[发明专利]一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线

说明书

技术领域

本发明涉及通信天线设备技术领域，更具体地说是涉及一种适合用作抛物反射面天线馈源的分形介质谐振天线(DRA)。

背景技术

抛物面天线是天线家族中发明最早、应用最广的天线类型之一。抛物反射面将位于焦点的馈源所发射的电磁波朝正前方反射并保持同相，从而形成高方向性波束，或者将平行波束会聚于焦点。高方向性它最显著的特点，因此常被应用于高增益场合，如射电天文望远镜、卫星地面接收站、火控雷达、微波中继传输等。移动通信基站间也常采用抛物面天线来实现大容量空中微波链路通信，其所用的抛物面天线一般采用焦径比F/D较小的反射面。与大焦径比相比，其效率较低、交叉极化电平较高，但能获得足够低的旁瓣和后瓣电平，从而有效地减小临近基站间的电磁干扰，使得空中微波传输系统能够密集部署。

然而，焦径比小的反射面口径张角α较大，需要宽波束的馈源天线才能有效地照射整个反射面，从而提高口径利用效率。因此，常被用作大焦径比反射面馈源的喇叭天线，如角锥喇叭、波纹喇叭、加脊喇叭等，由于波束宽度较窄、照射角较小，在这里变得不再是合适的馈源方案。再者，喇叭天线加工比较困难，成本相对较高，尤其是频率较高时，如E-波段(71GHz-86GHz)。因此，宽波束、低成本的新型馈源是小焦径比抛物面天线研制的关键。尤其需要指出的是，宽波束不仅指馈源方向图的幅度分布在照射角范围内较平坦，其相位分布也必须在整个波束范围内保持均匀性。另外，旁边和后瓣电平也尽可能低，使得边缘功率泄漏最小。

目前，宽波束馈源一般采用介质谐振天线(DRA)，其基本结构由三部分构成：馈电圆波导管内的阻抗匹配段、馈电圆波导管外的赋形圆锥介质辐射体，以及介质辐射体末端的赋形反射面。为了设计和加工方便，介质辐射体周边和末端边缘常采用连续直折线赋形。这种折线在保证阻抗匹配、波束宽度、相位一致和可加工性等技术要求的前提下，其段数和形状可由设计者任意选择。这给设计带来很大自由，同时也给优化带来很大困难，由于折线的选择没有任何理论依据，完全凭工程师的经验来判断。由此可见，常规的折线赋形不能保证介质辐射头的设计性能为最优。

分形(fractal)是一种外形高度复杂、构造方式却极有规律的一种几何体。它具有几何自相似性(self-similarity)和空间填充性(space-filling)，已被大量地用于小型化、多谐频天线的设计。除此之外，它的精细几何结构能有效地改变高频电流分布，从而显著地改变天线辐射特性。这一特点目前在电磁学领域内尚未得到充分认识和应用。介质谐振天线(DRAs)是一种常使用低损耗、高介电常数εr(如εr＝10-20)的介质材料设计成的谐振天线。因其小尺寸、低损耗、高效率、宽波束、带宽、极化、外形均可灵活设计等优点近年来引起了人们的重视。为此，如何将介质谐振天线实现分形化设计，保留以上优点的同时获得更好的辐射特性，如更高增益、更低旁瓣和后瓣电平、更平坦幅度、相位分布和更高效率,是本发明的设计重点。

发明内容

本发明的目的旨在为用于高增益点对点微波通信，特别是为移动基站微波链路通信所常用的小焦径比抛物反射面天线提供一种高性能、宽波束、低旁瓣和后瓣、小尺寸、低成本的馈源解决方案。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种用作抛物面馈源的分形介质谐振天线，其特征在于，它包括馈电圆波导管和介质辐射体，介质辐射体的前段部分是直径为d、高为h的圆柱体，后段部分是底面直径为D、高为H的圆锥体；前段部分经切削工艺加工成若干节不同直径的小段，每一小段介质块再分别打孔或切槽，然后将整个前段部分插入馈电圆波导管内以实现阻抗匹配；后段圆锥体部分则分别对其侧面和底面进行几何赋形，具体做法是将侧线和母线的直线段分别用一条类科赫分形曲线(Koch-like Curve)和双曲线替代,经回转处理后侧面由光滑的圆锥面变成了凹凸的分形曲面，底面则由平面变成朝后凸起的双曲面，其表面敷涂金属涂层以起到卡塞格伦次反射面的作用；这里选用损耗和介电常数εr＝2.5-5.5的介质材料，以便其介质辐射体前段部分直径能与馈电圆波导管内径相一致；另外，由于介电常数较小，介质块尺寸稍大，这也有利于加工和装配；

所述馈电圆波导管外圆锥介质体部分的侧面和底面分别进行分形面和双曲面赋形，是指将侧线和母线分别设计成类科赫分形曲线和双曲线，然后将整条轮廓线水平旋转一周即得到所需回转体，底面双曲线与多段直折线近似，以多平面代替光滑双曲面，从而降低加工工艺的要求。