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CN1266804C - 用于天线的卡塞格林型馈送装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于天线(抛物面天线)的卡塞格林型馈送装置是一个双带馈送装置，它使用向介电质圆锥(23)进行馈送的波导(40)，该介电质圆锥(23)向辅助反射器(24)进行馈送。该波导具有一个与该圆锥小端连接的端部(49)，在一个实施例中，其内壁(48)的阻抗可通过包含介电质套筒(47)来改变，相对于在相关两带的上带平均值上套筒内的传播来说，所述介电质套筒(47)的厚度是在1/6和1/4之间。该套筒帮助在所述上频带中对该辅助反射器提供一个旋转基本对称的照射，在与抛物面主反射器一起使用时，对该主反射器也提供同样对称的照射。该套筒可被一系列在该波导端部的内壁上形成的沟槽代替，这些沟槽通常深度为1/4。

Description

用于天线的卡塞格林型馈送装置
本发明涉及用于天线的一种卡塞格林型馈送装置(Cassegrainfeed)，特别地，但不是专门地，涉及用于抛物面天线的卡塞格林型馈送装置。
抛物面天线从所谓的卡塞格林馈送装置馈送信号是人们所公知的。这样的装置图示于图1中，在图中的各部件都应被理解成是绕z-轴旋转对称的，而且还包括反射天线10和从该天线中心伸出并沿z-轴的馈送装置12。该馈送装置被更详细地示于图2中，该装置包含一个波导部分20，该波导部分在一端21处通过该天线10(在图2中未画出)的中心，而在另一端22处与一个介电质圆锥23的小直径端连接。该圆锥23的大直径端与一个辅助反射器24连接，该辅助反射器用来反射入射其上的辐射，经由该圆锥23从该波导部分向该天线10反射(发射模式)或从天线10向该波导部分反射(接收模式)。该圆锥的功能被描述在由H.E.Baartlett和R.E.Moseley在微波杂志中发表的“Dielguides-highly efficient Low-Noise AntennaFeeds”中，第9卷，1966年12月，第53-58页。为了改善在空气-圆锥界面的匹配，该圆锥通常配备有一些瓦楞(corrugation)25。此外，为了将回波损耗减小到最小，还包括一个介电质多级阶梯变换器(dielectric multustage step transformer)26，该变换器可用与该圆锥相同的介电质材料制成并与其形成一个整体，如图所示，而且为了再减小回波损耗，该辅助反射器24还可在其中心部分包含一个调谐盘27。
刚描述的馈送装置是一个用于馈送中频(例如3.9GHz)辐射的单带装置。但是，还知道一些用于双带运行的馈送装置，这些装置的好处是可避免对于各个带都需要两个分离的馈送装置，结果是节省了成本和减小了复杂性。已知的双带馈送装置的例子被图示于图3中。在图3a中波导部分30对金属圆锥元件31进行馈送，该金属圆锥元件将微波能量传播到辅助反射器32，该辅助反射器通过支撑件(stay)33相对于该馈送元件30、31固定和定位。传统上在该圆锥元件31的圆锥部分34提供一些沟槽35(参看图3b)。实际上，为了便利在两个有关频率带上运行，该沟槽被做成在两个深度36和37之间交替变化(参看图3c)。
图3所示的已知双带装置具有复杂、巨大和高成本的缺点。
关于介电质馈送装置的讨论被包含在(尤其是)下列原始资料中：Lindau i.Bodensee 的“Dielektrische Erreger furRichtfunk-Parabolantennen，Diskussionssitzung desFachausschusses Antennen der ITG”，12-131988年10月，第48-50页；由B.Toland、C.C.Liu和P.G.Ingerson在微波杂志上发表的“Design and Analysis of arbitrarily shaped DielectricAntennas”，1997年5月，第278-286页；由Akhileshwar Kuma在关于天线和传播的IEEE会报上发表的“Dielectric-Lined WaveguideFeed”，第AP-27卷，No.2，1979年5月；以及由G.N.Tsandoulas和W.D.Fitzgerald在关于天线和传播的IEEE会报上发表的“Aperture Efficiency Enhancement in Dielectrically LoadedHorns”，第AP-20卷，No.1，1972年1月。实现边波瓣抑制和射束宽度均衡的非电介质辐射体被公开在下述文献中：由P.D.Potter在微波杂志上发表的“A New Horn Antenna with Suppressed Sidelobesand Equal Beamwidths”，第VI卷，第71-78页，1963年6月和美国专利说明书US 3,413,641(“双模式天线”-R.H.Turrin)。
按照本发明的第一方面，提供有一种用于天线的卡塞格林型馈送装置，包括：一个具有端部(49)的波导部分(40)，该波导部分(40)具有支持基本的准TE11模式在较低频带和较高频带中传播的内部尺寸；一个具有一个小直径端和一个大直径端的电介质圆锥(43)，该小直径端与所述的波导端部(49)连接；一个与该圆锥的大直径端连接的辅助反射器(44)；其特征在于该馈送装置是双频带馈送装置，包括所述波导部分(40)内的一个多级阶梯变换器(46)，并附着在该介电圆锥(43)的小直径端，用于使该圆锥的阻抗与波导部分匹配，而且该波导端部(49)在其内壁(48)上提供有一个壁阻抗改变装置，用来改变该内壁(48)的阻抗，以与较高频带中的准TM11模式耦合，从而实现该辅助反射器(44)在所述较高频带中的旋转基本对称的照射，该壁阻抗改变装置包括介电质套筒(47)，该介电质套筒(47)从所述电介质圆锥(43)突出，并容纳在所述波导端部(49)中。
最好，该介电质套筒具有的厚度是在涉及该套筒中传播的上频带平均波长的大约1/4和大约1/6之间。有利的是，该介电质套筒具有大于该上频带的最高频率的一个波长的长度。最好它具有约为两个波长的长度。最好将该套筒形成为该介电质圆锥的一个整体组成部分。
该波导部分在其整个长度上直径基本可以是均匀的。另外，该波导的端部的直径比该波导部分的其余部分的直径大，以便可形成具有一个台肩的凹进部分，从而允许确立该套筒在该波导部分中的正确就位。
有利的是，将该变换器形成为该介电质圆锥的一个整体组成部分。
最好是，位于在所述端部孔眼处的变换器的最后一级具有大约是该波导端部直径的75％的直径。
有利的是，该介电质圆锥在其外喇叭表面具有一系列的瓦楞。这样的瓦楞改善了在空气-圆锥界面处的匹配。
最好是，该辅助反射器在其中心部分具有一个盘，用来减小入射在该辅助反射器上的信号中的回波损耗。
按照本发明的第二方面，提供了一个抛物面天线装置，该装置包括：一个抛物面反射器，和一个通过所述抛物面反射器中心部分的按照本发明第一方面所述的卡塞格林型馈送装置。
现在将参考下述附图，仅通过举例来说明本发明的实施例：
图1是包含有已知的单带卡塞格林型馈送装置的天线装置；
图2是图1所示馈送装置的更详细的表示；
图3是一个已知的双带卡塞格林型馈送装置；
图4是一个按照本发明的实施例的卡塞格林型馈送装置；
图5a是具有包括相位中心在内的各种参数的图4所示的馈送装置；和
图5b描画了一个可在本发明的实施例中使用的偏置或“环”抛物面的横截面视图；
图6是表示其改进的图4的馈送装置的部分视图。
现来参看图4，一个本发明的实施例使用了一个波导部分40、一个介电质的圆锥43、一个辅助反射器44和一个介电质的变换器46，它们都与图2中的等效物件相应，但另外还提供了一个改变阻抗装置47，用来改变处于端部49的波导部分40内壁48的阻抗。该阻抗改变装置47是一个介电质的套筒，在所示实施例中，它是形成在该圆锥43中的一个突起(空心圆筒)；这样该套筒就是该圆锥的一个整体组成部分。作为替换，它也可是一个分离部件，尽管这样的话在对该圆锥本身提供适当位置时可能会经历一些困难。该套筒具有的厚度在与平均的上带频率相应的1/4和1/6波长(在该介电质中)之间。如图2所示，图4中的介电质的变换器46可有利地用一种与圆锥相同的介电质材料制作，而且可与圆锥形成为一个整体。作为一个例子，在本发明的试验实施例中所用的介电质具有的介电常数ε＝2.56，但其它的常数同样也是可以的。
介电质套筒47的效果是改变该壁的阻抗，以便使准TM11模式与适当的振幅和相位耦合。此外，该套筒用作圆锥和波导之间的机械固定装置。在使用图6所示装置的情况中尤其如此，其中凹进部分50和相关的台肩51被用于容纳该套筒。在这种情形，圆锥和变换器的位置就在径向和轴向两个方向被固定在该波导中。
在上带的感兴趣的最高频率上，在部分地充满的波导中该介电质套筒的长度应大于一个波长。在所示例子中，该长度近似为两个波长。
图2所示的已知装置和图4所示的本发明的实施例之间的另一差异是波导部分40用介电质完全充满的部分的长度减小，这就允许该激发的TM11模式低色散地延伸到该介电质圆锥43。这个长度应尽可能短，以便使色散减小到最小，在所示实施例中实际上为0。该变换器的各级凭经验按本技术的已知方法决定尺寸，例如利用λ/4级作为起始点，以便产生最小的回波损耗。
在结合了上述双带馈送装置的一个试验天线装置中，该天线是一个直径为3m的抛物面(张角180°)，该波导馈送装置的总长度为675mm，该阶梯变换器的最后一级41的半径R(参看图4)近似为该套筒47内直径的75％。参照图5a具体说明的另一些参数具有下表中所列出的数值：
  参数   双带   单带3.9GHz   单带6.7GHz
  d(mm)   65   54   31.30
  Ds(mm)   203.84   184.4   110.49
  θ1(deg.)   38   36   36
  θ2(deg.)   20   17   17
表1
双带波导直径d的值65mm主要是由于使该波导能与双带正交模式转换器匹配的需要而产生的，该转换器是用于图3a所示的更传统的双带装置的，其过渡件的直径为65mm。在任何情况下，d的值都将取决于该两频带彼此的相对位置。在4.5GHz以上，在本例子中该辐射图就有强烈的退化，例如，这里d被增加到71mm，这种退化在大约4.2GHz的低带上固定下来，这显然是不希望的。在给定的例子中，在另外的极端54mm是太小了，除非使用在直径上的适当大的阶梯增量(参看图6所示的凹进部分)。最佳直径可通过经验方法(例如，计算机模拟)确定，然后，在需要的地方，如在本情形中，可稍加改变以适应波导部件可能必须使用的尺寸。
图5a还表示所描述的实施例对于低带(“U”)和上带(“0”)两者的相位中心的位置。如可看见的那样，相位中心并不一致，因而，严格地说，为了在相关两个带上实现最佳性能，将需要不同长度的波导(试验揭示出这些最佳长度大约在3.6GHz时为662mm，在6.775GHz时为684mm)。但是，人们发现，对于大约为675mm的折衷波导长度来说，两个带的效率都是很可接受的，实际上，在还考虑到经辅助反射器盘27和介电质变换器26的适当匹配时，该效率都在64％以上。这样的匹配是凭经验，例如借助计算机模拟实现的。还图示出了两个另外的相位中心(“0’”和“U’”)，它们是旋转对称偏置抛物面反射器(“环”抛物面反射器)的聚焦环的最佳穿透点。这种天线以截面形式被示于图5b中，图中具有端部61、62的抛物线60被假定是可绕z-轴63旋转360的。这样形成的图形具有一个被平面盘64充满的中心孔。
虽然迄今为止只是对上带中的准TM11模式激励作了陈述，但为了达到辅助反射器(这里也是主反射器)的希望的增强旋转对称照射，实际上在刚描述的试验装置中，还会出现相当强的准TM12模式的激励，这也对希望的效果有所贡献。但是，比起准TM11模式来说，这另外的模式却曾是一个不太重要的影响因素。
正如已经述及的那样，在图4所示实施例的一种变形中(参看图6)，该介电质套筒47被安放在该波导壁的凹进部分50中。该凹进部分具有一个台肩51，可将它安排来当做该套筒47插入的限位器，因而在该波导中就提供了一个更能重复的套筒就位，从而使从馈送装置到馈送装置的性能也能保持很好的一致性。又一次，在实现这种变形时，该阶梯变换器的最后级41理想地具有大约为该套筒47内直径的75％的直径。
在该馈送装置的另一实施例中，该波导部分的端部49的内壁(参看图4)提供有一些沟槽而不是介电质内衬(dielectric lining)。该沟槽的深度通常为λ/4(λ是在充填该沟槽的材料内的波长，而与所用的最短波长比较起来，该沟槽的轴向尺寸应是较小的。该沟槽的深度不一定是按图3c所示方式交变的，因为只要求它们在两带之一-上带-中有效果。
虽然迄今已联系抛物面天线描述了本发明，但它也适合使用在其它的天线形状，例如球形天线上。

Claims (12)

1.一种用于天线的卡塞格林型馈送装置，包括：一个具有端部(49)的波导部分(40)，该波导部分(40)具有支持基本的准TE11模式在较低频带和较高频带中传播的内部尺寸；一个具有一个小直径端和一个大直径端的介电质圆锥(43)，该小直径端与所述的波导端部(49)连接；一个与该圆锥的大直径端连接的辅助反射器(44)；其特征在于该馈送装置是一个覆盖较低频带和较高频带的双频带馈送装置，包括所述波导部分(40)内的一个介电质多级阶梯变换器(46)，并附着在该介电圆锥(43)的小直径端，用于使该圆锥的阻抗与波导部分匹配，而且该波导端部(49)在其内壁(48)上提供有一个壁阻抗改变装置，用来改变该内壁(48)的阻抗，以与较高频带中的准TM11模式耦合，从而实现该辅助反射器(44)在所述较高频带中的旋转基本对称的照射，该壁阻抗改变装置包括介电质套筒(47)，该介电质套筒(47)从所述介电质圆锥(43)突出，并容纳在所述波导端部(49)中。
2.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中包括介电质套筒(47)的该壁阻抗改变装置还激励准TE12模式的激发。
3.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中该介电质套筒(47)具有在涉及该套筒中传播的较高频带平均波长的1/4至1/6之间的厚度。
4.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中在部分填充的波导中该介电质套筒(47)具有大于该较高频带的最高频率处的一个波长的长度。
5.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中该介电质套筒(47)被形成为该介电质圆锥(43)的一个整体组成部分。
6.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中该波导部分(40)在其整个长度上直径都是均匀的。
7.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中该波导的端部(49)的直径大于该波导部分(40)的其余部分的直径，以便可形成一个具有台肩(51)的凹进部分(50)，从而允许该套筒(47)在该波导部分中的正确定位。
8.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中该介电质变换器(46)被形成为该介电质圆锥(43)的一个整体组成部分。
9.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中位于所述波导端部(49)的一个孔眼处的该介电质变换器(46)最后一级(41)具有等于该波导端部直径的75％的直径。
10.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中该介电质圆锥(43)在其外喇叭表面具有一系列的瓦楞(25)。
11.按照权利要求1所述的卡塞格林型馈送装置，其中该辅助反射器(44)在其中心部分具有一个盘(27)，用来减小入射在该辅助反射器上的信号中的回波损耗。
12.一种抛物面天线装置，包括：一个抛物面反射器(10；60)，和通过所述抛物面反射器中心部分的一个如在权利要求1-11中的任何一项所述的卡塞格林型馈送装置。
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