一种E波段双频段短焦抛物面天线及无线通信系统的制作方法

一种e波段双频段短焦抛物面天线及无线通信系统
技术领域
1.本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种e波段双频段短焦抛物面天线及无线通信系统。


背景技术：

2.随着无线通讯的发展，天线系统的要求日益提高，如今在5g通信下，对数据回传的容量和距离要求越来越高。微波天线是基站回传系统的核心部件，传统常规频段的微波天线能提供稳定的链接和较远距离的传输，但由于带宽相对较窄，不能满足5g高速率传输的要求；而e波段（71ghz-86ghz）微波天线拥有10ghz的收发间隔，可以轻松满足5g空口传输gbps级别的要求，但传输距离有限。
3.因此，有必要提供一种双频微波天线，能够把频率较低的天线和e波段天线集成在一副天线上，既能并降低建网成本，又能同时满足远距离可靠传输和5g高速率的需求。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种e波段双频段短焦抛物面天线及无线通信系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
5.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：第一方面，本发明实施例提供了一种e波段双频段短焦抛物面天线，包括：天线本体和馈电辐射组件，所述馈电辐射组件包括馈源和馈电网络结构；所述馈源包括：副反射面、用于安装副反射面的副反射面支架、以及设置在副反射面支架内部的共轴圆波导管；所述副反射面支架设置在馈电网络结构的顶端；共轴圆波导管包括：低频段波导管、e波段频段波导管、扼流喇叭、塑料部件、塑料薄膜、以及第一阻抗匹配部件；所述低频段波导管套设在e波段频段波导管的外侧，且与e波段频段波导管共轴同圆心；所述扼流喇叭套设在低频段波导管的顶端，塑料部件将塑料薄膜的边缘压合在扼流喇叭的顶端，以使所述塑料薄膜对所述低频段波导管的顶部进行密封；所述第一阻抗匹配部件沿其轴线设有中心通孔，所述中心通孔贴合e波段频段波导管的外壁，第一阻抗匹配部件的外壁具有呈阶梯形状分布的多个环形部件，其中至少有一个环形部件与低频段波导管的内壁贴合；所述馈电网络结构与所述共轴圆波导管连接，用于将低频段导模中相互正交的主模分离、以及传输e波段相互正交的主模。
6.作为上述技术方案的进一步改进，所述馈电网络结构包括第一极化分离器、第二极化分离器、第一支路和第二支路；所述第二极化分离器为正交模耦合器，其包括公共端和4个支路端，所述4个支路端呈十字结构；
所述第一支路包括：e面90
°
阶梯型弯波导、e面90
°
弯波导、第一一分二路t型波导、以及90
°
扭波导结构；所述第二极化分离器中两个对称的支路端分别连接两个所述e面90
°
阶梯型弯波导的一端，两个所述e面90
°
阶梯型弯波导的另一端分别通过所述e面90
°
弯波导与所述第一一分二路t型波导的两支路端一一对应连接，所述第一一分二路t型波导的合路端连接90
°
扭波导结构的一端；所述第二支路包括：h面90
°
弯波导、h面90
°
阶梯型弯波导、以及第二一分二路t型波导；所述第二极化分离器中另外两个对称的支路端分别连接两个所述h面90
°
弯波导的一端，两个所述h面90
°
弯波导的另一端分别通过所述h面90
°
阶梯型弯波导与所述第二一分二路t型波导的两支路端一一对应连接；所述90
°
扭波导结构的另一端与所述第二一分二路t型波导的合路端共同连接第一极化分离器。
7.作为上述技术方案的进一步改进，所述扼流喇叭包括张口喇叭，所述张口喇叭的内壁沿其轴线方向设有多个第一凹槽，多个所述第一凹槽呈阶梯状连接，多个所述第一凹槽的内径沿喇叭口方向依次变大。
8.作为上述技术方案的进一步改进，所述扼流喇叭还包括第二阻抗匹配部件，所述第二阻抗匹配部件沿其轴线设有圆形通孔，所述圆形通孔的内壁、所述张口喇叭的内壁和所述塑料部件的内壁在连接处齐平，所述第二阻抗匹配部件的上下两端的外壁分别与所述塑料部件和所述张口喇叭贴合设置；所述第二阻抗匹配部件的外壁沿其轴线方向设有第二凹槽，所述第二凹槽的内径大于所述第一凹槽。
9.作为上述技术方案的进一步改进，所述馈源还包括匹配板，所述匹配板设置于副反射面的外边缘，以通过对副反射面的环焦曲线和匹配板进行结构匹配，使得馈源的初级方向图满足设定焦径比下辐射展角的能量分布。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述副反射面的纵向剖面呈喇叭尖锥形状，所述匹配板包括在副反射面开口处的外壁沿喇叭口方向设置的阶梯结构。
11.作为上述技术方案的进一步改进，所述e波段双频段短焦抛物面天线还包括支架固定座，所述支架固定座连接副反射面支架和馈电网络结构。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述天线本体包括：天线中心盘、短焦反射面、吸波材料、以及天线罩；所述馈电辐射组件的底端与天线中心盘的底端连接，所述短焦反射面设置于天线中心盘的顶端，且位于所述副反射面的上方，所述吸波材料设置于所述短焦反射面的围边内侧，所述天线罩设置于短焦反射面的开口顶端，且对短焦反射面的开口进行密封。
13.作为上述技术方案的进一步改进，所述天线本体还包括卡边，所述卡边具有第三凹槽，所述第三凹槽的槽底一端延伸设置在短焦反射面上，天线罩的边缘嵌套于所述第三凹槽的槽口。
14.第二方面，本发明实施例还提供了一种无线通信系统，包括第一方面任一所述的e波段双频段短焦抛物面天线。
15.本发明的有益效果是：本发明公开一种e波段双频段短焦抛物面天线及无线通信
系统，能够把频率较低的天线和e波段天线集成在一副天线上，既能并降低建网成本，又能同时满足远距离可靠传输和5g高速率的需求。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例中e波段双频段短焦抛物面天线的局部立体结构示意图；图2是本发明实施例中e波段双频段短焦抛物面天线的整体结构正视图；图3是本发明实施例中e波段双频段短焦抛物面天线的局部结构正视图；图4是本发明实施例中一种馈源的结构正视图；图5是本发明实施例中另一种馈源的结构正视图；图6是本发明实施例中又一种馈源的结构正视图；图7是图6所示a处的放大结构示意图；图8是本发明实施例中馈电网络结构的第一视角示意图图；图9是本发明实施例中馈电网络结构的第二视角示意图图。
18.附图标记：100、馈源；110、副反射面；111、阶梯结构；120、副反射面支架；130、共轴圆波导管；131、低频段波导管；132、e波段频段波导管；133、扼流喇叭；1331、张口喇叭；101、第一凹槽；1332、第二阻抗匹配部件；102、第二凹槽；134、塑料部件；135、塑料薄膜；136、第一阻抗匹配部件；200、馈电网络结构；210、第一极化分离器；220、第二极化分离器；221、h面90
°
阶梯型弯波导；222、90
°
扭波导结构；223、e面90
°
阶梯型弯波导；224、e面90
°
弯波导；225、h面90
°
弯波导；226、第一一分二路t型波导；227、第二一分二路t型波导；300、支架固定座；410、天线中心盘；420、短焦反射面；430、吸波材料；440、天线罩；450、卡边。
具体实施方式
19.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
22.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
23.发明人为发现，相关技术中的双频天线产品由于存在馈源辐射赋形的瓶颈，基本上是基于长焦距（焦径比＞0.25）研发和生产的，产品纵向尺寸大，成本较高；而且，结构上需要装配高围边使用，在工艺组装上，由于加工误差往往容易造成反射面被围边拉变形从而破坏反射面精度，造成产品性能不良；同时，由于性能要求需要在围边附上吸波材料，由于高围边的结构特性，导致吸波材料用量较多，需要花费更多的成本。
24.如专利号为cn214313516u的专利文献中公开的一种e-band双频段抛物面天线，该方案无法解决高围边结构带来的产品尺寸大、高成本、性能隐患等问题。专利号为cn210866445u的专利文献中公开的一种双频双极化分路器，该方案在纵向的波导拐弯使用了h面90
°
弯波导和e面90
°
弯波导，不利于也不便于加工；而且，有一路波导横向长度受限制，需要经过4次拐弯才可和另一路波导通过正交模耦合器合路，结构较麻烦且对性能有一定影响。
25.为此，发明人针对背景技术中的技术问题，提供以下技术方案：如图1至图4所示，本发明实施例提供一种e波段双频段短焦抛物面天线，所述e波段双频段短焦抛物面天线包括：天线本体400和馈电辐射组件，馈电辐射组件包括馈源100和馈电网络结构200；所述馈源100包括：副反射面110、用于安装副反射面110的副反射面支架120、以及设置在副反射面支架120内部的共轴圆波导管130；所述副反射面支架120设置在馈电网络结构200的顶端；共轴圆波导管130包括：低频段波导管131、e波段频段波导管132、扼流喇叭133、塑料部件134、塑料薄膜135、以及第一阻抗匹配部件136；所述低频段波导管131套设在e波段频段波导管132的外侧，且与e波段频段波导管132共轴同圆心，低频段波导管131从天线本体400的底部穿出后连接至馈电网络结构200的顶端，e波段频段波导管132从低频段波导管131的底部穿出后延伸并贯穿馈电网络结构200设置，所述扼流喇叭133套设在低频段波导管131的顶端，塑料部件134将塑料薄膜135的边缘压合在扼流喇叭133的顶端，以使所述塑料薄膜135对所述低频段波导管131的顶部进行密封；所述第一阻抗匹配部件136沿其轴线设有中心通孔，所述中心通孔贴合e波段频段波导管132的外壁，第一阻抗匹配部件136的外壁具有呈阶梯形状分布的多个环形部件，其中至少有一个环形部件与低频段波导管131的内壁贴合；所述馈电网络结构200与所述共轴圆波导管130连接，用于将低频段导模中相互正交的主模分离、以及传输e波段相互正交的主模。
26.本发明提供的实施例中，将e波段频段波导管132套设在低频段波导管131内，e波段频段波导管132套设在低频段波导管131共轴同圆心，e波段频段在e波段频段波导管132内传输，低频段在低频段波导管131内传输，e波段频段和低频段辐射的能量通过副反射面110（副镜）进行反射；扼流喇叭133套设在低频段波导管131上，用于改善来自低频段波导管131传输的电磁辐射能量分布，以满足所需的焦径比辐射展角的能量分布，扼流喇叭133可以使低频段实现更好的传输模模比，增加低频段工作带宽以及使天线获得最佳效率；e波段频段波导管132的管口张开呈喇叭形状，目的是改善来自e波段频段波导管132传输的电磁
辐射能量分布，以满足所需的焦径比辐射展角的能量分布，同时，可以匹配e波段频段驻波比，使其满足指标；塑料部件134的材质为pc（聚碳酸酯）或ppo（聚苯醚），塑料薄膜135为常用的工程塑料薄膜135pi（聚酰亚胺），厚度0.02mm-0.05mm，塑料薄膜135被压合在塑料部件134和扼流喇叭133之间，目的是密封共轴圆波导管130，保证气密性能；第一阻抗匹配部件136的中心通孔贴合e波段频段波导管132外壁，且其外壁呈阶梯形状，其中至少有一个阶梯与低频段波导管131内径贴合，这样的目的是可以使103e波段波导管固定并居中于低频段波导管131，第一阻抗匹配部件136主要作用是匹配来自低频段波导管131电磁阻抗，使其驻波比满足指标，第一阻抗匹配部件136材质为pc（聚碳酸酯）或ppo（聚苯醚），通过改变呈阶梯形状分布的多个环形部件的数量、外径、高度，可以改变低频段波导管131内传输的电磁波阻抗，改善低频段驻波比以满足要求；本发明采用一种“大管套小管”的共轴圆波导管130，即大圆波导管内放置小波导管，且大小波导管共轴同圆心，e波段频段在小圆波导管内传输，低频段在大波导管内传输，通过优化大、小圆波导管的内外径，使得e波段频段和低频段的两个相互正交的te11模能在共轴圆波导管130内传输，馈源100口面处加载的扼流喇叭133为同轴扼流槽喇叭，亦为多模喇叭，激励高次模tm11模，通过对同轴扼流槽的结构参数进行优化，合适地配置主模（te11模）和高次模（tm11模）的相对相位，即模比，充分利用tm11模只对e面方向图有贡献、对h面方向图没有贡献这一特性使e面和h面方向图波瓣宽度基本一致，实现两个极化等化波束的目的，从而使天线获得最佳效率，同时，模比合适还可以增加对应频段工作带宽。所述的同轴扼流槽喇叭（多模喇叭）的主要结构为台阶结构、变张角、膜片激励、介质加载等（本实施例不做限定），在一示例性实施例中，使用台阶结构、变张角和介质加载。本实施例可以使e波段与40ghz以下任意频段进行组合。
27.如图8和图9所示，在一个改进的实施例中，所述馈电网络结构200包括第一极化分离器210、第二极化分离器220、第一支路和第二支路；所述第二极化分离器220为正交模耦合器，其包括公共端和4个支路端，所述4个支路端呈十字结构；所述第一支路包括：e面90
°
阶梯型弯波导223、e面90
°
弯波导224、第一一分二路t型波导226、以及90
°
扭波导结构222；所述第二极化分离器220中两个对称的支路端分别连接两个所述e面90
°
阶梯型弯波导223的一端，两个所述e面90
°
阶梯型弯波导223的另一端分别通过所述e面90
°
弯波导224与所述第一一分二路t型波导226的两支路端一一对应连接，所述第一一分二路t型波导226的合路端连接90
°
扭波导结构222的一端；所述第二支路包括：h面90
°
弯波导225、h面90
°
阶梯型弯波导221、以及第二一分二路t型波导227；所述第二极化分离器220中另外两个对称的支路端分别连接两个所述h面90
°
弯波导225的一端，两个所述h面90
°
弯波导225的另一端分别通过所述h面90
°
阶梯型弯波导221与所述第二一分二路t型波导227的两支路端一一对应连接；所述90
°
扭波导结构222的另一端与所述第二一分二路t型波导227的合路端共同连接第一极化分离器210。
28.实现双极化时：e波段频段波导管132加载第一极化分离器210，例如圆转矩极化分
离器（omt），把e波段频段导模中相互正交的主模（te11模）分离，从而实现双极化；低频段波导管131加载第二极化分离器220，例如通过变形的turnstile结宽带结构的极化分离器，把低频段导模中相互正交的主模（te11模）分离，从而实现双极化。
29.在一个改进的实施例中，所述第一极化分离器210采用圆转矩极化分离器。圆转矩正交模耦合器（omt）可实现双极化。所述第二极化分离器220采用基于turnstile结构的正交模耦合器；所述低频段波导管的底端与第二极化分离器的公共端的外壁套接，所述e波段频段波导管的底端与第二极化分离器的公共端的内壁套接。
30.本实施例中的第二极化分离器220基于turnstile结宽带结构的极化分离的芯体结构，在现有的芯体结构上进行改进，通过加载第一支路和第二支路，并通过极化分离器将对称的2路矩形波导合路为1路，即，将turnstile结宽带结构的极化分离由4口合路变形为2口，其中一路通过将90
°
扭波导结构222旋转90
°
，然后加载极化分离器得到，和另一路合路，即将2路合成1路，最后加载圆波导实现圆出口。本实施例在turnstile结宽带结构omt的基础上，通过结构变形和转换，匹配共轴圆波导管130，将网络小型化，最后通过第一极化分离器210合路实现圆出口，不仅能实现单双极化互换，还能通用市场上现有的常规圆出口分离式和直扣式omt。
31.需要说明的是，turnstile结宽带结构的极化分离是现有技术中较为常用的分离器，为匹配共轴圆波导管130的阻抗，常规手段通常是在turnstile结宽带结构的极化分离器底部做一些规则形状的挖空，如圆柱体、矩体等。所述的h面90
°
弯波导225、h面90
°
阶梯型弯波导221、e面90
°
弯波导224、e面90
°
阶梯型弯波导223、1分2路t型波导、90
°
扭波导、常规分离式omt，都是目前业内常用的波导变形结构。本发明灵活巧妙将turnstile结宽带结构的极化分离通过变形合路，灵活运用各种波导变形结构，便于加工，且其结构简单、紧凑、体积小。可见，本发明提供的e波段双频段短焦抛物面天线具有低轮廓低围边的紧凑结构，相比传统的双频天线，其纵向尺寸小，天线性能更优越。其次，可以改善传统双频反射面被拉变形的情况，天线组装更容易，材料成本、人工成本和运输成本更低。
32.参考图5，图5所示为所述共轴圆波导管130的另一改进结构形式：在一个改进的实施例中，所述扼流喇叭133包括张口喇叭1331，所述张口喇叭1331的内壁沿其轴线方向设有多个第一凹槽101，多个所述第一凹槽101呈阶梯状连接，多个所述第一凹槽101的内径沿喇叭口方向依次变大。
33.本实施例中，采用张口喇叭1331作为扼流喇叭133，通过更改设于张口喇叭1331内壁的凹槽的数量、外径、高度，可以改善来自低频段波导管131传输的电磁辐射能量分布，使低频段实现更好的传输模模比，增加低频段工作带宽、以及使天线获得最佳效率。
34.参考图6和图7，在另一个改进的实施例中，所述扼流喇叭133还包括分别与张口喇叭1331和所述塑料部件134贴合设置的第二阻抗匹配部件1332，所述第二阻抗匹配部件1332沿其轴线设有圆形通孔，所述圆形通孔的内壁、所述张口喇叭1331的内壁和所述塑料部件134的内壁齐平，所述第二阻抗匹配部件1332的外壁沿其轴线方向设有第二凹槽102，所述第二凹槽102与所述多个第一凹槽101呈阶梯状连接，且其内径大于所述第一凹槽101。
35.本实施例中，通过在张口喇叭1331基础上增加第二阻抗匹配部件1332，第二阻抗匹配部件1332具有中空圆柱形，与张口喇叭1331贴合，通过改变第一凹槽101的数量、外径、高度，并相适配的改第二凹槽102的内径、高度，可以改善来自低频段波导管131传输的电磁
辐射能量分布，使低频段实现更好的传输模模比，增加低频段工作带宽，以及使天线获得最佳效率。
36.在一些改进的实施例中，所述馈源100还包括匹配板，所述匹配板设置于副反射面110的外边缘，以通过对副反射面110的环焦曲线和匹配板进行结构匹配，使得馈源100的初级方向图满足设定焦径比下辐射展角的能量分布。
37.本实施例中的e波段双频段短焦抛物面天线基于环焦天线原理进行设计，对副反射面110的环焦曲线和匹配板进行赋形和优化（结构匹配），结合波导喇叭的赋形，使得馈源100的初级方向图满足所需焦径比的辐射展角的能量分布，从而使天线的增益、方向图、xpd等性能满足使用要求。本实施例中的馈源100适用于短焦距（焦径比＜0.25）反射面天线。
38.在一个改进的实施例中，所述副反射面110的纵向剖面呈喇叭尖锥形状，所述匹配板包括在副反射面110开口处的外壁沿喇叭口方向设置的阶梯结构111。
39.本实施例中，在副反射面110开口处的外壁沿喇叭口方向设置阶梯结构111（staircase-structure），即，所述副反射面110开口处的外壁沿喇叭口方向设有多个凸轮，多个所述凸轮呈阶梯状连接，多个所述凸轮的外径沿喇叭口方向依次变大。多个所述凸轮用于匹配e波段频段和低频段辐射的能量，使二者分布更合理，通过改变多个所述凸轮的数量、高度、直径可以改善天线的增益和方向图。
40.在一些改进的实施例中，所述e波段双频段短焦抛物面天线还包括：支架固定座300，所述支架固定座300连接副反射面支架120和馈电网络结构200。
41.在一些实施例中，副反射面110通过螺丝固定在副反射面支架120上，副反射面支架120为金属材质，保证支撑强度；副反射面支架120通过螺丝固定在支架固定座300，支架固定座300通过螺丝固定在馈电网络结构200上，通过将所述支架固定座300和副反射面支架120连接，共同设置在馈电网络结构200的顶端，从而在水平方向稳固副反射面支架120。
42.在一些改进的实施例中，所述天线本体400包括：天线中心盘410、短焦反射面420、吸波材料430、以及天线罩440；所述馈电辐射组件的底端与天线中心盘410的底端连接，所述短焦反射面420设置于天线中心盘410的顶端，且位于所述副反射面110的上方，所述吸波材料430设置于短焦反射面420的围边内侧，所述天线罩440设置于短焦反射面420的开口顶端，且对短焦反射面420的开口进行密封。
43.在一些改进的实施例中，所述天线本体400还包括卡边450，所述卡边450具有第三凹槽，所述第三凹槽的底端延伸设置在短焦反射面420上，天线罩440的边缘嵌套于所述第三凹槽的槽口。
44.在一些示例中，吸波材料430通过胶水粘在短焦反射面420的围边内侧，吸波材料430用于改善天线方向图近旁瓣电平，使天线方向图近旁瓣电平满足使用要求；卡边450呈“f”形，具有凹槽，天线罩440的边缘嵌套于所述卡边450的凹槽，用于安装固定天线罩440。
45.需要说明的是，以上所提及所有的部件，它们之间存在贴合、紧固关系或结构的，都是通过填充胶水来实现。
46.尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发
明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。