CN110768018A - 一种以抛物盒天线为馈源的串馈型cts天线 - Google Patents

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马小涛
何晓旭
郭丽娜
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Abstract

本发明属于天线技术领域，涉及到连续切向节(CTS)天线，具体涉及一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，适用于厘米波频段的通信发射与接收。本发明的以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线包括抛物盒天线和CTS阵列；CTS阵列包括平行板波导和固定于平行板波导上的辐射枝节；所述CTS阵列的波导腔与抛物盒天线的馈源辐射面连接，CTS阵列的平行板波导和辐射枝节均为阶梯状。本发明设计了一种阶梯型平行板波导传输结构，通过逐级降低平行板波导的高度，逐级提高天线辐射枝节的能量耦合系数，从而保证每个天线辐射枝节从平行板波导内耦合出的能量是相当的，使得天线的最大辐射方向为边射方向且增益取得最大。

Description

一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及到连续切向节(CTS)天线，具体涉及一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，适用于厘米波频段的通信发射与接收。
背景技术
在所有的无线通信***中，无线电波的发射和接收都要使用天线来完成。因此，天线的性能将直接影响无线通信***的工作性能。具备良好性能的天线可以有效提高***的灵敏度，降低***中其他部件的要求和复杂度，提高***的工作效率。在雷达、通信、遥感遥测、空间技术等诸多领域，高增益天线有着广泛的需求。传统的高增益天线有微带天线阵、波导缝隙天线阵、抛物面天线、透镜天线等。
上世纪90年代初，美国Hughes航空公司提出了连续切向节天线，连续切向节天线以平行板波导作为传输结构，并在平行板波导上开贯穿其横截面的开路枝节，其辐射机理类似于波导缝隙天线，都属于漏波天线。CTS天线可以工作在微波、毫米波和准光波频段，可以实现波束赋形、多波束、双极化、双频带和单脉冲；同时，由于其天生的平行板结构，天线损耗低；另外，CTS天线对对加工精度不敏感，对于20％的填充介质的介电常数变化引起的耦合能量的变化低于0.5dB，可采用热塑、注模、压制等成熟工艺进行加工。平行板连续切向节天线虽然有着优异的性能和广泛的应用，但由于其最先由商业公司开发并且涉足军事领域，其可供查阅的公开文献并不多。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景和使用需求，针对卫星通讯的应用设计了一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线。本发明使用抛物盒天线作为CTS天线的馈源，抛物盒天线是柱形抛物面天线的变形,它是由两块平行的金属板屏蔽的短柱形抛物面，并在抛物面焦点处放置一小馈源。屏蔽金属板的作用一方面是防止馈源辐射能量的漏失，另一方面是保证射到抛物面上的波是柱面波，经过抛物面反射在口径面形成同相场。为保证馈源向抛物面方向辐射，在馈源后放置一反射器。本发明具有高增益、宽频带、结构简单，易加工等优点。
为了达到上述技术目的，本发明的具体技术方案为：
一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，包括抛物盒天线和CTS阵列；CTS阵列包括平行板波导和固定于平行板波导上的辐射枝节；所述CTS阵列的波导腔与抛物盒天线的馈源辐射面连接，CTS阵列的平行板波导和辐射枝节均为阶梯状。
优选的，以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线还包括同轴探针和反射器；所述同轴探针和反射器设置于抛物盒天线的底面，所述同轴探针设置于抛物盒天线的抛物面焦点。
优选的，所述辐射枝节为两层阶梯状。
优选的，所述平行板波导的一面为平面且固定有辐射枝节，另一面为逐级厚度降低的阶梯状，第一阶厚度减小3mm，第二阶厚度减小2.5mm，第三阶厚度减小2mm，第四阶厚度减小1.5mm，第五阶厚度减小1mm，第六阶厚度减小0.8mm，第七阶厚度减小0.6mm，第八阶厚度减小0.4mm，第九阶厚度减小0.2mm。
优选的，平行板波导为逐级厚度降低的阶梯状，最大厚度部分与抛物盒天线的馈源辐射面连接。
优选的，所述辐射枝节包括相互连接的小径部分和大径部分，小径部分的一端连接平行板波导，另一端连接大径部分。
优选的，所述辐射枝节的大径部分部分直径为3.5mm，高度为3.5mm；小径部分直径为1.5mm，高度为1.5mm。
本发明的有益技术效果：
本发明的天线单元采用了具备优良阻抗性能的双层阶梯型枝节结构。阶梯型枝节单元有四个结构参量，分别是第一层阶梯的宽度d1和高度h1、第二层阶梯的宽度d2和高度h2。通过调整参量可以优化天线的辐射特性。
本发明的传输结构采用了具有多层阶梯形状的平行板波导。为了使天线阵的最大辐射方向为边射方向，阵列中每个枝节单元应是等幅同相馈电，枝节间间距应为1个波导波长。在传统的等高传输波导CTS天线阵列中，由于波导等高且天线辐射枝节完全相同，故每个天线辐射枝节的能量耦合系数是相当的。但是在串馈型CTS天线阵列中，每个枝节都在向外辐射能量，导致能量沿着从馈源到阵列末端的方向是逐次减少的，从而使每个天线枝节耦合出能量是不等的。这就造成了每个天线辐射枝节辐射出的能量不相同，口径面上电场分布不均匀，方向图出现畸形。本发明设计了一种阶梯型平行板波导传输结构，通过逐级降低平行板波导的高度，逐级提高天线辐射枝节的能量耦合系数，从而保证每个天线辐射枝节从平行板波导内耦合出的能量是相当的，使得天线的最大辐射方向为边射方向且增益取得最大。
附图说明
图1为一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线的介质腔体侧视结构图；
图2为具体实施方式中，本发明的抛物盒天线馈源的设计图；
图3为具体实施方式中，本发明的阶梯型枝节单元的设计图；
图4为具体实施方式中，本发明的阶梯型平行板波导的设计图；
图5为具体实施方式中，本发明在工作频段内的驻波比；
图6为具体实施方式中，本发明在12.45GHz的方向图；
图7为具体实施方式中，本发明在12.20GHz的方向图；
图8为具体实施方式中，本发明在12.70GHz的方向图。
其中：1、馈源辐射面；2、平行板波导；3、辐射枝节；4、同轴探针；5、反射器。
具体实施方式
现结合说明书附图对本发明做出详细说明。
本发明涉及一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，包括抛物盒天线和CTS阵列；CTS阵列包括平行板波导2和固定于平行板波导2上的辐射枝节3；CTS阵列的波导腔与抛物盒天线的馈源辐射面1连接，CTS阵列的平行板波导2和辐射枝节3均为阶梯状。平行板波导2为逐级厚度降低的阶梯状，最大厚度部分与抛物盒天线的馈源辐射面1连接。辐射枝节3为两层阶梯状。辐射枝节3包括相互连接的小径部分和大径部分，小径部分的一端连接平行板波导2，另一端连接大径部分。
辐射枝节3的大径部分部分直径为3.5mm，高度为3.5mm；小径部分直径为1.5mm，高度为1.5mm。
以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线还包括同轴探针4和反射器5；同轴探针4和反射器5设置于抛物盒天线的底面，同轴探针4设置于抛物盒天线的抛物面焦点。
平行板波导2的一面为平面且固定有辐射枝节3，另一面为逐级厚度降低的阶梯状，第一阶厚度减小3mm，第二阶厚度减小2.5mm，第三阶厚度减小2mm，第四阶厚度减小1.5mm，第五阶厚度减小1mm，第六阶厚度减小0.8mm，第七阶厚度减小0.6mm，第八阶厚度减小0.4mm，第九阶厚度减小0.2mm。
下面以实例进行说明
实例采用HFSS作为仿真软件，设计了一款在12.20GHz—12.70GHz的频带内，VSWR<2.0,增益大于等于20dBi的CTS天线。本实例的馈源采用一款口径面宽度a＝190mm，高度b＝12mm，抛物面张角为90°的抛物盒天线，如图2所示。该抛物盒天线以同轴探针4做馈源，为保证馈源向抛物面方向辐射，在探针后放置一反射器5。
如图3所示，本实例中的阶梯型枝节单元的四个结构参量设计为d1＝3.5mm，d2＝1.5mm，h1＝3.5mm，h2＝1.5mm,如图3所示。
本实例中的阶梯型平行板波导2采用9层阶梯，如图4所示。阶梯高度分别设计为：H1＝3mm，H2＝2.5mm，H3＝2mm,H4＝1.5mm,H5＝1mm,H6＝0.8mm,H7＝0.6mm,H8＝0.4mm,H9＝0.2mm。辐射枝节3间距设置为中心频率12.45GHz所对应的波长。在本发明中，天线金属腔体内由空气填充。
图5为本实例的VSWR，在要求频段内小于2，结果采用HFSS仿真得出。
图6、图7、图8分别为本实例在12.45GHz、12.20GHz、12.70GHz三个频点的方向图，最大增益均大于20dBi，结果采用HFSS仿真得出。
以上仅为本发明的一种具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。

Claims (7)

1.一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，其特征在于：包括抛物盒天线和CTS阵列；CTS阵列包括平行板波导(2)和固定于平行板波导(2)上的辐射枝节(3)；所述CTS阵列的波导腔与抛物盒天线的馈源辐射面(1)连接，CTS阵列的平行板波导(2)和辐射枝节(3)均为阶梯状。
2.根据权利要求1所述的一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，其特征在于：以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线还包括同轴探针(4)和反射器(5)；所述同轴探针(4)和反射器(5)设置于抛物盒天线的底面，所述同轴探针(4)设置于抛物盒天线的抛物面焦点。
3.根据权利要求1所述的一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，其特征在于：所述辐射枝节(3)为两层阶梯状。
4.根据权利要求3所述的一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，其特征在于：所述平行板波导(2)的一面为平面且固定有辐射枝节(3)，另一面为逐级厚度降低的阶梯状，第一阶厚度减小3mm，第二阶厚度减小2.5mm，第三阶厚度减小2mm，第四阶厚度减小1.5mm，第五阶厚度减小1mm，第六阶厚度减小0.8mm，第七阶厚度减小0.6mm，第八阶厚度减小0.4mm，第九阶厚度减小0.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，其特征在于：平行板波导(2)为逐级厚度降低的阶梯状，最大厚度部分与抛物盒天线的馈源辐射面(1)连接。
6.根据权利要求1所述的一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，其特征在于：所述辐射枝节(3)包括相互连接的小径部分和大径部分，小径部分的一端连接平行板波导(2)，另一端连接大径部分。
7.根据权利要求6所述的一种以抛物盒天线为馈源的串馈型CTS天线，其特征在于：所述辐射枝节(3)的大径部分部分直径为3.5mm，高度为3.5mm；小径部分直径为1.5mm，高度为1.5mm。
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