CN112615162B - 一种共口径三频多模喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种共口径三频多模喇叭天线，属于电子科学与技术学科领域。由OMT、波纹激励段、光壁喇叭段、L波段馈电段组成。所述正交模耦合器位于天线的最下端；所述波纹激励段位于OMT上方，波纹激励段输入端与OMT输出端连接，波纹激励段输出端口连接光壁喇叭段输入端；所述光壁喇叭段位于波纹激励段上方；所述L波段馈电段通过耦合口与光壁喇叭段的侧壁连接；本发明采用正交模耦合器实现S和C波段馈电，其中C波段通过直通端口馈电，S波段通过侧壁的耦合端口馈电，两端口极化正交。通过双槽深的部分波纹激励段激励S/C波段的高次模，连接光壁喇叭段组成多模喇叭，提高了S/C波段的极化隔离度和方向图波束等化，减小了带内增益波动，性能优于光臂喇叭天线。

Description

一种共口径三频多模喇叭天线
技术领域
本发明属于电子科学与技术学科领域，尤其涉及一种共口径三频多模喇叭天线及其无线通讯***。可同时实现多信道高极化隔离度通讯，降低通讯***之间的干扰。可应用于多频段高极化隔离无线通讯***中，如卫星通信***中。
背景技术
随着电子技术的发展，对电子元件及其配套设备的空间利用率要求越来越高。通过单个天线实现多个极化或多个频段可以有效增大信道容量，减小***占用空间。目前实现喇叭天线多频的形式一般有嵌套式和共口面式。嵌套式一般高频段信号在内部圆波导传输而低频段信号在内外导体之间，需要进行同轴模式到波导模式的转变，结构相对复杂，也较难保证各频段的极化隔离度。而共口径形式结构简单，不同频段共用一个口面，方便进行方向图的控制。
当卫星的接收天线极化与卫星信号的极化一致时，二者称为极化匹配，此时接收信号最强。极化的不匹配会导致信号损耗，接收信号变弱。一般卫星通讯的极化不匹配会导致水平和垂直两个极化方向传输信号泄露互相干扰，甚至无法接收信号，因此保持较高的极化隔离度对卫星通讯至关重要。
目前实现较高的极化隔离度一般采用波纹喇叭形式，但常规波纹喇叭的波纹较多，结构复杂。如果在此基础上进行多频设计，会进一步增加天线的复杂度。
发明内容
要解决的技术问题
针对多频段全波纹喇叭结构复杂的问题，本发明提出一种共口径三频多模喇叭天线。通过采用部分波纹段来优化天线的方向图，提高极化隔离度，同时也保证了天线结构的简单。此外，在此基础上进行多频设计，对波纹结构进行双槽深设计并合理分配三频段端口位置，天线可以实现L、S、C三波段共口径收发。本发明能在满足天线高性能的同时，大幅简化了天线的复杂度。
技术方案
一种共口径三频多模喇叭天线，其特征在于包括正交模耦合器、波纹激励段、光壁喇叭段、L波段馈电段，所述正交模耦合器位于最下端；所述波纹激励段位于正交模耦合器上方；所述光壁喇叭段位于波纹激励段上方；所述L波段馈电段L位于波纹激励段上方，通过耦合口与光壁喇叭段的侧壁连接；所述波纹激励段为旋转体，与光臂喇叭段共轴，轴向长度为1.5λ0C，λ0C为C波段中心频率对应波长；波纹槽深在
Figure BDA0002833059620000021
与
Figure BDA0002833059620000022
之间，λ0S为S波段中心频率对应波长，用来激励S和C波段的高次模，通过优化波纹槽宽及槽深，使波导中TE11模和TM11达到最佳比例，产生波纹混合模HE11模。
本发明技术方案更进一步的说：所述正交模耦合器采用矩形波导形式且包含三个端口，直通端口采用矩形波导形式，为C波段馈电端口，通过多级阶梯变换过渡到方形波导；耦合端口也采用多级阶梯改善电压驻波比，为S波段馈电端口，通过耦合孔与方波导侧壁连接；输出端口与所述波纹激励段输入端连接。
本发明技术方案更进一步的说：所述波纹激励段的输出端半径RO满足：
Figure BDA0002833059620000023
Figure BDA0002833059620000024
λMS为S波段高端对应波长，λmL为L波段低端对应波长。
本发明技术方案更进一步的说：所述光臂喇叭段位于共口径三频多模喇叭天线的顶端，为圆锥喇叭形式；其输入端连接所述波纹激励段输出端，使波导中的能量有效辐射；所述光臂喇叭段的口径根据各波段的增益要求确定，其长度影响喇叭内部各传输模式的幅度和相位，合适的长度可以调节不同频段的辐射效率，保证天线的带内增益波动小。
有益效果
本发明提出的一种共口径三频多模喇叭天线，应用部分波纹激励段的双槽深结构设计，激励了S、C波段高次模，并通过波纹轮廓改进和优化槽宽及槽深使模式混合，得到接近HE11模的口面分布，从而在体积小、结构简单的情况下实现了S、C波段波束等化，方向图极化隔离度大于38dB，带内增益波动小于±0.25dB。解决了常规全波纹喇叭天线结构复杂，体积大和重量大的问题。同时，L波段以光壁辐射为主，与S、C波段共口面。为提高隔离度，波纹激励段的输出端半径小于L波段的主模截止半径，抑制了L波段对其他频段的干扰。本发明天线可用于卫星通信***，天线可同时实现LSC三频段的信号收发，可以最大程度降低天线的复杂性。
本发明采用正交模耦合器实现S和C波段馈电，其中C波段通过直通端口馈电，S波段通过侧壁的耦合端口馈电，两端口极化正交。通过双槽深的部分波纹激励段激励S/C波段的高次模，连接光壁喇叭段组成多模喇叭，提高了S/C波段的极化隔离度和方向图波束等化，减小了带内增益波动(S波段带宽3.8％，C波段带宽4.4％)，性能优于光臂喇叭天线。相比传统全波纹喇叭，本发明又具有结构简单、重量轻、易加工的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的共口径三频多模喇叭天线的结构图；
图中：1-正交模耦合器；2-波纹激励段；3-光壁喇叭段；4-L波段馈电段。
图2是本发明实施例提供的共口径三频多模喇叭天线波纹激励段结构图；
图3是本发明实施例提供的共口径三频多模喇叭天线LSC三个端口的电压驻波比；
图4是本发明实施例提供的两共口径三频多模喇叭天线相距1.2m极化正交放置时的收发隔离度；
图5是本发明实施例提供的共口径三频多模喇叭天线的L波段的E面和H面方向图：(a)1.16GHz、(b)1.26GHz、(c)1.36GHz。
图6是本发明实施例提供的共口径三频多模喇叭天线的S波段的E面和H面方向图：(a)3.14GHz、(b)3.20GHz、(c)3.26GHz。
图7是本发明实施例提供的共口径三频多模喇叭天线的C波段的E面和H面方向图：(a)5.28GHz、(b)5.40GHz、(c)5.52GHz。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明通过部分波纹激励的形式，实现了S和C波段的波束等化和高极化隔离度，减小了带内增益波动。波纹激励段的半径和端口位置的合理设计，兼顾了三个频段的相互隔离，可同时进行L、S、C三个频段的信号收发。其构成包括：正交模耦合器(OMT)1、波纹激励段2、光壁喇叭段3、L波段馈电段4。
在所述方案中，所述正交模耦合器1采用矩形波导形式；包括直通端口、耦合端口和输出端口，直通端口为C波段馈电端口，采用矩形波导形式，通过多级阶梯变换过渡到方形波导，有效降低天线电压驻波比；耦合端口为S波段端口，也采用多级阶梯变换改善电压驻波比。耦合端口通过孔径耦合连接方波导的侧壁，耦合孔可等效为容感性膜片的叠加。耦合孔尺寸对耦合端口与方波导的匹配有很大影响。
在所述方案中，所述波纹激励段2为旋转体，与光臂喇叭段3共轴。波纹激励段2入口与正交模耦合器1的输出端连接，波纹激励段2出口与光壁喇叭段3入口连接。正交模耦合器1中的电磁波进入波纹激励段2中，方波导内的传输主模TE10过渡到圆波导主模TE11模。波纹槽根据S和C波段进行双槽深设计，通过该波纹激励段2激励产生S和C波段的高次模TM11模，从而得到以HE11模为主的混合波纹模，然后，波纹模激励出圆锥喇叭主模TE11模和高次模TM11和TE12模等，通过控制波纹激励段2的尺寸以及喇叭的尺寸，即可控制各模式的模比值以及口面场的模式，从而得到所需性能。根据理论推导，波纹主模HE11模的电场表达式与
Figure BDA0002833059620000041
无关，即口径场为圆对称场，场中心最大，边缘逐渐减小到零，依据该场的幅相分布，可产生圆对称的辐射方向图，即方向图等化，最高的辐射效率以及极高的极化隔离度。
在所述方案中，所述光壁喇叭段3入口与波纹激励段2的出口连接，喇叭最大口面根据L波段增益设计，也实现了S、C波段的高增益。天线长度则需要同时兼顾S和C波段的辐射性能。特别针对C波段，由于天线口径相对C波段电尺寸较大，在大张角情况下，喇叭内部高次模明显，天线性能恶化，所以需要保证天线的张角较小，则喇叭长度较长。通过调节喇叭的长度，喇叭内部各传输模式分幅度和相位都会发生变化，依然能够调节模比值。在合适的长度下，可以兼顾各频段的辐射效率，保证天线的带内增益波动较小。
在所述方案中，所述L波段馈电段4位于波纹激励段2上方，通过耦合孔连接到光壁喇叭段3的侧壁，并通过波导同轴转换器实现L波段馈电4及阻抗匹配。L波段以光壁喇叭辐射为主，耦合口距离喇叭口面的长度需要足够大。耦合口位置取决于耦合口处的半径大小，根据波导传输线理论，耦合口处的半径值R需要满足：0.29λmL<R<0.38λML(λmL、λML分别为L波段低端对应波长)。喇叭口面根据天线增益要求确定，本发明中口面半径为0.67λ0L(典型值)(λ0L为L波段中心频率对应波长)，如果喇叭长度太短，耦合口距离喇叭口面则较近，在大张角以及短传输的结构下，会导致L波段耦合口产生的场分布不均匀，从而L波段馈电段4连接到光臂喇叭最下端的侧壁。
加工方面，由于本发明天线工作在野外环境，为保证电气指标不恶化，首先在结构设计和制造上严格保证各部件的尺寸精度，确保天线各部分连接后都是精确的紧配合，接触面牢靠；另一方面，在各部件连接处用密封圈、密封胶进行处理，对雨水、风沙可起到良好隔绝作用。
具体加工过程：首先严格选用上乘质量的原材料，如7系列的高级航空铝材，具有材料均匀性好、表面精度高、加工性能好、材料致密性好、耐高温等优点，在此基础上进行高精度加工。第一步，按图纸留余量，加工毛坯；第二步，热处理；第三步，加工刀具，数控编程；第四步，内部结构精加工；第五步，外部加工，连接器加工。如图1所示，本发明实施例提供的共口径三频多模喇叭天线包括：1、正交模耦合器；2、波纹激励段；3、光壁喇叭段；4、L波段馈电段。
正交模耦合器1采用矩形波导形式，包括直通端口101、耦合端口102和输出端口103。直通端口101为C波段馈电端口，采用矩形波导形式，通过多级阶梯变换过渡到正交模耦合器1的方波导口，有效降低天线电压驻波比。直通端口101的矩形波导由波导同轴转换变换为SMA-K接头，并通过同轴线连接外部其他设备；耦合端口102为S波段端口，也采用多级阶梯变换改善电压驻波比。耦合端口102通过孔径耦合连接方波导的侧壁，耦合端口102的矩形波导也由波导同轴转换变换为SMA-K接头，并通过同轴线连接外部其他设备；输出端口103连接波纹激励段2输入口。如图2所示为本发明实施例提供的共口径三频多模喇叭天线的波纹激励段结构图。波纹激励段2采用双槽深设计激励S、C波段的高次模，实现模式混合以达到优化方向图波束等化、提高极化隔离度等效果。实现了S、C波段分别在3.8％和4.4％的带宽内波束等化且带内增益波动小。波纹激励段2的输出口连接光壁喇叭段3的输入口，L波段馈电段4以标准N型接头通过波导同轴转换连接到矩形波导，再通过耦合孔连接到光壁喇叭段3的侧壁，从而实现了LSC三频段信号收发。采用该方法可设计出共口径三频多模喇叭天线。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1、仿真内容
如图3～图7是利用仿真软件对上述实施例天线三波段的电压驻波比、收发隔离度、增益方向图的仿真计算结果。
2、仿真结果
图3是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。可以看到，端口表现出良好的匹配特性，并且曲线的一致性非常高。L波段从1.16GHz到1.26GHz，电压驻波比都小于1.33，相对带宽为16％；S波段从3.14GHz到3.26GHz，电压驻波比都小于1.30，相对带宽为3.8％；C波段从5.28GHz到5.52GHz，电压驻波比都小于1.30，相对带宽为4.4％；本发明天线在该尺寸下获得了三频段的需求。
图4是两副同样的实施例天线极化正交放置且间距1.2m时的收发隔离度随工作频率变化的曲线。结果表明，三波段的收发隔离度均大于80dB。
图5、图6、图7是对实施例天线仿真分别得到的三个波段低端、中端、高端三频点的E面和H面增益方向图，可以看出天线L波段增益大于12dBi，S波段增益大于18dBi，C增益大于24dBi，满足喇叭天线增益需求。且S、C波段波束等化较好，仿真极化隔离度均大于50dB，实测极化隔离度大于38dB。满足天线极化隔离度需求。
表1是实施例天线各波段内性能统计。
表1实施例天线性能统计表
Figure BDA0002833059620000071
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种共口径三频多模喇叭天线，其特征在于包括正交模耦合器(1)、波纹激励段(2)、光壁喇叭段(3)、L波段馈电段(4)，所述正交模耦合器(1)位于最下端；所述波纹激励段(2)位于正交模耦合器(1)上方；所述光壁喇叭段(3)位于波纹激励段(2)上方；所述L波段馈电段(4)L位于波纹激励段(2)上方，通过耦合口与光壁喇叭段(3)的侧壁连接；所述波纹激励段(2)为旋转体，与光臂喇叭段(3)共轴，轴向长度为1.5λ0C，λ0C为C波段中心频率对应波长；波纹槽深在
Figure FDA0003180989580000011
与
Figure FDA0003180989580000012
之间，λ0S为S波段中心频率对应波长，用来激励S和C波段的高次模，通过优化波纹槽宽及槽深，使波导中TE11模和TM11达到最佳比例，产生波纹混合模HE11模；所述的波纹激励段(2)的输出端半径小于L波段馈电段(4)的主模截止半径；所述正交模耦合器(1)采用矩形波导形式且包含三个端口，直通端口(101)采用矩形波导形式，为C波段馈电端口，通过多级阶梯变换过渡到方形波导；耦合端口(102)也采用多级阶梯改善电压驻波比，为S波段馈电端口，通过耦合孔与方波导侧壁连接；输出端口(103)与所述波纹激励段(2)输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种共口径三频多模喇叭天线，其特征在于所述波纹激励段(2)的输出端半径RO满足：
Figure FDA0003180989580000013
λMS为S波段高端对应波长，λmL为L波段低端对应波长。
3.据权利要求1所述的一种共口径三频多模喇叭天线，其特征在于所述光臂喇叭段(3)位于共口径三频多模喇叭天线的顶端，为圆锥喇叭形式；其输入端连接所述波纹激励段(2)输出端，使波导中的能量有效辐射；所述光臂喇叭段(3)的口径根据各波段的增益要求确定，其长度影响喇叭内部各传输模式的幅度和相位，合适的长度可以调节不同频段的辐射效率，保证天线的带内增益波动小。
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