CN102394374B - 一种双频馈源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双频馈源，应用于环焦双反射面天线，工作于S和X双频段，S/X双频馈源采用嵌套同轴喇叭的形式，S频段为同轴喇叭，X频段为五段的变张角多模喇叭并作为S频段同轴喇叭的内导体。创造性解决了同轴喇叭在大口径条件下的波束等化和阻抗匹配问题，使双频馈源在S频段和X频段具有相同的照射锥削，40度时照射锥削为-10～-13dB，并且在两个频段具有近乎一直的相位中心，在S频段和X频段的效率分别高达45％和65％，是一种高效率的双频馈源。
Description
技术领域
本发明涉及一种双频馈源，应用于环焦双反射面天线，可以在S频段和X频段工作，属于天线领域。
背景技术
上世纪70年代Kraus和Profera等人对同轴波导的辐射特性和波束等化进行了研究，发现在同轴辐射口面加径向的电抗膜片可以实现波束的等化和降低副瓣，Trevor S.Bird等人则对同轴馈源的阻抗匹配进行了研究，提出了实现同轴馈源宽带匹配的方法，以上研究奠定了同轴馈源的理论基础。由于同轴馈源可以通过嵌套实现双频或多频共用，此后同轴馈源开始有了很多实际的应用，同轴馈源波束等化的方法也多样化。
同轴馈源虽然得到了很多应用，但基本用作单反正馈反射面天线的馈源，未见到用于双反射面天线的报道，这主要是由同轴本身的特性决定的。当用于单反正馈反射面天线馈源时，照射半张角约60～80度，此时要求的同轴口径小(小于一个波长)，当用于双反射面天线馈源时，照射半张角一般小于40度，此时要求的同轴口径大(大于两个波长)。同轴线高次模的截止条件有别于矩形波导和圆波导，同轴口径太大时，同轴内能激励起来的高次模太多，难以控制，而天线的波束等化正是通过合理的配置同轴各模式的模比达到合适的口面场分布实现。另外，有研究表明，当同轴口径变大到一定程度时，方向图副瓣会急剧上升，降低了馈源的照射效率。
基于以上原因，当同轴馈源用于双反射面天线的馈源时，其大口径下的波束等化一直没有得到好的解决。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双频馈源，本发明的同轴嵌套喇叭工作于S/X双频段，作为环焦双反射面天线的馈源，解决了同轴大口径下的波束等化问题。
本发明的技术方案为：
一种双频馈源，可以工作在S频段和X频段，包括S频段同轴喇叭5和X频段多模喇叭4，X频段多模喇叭4嵌套在S频段同轴喇叭5内并且作为S频段同轴喇叭5的内导体；
S频段同轴喇叭5包括开口辐射段6、锥变段7、馈电段8、膜片11和扼流槽12；开口辐射段6和馈电段8均为圆筒状且开口辐射段6的直径大于馈电段8的直径，锥变段7为锥面状且用于将开口辐射段6和馈电段8连接为一个整体，开口辐射段6的内壁沿圆周等间距分布多个径向的膜片11，开口辐射段6的外侧有扼流槽12；
X频段多模喇叭4包括开口圆柱段17、多模喇叭锥变段18和馈电圆柱段19，开口圆柱段17的直径大于馈电圆柱段19，多模喇叭锥变段18用于连接开口圆柱段17和馈电圆柱段19；X频段多模喇叭4的内腔包括馈电圆波导段16和五段变张角段20，馈电圆波导段16为圆柱状腔体，与五段变张角段20连接在一起，五段变张角段20由内径逐级变大的五段圆腔组成；在X频段多模喇叭4的馈电圆柱段19外壁有第一圆盘膜片13和第二圆盘膜片14，
在X频段多模喇叭4的开口圆柱段17的侧壁上，有均为轴向的S频段扼流槽9和X频段扼流槽10，S频段扼流槽9靠近所述X频段多模喇叭4开口圆柱段17侧壁的外壁方向，X频段扼流槽10靠近X频段多模喇叭4开口圆柱段17侧壁的内壁方向；
S频段同轴喇叭5由四个正交分布的同轴探针15馈电，同轴探针15与第一圆盘膜片13相接，相对的两个探针相位相差180度；X频段多模喇叭4采用馈电圆波导段16馈电。
所述扼流槽12的深度为S频段工作波长的1/4，扼流槽12槽口端在轴向距离S频段同轴喇叭5口面的距离为S频段工作波长的1/8到1/2之间。
所述膜片11为三角形。
所述S频段同轴喇叭5和X频段多模喇叭4辐射的主模均为TE11模。
所述S频段扼流槽9的槽深为S频段工作波长的1/4，所述X频段扼流槽10的槽深为X频段工作波长的1/4。
所述馈电圆波导段16的半径小于所述X频段多模喇叭4最大工作波长的1/2.62。
所述五段变张角段20的各级张角均不大于7°。
所述五段变张角段20内径逐级变大的方向为：由X频段多模喇叭4的多模喇叭锥变段18指向开口圆柱段17的方向。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的S/X双频馈源采用同轴嵌套喇叭的形式，相对于已有的同轴喇叭辐射口径大，达到两个波长，创造性的解决了同轴喇叭大口径条件下的波束等化和阻抗匹配。S/X双频馈源由内导体和外导体构成，内导体为X频段的多模喇叭，且作为为S频段同轴喇叭的内导体。通过在S频段同轴喇叭口面加三角形膜片和外壁加扼流槽共同实现了S频段的波束等化，其扼流槽深度为S频段工作波长的四分之一；通过同轴锥变段和X多模喇叭外壁两个圆盘膜片实现了S频段阻抗匹配，S频段同轴喇叭由四个正交分布的同轴探针馈电，相对探针相位相差180度，后接圆极化网络可以实现S频段辐射波束圆极化。X频段多模喇叭为五段变张角的多模喇叭，各段张角不大于7°，在多模喇叭侧壁加有S频段扼流槽和X频段扼流槽，S频段扼流槽槽深为S频段工作波长的四分之一，X频段扼流槽槽深为X频段工作波长的四分之一，减小了S频段同轴喇叭和X频段多模喇叭之间的相互影响，最终实现S频段和X频段辐射波束的等化。本发明首次将同轴喇叭作为环焦双反射面天线的馈源，其在两个频段具有近乎一致的相位中心，是一种高效率馈源。
附图说明
图1为环焦反射面天线示意图；
图2为S/X双频馈源结构图；
图3为S/X双频馈源剖面图；
图4为同轴及其TE11模示意图；
图5为S频段圆极化形成网络示意图；
图6为S频段45度面幅度方向图；
图7为X频段45度面幅度方向图；
图8为S频段相位方向图；
图9为X频段相位方向图。
具体实施方式
如图1所示，为环焦双反射面天线的示意图。环焦双反射面天线由主反射面1、副反射面2、和馈源3构成。主反射面1和副反射面2分别为抛物线和椭圆的一部份绕天线轴线旋转而成，馈源相位中心位于天线轴线的副反射面椭圆焦点上，馈源辐射出的电磁波照射副反射面并由副反射面照射主反射面，最终由主反射面辐射出去。其中馈源为天线的关键部件，直接影响整个天线的电性能，为使反射面天线的效率最大化要求馈源具有合适的副反边缘照射锥削电平和照射角度内相位起伏小。一般情况下，综合考虑馈源照射效率(减小漏射)和反射面天线的口径利用效率，选择馈源对副反射面的照射锥削为-10～-13dB，此时可以实现天线效率最大化，获得最大增益。当馈源双频共用时，则要求馈源在两个频段具有一致的相位中心和具有相同的照射锥削，如果相位中心不一致，引起其中一个频段的馈源纵向偏焦，会降低该频段的天线效率。
双频馈源方案选择时基于的考虑主要有双频间距、馈源重量和馈源对反射面的遮挡等，当频率比＜2.4时可以考虑采用同一喇叭在双频点实现，当频比＞2.4时就需要考虑采用组合馈源实现，馈源组合的方式也多种多样，可以采用同轴嵌套喇叭、介质棒加载圆锥喇叭、以及喇叭和阵列组合等形式。对于S和X双频馈源，其频率比约为4，宜采用组合馈源，本发明采用同轴喇叭的形式实现S/X的双频共用，解决了同轴喇叭在大口径条件下的波束等化和阻抗匹配问题，使双频馈源在S频段和X频段具有相同的照射锥削，40度时照射锥削为-10～-13dB，并且在两个频段具有近乎一直的相位中心，是一种高效率的双频馈源。
S/X双频馈源如图2所示，由内导体4和外导体5构成，内导体4为X频段的多模喇叭，且X频段的多模喇叭为S频段同轴喇叭(外导体5)的内导体。
如图3所示，本发明双频馈源的结构组成如下：
可以工作在S频段和X频段，包括S频段同轴喇叭5和X频段多模喇叭4，X频段多模喇叭4嵌套在S频段同轴喇叭5内并且作为S频段同轴喇叭5的内导体；
S频段同轴喇叭5包括开口辐射段6、锥变段7、馈电段8、膜片11和扼流槽12；开口辐射段6和馈电段8均为圆筒状且开口辐射段6的直径大于馈电段8的直径，锥变段7为锥面状且用于将开口辐射段6和馈电段8连接为一个整体，开口辐射段6的内壁沿圆周等间距分布多个径向的膜片11，开口辐射段6的外侧有扼流槽12；
X频段多模喇叭4包括开口圆柱段17、多模喇叭锥变段18和馈电圆柱段19，开口圆柱段17的直径大于馈电圆柱段19，多模喇叭锥变段18用于连接开口圆柱段17和馈电圆柱段19；X频段多模喇叭4的内腔包括馈电圆波导段16和五段变张角段20，馈电圆波导段16为圆柱状腔体，与五段变张角段20连接在一起，五段变张角段20由内径逐级变大的五段圆腔组成；在X频段多模喇叭4的馈电圆柱段19外壁有第一圆盘膜片13和第二圆盘膜片14，
在X频段多模喇叭4的开口圆柱段17的侧壁上，有均为轴向的S频段扼流槽9和X频段扼流槽10，S频段扼流槽9靠近所述X频段多模喇叭4开口圆柱段17侧壁的外壁方向，X频段扼流槽10靠近X频段多模喇叭4开口圆柱段17侧壁的内壁方向；
S频段同轴喇叭5由四个正交分布的同轴探针15馈电，同轴探针15与第一圆盘膜片13相接，相对的两个探针相位相差180度；X频段多模喇叭4采用馈电圆波导段16馈电。
所述扼流槽12的深度为S频段工作波长的1/4，扼流槽12槽口端沿轴向距离S频段同轴喇叭5口面的距离为S频段工作波长的1/8到1/2之间。
所述S频段同轴喇叭5和X频段多模喇叭4辐射的主模均为TE11模。
所述S频段扼流槽9的槽深为S频段工作波长的1/4，所述X频段扼流槽10的槽深为X频段工作波长的1/4。
所述馈电圆波导段16的半径小于所述X频段多模喇叭(4)最大工作波长的1/2.62。
所述五段变张角段20的各级张角均不大于7°。
所述五段变张角段20内径逐级变大的方向为：由X频段多模喇叭4的多模喇叭锥变段18指向开口圆柱段17的方向。
S频段同轴喇叭辐射的主模为TE11模(如图4所示)，当同轴喇叭口径太大时，同轴内能传输的高次模太多。如图4所示，同轴内导体半径为a，外导体半径为b，同轴线中各高次模的截止波长为：
(1)TMm1模截止波长为：(λc)TMm1＝2(b-a)，m＝0，1，2，...，∞
(2)TMm2模截止波长为：(λc)TMm2＝b-a，m＝0，1，2，...，∞
(3)TEm1模截止波长为：(λc)TEm1＝π(b+a)/m，m＝1，2，...，∞
(4)TE0n模截止波长为：(λc)TEOn＝2(b-a)/n，n＝1，2，...，∞
由上可以看出，同轴喇叭的高次模的截止条件有别于圆波导和矩形波导，如当TM01模能传输时，则TM11、TM21、...TM∞1等无穷多个模式都能传输，由于能传输的高次模太多，一旦激励起来难以控制，故在设计时尽量避免高次模的传输条件。为了满足S频段照射电平要求选取b＝2λs，a＝2λx，(λs和λx分别为S和X频段的工作波长)，此时可以传输的高次模式有TE11模、TE21模，避免了其它高次模的传输，
同轴喇叭辐射的主模为TE11模，导致其辐射场在E面和H面的波束不等化，并且副瓣较高。为实现波束等化，开口辐射段6的外导体内壁沿圆周等间距分布多个径向的三角形膜片11、外表面加扼流槽12，三角形膜片11的作用在于改变同轴喇叭的口面场分布，从而实现波束的等化，同样扼流槽12的作用也是起到波束等化作用。三角形膜片11的数量根据同轴喇叭口径的不同适当增减，沿圆周均匀分布；扼流槽12在轴向的顶端距离同轴喇叭口面一定距离才能起到波束等化的作用，扼流槽12的槽深为λs/4，由于扼流槽工作于窄带，需加多个扼流槽并调节各扼流槽的槽深。
S频段同轴喇叭的锥变段7主要将同轴由较大口径变到较小口径，同时可以改善同轴口面加三角形膜片11对阻抗的影响，因为三角形膜片11为电抗性质，造成输入阻抗随频率变化敏感，很难实现匹配，锥变段正好可以改善电抗的影响。锥变段将同轴由较大口径变换到较小口径的作用在于：由于口径小，馈电段加阻抗匹配措施时激励起来的高次模难以在同轴中传输，不至于传输至同轴口面辐射出去对同轴喇叭的辐射性能造成影响。
在X频段多模喇叭4的馈电圆柱段19外壁有第一圆盘膜片13、第二圆盘膜片14，膜片为圆盘形状，通过调节圆盘的大小和两圆盘的位置实现阻抗匹配，S同轴喇叭由四个正交分布的同轴探针15馈电，同轴探针的内导体与膜片13相接，相对的两个探针相位相差180度，根据同轴内外导体的电压差激励起同轴TE11模。
利用如图5所示的馈电网络对同轴喇叭进行馈电可以实现圆极化波辐射，馈电网络由两个180度电桥和一个90度电桥组成，180度电桥将一个输入信号分为两路等幅反相输出；90度电桥将一个输入信号分为两路输出，其相位相差90度。馈电时一个180度电桥接水平探头对，另一个180度电桥接垂直探头对，四个馈电接头的输入信号幅度相等，沿圆周相位依次相差90度或-90度，由此分别形成左旋圆极化或右旋圆极化辐射波。
X频段多模喇叭辐射的主模为TE11模，利用变张角激励起高次模TM1n模，通过调节各段的张角角度和长度，从而达到改变喇叭口面场分布实现辐射波束等化的目的。X频段多模喇叭馈电采用馈电圆波导段16馈电，后接圆极化器，可以实现辐射波束的圆极化。
为减小S频段同轴喇叭和X频段多模喇叭的相互影响，在X频段多模喇叭4的开口圆柱段17的侧壁上沿喇叭轴线方向开有S频段扼流槽9和X频段扼流槽10，S频段扼流槽9靠近同轴内导体4的外壁方向，槽深为λs工(λs为S频段工作波长)，X频段扼流槽10靠近同轴内导体4的内壁方向，槽深为λx/4(λx为X频段工作波长)。
经过大量实验验证，本发明S/X双频馈源40度时的照射锥削电平在S频段为-10～-11dB(如图6所示)，在X频段为-12～-13dB(如图7所示)；馈源相位中心位于喇叭口面的几何中心，照射角度内S频段的相位起伏小于20度(如图8所示)，X频段相位起伏小于10度(如图9所示)。应用于环焦双反射面天线时，S频段效率到达45％，X频段效率到达65％，是一种高效率的双频馈源。其中图6和图7表示方向图幅度随角度的变化情况，横坐标为角度值，单位为度，纵坐标为幅度值，单位为dB；其中图8和图9表示方向图相位随角度的变化情况，横坐标为角度值，单位为度；纵坐标为相位值，单位为度。
该S/X双频馈源适用用于需要S/X双频共用的高效率环焦双反射面天线，也可用于其它具有相同频比的双频馈源。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种双频馈源，其特征在于：工作在S频段和X频段，包括S频段同轴喇叭(5)和X频段多模喇叭(4)，X频段多模喇叭(4)嵌套在S频段同轴喇叭(5)内并且作为S频段同轴喇叭(5)的内导体；
S频段同轴喇叭(5)包括开口辐射段(6)、锥变段(7)、馈电段(8)、膜片(11)和第一扼流槽(12)；开口辐射段(6)和馈电段(8)均为圆筒状且开口辐射段(6)的直径大于馈电段(8)的直径，锥变段(7)为锥面状且用于将开口辐射段(6)和馈电段(8)连接为一个整体，开口辐射段(6)的内壁沿圆周等间距分布多个径向的膜片(11)，开口辐射段(6)的外侧有第一扼流槽(12)；
X频段多模喇叭(4)包括开口圆柱段(17)、多模喇叭锥变段(18)和馈电圆柱段(19)，开口圆柱段(17)的直径大于馈电圆柱段(19)，多模喇叭锥变段(18)用于连接开口圆柱段(17)和馈电圆柱段(19)；X频段多模喇叭(4)的内腔包括馈电圆波导段(16)和五段变张角段(20)，馈电圆波导段(16)为圆柱状腔体，与五段变张角段(20)连接在一起，五段变张角段(20)由内径逐级变大的五段圆腔组成；在X频段多模喇叭(4)的馈电圆柱段(19)外壁有第一圆盘膜片(13)和第二圆盘膜片(14)，
在X频段多模喇叭(4)的开口圆柱段(17)的侧壁上，有均为轴向的S频段扼流槽(9)和X频段扼流槽(10)，S频段扼流槽(9)靠近所述X频段多模喇叭(4)开口圆柱段(17)侧壁的外壁方向，X频段扼流槽(10)靠近X频段多模喇叭(4)开口圆柱段(17)侧壁的内壁方向；
S频段同轴喇叭(5)由四个正交分布的同轴探针(15)馈电，同轴探针(15)与第一圆盘膜片(13)相接，相对的两个探针相位相差180度；X频段多模喇叭(4)采用馈电圆波导段(16)馈电。
2.根据权利要求1所述的一种双频馈源，其特征在于：所述第一扼流槽(12)的深度为S频段工作波长的1/4，第一扼流槽(12)槽口端在轴向距离S频段同轴喇叭(5)口面的距离为S频段工作波长的1/8到1/2之间。
3.根据权利要求1所述的一种双频馈源，其特征在于：所述膜片(11)为三角形。
4.根据权利要求1所述的一种双频馈源，其特征在于：所述S频段同轴喇叭(5)和X频段多模喇叭(4)辐射的主模均为TE11模。
5.根据权利要求1所述的一种双频馈源，其特征在于：所述S频段扼流槽(9)的槽深为S频段工作波长的1/4，所述X频段扼流槽(10)的槽深为X频段工作波长的1/4。
6.根据权利要求1所述的一种双频馈源，其特征在于：所述馈电圆波导段(16)的半径小于所述X频段多模喇叭(4)最大工作波长的1/2.62。
7.根据权利要求1所述的一种双频馈源，其特征在于：所述五段变张角段(20)的各级张角均不大于7°。
8.根据权利要求1所述的一种双频馈源，其特征在于：所述五段变张角段(20)内径逐级变大的方向为：由X频段多模喇叭(4)的多模喇叭锥变段(18)指向开口圆柱段(17)的方向。
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| CN201608276U (zh) * | 2009-11-10 | 2010-10-13 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种S/Ka频段的双频馈源 |
-
2011
- 2011-06-29 CN CN2011101826617A patent/CN102394374B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1317884A (zh) * | 2001-05-29 | 2001-10-17 | ***电子第五十四研究所 | 一种改善偏置抛物面天线交叉极化特性的波纹喇叭馈源 |
| CN201608276U (zh) * | 2009-11-10 | 2010-10-13 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种S/Ka频段的双频馈源 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| S/X双频共用同轴馈源;王俊义;《无线电工程》;20061231;第36卷(第3期);全文 * |
| 王俊义.S/X双频共用同轴馈源.《无线电工程》.2006,第36卷(第3期), |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102394374A (zh) | 2012-03-28 |
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