本發(fā)明涉及一種寬帶雙極化短背射偶極子天線，特別是一種l波段寬帶雙極化短背射偶極子天線。

背景技術(shù)：

射電望遠(yuǎn)鏡是射電天文學(xué)最主要的研究工具，它通過高增益的天線，配以高靈敏度的接收機(jī)和相應(yīng)的后端設(shè)備，接收和記錄來自遙遠(yuǎn)星際的電磁信號。

就組成形式而言，射電望遠(yuǎn)鏡天線可分為單天線和天線陣列兩種。為滿足對接收面積的要求，前者往往采用大口徑反射面天線，包括拋物面天線、球面天線、卡塞格倫天線、格利高里天線、拋物柱面天線等，后者則以線天線、反射面天線、甚至陣列天線作為單元，組成連續(xù)或非連續(xù)的大的接收面積。在分米波及以上波段，反射面天線是一種高性價(jià)比的天線形式。通過低成本的反射面系統(tǒng)，可以在較大范圍內(nèi)對入射電磁波進(jìn)行收集和匯聚，并由位于天線焦點(diǎn)的饋源接收。

將相控陣饋源作為大口徑射電望遠(yuǎn)鏡天線的主焦饋源的研究始于上世紀(jì)末，與傳統(tǒng)的多饋源的方式相比，相控陣饋源可以形成緊密交疊的波束，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的天空覆蓋，還能夠通過適當(dāng)?shù)募?，補(bǔ)償饋源偏焦造成的相位誤差，從而將偏軸波束的增益提高至與軸向波束相當(dāng)?shù)乃健?/p>

常用的寬帶饋源陣列單元有寬帶振子、vivaldi等形式，寬帶振子形式的單元雖可實(shí)現(xiàn)較寬的帶寬，但方向圖較寬，對稱性差，單元間的互耦較強(qiáng)；vivaldi單元的帶寬更寬，互耦強(qiáng)烈，且不易與后端制冷的lna連接。背腔天線具有良好的性能，但常用的矩形和圓形背腔體積較大，因此一般只單獨(dú)使用，難以用作陣列天線的單元。矩形背腔天線在組成三角形陣列時，相鄰行單元的背腔相互阻礙，難以滿足相控陣饋源所要求的單元間距。同時，矩形和圓形背腔天線組陣時單元間存在間隙，接收面積不連續(xù)，效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種便于三角和圓形陣列排布并且性能好的l波段寬帶雙極化相控陣饋源天線。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種l波段寬帶雙極化短背射偶極子天線，包括四個偶極子輻射器、第一同軸饋線、第二同軸饋線、第一金屬巴倫支撐柱、第二金屬 巴倫支撐柱、第一水平探針、第二水平探針、改進(jìn)型六邊形反射背腔、固定圓盤和六邊形匹配盤；

所述四個偶極子輻射器、第一同軸饋線、第二同軸饋線、第一金屬巴倫支撐柱和第二金屬巴倫支撐柱均位于改進(jìn)型六邊形反射背腔中，四個偶極子輻射器分別為第一偶極子輻射器、第二偶極子輻射器、第三偶極子輻射器和第四偶極子輻射器，四個偶極子輻射器呈十字型對稱放置，其中第一偶極子輻射器和第三偶極子輻射器組成一對寬臂對稱振子，二者位于一條直線上，第二偶極子輻射器和第四偶極子輻射器組成另一對寬臂對稱振子，二者位于另一條直線上，上述兩條直線相互垂直，六邊形匹配盤通過四個支撐柱支撐在四個偶極子輻射器的上方；

所述的第一同軸饋線的內(nèi)導(dǎo)體頂部與第一金屬巴倫支撐柱通過第一水平探針相連，組成一個平衡巴倫，第二同軸饋線的內(nèi)導(dǎo)體頂部與第二金屬巴倫支撐柱通過第二水平探針相連，組成另一個平衡巴倫，第一水平探針與第二水平探針相互正交，其中第一水平探針位于第二水平探針的上方；第一同軸饋線的外導(dǎo)體頂端與第一偶極子輻射器相連，第一金屬巴倫支撐柱的頂端與第三偶極子輻射器相連，第二同軸饋線的外導(dǎo)體頂端與第四偶極子輻射器相連，第二金屬巴倫支撐柱與第二偶極子輻射器相連，第一同軸饋線、第二同軸饋線、第一金屬巴倫支撐柱、第二金屬巴倫支撐柱的底部均與固定圓盤連接；所述的固定圓盤位于改進(jìn)型六邊形反射背腔的底部中心。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明采用了兩個正交的寬臂對稱振子作為寬帶輻射器，通過同軸饋線、金屬支撐柱以及改進(jìn)型六邊形反射背腔組成的巴倫對輻射器平衡饋電，從而展寬了天線的工作頻段，在2：1的頻帶內(nèi)具有較低的反射損耗和交叉極化電平；2)本發(fā)明采用一種新型的六邊形反射背腔技術(shù)，不僅減小了陣列單元間的互耦，還克服了現(xiàn)有矩形背腔難以實(shí)現(xiàn)小間距三角形組陣的缺陷，改善了天線輻射方向圖的對稱性，提高了照射效率；3)本發(fā)明提出的寬帶雙極化短背射偶極子天線適合用作l頻段反射面天線三角形和圓環(huán)形布陣的相控陣饋源的單元。

附圖說明

圖1為本發(fā)明l波段寬帶雙極化短背射偶極子天線的45°角3d視圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例天線的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。

圖3為本發(fā)明天線臂的結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖4為本發(fā)明天線兩個平衡巴倫的45°角側(cè)視圖。

圖5為本發(fā)明天線改進(jìn)型六邊形反射背腔及固定圓盤的結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖6為本發(fā)明天線六邊形匹配盤的結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖7為本發(fā)明天線的s參數(shù)曲線。

圖8為本發(fā)明天線在中心頻率1.25ghz的二維和三維方向圖。其中(a)為三維方向圖，(b)為二維方向圖。

圖9為本發(fā)明天線軸向增益隨頻率變化的曲線。

圖10為本發(fā)明天線在工作頻率1.25ghz時形成兩種線極化與兩種圓極化的主極化與交叉極化方向圖。其中(a)和(b)為線極化方向圖，(c)和(d)為圓極化方向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，本發(fā)明的一種l波段寬帶雙極化短背射偶極子天線，包括四個偶極子輻射器、第一同軸饋線5、第二同軸饋線6、第一金屬巴倫支撐柱7、第二金屬巴倫支撐柱8、第一水平探針9、第二水平探針10、改進(jìn)型六邊形反射背腔11、固定圓盤12和六邊形匹配盤13；

四個偶極子輻射器、第一同軸饋線5、第二同軸饋線6、第一金屬巴倫支撐柱7和第二金屬巴倫支撐柱8均位于改進(jìn)型六邊形反射背腔11中，四個偶極子輻射器分別為第一偶極子輻射器1、第二偶極子輻射器2、第三偶極子輻射器3和第四偶極子輻射器4，四個偶極子輻射器呈十字型對稱放置，其中第一偶極子輻射器1和第三偶極子輻射器3組成一對寬臂對稱振子，二者位于一條直線上，第二偶極子輻射器2和第四偶極子輻射器4組成另一對寬臂對稱振子，二者位于另一條直線上，上述兩條直線相互垂直，六邊形匹配盤13通過四個支撐柱支撐在四個偶極子輻射器的上方；

第一同軸饋線5的內(nèi)導(dǎo)體頂部與第一金屬巴倫支撐柱7通過第一水平探針9相連，組成一個平衡巴倫，第二同軸饋線6的內(nèi)導(dǎo)體頂部與第二金屬巴倫支撐柱8通過第二水平探針10相連，組成另一個平衡巴倫，第一水平探針9與第二水平探針10相互正交，其中第一水平探針9位于第二水平探針10的上方；第一同軸饋線5的外導(dǎo)體頂端與第一偶極子輻射器1相連，第一金屬巴倫支撐柱7的頂端與第三偶極子輻射器3相連，第二同軸饋線5的外導(dǎo)體頂端與第四偶極子輻射器4相連，第二金屬巴倫支撐柱8與第二偶極子輻射器2相連，第一同軸饋線5、第二同軸饋線6、第一金屬巴倫支撐柱7、第二金屬巴倫支撐柱8的底部均與固定圓盤12連接；所述的固定圓盤12位于改進(jìn)型六邊形反射背腔11的底部中心。

所述四個偶極子輻射器的結(jié)構(gòu)均相同，該四個偶極子輻射器呈四葉草形分布，偶極 子輻射器的底部無凹陷。

改進(jìn)型六邊形反射背腔11由上半部分的六邊形腔體與下半部分的錐臺形腔體組成，并且其中心與四個偶極子輻射器的對稱中心以及六邊形匹配盤13的中心均在一條豎直線上。改進(jìn)型六邊形反射背腔11將天線與后端的激勵端口及l(fā)na隔開。

所述的固定圓盤12位于改進(jìn)型六邊形反射背腔11的底部中心處，圓盤留有兩個通孔和兩個盲孔，用于引出及固定同軸饋線和平衡巴倫接地段。通孔半徑與同軸饋線的外導(dǎo)體半徑相同，盲孔的半徑與通孔的半徑相同。第一同軸饋線5、第二同軸饋線6貫穿兩個通孔，第一金屬巴倫支撐柱7、第二金屬巴倫支撐柱8插入在盲孔中。

所述的兩個同軸饋線為內(nèi)外同心圓管結(jié)構(gòu)，第一同軸饋線5的內(nèi)導(dǎo)體頂部與第一金屬巴倫支撐柱7通過第一水平探針9相連，組成一個平衡巴倫，第二同軸饋線6的內(nèi)導(dǎo)體頂部與第二金屬巴倫支撐柱8通過第二水平探針10相連，組成另一個平衡巴倫，第一同軸饋線5的外導(dǎo)體頂端與第一偶極子輻射器1相連，第一金屬巴倫支撐柱7的頂端與第三偶極子輻射器3相連，第二同軸饋線5的外導(dǎo)體頂端與第四偶極子輻射器4相連，第二金屬巴倫支撐柱8與第二偶極子輻射器2相連，它們的底部均與固定圓盤12連接。同軸饋線的作用在于為輻射器饋電，同時將其支撐于改進(jìn)型六邊形反射背腔11的口面。同軸饋線與金屬支撐柱的外徑相同，二者可由金屬材料加工而成，也可使用金屬空心圓柱作為支撐，內(nèi)穿同軸線，同軸線的外壁與金屬空心圓管連接。

每個偶極子輻射器上均開有一個螺紋通孔，六邊形匹配盤13以中心為對稱點(diǎn)開有四個螺紋通孔，偶極子輻射器與六邊形匹配盤13通過塑料支撐柱連接，塑料支撐柱的兩端分別與偶極子輻射器的螺紋通孔、六邊形匹配盤13上的螺紋通孔連接。

四個偶極子輻射器、改進(jìn)型六邊形反射背腔11、固定圓盤12的材料為鋁，兩個水平探針的材料為紫銅。

本發(fā)明采用了兩個正交的寬臂對稱振子作為寬帶輻射器，通過同軸饋線、金屬支撐柱以及改進(jìn)型六邊形反射背腔組成的巴倫對輻射器平衡饋電，從而展寬了天線的工作頻段，在2：1的頻帶內(nèi)具有較低的反射損耗和交叉極化電平。

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

實(shí)施例

一種l波段寬帶雙極化短背射偶極子天線，包括四個偶極子輻射器、第一同軸饋線5、第二同軸饋線6、第一金屬巴倫支撐柱7、第二金屬巴倫支撐柱8、第一水平探針9、第二水平探針10、改進(jìn)型六邊形反射背腔11、固定圓盤12和六邊形匹配盤13；

所述四個偶極子輻射器、第一同軸饋線5、第二同軸饋線6、第一金屬巴倫支撐柱7和第二金屬巴倫支撐柱8均位于改進(jìn)型六邊形反射背腔11中，四個偶極子輻射器分別為第一偶極子輻射器1、第二偶極子輻射器2、第三偶極子輻射器3和第四偶極子輻射器4，四個偶極子輻射器呈十字型對稱放置，其中第一偶極子輻射器1和第三偶極子輻射器3組成一對寬臂對稱振子，二者位于一條直線上，第二偶極子輻射器2和第四偶極子輻射器4組成另一對寬臂對稱振子，二者位于另一條直線上，上述兩條直線相互垂直，六邊形匹配盤13通過四個支撐柱支撐在四個偶極子輻射器的上方；

所述的第一同軸饋線5的內(nèi)導(dǎo)體頂部與第一金屬巴倫支撐柱7通過第一水平探針9相連，組成一個平衡巴倫，第二同軸饋線6的內(nèi)導(dǎo)體頂部與第二金屬巴倫支撐柱8通過第二水平探針10相連，組成另一個平衡巴倫，第一水平探針9與第二水平探針10相互正交，其中第一水平探針9位于第二水平探針10的上方；第一同軸饋線5的外導(dǎo)體頂端與第一偶極子輻射器1相連，第一金屬巴倫支撐柱7的頂端與第三偶極子輻射器3相連，第二同軸饋線6的外導(dǎo)體頂端與第四偶極子輻射器4相連，第二金屬巴倫支撐柱8與第二偶極子輻射器2相連，第一同軸饋線5、第二同軸饋線6、第一金屬巴倫支撐柱7、第二金屬巴倫支撐柱8的底部均與固定圓盤12連接；所述的固定圓盤12位于改進(jìn)型六邊形反射背腔11的底部中心。

所述四個偶極子輻射器的結(jié)構(gòu)均相同，該四個偶極子輻射器呈四葉草形分布，偶極子輻射器的底部無凹陷。所述的改進(jìn)型六邊形反射背腔11由上半部分的六邊形腔體與下半部分的錐臺形腔體組成，并且其中心與四個偶極子輻射器的對稱中心以及六邊形匹配盤13的中心均在一條豎直線上。所述的固定圓盤12設(shè)置兩個通孔和兩個盲孔，通孔半徑與同軸饋線的外導(dǎo)體半徑相同，盲孔的半徑與通孔的半徑相同。每個偶極子輻射器上均開有一個螺紋通孔，六邊形匹配盤13以中心為對稱點(diǎn)開有四個螺紋通孔，偶極子輻射器與六邊形匹配盤13通過塑料支撐柱連接，塑料支撐柱的兩端分別與偶極子輻射器的螺紋通孔、六邊形匹配盤13上的螺紋通孔連接。四個偶極子輻射器、改進(jìn)型六邊形反射背腔11、固定圓盤12的材料均為鋁，兩個水平探針的材料為紫銅。

結(jié)合圖3，具體參數(shù)為：l波段寬帶雙極化短背射偶極子天線的四個偶極子輻射器的形狀均相同，厚度為2mm，邊1-a和邊1-b相互垂直，長度均為32mm，邊1-e和邊1-f長3.35mm，圓弧1-c和圓弧1-d的半徑為10mm，圓弧1-g和1-h的半徑為15mm，邊1-i長23.5mm，長方形槽1-j長6.9mm，寬1.8mm，通孔1-k半徑2.625mm，通孔1-l半徑2mm；輻射器與腔體底面的距離為46mm；改進(jìn)型六邊形反射背腔上半部分的六邊 形腔的邊長為75mm，高29mm，下半部分錐臺型腔體高20mm，底部六邊形的邊長為50mm；六邊形匹配盤13的邊長為38mm，厚度為2mm，與偶極子輻射器1的豎直距離為30mm；固定圓盤12的半徑為18mm，厚度為1mm。

對上述天線進(jìn)行建模仿真。

圖7是其s參數(shù)曲線。由圖7可知，天線在1ghz-1.6ghz的范圍內(nèi)均能保證回波損耗小于-10db，在1.25ghz工作頻點(diǎn)處回波損耗優(yōu)于-15db；兩個端口有很高的隔離度，在工作頻帶內(nèi)優(yōu)于-30db。

圖8是天線在等幅相位差90°的兩端口同時激勵下在1.25ghz頻點(diǎn)下形成右旋圓極化的二維與三維方向圖。由圖8可知，該天線軸向增益達(dá)到8.03dbi，3db波束寬度達(dá)到79°。

圖9是天線軸向增益隨頻率變化的曲線。由圖9可知，該天線在1ghz-1.5ghz的頻率范圍內(nèi)增益均在8dbi左右，增益高，傳輸遠(yuǎn)，非常適合工程應(yīng)用。

圖10在天線在工作頻率1.25ghz形成雙極化時的主極化與交叉極化方向圖。圖10(a)和圖10(b)是分別單獨(dú)激勵一個端口形成的線極化方向圖。圖10(c)和圖10(d)是分別形成左旋與右旋圓極化的方向圖。由圖10可知，該天線交叉極化小，極化性能較為優(yōu)異，極化隔離度高。

上述仿真結(jié)果表明，該短背射偶極子天線性能優(yōu)異，其尺寸小、頻帶寬、增益高、波束寬、輻射對稱、雙極化等特點(diǎn)使得該天線非常適合作為相控陣饋源天線使用。