一种适用于Ku波段的卫星通信天线的制作方法

本发明涉及一种卫星通信地面站天线，特别是关于一种适用于ku波段的卫星通信天线。

背景技术：

抛物面型反射天线是一种常见的天线形式，为了最大程度提高反射面天线的效率，避免馈源支撑结构对辐射口径的遮挡，用于地面卫星通信的反射面天线一般采用偏置反射面的形式，其中有单偏置抛物面天线、双偏置gregorian型反射面天线、双偏置cassegrain型反射面天线。

单偏置抛物面天线结构简单，但是馈源安置在前部，给馈电带来不便，也增大了信号的损耗；另一个重要的方面是，单偏置抛物面天线的极化特性较差，交叉极化电平高，因而不宜采用。双偏置型的反射面采用后馈方式，而且倾斜的副反射面可以最大程度的降低交叉极化电平。双偏置cassegrain型反射面天线要求馈源具有较窄的波束宽度，势必造成馈源口径过大，不利于选择实用的天线结构参数；双偏置gregorian型反射面天线没有这个问题，馈源波束可以较宽，易于实现工程化的天线结构。

小型化卫星通信地面站天线已成为市场所需，因此需要合理设计天线主反射面、副反射面、馈源的位置和尺寸，才能使副瓣电平在最大范围角域内低于包络曲线，以提高增益。

技术实现要素：

本发明着力于解决现有技术之不足，提供一种适用于ku波段的卫星通信天线，该天线外型小，采用双偏置的gregorian型反射面构型，采用圆锥波纹喇叭馈源构型，双频双线极化收发共用，可以最大程度降低交叉极化，提高天线效率，而且配以双工器，实现较低的电压驻波比，较高的收发隔离度。

本发明解决以上技术问题所采取的技术方案如下：一种适用于ku波段的卫星通信天线，包括主反射面、副反射面、馈源，其特征在于：所述馈源位于主反射面与副反射面之间，所述主反射面为抛物面，所述副反射面为椭球截面；

所述主反射面投影直径：1.2m，焦距：0.8m，主反射面下边缘高度：0.07m，主反射面下边缘对焦点的倾角：5.01°，

所述副反射面半张角：20°，焦距：0.3m，沿主反射面轴线方向投影直径：0.34m，副反射面轴线与主反射面轴线的夹角：12.76°，

所述馈源口面最大外半径：92.88mm，最大内半径：52.6mm，

所述馈源轴线与副反射面轴线的夹角：28.02°，馈源口径中心到副反射面的最短距离：0.404m。

进一步地：所述馈源为圆锥波纹喇叭型，喇叭内孔壁具有环形波纹，波纹凸起高度6±0.05mm，波纹间距6±0.05mm，喇叭口部内径径102.6±0.05mm，外径118.6±0.05mm。

进一步地：所述天线还包括一双工器，所述双工器技术指标如下：

工作频率：发射：13.75～14.50ghz，接收：10.95～12.75ghz；

电压驻波比：发射：≤1.1:1，接收：≤1.25:1；

收发隔离度：≥85db；

插入损耗：发射：≤0.1db，接收：≤0.2db；

射频接口：wr75。

与已有技术相比，本发明显著的有益效果体现在：

1)它的主反射面投影直径仅有1.2m，外形小，适用于家庭小型化使用。

2)它可以满足工作频率与带宽：发射：13.75～14.50ghz，接收：10.95～12.75ghz。

3)副瓣包络符合地面卫星通信天线通用规范，即：天线方向图副瓣电平应在90％的角域内低于上面规定的包络曲线，允许其余10％角域的副瓣电平超过包络曲线，但不多于3db。

4)电压驻波比：1.25：1。

5)交叉极化：11.95ghz≤-38.00db，14.25ghz＜-39.00db。

6)11.95ghz频率下增益：42.4833，效率：73.59％，波束宽度：1.5257。

7)14.25ghz效率下增益：44.0161，效率：78.62％，波束宽度：1.2170。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为天线布局图；

图2为天线各尺寸设计示意图；

图3为天线辐射方向图；

图4为馈源剖面图；

图5为11.95ghz馈源方向图；

图6为14.25ghz馈源方向图；

图7为11.95ghz，±30°主极化方向图；

图8为11.95ghz，±180°主极化方向图；

图9为11.95ghz，±30°交叉极化方向图；

图10为11.95ghz，±180°交叉极化方向图；

图11为14.25ghz，±30°主极化方向图；

图12为14.25ghz，±180°主极化方向图；

图13为14.25ghz，±30°交叉极化方向图；

图14为14.25ghz，±180°交叉极化方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的天线，包括主反射面1、副反射面2、馈源3。本发明中选择双偏置gregorian反射面天线设计方案，主反射面1为抛物面，副反射面2为椭球截面，馈源3位于主反射面1与副反射面2之间。

在本方案中，遵循以下设计原则：

1)馈源到副反射面距离满足馈源口径的远场条件；

2)副反射面和馈源的偏置角度符合mizuguchi条件，以获得最低的交叉极化电平；

3)副瓣包络符合地面卫星通信天线通用规范；

4)工作频率与带宽：发射：13.75～14.50ghz，接收：10.95～12.75ghz；

5)极化：发射：垂直线极化，接收：水平线极化；

6)主反射面下边缘对焦点的倾角为5°；

7)为使天线结构紧凑，焦径比约为0.66；

8)副反射面边缘照射电平低于-15db；

9)为了降低副反射面边缘的绕射效应，对副反射面进行适量的扩展，使其沿副反射面轴线方向的投影直径比馈源±20°波束照射范围的直径增大10％；

10)馈源对副反射面的照射张角取为±20°；

11)馈源口径不会对主面造成遮挡。

根据以上设计原则，经过分析对天线结构参数进行了优化选取，双偏置gregorian型反射面天线的具体结构参数如下，如图2所示：

主反射面投影直径：1.2m

焦距：0.8m

主面下边缘高度：0.07m

副面半张角：20°

副面焦距：0.3m

副面投影直径(沿主面轴线方向)：0.34m

副面轴线与主面轴线的夹角：12.76°

馈源轴线与副面轴线的夹角：28.02°

馈源口径中心到副面的最短距离：0.404m

主面下边缘对焦点的倾角：5.01°

馈源口面允许最大外尺寸半径：92.88mm

馈源口面允许最大内尺寸半径：52.6mm

采用反射面分析软件grasp8对该天线进行了分析，辐射方向图见图3所示。

同时验证了焦距变化对天线辐射性能的影响，如表1：

表1主反射面焦距变化时天线增益的变化

在主反射面焦距变化时，同时保证馈源到副反射面的距离满足远场条件、副反射面尺寸基本不变，经比较，当焦距取为0.8m时天线的增益、交叉极化等性能达到最优。在焦距取为0.7米时，虽然天线增益还可以进一步提高，但此时为了保证馈源到副反射面的距离满足远场条件，副反射面尺寸必须增大，另外交叉极化还会升高，因此不宜选用。

在馈源方面，本发明采用圆锥波纹喇叭型设计，内孔壁具有环形波纹，结构如图4所示，喇叭孔内波纹凸起高度6±0.05mm，波纹间距6±0.05mm，喇叭壁厚2±0.05mm，喇叭口部内径102.6±0.05mm，外径118.6±0.05mm。根据反射面天线设计经验，在最低频点馈源口径到反射面距离的远场条件应有：

r为馈源口径到主反射面的距离，d为馈源口部内径，λ为波长。

采用电磁场仿真软件ansofthfss对圆锥波纹喇叭进行了参数优化和仿真，经过hfss仿真计算，喇叭的辐射性能如下：

11.95ghz时，20°的锥削为-13db；

14.25ghz时，20°的锥削为-13.7db；

带内驻波：小于1.2。

之后又采用反射面天线分析软件grasp8对整个天线进行了电性能的优化和分析：

在接收频点11.95ghz和发射频点14.25ghz，计算出的方向图结果如图5、6，得到的方向图中已经计入了反射面边缘在远角区域造成绕射效应。

在接收频点(11.95ghz)，±30°和±1800°主极化方向图如图7、8所示，计算结果表明，方向图副瓣包络基本满足2.4的规范，只有俯仰面在主面背面的少量角域出现超出包络3db的副瓣电平，据分析这是由于主面边缘的绕射场造成的。

在接收频点(11.95ghz)，±30°和±1800°交叉极化方向图如图9、10所示，根据grasp8的计算结果，在整个角域内，交叉极化电平低于-37.3928db。

在发射频点(14.25ghz)，±30°和±1800°主极化方向图如图11、12所示，计算结果表明，方向图副瓣包络基本满足2.4的规范，只有俯仰面在主面背面的少量角域出现超出包络3db的副瓣电平，据分析这是由于主面边缘的绕射场造成的。

在发射频点(14.25ghz)，±30°和±1800°交叉极化方向图如图13、14所示，根据grasp8的计算结果，在整个角域内，交叉极化电平低于-38.2614db。

结论：本方案所采用的频段、极化均符合技术要求。通过hfss、grasp等软件的仿真验证，本方案设计所能达到的指标见表2：

天线方向图副瓣包络基本满足2.4的规范，只有俯仰面方向图在主面背面的角域出现超出包络3db的副瓣电平，据分析这是由于偏置型反射面天线在俯仰面内结构不对称，主面边缘的绕射场到达远区而形成的，并且这也是偏置型反射面天线的特点之一。但由于这些副瓣的峰值要比主瓣电平低约-40db，而且位置位于主面背面，不会对天线的工作造成影响。

进一步地，本发明天线还配套使用双工器，双工器是一种适用于ku波段双向卫星通信系统中改善收发隔离度及收发端口驻波比的宽带双工器，双工器作为反射面天线的配套部件用于双向卫星通信系统中，实现地面站系统对卫星信号的收发隔离。选择的双工器技术指标见表3。本天线的试制成功，填补了技术空白，适用于小型家用，将逐步提高市场使用率，为企业创造良好的效益。

表3