一种应用于S波段的龙伯透镜天线

摘要

本发明提供一种应用于S波段的龙伯透镜天线，包括介质球和用于实现波束控制与扫描能力的馈源阵列，所述的馈源阵列沿介质球的外围均匀排列，介质球采用分层结构，所述介质球每层结构的材料包括但不仅限于由聚苯乙烯和钛酸铜钡等高介电常数材料混合而成；通过优化介质球每层结构的介电常数与厚度，来调整介质球对馈源阵列波束的汇聚效果，本发明能够实现喇叭馈源在1.7GHz‑2.7GHz两个交叉极化端口驻波比均小于1.5，馈源端口之间的隔离度大于30dB。并且，加上介质透镜后，通过透镜的波束宽度与馈源的波束宽度相比明显变窄，因此，本发明有更高增益、更大工作带宽以及更好多波束覆盖能力。

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种应用于S波段的龙伯透镜天线。

背景技术

随着卫星通信技术的快速发展，对地面站天线提出了很多新的更为严格的要求。例如需要宽频带、高增益、多波束以及宽扫描角的特性。此外，随着数字卫星直播业务的发展，使得一线多星的需求迫在眉睫。在传统卫星通信中多采用抛物面天线来制作地面站高增益天线，但随着卫星通信技术的升级，尤其是在移动卫星通信系统的“动中通”技术方面，抛物面天线的缺点逐渐暴露出来，例如抛物面天线的焦点位置是惟一的，馈源位置的稍微变动就会使得天线性能发生很大的变化。这就决定了每个抛物面天线只能与一颗卫星进行收发通信。在需要多颗卫星通信的情况下，其就需要多个抛物面天线，占据空间很大，成本也会相应提高。

龙伯透镜的应用之一为卫星通信，由于良好的辐射特性，克服了抛物面天线的许多缺点，单个龙伯透镜天线可以对多颗卫星进行通信，用于卫星新闻转播车、移动式卫星地面站等，目前在国外许多国家得到应用。龙伯透镜的应用之二为无源反射器，用于电子干扰系统中，在介质球体表面加上特定面积的金属面组成龙伯透镜反射器，根据实际需求可设计单向和全向反射器。这种反射器具有较大散射截面和较宽散射宽度，散射截面比同尺寸角反射器理论上大30倍，主要用于安全导航的目标识别、海上信标、回波信号增强器、靶标和电子干扰的假目标等。龙伯透镜还可应用于其他方面，例如像汽车防撞系统中，其波束扫描速度快，无需移动笨重的天线体，增加了扫描效率和速度，并且相对于相控阵天线而言，它的造价也更低。并且在近几年，变形的柱形龙伯透镜越来越受到学者关注，这种龙伯透镜天线具有增益高，损耗小和毫米波频段体积小等优点，较为适合用于汽车防撞雷达系统中。

龙伯透镜虽然理论上可以代替抛物面天线和相控阵天线，但实际工程应用不是特别广泛，主要原因是制造高性能龙伯透镜难度大，介质材料加工精度要求高。在实际应用中小尺寸透镜应用意义不大,由于尺寸过小，无法使用多个馈源，使用大尺寸龙伯透镜的困难在于体积相对大，从而导致球体重量过大和不易固定，特别是在空间有限的飞机，舰船中，这些问题大大限制了常规球形龙伯透镜的应用。近几年，利用光学变换原理设计新的器件，可以改变天线的外形，满足不同场合需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有更高增益、更大工作带宽、更好多波束覆盖能力并能够应用于S波段的龙伯透镜天线。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种应用于S波段的龙伯透镜天线，包括介质球和用于实现波束控制与扫描能力的馈源阵列，所述的馈源阵列沿介质球的外围均匀排列，介质球采用分层结构，所述介质球每层结构的材料包括但不仅限于由聚苯乙烯和钛酸铜钡等高介电常数材料混合而成；通过优化介质球每层结构的介电常数与厚度，来调整介质球对馈源阵列波束的汇聚效果；

所述馈源阵列由N组沿介质球的外围均匀分布的喇叭馈源组成，每一组喇叭馈源均包括方形波导、方形喇叭以及安装在方形波导上并相互垂直的两个同轴馈电端口，方形波导和方形喇叭的内腔相连通，方形波导与方形喇叭两者的内部共同设置有四个脊结构，两个同轴馈电端口的内芯分别延伸至方形波导内并与对应的脊结构相连接，通过控制馈源阵列与介质球的间距，可以改善系统增益；通过控制喇叭馈源间的角度，可以调节系统波束的覆盖范围。

进一步的，所述的四个脊结构分别设置在方形波导和方形喇叭的四个内侧壁上，每两个脊结构分布在一个平面内，且两个平面间相互垂直。

进一步的，两个同轴馈电端口分别安装在方形波导的两个侧面，两者在空间上垂直设置，且两个同轴馈电端口距离方形波导面的长度不同，以实现交叉极化和提高端口隔离度。

进一步的，所述喇叭馈源为同轴馈电，其特征阻抗为50欧姆。

进一步的，所述介质球为圆球形或半球形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够实现喇叭馈源在1.7GHz-2.7GHz两个交叉极化端口驻波比均小于1.5，馈源端口之间的隔离度大于30dB。并且，加上介质透镜后，通过透镜的波束宽度与馈源的波束宽度相比明显变窄，因此，本发明有更高增益、更大工作带宽以及更好多波束覆盖能力，从而能够满足不同场合需求。

附图说明

图1为本发明一种应用于S波段的龙伯透镜天线的结构示意图；

图2为本发明中单个喇叭馈源的结构视角图；

图3为介质球的分层结构示意图；

图4为本发明采用单个喇叭馈源时驻波系数随频率变化图；

图5为本发明采用单个喇叭馈源时双端口隔离度随频率变化图；

图6为本发明采用四个喇叭馈源但无介质球时的波束覆盖范围图；

图7为本发明采用单个喇叭馈源但无介质球时在1.7GHz-2.7GHz频段内的增益变化曲线；

图8为本发明采用单个喇叭馈源但无介质球时在1.7GHz-2.7GHz频段内波束宽度变化曲线；

图9为本发明采用四个喇叭馈源、有介质球时的波束覆盖范围图；

图10为本发明采用四个喇叭馈源、有介质球时在1.7GHz-2.7GHz频段内的增益变化曲线；

图11为本发明采用四个喇叭馈源、有介质球时在1.7GHz-2.7GHz频段内的波束宽度变化曲线；

图中标记：1、喇叭馈源，2、介质球，3、脊结构，4、同轴馈电端口，5、方形波导，6、方形喇叭。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种应用于S波段的龙伯透镜天线，如图1所示，主要包括馈源阵列和介质球2两部分，馈源阵列沿介质球外围均匀分布，产生N组辐射方向不同的宽波束，在经过介质球聚焦后，波束变窄，增益也会得到提高，然后按照原定方向辐射出去，实现远距离、大范围的能量覆盖。

图2为本发明中组成馈源阵列的单个喇叭馈源1的结构示意图，其中，每个喇叭馈源1均由相互垂直的两个同轴馈电端口4、一个方形波导5与一个方形喇叭6组成，其中方形波导5与方形喇叭6内部共同设置有四个脊结构3，两个同轴馈电端口4的内芯分别延伸至方形波导内并与对应的脊结构3相连接。进一步的，所述的四个脊结构3分别设置在方形波导5和方形喇叭6的四个内侧壁上，每两个脊结构3分布在一个平面内，且两个平面间相互垂直。此结构在实现双极化的同时，可进一步提高两个端口的隔离度，扩展阻抗带宽。

图3为介质球2的分层结构示意图，一般介质球的层数在3-10之间，第一层材料的介电常数为DK

图4和图5分别为本发明采用单个喇叭馈源时驻波系数及端口隔离度随频率变化图，如图4所示，在频段1.7GHz-2.7GHz内，其驻波比是低于1.5的，这表明在宽频段内的馈源阻抗匹配性较好。在此结构中，影响阻抗匹配的参数较多，例如可通过优化四个脊的结构参数以及馈电端口距离方波导的边缘距离等，得到理想的驻波特性。同时，如图5所示，可以看出两个双极化端口隔离度小于-30dB，串扰较小。

图6为本发明采用四个喇叭馈源但无介质球时的波束覆盖范围图，如图6所示，其方向图副瓣约为18dB，波束很宽。

图7为本发明采用单个喇叭馈源但无介质球时在1.7GHz-2.7GHz频段内的增益变化曲线；如图7所示，随着频率增加，喇叭馈源的增益基本呈上升趋势，最小增益为8.25dB，最大增益为11dB。

图8为本发明采用单个喇叭馈源但无介质球时在1.7GHz-2.7GHz频段内波束宽度变化曲线；如图8所示，在整个频段内，波束宽度波动较大，并且呈现不断下降的趋势。在1.9GHz时，波束最宽，可达到69.9°，在2.7GHz时，波束最窄，为54.7°。

图9为本发明采用四个喇叭馈源、有介质球时的波束覆盖范围图；由图9可知，其方向图副瓣较低，波束较窄，波束覆盖范围可达到-60°~ +60°。

图10为本发明采用四个喇叭馈源、有介质球时在1.7GHz-2.7GHz频段内的增益变化曲线；由图10可知，在整个频段内，其增益有一定的波动，但整体趋势仍然是不断增加的，并且整个频段内增益都大于16dB，最小为17.5dB，最大可达到20.2dB。相比较于单个馈源来说，其增益得到了很大的提升，大约提升9dB左右。

图11为本发明采用四个喇叭馈源、有介质球时在1.7GHz-2.7GHz频段内的波束宽度变化曲线；如图11所示，在1.7GHz时，波束最宽，可达到22.6°；在2.7GHz时，波束最窄，为14.9°。这也比单个馈源的波束宽度要窄很多，说明介质球的对波束的汇聚效果较好。

综上，本发明能够实现喇叭馈源在1.7GHz-2.7GHz两个交叉极化端口驻波比均小于1.5，馈源端口之间的隔离度大于30dB，并且，加上介质球后，通过介质球的波束宽度与馈源的波束宽度相比明显变窄，因此，本发明有更高增益、更大工作带宽以及更好多波束覆盖能力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。