CN107910650A - 一种双频天线馈电***及双频天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频天线馈电***。该馈电***包括双频合路器和双频馈源；双频合路器包括公共波导、平衡式正交模耦合器、高频段输入圆波导；公共波导为与低频段适配的圆波导，其一端通过圆锥形过度波导与高频段输入圆波导相连接；平衡式正交模耦合器用于将水平和垂直极化方向的低频段信号分别等分为两路，并通过公共波导侧壁上两两相对的四个正交端口分别馈入公共波导；双频馈源包括波纹喇叭；公共波导的腔体中设置有一根两端均呈圆锥状的绝缘电介质棒，其一端过盈配合地***高频段输入圆波导，另一端沿波纹喇叭的轴线向外延伸至喇叭口之外。本发明还公开了一种双频天线。本发明可使E频段与常用低频段共用天线，增加通信容量，降低***成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种双频天线，尤其涉及一种双频天线馈电***。
背景技术
E-band（E频段）是指频率收发频段为71--76GHz/81--86GHz的一段频谱资源，由于其具有很宽的频带宽度，其频谱资源非常丰富，特别适合用于高速数据传输通信***，因而是目前通信领域的一个热门的研究方向，成熟的E--band通信***逐渐应用于商业领域。发展E--band通信***，则该频段的天线是必须发展的一个关键部件。
如果单独发展一套E-band***的天线，势必会造成天线塔台的资源更加紧张，增加电磁兼容的难度，而且还会给通信运营商增加额外的塔台租借费用，增加整个运营的成本和消费者的负担。若能够设计一种双频天线，将E--band频段天线和目前点对点通信的常用频段天线整合为一个天线，将会是一个非常好的选择。该双频天线将两个频段的天线合二为一，可以有效提高***的集成度，降低对塔台资源的需求，降低运营商的运营费用，是未来微波通信的发展方向。目前包括华为、NEC、爱立信在内的各大通信设备制造商都开展相关E--band双频天线方面的研究。
在卫星通信和跟踪雷达领域有很多双频甚至多频天线的运用实例，例如S波段和Ku波段合用双频天线，Ku波段和Ka波段合用双频天线等。但是现有双频天线最多只工作到Ka频段，频率越高对天线设计制造要求越高。目前还没有任何一款进入实际运用阶段的包含E--band频段的双频天线。双频天线通常包括主反射面、副反射面、天线罩和馈电***，而其中的馈电***的设计往往是关键所在。
对于可工作于E—band的双频天线而言，其馈电***的设计难点在于：1、 E--band频率很高，高于常用的点对点通信频率的4倍甚至5倍以上，相差如此大的两个频段实现合路器非常困难，用常用的双工器方案，低频对E—band频率信号的低通滤波器常规方式无法实现；2、 常用点对点通信的馈电圆波导的直径尺寸远大于能够抑制E--band高次模产生的波导最大尺寸，因此普通圆波导中传输E--band频段信号时必然会激励起复杂的高次模，高次模的存在会严重降低天线馈源的效率，同时会在E—band频段内形成很多的谐振点，在谐振点处信号完全无法传输，形成传输零点，在该频率点处完全无法工作，且过多的高次模还会降低天线辐射方向图的性能，使其不能达到class-3的标准；3： E--band的频率非常高，需要很高的设计精度和加工精度，如果采用同轴波导的形式，则内波导导体由于尺寸小，加工精度高，很难在实际的工程应用中实现。
综上可知，亟需一种可使E-band和常用微波点对点通信频段共用同一天线的馈电***，以增加天线的通信容量，降低整个***的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种双频天线馈电***，可使E-band或更高频段和常用微波点对点通信频段共用同一天线，从而增加天线的通信容量，降低整个***的成本。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种双频天线馈电***，包括用于合成高频段和低频段信号的双频合路器，以及用于辐射高、低频段信号的双频馈源；所述高频段为E波段或更高频段；所述双频合路器包括公共波导、平衡式正交模耦合器、高频段输入圆波导；所述公共波导为与所述低频段适配的圆波导，其一端通过圆锥形过度波导与所述高频段输入圆波导相连接；所述平衡式正交模耦合器用于将水平极化方向的低频段信号和垂直极化方向的低频段信号分别等分为两路，并将这四路信号通过公共波导侧壁上两两相对的四个端口分别馈入公共波导，两组相对端口间的两条连线均经过公共波导的轴线且两条连线正交，相对的两个端口馈入同一极化方向的两路信号；所述双频馈源包括与所述低频段适配的波纹喇叭，该波纹喇叭与公共波导的另一端连接；所述公共波导的腔体中设置有与公共波导同轴的一根两端均呈圆锥状逐渐变尖的绝缘电介质棒，该绝缘电介质棒的一端过盈配合地***所述高频段输入圆波导，该绝缘电介质棒的另一端沿所述波纹喇叭的轴线向外延伸至波纹喇叭的喇叭口之外。
优选地，所述绝缘电介质棒的介电常数为3.0～4.5。
优选地，所述波纹喇叭具有至少两道深度为低频段信号四分之一波长的波纹。
优选地，所述平衡式正交模耦合器分别通过一个矩形波导H面方向的T型节将水平极化方向的低频段信号和垂直极化方向的低频段信号分别等分为两路。
进一步地，所述T型节的竖向矩形波导的两侧壁在与横向矩形波导交接处分别向内凹。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种双频天线，包括如上任一技术方案所述馈电***。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明实现了E频段或更高频段与较低的常用微波点对点通信频段共用同一天线的目的，馈电***中高频段信号与低频段信号互不干扰，并可克服双频天线中常见的偏焦的问题，从而获得性能良好的双频天线。
本发明结构简单紧凑，实现成本低，有利于大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明馈电***的原理示意图；
图2为本发明馈电***一个优选实施例的结构示意图；
图3为优选实施例中双频合路器的结构示意图；
图4为优选实施例中双频馈源的结构示意图；
图5为优选实施例中双频馈源的剖面示意图；
图6为低频信号的馈源场分布图；
图7为高频信号的馈源场分布图；
图8为低频信号的馈源辐射方向图；
图9为高频信号的馈源辐射方向图。
图中包括以下附图标记：
1、双频馈源，11、波纹喇叭，2、双频合路器，21水平极化方向低频信号输入端口，22、垂直极化方向低频信号输入端口，23、公共波导，24、高频段输入圆波导，25、绝缘电介质棒，26、矩形波导，27、凹陷部。
具体实施方式
针对E频段或更高频段与较低的常用微波点对点通信频段共用同一天线所存在的馈电问题，本发明提出了一种馈电***，其包括用于合成高频段和低频段信号的双频合路器，以及用于辐射高、低频段信号的双频馈源；所述高频段为E波段或更高频段；所述双频合路器包括公共波导、平衡式正交模耦合器、高频段输入圆波导；所述公共波导为与所述低频段适配的圆波导，其一端通过圆锥形过度波导与所述高频段输入圆波导相连接；所述平衡式正交模耦合器用于将水平极化方向的低频段信号和垂直极化方向的低频段信号分别等分为两路，并将这四路信号通过公共波导侧壁上两两相对的四个端口分别馈入公共波导，两组相对端口间的两条连线均经过公共波导的轴线且两条连线正交，相对的两个端口馈入同一极化方向的两路信号；所述双频馈源包括与所述低频段适配的波纹喇叭，该波纹喇叭与公共波导的另一端连接；所述公共波导的腔体中设置有与公共波导同轴的一根两端均呈圆锥状逐渐变尖的绝缘电介质棒，该绝缘电介质棒的一端过盈配合地***所述高频段输入圆波导，该绝缘电介质棒的另一端沿所述波纹喇叭的轴线向外延伸至波纹喇叭的喇叭口之外。
所述绝缘电介质棒的介电常数优选为3.0～4.5。
与现有双频天线馈电***类似，本发明馈电***同样包括双频合路器和双频馈源，双频合路器用于将高频段和低频段信号合成到一个公共波导中，双频馈源用于将高、低频段信号向主反射面或副反射面辐射。然而，由于需要传输低频信号，因此该公共波导必然要与低频信号相适配，其尺寸必然远大于E--band所能抑制高次模的尺寸，因此如果只是简单将E—band这样的高频信号馈入公共波导，则会激发很多的高次模，这些高次模会严重影响天线的性能；由于双频合路器中的两个信号频率相差很大，E--band频率要比低频频率高4倍或者5倍以上，用普通的双工器技术已经完全没有办法实现该合路器。因此，本发明在公共圆波导的腔体中设置一根与公共圆波导同轴的两端均呈圆锥状逐渐变尖的绝缘电介质棒，如图1所示，采用平衡式OMT（正交模耦合器）将水平和垂直两个极化方向的低频信号分别馈入公共波导；对于高频信号，先将高频段输入圆波导中的高频信号转变为介质棒中的信号，然后在公共圆波导中心位置馈入。在公共波导中，用介质棒将高频信号束缚，使其不能激起复杂的高次模，同时由于高频信号被束缚在介质棒中，使其不能泄漏到低频端口中，进而使得低频端口对高频信号有较高的抑制；同时，由于高频段输入圆波导（其尺寸与高频段相适配）尺寸已经远小于低频信号的截止尺寸，因此低频信号也不能泄漏到高频端口，从而获得一个具有良好互相抑制的双频合路器结构。
此外，本发明采用波纹喇叭作为馈源，并且令绝缘电介质棒的一端沿波纹喇叭的轴线向外延伸至波纹喇叭的喇叭口之外。当工作于低频段时，主模TE11模由波纹喇叭形成波束辐射出去，介质棒对低频波束几乎没有影响。当工作于高频段时，由逐渐变细的圆锥状介质棒端部牵引形成波束，波纹喇叭几乎对于高频波形不存在影响。高频和低频相对独立分开，因而几乎互不干扰，很容易获得高低端频率辐射方向图相位中心一致，3dB波瓣基本相同。从而克服现有双频天线中常见的偏焦的问题，获得性能良好的双频天线。
图2显示了本发明馈电***一个优选实施例的结构（为便于观察，该图为透视图）。如图2所示，其包括双频馈源1和双频合路器2。
图3显示了双频合路器2的基本结构，如图3所示，双频合路器2包括公共波导23、平衡式OMT、高频段输入圆波导24；公共波导23为与低频段适配的圆波导，其下端通过圆锥形过度波导与高频段输入圆波导24相连接；公共波导23腔体内沿轴线设置有一根两端均呈圆锥状逐渐变尖的绝缘电介质棒25，绝缘电介质棒25的下端过盈配合地***高频段输入圆波导24上端。
本实施例中绝缘电介质棒25的直径为2.7（考虑E—band场分布的因素决定），采用的是Altum材料，该材料为常见材料，其介电常数（约3.15）较合适，且材料强度大，在较小的直径情况下可以加工的长度尺寸大。
所述平衡式OMT用于将水平极化方向的低频段信号和垂直极化方向的低频段信号分别等分为两路，并将这四路信号通过公共波导23侧壁上两两相对的四个端口（相对的两个水平极化方向低频信号输入端口21和相对的两个垂直极化方向低频信号输入端口22）分别馈入公共波导23，两个水平极化方向低频信号输入端口21间连线和两个垂直极化方向低频信号输入端口22间的连线均经过公共波导23的轴线且两条连线相互正交。由于相对的两个端口的输入信号必须相位相同、幅度相等，本发明采用矩形波导H面方向的T型节作为同一方向低频信号的波导功分器/合路器，从而将垂直极化方向低频信号/水平极化方向低频信号分为相位相同、幅度相等的两路。本发明还在T型节的竖向矩形波导的两侧壁与横向矩形波导交接处分别设置一个向内凹的凹陷部27，即缩小了T型节的竖向矩形波导的出口端宽度，该设计可以很好的拓展功分器/合路器的带宽，提高其性能。在平衡式OMT的每个矩形波导支路中，转角处均采用2个或者多个阶梯状的连接结构，该结构可以匹配阻抗，获得较好的回波。
如图3所示，本实施例中的高频信号首先由一段WR12的矩形波导馈入，然后通过一个矩形波导的90度转弯和一个矩圆转换波导结构馈入高频段输入圆波导24。本实施例中高频段输入圆波导24的直径为2.7mm（圆波导24的直径也可以是其他数值，但对于E频段信号，其最大的直径不可以大于3.2mm，否则会在圆波导中激励起严重的高次模）。由于***高频段输入圆波导24的绝缘电介质棒25的尖端是渐变的锥形形状，这样的渐变结构可保证E--band频段内有较好的回波特性。此外，由于高频段输入圆波导24的直径远小于低频段的电磁波截止波长，因此该小直径的高频段输入圆波导24对于低频段信号相当于一个高通滤波器，因此对低频信号具有很好的抑制性能。
馈源的作用是将电磁波信号辐射到自由空间的结构。在双频天线中，需要用馈源照射副反射面，因此需要该馈源的低频辐射方向图和高频辐射方向图具有相同的相位中心，且波瓣宽度和增益大致相同。为了满足欧洲class3标准，又需要改馈源喇叭具有很低的副瓣。常规的设计中，只能保证一个频率的性能，同时兼顾低频和E—band则很困难。图4和图5显示了双频馈源1的基本结构。如图4和图5所示，双频馈源1的主体是一个与低频段信号适配的波纹喇叭11，其与公共波导23的上端连接；绝缘电介质棒25的上端沿波纹喇叭11的轴线向外延伸至喇叭口之外。由图5的剖面图可知，本实施例的波纹喇叭11有三道波纹，每道波纹的深度为低频段信号的四分之一波长，用于抑制低频段的高次模。实际上也可采用两道波纹或者更多的波纹来实现该功能。
图6、图7分别显示了低频段信号、高频段信号的馈源场分布图，从图中可以看出，低频信号由波纹喇叭辐射，中间的介质棒对低频信号几乎不产生影响，低频信号的辐射方向图和回波信号完全由波纹喇叭决定，波纹喇叭的直径大小决定了低频段的增益，直径越大则增益越大，反之喇叭直径越小则馈源在低频段的增益也就越小；而高频的E—band信号则完全由中间的介质棒辐射，波纹喇叭的尺寸几乎不影响E—band辐射特性，因此E—band信号的辐射回波和方向图的特性几乎都由中间的介质棒的几何尺寸决定。因此该馈源结构中，调整波纹喇叭的尺寸可以调整低频辐射特性，而不影响E—band辐射特性；而调整介质棒的尖端的尺寸，就可以调整E—band辐射方向图的特性，而几乎不会改变低频辐射方向图的特性，因此很容易通过调整使得两个频段的辐射方向图波瓣宽度和增益几乎一致。由于绝缘电介质棒25与波纹喇叭11同轴，因此很容易控制高低频段的相位中心重合。该结构的馈源可以使得E—band信号和低频信号两个频段的信号相位中心重合，辐射方向图的波瓣宽度和增益较为一致。
图8、图9分别显示了低频信号、高频信号的馈源辐射方向图。从图中可以看出，在低频段增益为13.6dBi，3dB波瓣宽度约为37度，副瓣低于25dBc；在高频段增益为14.3dBi，3dB波瓣宽度约为35.8度，副瓣低于30dBc。高低频段的馈源辐射方向图的增益和波瓣宽度差异不大，因此当照射到同一个副反射面时，不会出现明显的偏焦，可以同时兼顾低频和E--band两个频段，使得两个波段同时获得良好的辐射方向图性能。
综上可知，本发明馈电***实现了E频段或更高频段与较低的常用微波点对点通信频段（例如Ku、Ka、S、C、X等波段）共用同一天线的目的，解决了此类双频天线实用化所面临的关键问题，具有广阔的应用前景。
Claims (6)
1.一种双频天线馈电***，包括用于合成高频段和低频段信号的双频合路器，以及用于辐射高、低频段信号的双频馈源；其特征在于，所述高频段为E波段或更高频段；所述双频合路器包括公共波导、平衡式正交模耦合器、高频段输入圆波导；所述公共波导为与所述低频段适配的圆波导，其一端通过圆锥形过度波导与所述高频段输入圆波导相连接；所述平衡式正交模耦合器用于将水平极化方向的低频段信号和垂直极化方向的低频段信号分别等分为两路，并将这四路信号通过公共波导侧壁上两两相对的四个端口分别馈入公共波导，两组相对端口间的两条连线均经过公共波导的轴线且两条连线正交，相对的两个端口馈入同一极化方向的两路信号；所述双频馈源包括与所述低频段适配的波纹喇叭，该波纹喇叭与公共波导的另一端连接；所述公共波导的腔体中设置有与公共波导同轴的一根两端均呈圆锥状逐渐变尖的绝缘电介质棒，该绝缘电介质棒的一端过盈配合地***所述高频段输入圆波导，该绝缘电介质棒的另一端沿所述波纹喇叭的轴线向外延伸至波纹喇叭的喇叭口之外。
2.如权利要求1所述双频天线馈电***，其特征在于，所述绝缘电介质棒的介电常数为3.0～4.5。
3.如权利要求1所述双频天线馈电***，其特征在于，所述波纹喇叭具有至少两道深度为低频段信号四分之一波长的波纹。
4.如权利要求1所述双频天线馈电***，其特征在于，所述平衡式正交模耦合器分别通过一个矩形波导H面方向的T型节将水平极化方向的低频段信号和垂直极化方向的低频段信号分别等分为两路。
5.如权利要求4所述双频天线馈电***，其特征在于，所述T型节的竖向矩形波导的两侧壁在与横向矩形波导交接处分别向内凹。
6.一种双频天线，包括如权利要求1～5任一项所述馈电***。
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