專利名稱：一種Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信中饋源設(shè)計的技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及衛(wèi)星通信系統(tǒng)中饋源設(shè) 計的Ku/Ka頻段收發(fā)四頻段、線圓極化一體化等技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的C頻段衛(wèi)星資源已不能滿足日益增長的衛(wèi)星通 信需求，開發(fā)Ku、Ka波段勢在必行。衛(wèi)星通信事業(yè)的蓬勃發(fā)展對其地面站天線提出了新的 要求，例如高增益、寬頻帶或多頻段、低交叉極化、多波束、多極化等等。饋源是整個天線系統(tǒng)的心臟，高性能饋源是高性能天線系統(tǒng)的首要條件。如何在 Ku、Ka頻段設(shè)計同時工作在寬頻帶或多頻段，具有低交叉極化、高隔離度的特性，并能實現(xiàn) 收發(fā)雙極化或多極化的饋源，以較好滿足龍伯透鏡天線、拋物面天線等其他天線系統(tǒng)對饋 源的要求。高效緊湊的Ku/Ka波紋喇叭饋源能有效利用同一個輻射口面，使天線能同時工作 在四個不同的頻段，使得天線的利用率提高了三倍。在波紋喇叭饋源天線饋電時，四種不同 頻段、四種不同極化的信號就可以同時傳輸。即在這四個個頻段之內(nèi)，天線可以同時發(fā)送兩 種信號，同時接收兩種信號，信號之間產(chǎn)生的干擾我們可以通過收發(fā)高隔離度和極化分離 進行解決。中國電子科技集團公司第五十四研究所的杜彪等人在專利CN1438733中公開了 一種雙槽結(jié)構(gòu)雙頻段共用波紋喇叭饋源，它由有害高次模抑制器、雙槽結(jié)構(gòu)波紋槽模變換 器、雙槽深波紋結(jié)構(gòu)頻率變化、角度變化過渡段和雙槽深波紋結(jié)構(gòu)輻射段構(gòu)成。適合用作L/ C、S/C、S/X和C/Ku等雙頻段共用衛(wèi)星通信和測控天線的饋源。在專利CN1317884中楊可 忠等人公開了一種改善偏置拋物面天線交叉極化特性的波紋喇叭饋源，它由雙模波紋喇叭 和由高次模傳播及截止光壁圓波導(dǎo)、耦合腔、耦合孔構(gòu)成的激勵器組成。特別適合Ku頻段 小焦距直徑比的衛(wèi)星通信單偏置拋物面天線做饋源裝置。中國電子科技集團公司第三十八 研究所的萬笑梅等人在專利CN1016^113中題為“雙圓極化和差波束寬帶波紋喇叭饋源天 線”公開了一種雙圓極化和差波束寬帶波紋喇叭饋源天線，它的結(jié)構(gòu)包括天線本體和同軸 探針，天線本體為圓柱狀，其上部為波紋部分，下部為饋電部分。可用于高頻段的寬帶雙極 化單脈沖饋源，在60 %的頻帶范圍內(nèi)可實現(xiàn)良好的圓極化軸比。信息產(chǎn)業(yè)部電子第二十九 研究所的唐益民等人在專利號CN1331502中公開了一種寬帶、大功率、高隔離度的正交極 化饋源。正交極化饋源在滿足寬頻帶、大功率容量的同時，主路、側(cè)路的隔離度有了質(zhì)的提 高，達到42dB以上。以上國內(nèi)公開的這些關(guān)于饋源方面的專利，它們的設(shè)計普遍都是雙頻 段的，一些滿足高功率的要求，一些滿足寬帶的或是高隔離度的要求，實現(xiàn)天線系統(tǒng)有效的 輻射特性。而本發(fā)明的饋源工作于Ku、Ka頻段，能同時進行線圓極化的收發(fā)工作，在天線系 統(tǒng)中不需要多個饋源就能單獨覆蓋四個頻段，解決多個饋源放置時波束偏焦的問題。同時 在Ku頻段和Ka頻段收發(fā)工作時，饋源有優(yōu)異的輻射特性和高的隔離度。美國專業(yè)發(fā)明者Jos印h A. Preiss在公開專利號60055 中題為“Dual Band Feedwith Integrated Mode Transducer”闡述了一種饋源結(jié)構(gòu)是中間介質(zhì)桿加載，外圍是用 軸向槽的波紋喇叭來嵌套，實現(xiàn)在兩個頻段的輻射特性，但是由于軸向開槽對工藝的要求 較高，力卩工成本較大° 2006 年 Stephen D. Tafgonski ￠: IEEE Transactions on Antennas and Propagation,October 2006, Vol. 54,No. 10,p. 2862-2868^^"A Multiband Antenna for Satellite Communications on the Move”。介紹了一種三頻段的饋源，它工作在 20. 2-21. 2GHz (K 頻段)，30-3 IGHz (Ka 頻段)，43. 5-45. 5GHz (Q 頻段)。這種饋源的優(yōu)勢是 能同時工作在三個頻段和多個極化，并且保證較高的口徑效率。美國專利發(fā)明者Robert A. Frosch ^t Jf ^ M 4258366 H 為"Multifrequency Broadband Polarized Horn Antenna”中介紹了一種工作在五頻段的饋源，通過一個波紋圓錐轉(zhuǎn)喇叭口輻射所有的信 號，通過正交模結(jié)構(gòu)把信號從公共的傳輸波導(dǎo)中耦合出來。由于有多個頻段的信號共同傳 輸，饋源在輸出接口處需要許多帶通濾波器把各個信號分離，增加頻帶之間的隔離。它在 各個頻段輻射的遠場方向圖等化性較差。2009年，Miattacharyya，A.等在Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009. APSURSI' 09. IEEE上發(fā)表了題為 "Multiband Feed using coaxial configuration”中論述了一種采用同軸嵌套結(jié)構(gòu)來實現(xiàn) 工作在S、Ku、K、Ka頻段的方案。饋源中間變張角的圓波導(dǎo)傳播Ku、K、Ka頻段的電磁波信 號，而階梯變張角的同軸波導(dǎo)傳播S頻段的信號。在高頻段處，同軸波導(dǎo)和圓波導(dǎo)之間的多 種耦合對饋源的性能有很顯著的影響。文章中提到用一個圓波導(dǎo)來實現(xiàn)三個頻段的有效輻 射，但是沒有提及在后面饋電網(wǎng)絡(luò)中各個頻帶信號之間的隔離。對于所我們要求的同時進 行收發(fā)工作是不滿足的。與之前提及的發(fā)明專利和論文相比，本發(fā)明采用的同軸嵌套結(jié)構(gòu)的線圓極化一體 化四頻段饋源保證了各個鄰近頻段之間的隔離度，能使饋源在Ku雙頻段，Ka雙頻段同時進 行收發(fā)工作，而不需要額外加濾波器來分離收發(fā)信號。饋源的遠場輻射方向圖軸向?qū)ΨQ，交 叉極化低，良好的線圓極化性能和回波損耗。傳統(tǒng)的龍伯透鏡饋電系統(tǒng)將單個Ku或Ka饋 源并排放置，其最大波束指向都會產(chǎn)生一定角度的偏移，無法實現(xiàn)接收同一顆衛(wèi)星，這種饋 源很好的解決了波束偏焦的問題，它特別適用于拋物面天線等大型衛(wèi)星通信天線的饋源系 統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種衛(wèi)星通信中用于拋物面天線等大型天線系統(tǒng)的收 發(fā)線圓雙極化、四頻段高效緊湊的饋源，它工作于Ku/Ka波段，具有旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向 圖、極低的交叉極化、良好的回波損耗和高的隔離度等優(yōu)異的性能，并且結(jié)構(gòu)緊湊，實用性強。本文所發(fā)明的線圓極化四頻段Ku/Ka饋源采用同軸嵌套的結(jié)構(gòu)形式，使Ku和Ka 饋源的輻射口面實現(xiàn)在空間上的隔離。它是由法蘭盤1、尖錐狀介質(zhì)桿2、內(nèi)部圓波導(dǎo)3、Ku 饋源發(fā)射SMA接頭對4、對稱的金屬短路柱5、Ku饋源接收正交模對6、Ka饋源接收端口 7、 Ka饋源發(fā)射端口 8、同軸波導(dǎo)9、圓極化器10、階梯波導(dǎo)11組成。其中，Ku饋源發(fā)射SMA接 頭對4采用微波通信中經(jīng)常使用的50歐姆SMA接頭，Ku饋源接收正交模對6外接國家標(biāo) 準(zhǔn)矩形波導(dǎo)BJ140，Ka饋源接收端口 7外接BJ220，Ka饋源發(fā)射端口 8外接BJ320，對稱的 金屬反射柱5通過焊接或打孔固定在同軸波導(dǎo)9當(dāng)中。
本文所發(fā)明的Ku/Ka饋源工作于Ku、Ka波段，Ku饋源發(fā)射SMA接頭對4用于發(fā)射 頻段fT (帶寬5% )，Ku饋源接收正交模對6用于接收頻段fK (帶寬5% ).調(diào)整發(fā)射SMA接 頭對4、接收正交模對6、對稱的金屬短路柱5在同軸波導(dǎo)9中的位置和發(fā)射SMA接頭對4 深入到同軸波導(dǎo)9中的深度、圓波導(dǎo)3與同軸波導(dǎo)9在輻射口面的相對位置以及同軸波導(dǎo) 9在饋源輻射口面的階梯波導(dǎo)11尺寸，本文所述Ku/Ka饋源得到了良好的回波損耗及收發(fā) 隔離度。其中，對稱的金屬短路柱5起到了減小饋源長度以及提高收發(fā)隔離度的作用。尖錐狀介質(zhì)桿2將內(nèi)部圓波導(dǎo)3中傳播的主模TE11模調(diào)整為HE11模，HE11?？梢?得到旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向圖。為保證不激勵起除HE11模以外的其他模式，圓波導(dǎo)4的內(nèi)半 Sr以及尖錐狀介質(zhì)桿1的相對介電常數(shù)ε r以及工作波長λ需滿足下式
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ViriKa饋源中，圓極化器10是圓極化天線系統(tǒng)中實現(xiàn)極化變化的關(guān)鍵部件。圓波導(dǎo)中 的主模TE11模經(jīng)過圓極化器以后分解為兩路正交的、幅度相等，相位差90°的主模信號，從 而構(gòu)成了圓極化的信號傳輸，經(jīng)過介質(zhì)桿加載的圓波導(dǎo)輻射出去，得到了圓極化的輻射信 號。正交模耦合器屬于雙頻段窄帶正交模耦合器，它將兩個頻段內(nèi)的信號通過正交模耦合 器進入同一個波導(dǎo)內(nèi)傳輸。如圖3所示，發(fā)射信號經(jīng)由雙頻段正交模耦合器饋入波導(dǎo)中，再 經(jīng)過雙頻段圓極化器轉(zhuǎn)變?yōu)閳A極化信號，然后有雙頻輻射口面輻射出去；由雙頻輻射口面 接收到的圓極化信號經(jīng)過雙頻圓極化器變成線極化信號，再通過雙頻段正交模耦合器由標(biāo) 準(zhǔn)波導(dǎo)口耦合出去。雙頻段圓極化Ka饋源的系統(tǒng)框圖如圖11所示。Ku雙頻段線極化饋源(如圖2所示)在同軸波導(dǎo)內(nèi)發(fā)射垂直極化的信號，接收水 平極化的信號。其中Ku饋源的發(fā)射端口采用等幅反相對稱的探針對來激勵。通過這種方 式來抑制同軸波導(dǎo)中的主模(TEM模)，而最大程度的激勵同軸波導(dǎo)中的第一高次模(TE11 模)；Ku饋源的接收端口采用等幅同相對稱的正交模對來激勵。根據(jù)電場中的模式分布可 知，這種方式同樣可以用來抑制同軸波導(dǎo)中TEM模，最大限度的激勵起TE11模。本發(fā)明具有以下有益效果(1).與常用的雙頻段饋源和三頻段饋源相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)更加緊湊高效，將同時 收發(fā)一定帶寬、四種不同極化四個頻段的電磁波信號集成于同一個饋源當(dāng)中。(2).在收發(fā)的Ku、Ka頻段內(nèi)，本發(fā)明饋源具有旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向圖、優(yōu)良的收 發(fā)隔離度、良好的回波損耗以及低交叉極化等特性。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1是法蘭盤，2是尖錐狀介質(zhì)桿，3是內(nèi)部圓波導(dǎo)，4是Ku饋源發(fā)射SMA接頭 對、6是Ku饋源接收正交模對、7是Ka饋源接收端口、8是Ka饋源發(fā)射端口圖2、圖3是本發(fā)明透視結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1是法蘭盤，2是尖錐狀介質(zhì)桿，3是內(nèi)部圓波導(dǎo)，4是Ku饋源發(fā)射SMA接頭 對、5是對稱的金屬短路柱、6是Ku饋源接收正交模對、7是Ka饋源接收端口、8是Ka饋源 發(fā)射端口、9是同軸波導(dǎo)、10是圓極化器、11是階梯波導(dǎo)
圖4是Ku饋源接收頻段的回波損耗及收發(fā)隔離度；圖5是Ku饋源發(fā)射頻段的回波損耗及收發(fā)隔離度；圖6是Ku饋源接收頻段中心頻(12. 5GHz)E面、H面的主極化與交叉極化方向圖；圖7是Ku饋源發(fā)射頻段中心頻(14. 25GHz)E面、H面的主極化與交叉極化方向圖；圖8是Ka饋源接收頻段中心頻(20. 5GHz) E面、H面的主極化與交叉極化方向圖；圖9是Ka饋源發(fā)射頻段中心頻(30. 3GHz) E面、H面的主極化與交叉極化方向圖；圖10是尖錐狀介質(zhì)桿2、內(nèi)部圓波導(dǎo)3的剖視圖；圖11是雙頻段圓極化Ka饋源的系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式參照圖1，本文所發(fā)明的線圓極化四頻段Ku/Ka饋源由法蘭盤1、尖錐狀介質(zhì)桿2、 內(nèi)部圓波導(dǎo)3、Ku饋源發(fā)射SMA接頭對4、對稱的金屬短路柱5、Ku饋源接收正交模對6、Ka 饋源接收端口 7、Ka饋源發(fā)射端口 8、同軸波導(dǎo)9、圓極化器10、階梯波導(dǎo)11組成。Ku饋源發(fā) 射SMA接頭對4采用微波通信中經(jīng)常使用的50歐姆SMA接頭，可直接與波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器連 接，后面接180°電橋的功分器；對稱的金屬短路柱5通過在同軸外波導(dǎo)部分打孔固定在同 軸波導(dǎo)9當(dāng)中；饋源中間的內(nèi)部圓波導(dǎo)3通過延長同軸波導(dǎo)9短路壁后面的長度來固定。本發(fā)明工作于Ku、Ka波段，發(fā)射SMA接頭對4用于發(fā)射頻段fT(帶寬5% )，接收 正交模對6用于接收頻段fK (帶寬5% )調(diào)整發(fā)射SMA接頭對4、接收正交模對6、對稱的金 屬短路柱5在同軸波導(dǎo)9中的位置和發(fā)射SMA接頭對4伸入同軸波導(dǎo)9中的深度、接收正 交模對6的結(jié)構(gòu)尺寸以及階梯波導(dǎo)11的尺寸與內(nèi)部圓波導(dǎo)的相對位置。本文所述線圓極 化四頻段Ku/Ka饋源在Ku、Ka收發(fā)頻段內(nèi)均得到了良好的回波損耗及收發(fā)隔離度。尖錐狀介質(zhì)桿2將內(nèi)部圓波導(dǎo)3中傳播的主模TE11模調(diào)整為HE11模，HE11模可以 得到旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向圖。設(shè)計時為了避免激勵起其他的激勵模式，須適當(dāng)選擇截面直 徑使它們工作在截止?fàn)顟B(tài)，一般只需避免產(chǎn)生非對稱波HE12和EH12。內(nèi)部圓波導(dǎo)3的內(nèi)半 Sr以及尖錐狀介質(zhì)桿2的相對介電常數(shù)ε r以及工作波長λ需滿足下式首先選擇合適的介電常數(shù)、和內(nèi)部圓波導(dǎo)3的半徑r，本發(fā)明饋源的內(nèi)部圓波導(dǎo) 3中尖錐狀介質(zhì)桿2的材料選擇了常用的聚四氟乙烯；然后根據(jù)上述的公式合理的選擇內(nèi) 部圓波導(dǎo)3的半徑r ；通過改變在內(nèi)部圓波導(dǎo)中尖錐狀介質(zhì)桿2的尺寸(見圖10)，可以明 顯改善Ka饋源的圓極化特性。在Ka饋源發(fā)射頻段和接收頻段5 %的帶寬內(nèi)，其軸向的圓極 化軸比都小于_2dB。在Ka接受頻段和發(fā)射頻段，本發(fā)明均具有旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向圖、良 好的圓極化特性。見圖8、圖9。Ka饋源中接收端口和發(fā)射端口都是由正交模耦合器構(gòu)成 的。設(shè)計合理的尺寸和結(jié)構(gòu)，可以達到良好的回波損耗和隔離度。其中，在Ka饋源的發(fā)射 頻段內(nèi)，回波損耗小于-18dB ；在Ka饋源的接收頻段內(nèi)，回波損耗小于_20dB ；收發(fā)隔離度 小于_70dB，達到了優(yōu)異的性能要求。通過在同軸波導(dǎo)中設(shè)置對稱的金屬短路柱5和Ku饋源接收正交模對，從而實現(xiàn)了 Ku饋源在工作頻帶內(nèi)高的收發(fā)隔離度。Ku饋源收發(fā)隔離度如圖4、圖5所示。從仿真結(jié)果可知，在Ku饋源雙頻段的收發(fā)隔離度都在50dB以上。Ku饋源從發(fā)射SMA接頭對4或是接 收正交模對6饋入的電磁波信號在同軸波導(dǎo)中，如果直接向自由空間輻射的話，會產(chǎn)生很 大的反射損耗。設(shè)計中我們在同軸波導(dǎo)的外波導(dǎo)中加入階梯變換波導(dǎo)11，以減少同軸波導(dǎo) 到輻射口面的反射損耗，利于Ku饋源在工作頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)匹配。通過合理的優(yōu)化尺寸， Ku饋源在發(fā)射頻段和接收頻段的回波損耗都小于-10dB。見圖4、圖5。同時，Ku饋源在 發(fā)射頻段和接收頻段具有旋轉(zhuǎn)對稱的遠場輻射方向圖，低于_40dB的交叉極化等優(yōu)異的性 能。見圖6、圖7。因此，本專利提供的線圓極化一體化高效緊湊四頻段饋源性能充分滿足龍伯透鏡 天線、拋物面天線等天線系統(tǒng)對饋源的性能要求。以上，向熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員提供本發(fā)明的描述以使他們易于理解與運用本發(fā) 明。對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員，對這些實施例的各種變更是顯而易見的，而無需創(chuàng)造性的 勞動。因此，本發(fā)明并不僅限定在這里所述的方案，而是與所述的權(quán)利要求一致的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于衛(wèi)星通信的Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線基于同軸波導(dǎo)嵌套 結(jié)構(gòu)，包括法蘭盤(1)、尖錐狀介質(zhì)桿O)、內(nèi)部圓波導(dǎo)(3)、Ku饋源發(fā)射SMA接頭對、對 稱的金屬短路柱(5)、Ku饋源接收正交模對(6)、Ka饋源接收端口(7)、Ka饋源發(fā)射端口 (8)、同軸波導(dǎo)(9)、圓極化器(10)、階梯波導(dǎo)(11)。其中，Ku饋源發(fā)射SMA接頭對(4)采用 微波通信中經(jīng)常使用的50歐姆SMA接頭，Ku饋源接收正交模對(6)外接國家標(biāo)準(zhǔn)矩形波 導(dǎo)BJ140，Ka饋源接收端口(7)外接BJ220，Ka饋源接收端口⑶外接BJ320，對稱的金屬 反射柱( 通過焊接或打孔固定在同軸波導(dǎo)(9)當(dāng)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1述的一種Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線，其特征在于所 述Ku饋源發(fā)射SMA接頭對(4)和Ku饋源接收正交模對(6)在同軸波導(dǎo)中實現(xiàn)收發(fā)雙線極 化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1述的一種Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線，其特征在于所 述的對稱的金屬短路柱( 和Ku饋源接收正交模對(6)實現(xiàn)了饋源在Ku頻段收發(fā)工作的高隔離度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1述的一種Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線，其特征在于所 述的法蘭盤⑴和同軸波導(dǎo)(9)中之間引入了階梯波導(dǎo)(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1述的一種Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線，其特征在于所 述的法蘭盤(1)結(jié)構(gòu)和尺寸的選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1述的一種Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線，其特征在于所 述的尖錐狀介質(zhì)桿( 尺寸和位置的選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1述的一種Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線，其特征在于所 述的圓極化器(10)結(jié)構(gòu)、尺寸和介電常數(shù)的選擇。
8.根據(jù)權(quán)利要求1述的一種Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線，其特征在于所 述的Ka饋源接收端口(7)和Ka饋源發(fā)射端口(8)正交模結(jié)構(gòu)和尺寸的選擇。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在衛(wèi)星通信中運用于拋物面天線等天線系統(tǒng)中的Ku/Ka頻段線圓極化一體化收發(fā)饋源天線。它采用同軸嵌套的緊湊結(jié)構(gòu)，同時工作于Ku、Ka頻段。該饋源的基本結(jié)構(gòu)包括加載尖錐狀介質(zhì)桿的圓波導(dǎo)、法蘭盤、同軸波導(dǎo)、對稱的SMA接頭對、圓極化器和正交模耦合器。其中Ka頻段的饋源工作于雙圓極化，具有旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向圖，在Ka雙頻段內(nèi)圓極化軸比小于-2dB，收發(fā)隔離度小于-70dB等優(yōu)良的性能；其中Ku頻段的饋源工作于雙線極化，具有旋轉(zhuǎn)對稱的輻射方向圖，小于-40dB的交叉極化電平，良好的收發(fā)隔離度和反射損耗等優(yōu)異的輻射性能。
文檔編號H01Q19/17GK102136634SQ20111000494
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者楊仕文, 滕靜華, 聶在平, 黃明 申請人:電子科技大學(xué)