEST_PATH_IMAGE019
，宽度Wpn为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；所述
Figure 634683DEST_PATH_IMAGE021
是Ku波段中心频率波长，所述
Figure DEST_PATH_IMAGE022
是Ku波段上边频自由空间波长。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、作为馈源天线本身，双频段双极化共口径天线采用的是共口径形式，所以占用的空间是非共孔径天线空间的1/2，因此，本发明双频段双极化共口径天线具有结构简单、集成度高，便于安装等特点；
2、在抛物柱面天线中，采用本发明双频段双极化共口径天线作为馈源，可以使星载降水测量雷达工作在双频段双极化模式，相对于只能工作在单频段单极化模式、单频段双极化模式和双频段单极化模式的星载降水测量雷达，工作在双频段双极化模式的星载降水测量雷达具有如下优点：数据更新快，也就是可以及时地对气象变化进行监测和预报，对某地区的降雨资料更新率从大于1天，提升到小于1小时；测量精度高，也就是更容易监测到小的气象目标，最小测量雨强从0.5mm/h提高到0.2mm/h，以后可以提高到0.05mm/h；功能更强，也就是不仅能测雨，还能测云、雪，同时，还可提供对强雷暴、飓风等恶劣天气的报警和其它更多的气象信息的预测。
附图说明
图1为由三根辐射波导管组成的天线外观立体效果图。
图2为由三根辐射波导管组成的天线分解图。
图3为三根辐射波导管的横截面图。
图4为三根辐射波导管的顶视图。
图5为与三根辐射波导管配合的微波基板的顶视图。
图6为由四根辐射波导管组成的天线外观立体效果图。
图7为四根辐射波导管的顶视图。
图8为与四根辐射波导管配合的微波基板的顶视图。
图9为由三根辐射波导管组成的天线两个波段两种极化的天线方向图。
图10为由四根辐射波导管组成的天线两个波段两种极化的天线方向图。
图1-8中：第一辐射缝1，第二辐射缝2，第三辐射缝3，第四辐射缝4，第五辐射缝5，第六辐射缝6，第七辐射缝7，第八辐射缝8，第九辐射片9，第十辐射片10，第十一辐射片11，第十二辐射片12，第一辐射波导管13，第二辐射波导管14，第三辐射波导管15，第一波导管馈孔16，第二波导管馈孔17，第一馈孔18，第二馈孔19，第四辐射波导管20，第二十一辐射片21，第二十二辐射片22，第三馈孔23，金属壁厚24，微波基板25，第三波导管馈孔26。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：
参见图1-5，双频段双极化共口径天线由工作于Ka波段水平极化的第一辐射波导管13、第二辐射波导管14和第三辐射波导管15和工作于Ku波段双极化的微波基板25上的第九辐射片9、第十辐射片10、第十一辐射片11和第十二辐射片12组成。
具体结构如下：每根辐射波导管为方管，且一端面为短路面，另一端为能量输入口，见图2和图3。奇数辐射波导管的顶面的纵向中心线两边分别交错设有第一辐射缝1、第二辐射缝2、第三辐射缝3和第四辐射缝4，偶数辐射波导管的顶面的纵向中心线两边交错设有第五辐射缝5、第六辐射缝6、第七辐射缝7和第八辐射缝8；所述八条辐射缝均为水平极化辐射缝；由见图2、图4可见，第一辐射波导管13和第三辐射波导管15上的四条辐射缝的位置、尺寸相同。奇数辐射波导管和偶数辐射波导管相邻处的微波基板顶部分别安装有四片辐射片，即第九辐射片9、第十辐射片10、第十一辐射片11和第十二辐射片12，四片辐射片均避开辐射波导管上的辐射缝，第九辐射片9和第十辐射片10之间由金属线连接，金属线连接上设有第一馈孔18，与第一馈孔18对应的辐射波导管上开设有第一波导管馈孔16；第十一辐射片11和第十二辐射片12之间由金属线连接，金属线连接上开设有第二馈孔19，与第二馈孔19对应的辐射波导管上开设有第二波导管馈孔17；见图2。
Ka波段的工作中心频率为，下边频为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，上边频为
Figure 924904DEST_PATH_IMAGE025
，本实施例分别选择35.5 GHz、35.4 GHz、35.6GHz。Ku波段的工作中心频率为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，下边频为，上边频为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，本实施例分别选择13.6 GHz、13.4 GHz、13.8GHz。
3根辐射波导管的横截面为矩形，其宽度为a，高度为b，辐射波导管之间的距离为Dwg，如图3所示。
第一辐射隙1的长度为Ls1，第二辐射缝2的长度为Ls2，第三辐射缝3的长度为Ls3，第四辐射缝4的长度为Ls4，4个辐射缝隙的宽度为Ws，第二辐射缝2与第三辐射缝3的间距为D2s3， 第一辐射缝1与第一辐射波导管13纵向中心线的距离为D1，第二辐射缝2与第一辐射波导管13纵向中心线的距离为D2，第四辐射缝4与辐射波导管13纵向中心线的距离为D4，第一辐射缝1与第一辐射波导管13的能量输入口距离为Dopen，第四辐射缝4与第一辐射波导管13的短路面的距离为Dshort，第一波导管馈孔16和第二波导管馈孔17位于相邻辐射波导管的中心，第一波导管馈孔16与辐射波导管13的能量输入口距离为D16，第二波导管馈孔17与辐射波导管14的能量输入口距离为D17，如图4所示。第一辐射缝1和第五辐射缝5的缝长Ls1相等，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D1相等；第二辐射缝2和第六辐射缝6的缝长Ls2相等，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D2相等 ；第三辐射缝3和第七辐射缝7的缝长Ls3相等，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D3相等；第四辐射缝2和第八辐射缝8的缝长Ls4相等，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D4为相等。
参见图5，第九辐射片9和第十辐射片10均为矩形，且大小相同，长度为Ls9，宽度为Ws9，第九辐射片9和第十辐射片10之间的距离为D9p10；第十一辐射片11和第十二辐射片12均为M形，且大小相同，长度为Ls11，宽度为Ws11，内部槽的长度为Ls12，内部槽的宽度为Ws12，第十一辐射片11和第十二辐射片12之间的距离为D11p12。
具体参数确定如下：
确定Ka波段天线的参数。根据天线工作频率，先确定3根辐射波导管的宽度a，其选择范围是：（
Figure 479886DEST_PATH_IMAGE004
是Ka波段上边频自由空间波长，
Figure 189216DEST_PATH_IMAGE005
是Ka波段下边频自由空间波长，这里，），本实施例为0.625
Figure 146993DEST_PATH_IMAGE005
（）；确定3根辐射波导管的b，其选择范围是：
Figure 624111DEST_PATH_IMAGE002
，本实施例为0.309
Figure 566659DEST_PATH_IMAGE004
。根据抛物柱面天线阵扫描范围要求，确定相邻辐射波导管之间的距离Dwg，其选择范围是：，本实施例为0.84
Figure 549845DEST_PATH_IMAGE004
。第一辐射缝1与第一辐射波导管13的能量输入口距离Dopen=0.25
Figure 209365DEST_PATH_IMAGE006
(
Figure 260497DEST_PATH_IMAGE006
是Ka波段中心频率波导波长)，第四辐射缝4与第一辐射波导管13的短路面的距离Dshort=0.25
Figure 185728DEST_PATH_IMAGE006
。根据抛物柱面天线波束宽度和副瓣的需要，确定4个水平极化辐射缝的间距D2s3和4个水平极化辐射缝与第一辐射波导管13纵向中心线的距离，同时，还应满足4个缝隙的导纳和为1，本实施例为：D2s3=
Figure 596987DEST_PATH_IMAGE031
，Ws=
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，Ls1=
Figure 783117DEST_PATH_IMAGE033
， Ls2=
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，Ls3=
Figure 192102DEST_PATH_IMAGE035
，Ls4=
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，D1=
Figure 542312DEST_PATH_IMAGE037
，D2=
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，D3=
Figure 694945DEST_PATH_IMAGE038
， D4=(
Figure 253151DEST_PATH_IMAGE015
是Ka波段中心频率波长)。为了使天线工作在双频双极化模式，需要调整第一波导管馈孔16与第一辐射波导管13能量输入口的距离D16，以及第二波导管馈孔17与第二辐射波导管14的能量输入口距离D17，本实施例为：D16=
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，D17=
Figure 277608DEST_PATH_IMAGE041
。
确定Ku波段天线的参数。根据天线工作频率，确定第九辐射片9长度Lp9，其选择范围是：(
Figure 968352DEST_PATH_IMAGE021
是Ku波段中心频率波长) ，本实施例为
Figure 207703DEST_PATH_IMAGE043
。第九辐射片9宽度Wp9，其选择范围是：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，本实施例为
Figure 692911DEST_PATH_IMAGE045
。根据抛物柱面天线波束宽度和副瓣的需要，确定第九辐射片9和第十辐射片10距离D9p10，其选择范围是：（
Figure 266981DEST_PATH_IMAGE022
是Ku波段上边频自由空间波长），本实施例为。根据天线工作频率，确定第十一辐射片11长度Lp11，其选择范围是：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
(
Figure 589695DEST_PATH_IMAGE021
是Ku波段中心频率波长) ，本实施例为。第十一辐射片11宽度Wp11，其选择范围是：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，本实施例为
Figure 307170DEST_PATH_IMAGE051
。根据抛物柱面天线波束宽度和副瓣的需要，确定第十一辐射片11和第十二辐射片12距离D11p12，其选择范围是：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
（
Figure 418345DEST_PATH_IMAGE022
是Ku波段上边频自由空间波长），本实施例为
Figure 615977DEST_PATH_IMAGE053
。第十二辐射片12的内部长度Lp12、内部宽度Wp12, 其计算方法为本专业设计人员所熟知，本实施例优选为：Lp12=
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，Wp12=。
辐射波导管壁厚度t以加工能力确定，优选为0.8mm。
该实施例作为天线单独使用时，占用的空间是非共孔径天线空间的1/2，因此具有结构简单、集成度高，便于安装等特点；作为抛物柱面的馈源使用时，形成的方向图如图9所示。由图9可见，Ku频段的任意一种极化天线辐射的波束与Ka频段的水平极化天线辐射的波束指向一致、波束宽度相等，此时，天线可以工作在双频段双极化模式，使星载降水测量雷达工作在双频段双极化模式，从而充分体现出采用双频段双极化天线的星载降水测量雷达的优势，相对于只能工作在单频段单极化模式、单频段双极化模式和双频段单极化模式的星载降水测量雷达，工作在双频段双极化模式的星载降水测量雷达数据更新快，测量精度高，功能更强等特点。
实施例2：
参见图6-8，双频段双极化共口径天线由工作于ka波段水平极化的4根辐射波导管和工作于Ku波段双极化的微波基板25上的6个辐射片组成。第四辐射波导管20上的辐射缝与第二辐射波导管14上的辐射缝的尺寸和位置完全一样，第三波导馈孔26与第一波导馈孔16的位置和尺寸完全一样。微波基板25上的第二十一辐射片21、第二十二辐射片22、第三馈孔23分别与第十一辐射片11、第十二辐射片12和第二馈孔17的尺寸和位置完全一样。其它参数与实施例1相同。
由图10可见，当采用4根辐射波导管时，天线也可以工作在双频段双极化模式，使星载降水测量雷达工作在双频段双极化模式，从而充分体现出采用双频段双极化天线的星载降水测量雷达的优势，相对于只能工作在单频段单极化模式、单频段双极化模式和双频段单极化模式的星载降水测量雷达，工作在双频段双极化模式的星载降水测量雷达数据更新快，测量精度高，功能更强等特点。
实施例3：
双频段双极化共口径天线包括32根并列连接的辐射波导管和微波基板。辐射波导管和微波基板分别工作在不同的频段，其他结构同实施例2。
采用实施例3的星载降水测量雷达，除了具有实施例1和实施例2的功能和技术效果外，还具有作用距离远的特点，并且，随着辐射波导管数量的增加，星载降水测量雷达的作用距离也越来越远。

Claims (2)

1.双频段双极化共口径天线，其特征在于：包括至少三根并列连接的辐射波导管和微波基板；每根辐射波导管为方管，且一端面为短路面，另一端为能量输入口；奇数辐射波导管的顶面的纵向中心线两边分别交错设有第一辐射缝（1）、第二辐射缝（2）、第三辐射缝（3）和第四辐射缝（4），偶数辐射波导管的顶面的纵向中心线两边交错设有第五辐射缝（5）、第六辐射缝（6）、第七辐射缝（7）和第八辐射缝（8）；所述八条辐射缝均为水平极化辐射缝；所述奇数辐射波导管和偶数辐射波导管相邻处的微波基板顶部设有至少四片辐射片；所述四片辐射片均避开辐射波导管上的辐射缝，每两片辐射片之间由金属线连接，所述金属线连接上设有馈孔；与所述馈孔对应的辐射波导管上设有波导管馈孔；
所述每根辐射波导管的横截面的宽度a范围是：                                                
Figure 2011101026838100001DEST_PATH_IMAGE001
，高度b范围是：
Figure 679457DEST_PATH_IMAGE002
；相邻辐射波导管之间的距离Dwg范围是：
Figure 2011101026838100001DEST_PATH_IMAGE003
；其中是Ka波段上边频自由空间波长，是Ka波段下边频自由空间波长；
所述第一辐射缝(1)和第五辐射缝(5)与辐射波导管的能量输入口的距离Dopen均为0.25
Figure 960713DEST_PATH_IMAGE006
，第四辐射缝(4) 和第八辐射缝(8)与辐射波导管的短路面的距离Dshort均为0.25，其中
Figure 518789DEST_PATH_IMAGE006
是Ka波段中心频率波导波长；所述第一辐射缝(1) 、第二辐射缝(2) 、第三辐射缝(3)和第四辐射缝(4)的相邻纵向之间的间距，第五辐射缝(5)、第六辐射缝(6)、第七辐射缝(7)和第八辐射缝(8)的相邻纵向之间的间距均相等；所述
Figure 853955DEST_PATH_IMAGE006
是Ka波段中心频率波导波长；
所述第一辐射缝(1)和第5辐射缝(5)的缝长Ls1均为
Figure 2011101026838100001DEST_PATH_IMAGE007
，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D1为
Figure 520560DEST_PATH_IMAGE008
，
所述第二辐射缝(2)和第六辐射缝(6)的缝长Ls2均为
Figure 2011101026838100001DEST_PATH_IMAGE009
，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D2为
Figure 537057DEST_PATH_IMAGE010
，
所述第三辐射缝(3)和第七辐射缝(7)的缝长Ls3均为
Figure 2011101026838100001DEST_PATH_IMAGE011
，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D3为
Figure 972718DEST_PATH_IMAGE012
，
所述第四辐射缝(2)和第八辐射缝(8)的缝长Ls4均为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，且与各自辐射波导管的纵向中心线的距离D4为
Figure 852687DEST_PATH_IMAGE014
；
所述
Figure DEST_PATH_IMAGE015
是Ka波段中心频率波长；
所述八条辐射缝的缝宽Ws相同，均为1mm~2mm。
2.根据权利要求1所述的双频段双极化共口径天线，其特征在于：所述由金属线连接的两片辐射片均为矩形或M形，两片辐射片之间的距离DP为
Figure 944271DEST_PATH_IMAGE016
；矩形的辐射片的长度Lp为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，宽度Wp为
Figure 262994DEST_PATH_IMAGE018
；M形的辐射片的长度Lp为
Figure 615478DEST_PATH_IMAGE017
，宽度Wp为
Figure 495710DEST_PATH_IMAGE018
，M形的辐射片的两条内槽的长度Lpn为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，宽度Wpn为；所述
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是Ku波段中心频率波长，所述
Figure 229627DEST_PATH_IMAGE022
是Ku波段上边频自由空间波长。
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