CN101183747A - 用于空间功率合成的功分喇叭天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于空间功率合成的功分喇叭天线及其阵列，该功分喇叭天线由功率分配辐射口、匹配过渡段、波导馈线依次无缝连接构成；功率分配辐射口由空心矩形波导和位于空心矩形宽边中间的赋形金属尖劈组成，赋形金属尖劈把空心矩形波导的口径分割成相同的两部分。用于空间功率合成的功分喇叭天线阵列由至少2个功分喇叭天线紧靠排成组成。功分喇叭单独使用时，由于改善了口径上的电磁场分布，可获得比同等口径的普通喇叭天线有更高的增益，功分喇叭天线阵列在加大天线阵列尺寸时避免出现栅瓣，有效地加大空间功率合成天线的口径，提高空间功率合成天线的增益，提高功率合成的效率。

Description

用于空间功率合成的功分喇叭天线及其阵列

技术领域

本发明涉及空间功率合成技术领域，具体的说是一种用于空间功率合成的功分喇叭及其阵列，功分喇叭本身可以作为一种天线使用，其阵列既可以作为功率合成天线用，也可以作为偏馈抛物柱面功率合成天线的馈源阵列单元使用。

背景技术

在雷达、电子对抗和远距离通信中，需要获得大功率的定向电磁辐射波束。当单个信号源不能产生足够的功率时，需要采用功率合成的方法，把多路较低功率的信号合成为所需要的大功率辐射，方法有两种：一是采用基于电路或波导的功率合成技术，把多路信号利用电路或波导的合成网络进行功率合成，再通过天线辐射出去，但合成网络本身存在损耗，降低了功率合成的效率；二是基于自由空间功率合成技术，通过采用空间功率合成天线，多路功率信号直接通过天线单元辐射到自由空间去，通过控制各路辐射的相位，直接在自由空间合成定向辐射的大功率电磁波束，由于没有了合成网络的损耗，合成效率较高。

在微波波段，空间功率合成天线一般采用由多个喇叭天线组成的阵列来实现，如图1所示，它由多个喇叭天线单元1组成阵列2，各路信号分别送到各喇叭天线1向空间辐射，通过调整各路信号的相位，使各路信号在给定方向合成高功率的窄波束。为了进一步提高天线的增益，增强在给定方向的场强，可以采用抛物柱面型反射面3，放在抛物柱面焦线上喇叭天线阵列辐射出来的电磁波经抛物柱面反射后在空间合成高功率的尖锐波束。

对于空间功率合成天线来说，辐射功率、天线的增益和波束宽度是重要的指标。空间功率合成除了要求能把各路信号的功率合成以外，还要求能形成所需要的窄波束，以提高天线增益，增大系统的等效全向辐射功率(EIRP)，使给定方向的辐射更强。要提高天线的增益，获得更窄的波束，必须加大天线的口径尺寸。这需要更多的喇叭单元或者更大的阵列单元间距。更多的喇叭单元意味着更多的功放路数，这会大幅度提高系统的成本。如果不增加喇叭阵列的单元数，通过简单增大单个原来的喇叭的口径，加大喇叭阵列单元之间的间距，也可以加大天线的口径，然而，如果继续采用原有形式的喇叭的话，根据天线阵列理论，当阵元间距大于1个波长时，天线方向性图会出现栅瓣，使功率在不需要的方向辐射，这一方面浪费能量，降低功率合成效率，另一方面会产生不必要的干扰。由于这个因素的限制，现有技术无法得到高增益、窄波束的大功率辐射。

美国专利申请US005515009A公开了一种空间功率合成器，该空间功率合成器包括圆极化的波纹喇叭天线，半月形的透镜，和放大器阵列。其功率合成原理是喇叭天线发射电磁波，由透镜矫正相位和幅度，使之等幅同相合成，再由放大器阵列放大后以正交极化方式重新发射，经透镜聚焦后返回喇叭天线。但由于采用了传统的喇叭天线，加大喇叭口径会出现栅瓣，无法合成高增益、低副瓣的大功率窄波束。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够在功率合成路数不变的情况下，实现合成高增益、低旁瓣、窄波束电磁辐射的喇叭天线及其阵列。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

用于空间功率合成的功分喇叭天线，由功率分配辐射口、匹配过渡段、波导馈线依次无缝连接构成；所述功率分配辐射口由空心矩形波导和位于空心矩形宽边中间的赋形金属尖劈组成，空心矩形波导宽度大于一倍工作波长而小于两倍工作波长，赋形金属尖劈把功率分配器的口径分割成相同的两部分，赋形金属尖劈由金属板做成，前端为非渐变部分，非渐变部分后面与渐变部分连接在一起，非渐变部分高度等于矩形波导的高度。

为进一步是实现本发明的目的，所述非渐变部分厚度为波导管壁厚的两倍。

所述渐变部分为厚度和高度逐渐减少的金属片。

所述匹配过渡段用于实现波导馈线到功率分配辐射口的过渡连接和减少功率的反射，它可以是一个金属做的空心角锥形喇叭。

所述波导馈线由空心的矩形金属管构成，为一段小尺寸的标准矩形金属波导。

本发明给出的功分喇叭天线即可以单独使用，也可以组成阵列使用。用于空间功率合成的功分喇叭天线阵列由至少2个功分喇叭天线紧靠排成组成。

本发明通过延长角锥喇叭的辐射口并在其中间添加用于功率分配的赋形金属尖劈，喇叭的口面场由一个TE10模分裂为两个对称的TE10模，即喇叭口面场由原来的余弦分布分裂为两个紧凑对称的余弦分布。当功分喇叭沿波导馈线宽边方向紧靠排成线阵的时候，N个间距为d的余弦分布口面场等效于2N个间距为d/2的余弦分布口面场，通过功分喇叭的功率分配，等效于阵元间距缩小为原来的一半，因此当功分喇叭阵列的阵元间距超过一个波长时阵列方向图也可以不出现栅辨，从而不会产生不必要的辐射和保持较高的天线口径利用效率。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供的功分喇叭单独使用时，由于改善了口径上的电磁场分布，可以获得比同等口径的普通喇叭天线有更高的增益。

2、本发明给出的功分喇叭天线阵列，可以突破现有技术的限制，在加大天线阵列尺寸时避免出现栅瓣，从而可以有效地加大空间功率合成天线的口径，提高空间功率合成天线的增益，提高功率合成的效率。

3、本发明给出的功分喇叭阵列比现有的喇叭阵列有更高的口径利用率。

4、本发明给出的功分喇叭阵列用作偏馈抛物柱面空间功率合成天线的馈源时，可以避免在加大天线尺寸时出现栅瓣，从而可以方便地加大天线的尺寸，提高天线的增益，提高空间功率合成的效果。同时可以提高抛物柱面天线的口径利用率，提高空间功率合成的效率。

附图说明

图1为偏馈抛物柱面空间功率合成天线结构示意图。

图2为本发明功分喇叭结构示意图。

图3为功分喇叭的E面(垂直面)剖面图。

图4为功分喇叭的H面(水平面)剖面图。

图5为功分喇叭的组阵方式结构示意图。

图6a为功分喇叭的匹配方式示意图。

图6b为偏馈抛物柱面天线截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明制备作进一步的说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于实施例所涉及的范围。

参照图2、3、4，用于空间功率合成的功分喇叭天线1包括功率分配辐射口11、匹配过渡段13、波导馈线14。功率分配辐射口11由一段空心矩形波导和焊接在空心矩形宽边中间的赋形金属尖劈12组成，赋形金属尖劈12把功率分配辐射口11的口径分割成相同的两部分。矩形波导由一端空心的矩形金属管构成，其口径满足辐射波束宽度和天线增益的要求，同时其宽度应大于一倍工作波长而小于两倍工作波长，其长度略大于赋形金属尖劈的长度；赋形金属尖劈12由金属板做成，前面为非渐变部分12a，后面为渐变部分12b，非渐变部分12a高度等于矩形波导的高度，厚度为波导管壁厚的两倍；渐变部分12b的高度逐渐减少，构成一个等腰梯形，其厚度也逐渐减少为0，形成一个尖劈。波导馈线14是一段小尺寸的标准矩形金属波导，由空心的矩形金属管构成，它的尺寸应保证微波在其内部能够单模传输。匹配过渡段13采用一个金属做的空心角锥形喇叭，其宽端的口径与功率分配器11的口径相同，窄端的口径与波导馈线14的口径相同，利用角锥喇叭体实现从波导馈线13向功率分配器11的渐变过渡。参看图2、3、4，功率分配辐射口11、角锥喇叭体13和波导馈线14依次无缝连接在一起，形成一体化的功分喇叭1，可以用金属铸造工艺实现。加工时用铸造工艺一次性完成整个喇叭或用金属板焊接而成。

赋形金属尖劈的作用为功率分配，对金属尖劈进行赋形设计是为了让电磁波的传播有一个渐变的过程，减小由于功率分配而造成的反射，从而能够获得较低的喇叭驻波比。通过调整赋形金属劈的形状和渐变程度等，可以调整功分喇叭的匹配状态，赋形金属尖劈的形状和长度不唯一，还可以结合在功分喇叭的波导馈线处设计阶梯过度或添加调谐销钉等来调整功分喇叭的匹配程度。

参照图5，功分喇叭天线阵列为图2的功分喇叭天线沿波导馈线14的宽边方向紧靠排成线形阵列。

工作时，微波信号从波导馈线14输入，通过角锥喇叭体13渐变过渡到功率分配器11，利用角锥喇叭体13过渡的目的是减少功率的反射，提高效率。在功率分配器11中，赋形金属尖劈把信号平均分成两路，使口面场由一个TE10模分裂为两个对称的TE10模，即喇叭口面场由原来的余弦分布分裂为两个紧凑对称的余弦分布。如图5所示，当功分喇叭沿波导馈线14的宽边方向紧靠排成线阵的时候，N个间距为d的余弦分布口面场等效于2N个间距为d/2的余弦分布口面场，通过功分喇叭的功率分配，等效于阵元间距缩小为原来的一半，因此当功分喇叭阵列的阵元间距超过一个波长时阵列方向图也可以不出现栅辨，从而不会产生不必要的辐射和保持较高的天线口径利用效率。

应用本天线的一个实例：16路的微波信号馈入16路的功分喇叭1，电磁波由喇叭阵列2向外辐射，遇到抛物柱面反射板3反射后在自由空间中实现功率合成。此实施例子为功分喇叭馈源，偏馈抛物柱面空间功率合成天线，其结构示意图如图1，截面图如图6a和图6b，其中F为抛物柱面3的焦距，H为抛物柱面的高度，T为抛物柱面的投影宽度，抛物柱面的张开角度从ψ₀到ψ₀+ψ。喇叭馈源的口径法线指向角度为ψ_m，即抛物柱面的角平分线方向，这是为了防止抛物柱面3反射的电磁波对馈源阵列2的影响而采用的偏馈形式。空间功率合成天线的工作频率为f，工作波长为λ。不失一般性，此例的所有器件的尺寸对工作波长λ归一化为电长度。参照图3和图4，功分喇叭的尺寸如下：14a＝0.397，14b＝0.794，13a＝1.979，11a＝0.750，11b＝1.167，11c＝1.417，12c＝0.292，12d＝0.208，12e＝1.083，12f＝0.083。功分喇叭阵列的阵元间距为1.5。抛物柱面反射板的尺寸为：H＝25.25，T＝13.342，F＝12.5，ψ₀＝5°，ψ＝55°，ψ_m＝32.5°。此天线的方向性图中没有出现栅辨，口面利用效率为80％，而与它具有相同的口径面的16路普通角锥喇叭作为馈源时的抛物柱面天线的方向性图出现栅辨，口径利用效率仅为68％。由此可见，该实例中由于采用了本发明的功分喇叭及其阵列，天线的方向性图中压制了栅辨，天线的口面利用效率提高。

Claims (6)

1.用于空间功率合成的功分喇叭天线，其特征在于该功分喇叭天线由功率分配辐射口、匹配过渡段、波导馈线依次无缝连接构成；所述功率分配辐射口由空心矩形波导和位于空心矩形宽边中间的赋形金属尖劈组成，空心矩形波导宽度大于一倍工作波长而小于两倍工作波长，赋形金属尖劈把功率分配辐射口的口径分割成相同的两部分，赋形金属尖劈由金属板做成，前端为非渐变部分，非渐变部分后面与渐变部分连接在一起，非渐变部分高度等于矩形波导的高度。

2.根据权利要求1所述的用于空间功率合成的功分喇叭天线，其特征在于所述赋形金属尖劈非渐变部分厚度为波导管壁厚的两倍。

3.根据权利要求1或者2所述的用于空间功率合成的功分喇叭天线，其特征在于所述赋形金属尖劈渐变部分为厚度逐渐减少的等腰梯形。

4.根据权利要求1或者2所述的用于空间功率合成的功分喇叭天线，其特征在于所述匹配过渡段是一个金属做的空心角锥形喇叭。

5.根据权利要求1或者2所述的用于空间功率合成的功分喇叭天线，其特征在于所述波导馈线由空心的矩形金属管构成，为一段小尺寸的标准矩形金属波导。

6.采用权利要求1所述用于空间功率合成的功分喇叭天线的天线阵列，其特征在于该天线阵列是由至少2个所述用于空间功率合成的功分喇叭天线排成阵列而组成。

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