一种多频段环加载槽大张角波纹喇叭及卫星通信系统的制作方法

本发明属于卫星通信技术领域，尤其涉及一种多频段环加载槽大张角波纹喇叭及卫星通信系统。

背景技术：

随着卫星通信系统的发展，以及卫星通信业务的增加，对反射面天线提出了更高的要求。而馈源作为反射面天线的重要组成部分，其性能几乎决定了反射面天线系统的性能，因此多频共用馈源喇叭的设计成为了关键。目前，国内外专家学者均对多频共用馈源喇叭展开了大量的研究。能够实现多频共用的馈源形式大致有两种：微带天线和喇叭天线。微带天线具有剖面低、易于集成等优点，但是由于其功率容量低等缺点，并不适合应用于抛物面天线系统中作馈源。而馈源喇叭则是常用的馈源形式。60年代以来，随着卫星通信技术的发展，出现了很多高性能多频段馈源喇叭，如：多模喇叭、同轴嵌套介质杆加载喇叭、波纹喇叭等。馈源喇叭在一定频带内，具有良好的电性能，但其往往工作频带不够宽，且馈源的高低频段的波瓣宽度不一致，由此导致的结果便是多频段反射面天线系统的效率较低。不仅如此，对于许多高性能多频段馈源喇叭，大多结构复杂，加工困难，因此造价比较昂贵。传统波纹喇叭可在频带比小于1.2：1的带宽内，达到良好的电性能，与反射面天线配合也可达到非常好的性能指标。抑或对于不同频段波束宽度不变性要求不高的场合，均可采用传统的波纹喇叭。对于多频段反射面天线系统而言，除了要求馈源在不同频段均具有良好的性能外，由于多频段馈源要与同一反射面共同工作，因此，为了使反射面天线系统达到较高的效率，对馈源的波束宽度不变性也提出了一定的要求。传统波纹喇叭作为多频段馈源，与反射面共同工作时，往往频带较窄，且反射面天线系统效率较低。现有技术中“宽带宽波束波纹喇叭馈源装置”，申请号为：201410752121.1，该专利可在一个倍频程内实现宽波束高效率照射，但其频段跨度仍然较窄，难以满足多频段工作的要求。究其原因，对于多频段馈源喇叭的设计，不同频段波束宽度的控制是一大关键。对普通多频段馈源喇叭而言，往往频段越高，波束宽度越窄，从而导致不同频段波束宽度相差较大。当与卫星通信地球站反射面共同工作时，导致反射面天线系统效率较低。技术名称“三频馈源波纹喇叭”，申请号：201621477186.0，该专利可工作于x/ku/ka三个频段，实现了较宽的带宽，但其波纹槽宽度不等，且环的加载宽度及深度也均不相等，从而导致其加工困难，制作周期长，造价昂贵。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的馈源喇叭存在工作频带较窄，且馈源的高低频段的波瓣宽度不一致，导致多频段反射面天线系统效率较低；而且多频段馈源喇叭，结构复杂，加工困难，造价比较昂贵。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多频段环加载槽大张角波纹喇叭及卫星通信系统。

本发明是这样实现的，一种多频段环加载槽大张角波纹喇叭，所述多频段环加载槽大张角波纹喇叭设置有：

主波导；

所述主波导的末端和环加载波纹槽辐射器相接；

所述环加载波纹槽辐射器的辐射器始端与主波导的末端直接连接；所述环加载波纹槽辐射器由四段环加载槽波纹组成。

进一步，所述主波导内截面直径为17.4mm。

进一步，所述四段环加载槽波纹的加载深度和宽度均相同，环加载槽的加载深度和宽度也均相同，并且波纹槽均垂直于辐射器边壁。

进一步，所述四段环加载槽波纹的加载深度和宽度均相同，环加载槽的加载深度和宽度也均相同，经理论计算及仿真分析，波纹的加载深度约为低频段频率对应波长的1/4，环加载槽的加载深度约为低频段对应波长的1/6，并且波纹槽均垂直于辐射器边壁。

进一步，所述多频段环加载槽大张角波纹喇叭的喇叭半张角为36.9°。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述多频段环加载槽大张角波纹喇叭的反射面天线。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述多频段环加载槽大张角波纹喇叭的卫星通信系统。

本发明的优点及积极效果为：频带带宽跨度达到2.5：1；与反射面联合仿真，反射面天线系统可达较高效率；从传统波纹喇叭出发，为了展宽工作带宽，提高频带跨度，在传统波纹喇叭的基础上，引入环加载槽的型式，展宽了带宽，提高频带跨度。为了解决不同频段波束宽度不一致的问题，本发明引入了大张角的喇叭形式，与环加载槽波纹喇叭互相配合，可以通过调整喇叭半张角的角度，对波束宽度进行粗调，进而通过对波纹槽及环加载槽的尺寸进行微调，可以使高低频的波束宽度达到良好的一致性，并且喇叭的反射系数及交叉极化也可以达到良好的性能，作为反射面天线的馈源时，能够有足够高的效率及良好的性能。为了解决多频段馈源喇叭加工困难，造价昂贵的问题，本发明创造性的对环加载槽型式波纹喇叭的波纹槽深，波纹宽度进行了等尺寸处理，对环加载槽的加载深度、加载宽度也进行了同样的等尺寸处理。为了大张角波纹喇叭的加工便利，对于波纹槽以及环加载槽没有采用传统波纹喇叭中横向槽和轴向槽的形式，而是将波纹槽以及环加载槽设计成与辐射器边壁垂直的方向，来降低加工制作的难度。对于馈源喇叭喉部，本发明一改传统的喉部平滑过渡设计，采用主波导与辐射器段直接连接的结构，通过从光壁波导到辐射器段的大张角“突变结构”，激励起高次模，使馈源的高频段具有平顶的方向图特性，提高了照射效率。现有技术“宽带宽波束波纹喇叭馈源装置”频段越高，波束宽度越窄，从而导致不同频段波束宽度相差较大。当与卫星通信地球站反射面共同工作时，导致反射面天线系统效率较低；而本发明，通过采用环加载槽大张角波纹喇叭的形式，可在2.5：1的频带跨度内，使波束宽度具有较高的一致性。“三频馈源波纹喇叭”波纹槽宽度不等，且环的加载宽度及深度也均不相等，从而导致其加工困难，制作周期长，造价昂贵；本发明，通过采用环加载槽波纹的加载深度和宽度均相同，环加载槽的加载深度和宽度也均相同的形式，简化了模型，便于加工制作。

本发明与0.5m口径反射面天线系统联合仿真，根据仿真结果，得出反射面天线系统的增益，根据发射面天线系统的增益以及口径面积等参数，可以计算出整个反射面天线系统的效率，仿真结果显示，本发明与反射面天线系统共同工作时，可以达到较高的效率，满足了多频段工作的要求；解决了多频段馈源系统频带窄，与反射面系统联合使用效率较低，加工困难的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多频段环加载槽大张角波纹喇叭结构示意图；

图2是本发明实施例提供的主波导结构示意图；

图3是本发明实施例提供的环加载波纹槽辐射器结构示意图；

图4是本发明实施例提供的给出了多频段环加载槽大张角波纹喇叭的电压驻波比仿真结果示意图；

图中：(a)fa频段电压驻波比；(b)fb频段电压驻波比；(c)fc频段电压驻波比；(d)fd频段电压驻波比；

图5是本发明实施例提供的多频段环加载槽大张角波纹喇叭的天线归一化方向图及交叉极化仿真结果示意图；

图中：(a)fa频点归一化方向图及交叉极化仿真结果；(b)fb频点归一化方向图及交叉极化仿真结果；(c)fc频点归一化方向图及交叉极化仿真结果；(d)fd频点归一化方向图及交叉极化仿真结果；

图6是本发明实施例提供的0.5m口径偏置反射面天线系统示意图；

图中：1、主波导；2、环加载波纹槽辐射器；3、内截面；4、始端；5、传输段；6、末端；7、辐射器始端；8、环加载槽波纹；9、环加载槽；10、辐射器喇叭半张角。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的多频共用馈源，有利于扩大通信容量，降低成本，实现一站多用，因此多频段馈源具有重大意义。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的多频段环加载槽大张角波纹喇叭包括：主波导1、环加载波纹槽辐射器2。

主波导1的末端和环加载波纹槽辐射器2相接。

如图2所示，主波导1采用by120标准圆波导尺寸，即内截面3直径为17.4mm。圆波导相当于高通滤波器，对于主波导部分，满足低频段的主模te11传输，主波导部分由始端4、传输段5、末端6组成。

如图3所示，环加载波纹槽辐射器2的辐射器始端7与主波导1的末端6直接连接，通过突变结构，激励起高次模，使得馈源高频段具有平顶的方向图特性。环加载波纹槽辐射器2由四段环加载槽波纹8组成，四段环加载槽波纹8的加载深度和宽度均相同，以及环加载槽9的加载深度和宽度也均相同，并且波纹槽均垂直于辐射器边壁。

辐射器喇叭半张角10为36.9°，属于大张角馈源喇叭，波纹槽的方向垂直于辐射器边壁方向。

对于波纹槽以及环加载槽，考虑到加工的经济性，四段波纹槽的加载深度、宽度均保持一致，且环加载槽的加载深度和宽度也保持相同。等波纹槽深，等宽度，且等环加载槽深度，等环加载槽宽度。

本发明工作频带跨度可达2.5：1，实现了多频段工作的指标要求。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

使用仿真软件hfss仿真，得出图4和图5仿真结果。图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)给出了多频段环加载槽大张角波纹喇叭的电压驻波比仿真结果，天线工作的四个频段中心点分别用fa、fb、fc、fd表示，仿真结果显示，在频段跨度为2.5：1的多频段内，天线电压驻波比优于1.13。图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)给出了多频段环加载槽大张角波纹喇叭的天线归一化方向图及交叉极化仿真结果，仿真结果表明，天线在不同频段的波束宽度大致相同，可以满足多频共用的要求。

本发明与0.5m口径偏置反射面使用feko仿真软件联合仿真，如图6所示，经过计算，反射面天线系统，在fa、fb、fc、fd频点的整体效率分别为：72.16％、69.8％、72.63％、72.46％。仿真结果显示，本发明与反射面天线的联合仿真结果，达到了较高的效率，可以满足反射面天线系统多频共用的要求。

本发明通过采用环加载槽大张角波纹喇叭的形式，实现了在多频带(频带跨度2.5：1)内达到良好的性能指标，且不同频段波束宽度相差不大，在与反射面天线联合仿真后，达到了较高的效率。对于波纹槽及环加载槽，均采用了等槽深、等加载宽度的形式，且波纹槽及环加载槽均与辐射器边壁垂直。对于馈源喇叭的喉部，一改传统平滑过渡设计，采用了主波导与辐射器段直接连接的方式。可以有效的缩短设计周期及加工成本，达到良好性能。因此，本发明能够满足多频段工作的要求。

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。