CN101662072A - 一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线及加工方法，采用一体化一次性电铸加工成型。壳体内开有一贯通于壳体上下的内腔，该内腔自上而下由波纹内壁辐射段、圆波导延伸段、矩圆过渡波导段、矩波导延伸段组成；壳体中矩波导延伸段端口一端套接装配连接部件。本发明波纹喇叭天线通过一与内腔结构相同的内芯电铸成型，采用一体结构代替各独立部件，避免了由于各零件加工尺寸差异与装配定位误差等原因造成的内部截面变化不连续性和过渡部位平滑度恶化，降低了电压驻波比提高了天线性能；与传统分立部件方案相比还适度降低了对加工精度的要求。在天线性能、生产工艺复杂性和工时成本耗费上均有改善。

Description

一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线及加工方法

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体来说是一种工作在毫米波频段下的矩圆过渡一体化波纹喇叭天线及其加工方法。

背景技术

由于波纹喇叭天线具有降低旁瓣、提高辐射场相位与幅值对称性以及减少交叉极化的优点，在航空航天和气象遥感等工程实践中，作为重要的馈源形式得到了广泛的运用。在使用过程中，传统的波纹喇叭天线需要在含波纹内壁的扩张辐射段后通过与工作波长匹配的圆波导段，与额外配置的矩圆过渡波导圆截面端口连接，矩圆过渡波导的矩截面端口则与用于馈电的矩形波导连接，各个部分之间采用在端口处的连接部件与定位销实现装配与定位。

工作在毫米波段(50Ghz～500GHz)的波纹喇叭天线，受到当前加工工艺水准与工作状态下各部件传统装配形式的限制，加工精度误差与装配定位误差共同作用所造成的影响已不可忽略。传统的波纹喇叭天线结构在使用中将会在以下几方面受到制约：

第一、在电磁性能方面，受到各个分立器件加工精度一致性和装配组合精度的影响。波纹喇叭天线在使用中采用矩波导馈电，需要通过矩圆过渡段与波纹圆锥喇叭的圆截面端口连接。波导中传播的电磁场场量分布受到边界条件的约束，理想的工作状态要求从矩波导到矩圆过渡波导段，到圆波导再到波纹扩展辐射段端口各部分之间内部截面形态连续而缓慢的渐变；连接部位各零件间截面要求尺寸一致、同轴性好且贴合紧密，以避免不连续面反射，获得较低的驻波比。传统的方案中，采用波纹喇叭天线与矩波导段、圆波导段、矩圆过渡波导段等分立零件连接的形式，难以避免各部件件的加工尺寸差异和连接装配误差。并且由于使用过程中的重复装配拆卸，各连接端口老化损耗加剧，尺寸误差进一步增大，这一问题还将日益突出。随着天线口面直径和体积的逐渐变小，天线口面后部的各个额外连接部件引入的复杂外形结构对后向辐射等电性能的影响也更加明显。

第二、在系统的体积和重量方面，传统的波纹喇叭天线亦受到加工工艺和组合形式的影响。由于采用多个独立部件组合而成的方式，对每个独立部件分别加工，使用过程中再选取规格匹配的部件组合装配的形式，各部件间需要使用连接部件定位连接和紧固，在天线体积和质量较大时还需要额外的支架和夹具提供支撑。由此带来的额外体积和质量，在例如星载和机载设备等对重量与体积要求苛刻的运用中，将给设计工作带来更多的困难和限制。

第三、在工艺与工时方面，传统的波纹喇叭天线结构方案的机加工精度要求较高，增加了工艺的复杂程度，延长了加工工时，也降低了加工效率提高了加工成本。通常为满足系统精度要求，要严格控制各个部件连接端口处的尺寸一致性，连接部件间接触面的光洁度和垂直度，装配的同轴度。在棒状加工零件±0.01mm的直径误差下，部件之间的尺寸差异可达±0.02mm。针对WR2.2波导(0.559mm×0.2794mm)，尺寸相对误差高达7％。由于毫米波天线较小的尺寸数量级，各部件尺寸之间相对差异的影响将更加显著。在更高的工作频率更小的波长尺寸下，对加工尺寸精度要求愈甚，甚至超出了当前加工设备的能力。

发明内容

本发明针对现有波纹喇叭天线在背景技术中所述不足，提供一种矩圆过渡一体化波纹喇叭天线方案及其一体化电铸加工方法，用以改善毫米波频段下波纹喇叭天线的性能，同时减小体积与质量，降低工艺复杂度与工时耗费。

本发明一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线，采用一体化一次性电铸加工成型。

所述波纹喇叭天线壳体内开有一贯通于壳体上下的内腔，该内腔自上而下依次为波纹内壁辐射段、圆波导延伸段、矩圆过渡波导段、矩波导延伸段；各部分间截面连续，过渡平滑，为单一整体且各部分纵向中心线共线；圆波导延伸段一端与波纹内壁辐射段平滑过渡连接，且直径与波纹内壁辐射段内径相同；另一端平滑过渡连接矩圆过渡波导段，矩圆过渡波导段的内截面逐渐由圆形过渡到与矩波导延伸段截面尺寸相同的矩形后，与矩波导延伸段平滑过渡连接；

壳体下端矩波导延伸段端口套接装配有连接部件。

所述波纹内壁辐射段由间隔排列的波纹槽构成；从靠近圆波导延伸段的一端开始，波纹槽的深度由二分之一波长均匀变化为四分之一波长，并保持四分之一波长的波纹槽深度直到壳体端口面；波纹槽的宽度和间隔则在五分之一波长以内。

毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线加工方法，通过如下步骤来完成：

步骤1：设计天线内腔的结构与尺寸；

步骤2：根据步骤1所设计的天线内腔的结构与尺寸，确定电铸加工所需铝制整体内芯的结构；

内芯内自上往下可分为五个部分：波纹内壁辐射段内芯、圆波导延伸段内芯、矩圆过渡波导段内芯、矩波导延伸段内芯、加工工件夹持延伸段内芯；其中，波纹内壁辐射段内芯对应波纹内壁辐射段；圆波导延伸段内芯对应圆波导延伸段；矩圆过渡波导段内芯对应矩圆过渡波导段；矩波导延伸段内芯对应矩波导延伸段；矩波导延伸段内芯应长于矩波导延伸段3～5mm。波纹内壁辐射段内芯长于波纹内壁辐射段设计长度。

所述圆波导延伸段长度为2～4mm，截面直径为矩波导延伸段的截面对角线长度的1.1倍。

所述矩圆过渡波导段长度为波长的5～12倍。

所述矩波导延伸段长度为2～4mm。

步骤3：由高精度数控机床对铝棒进行机械加工，得到内芯；

将适当直径的铝棒在高精度数控机床上车削出加工工件夹持延伸段内芯和圆波导延伸段内芯的棒状结构；波纹内壁辐射段内芯先由高精度数控机床车削出锥台结构，再采用定制的小宽度专用刀具，在锥台结构上逐个加工出槽环，形成波纹内壁辐射段内芯结构；矩圆过渡波导段内芯先由高精度数控机床加工出略大于其外径的毛胚，再根据设计要求的各段截面尺寸打磨成截面尺寸连续平滑变化的的过渡形式；

步骤4：天线壳体毛坯的电铸成型；

将铝制电铸内芯清洗干净后，夹持住加工工件夹持延伸段内芯将步骤铝制电铸内芯整体垂直浸入硫酸铜溶液中，接通电流，当紧密附着在内芯上的金属铜厚度达到设计壳体的设计要求时，停止电铸。

步骤5：在壳体中矩波导延伸段端口一端套接装配连接部件；

步骤6：壳体外部加工；

天线壳体毛胚按设计图纸车削加工。最后腐蚀去除铝制内芯。

本发明优点在于：

1、本发明波纹喇叭天线的一体化机构，避免了各分立部件之间连接处的不连续性，截面尺寸变化平缓，过渡平滑，有益于减小反射，降低天线电压驻波比，有效提高了性能；

2、本发明波纹喇叭天线一体化的结构保证了性能稳定，避免了传统方法中由于采用多个独立部件组合而成的方式，使波纹喇叭天线在使用过程中重复拆卸装配，造成结构变形和连接精度恶化；

3、本发明波纹喇叭天线一体化结构取消了各个分离形式的零件间的连接部件、紧固件和支撑结构，天线的外部结构简洁，大大减少了所占用的重量和体积；

4、本发明波纹喇叭天线采用一体化一次性电铸加工成型，还易于控制加工误差，对机加工精度较传统分立器件方案也有所降低，减小了工序复杂度和工时成本耗费。

附图说明

图1本发明矩圆过渡一体化波纹喇叭天线整体结构剖视图；

图2本发明矩圆过渡一体化波纹喇叭天线电铸内芯结构图；

图3本发明矩圆过渡一体化波纹喇叭天线结构图；

图4本发明矩圆过渡一体化波纹喇叭天线驻波比；

图5本发明矩圆过渡一体化波纹喇叭天线3dB角处垂直与水平方向增益差。

图中：

1-壳体、2-腔体、3-连接部件、4-内芯、101-波纹内壁辐射段、

102-圆波导延伸段、103-矩圆过渡波导段、104-矩波导延伸段、

101′-波纹内壁辐射段内芯、102′-圆波导延伸段内芯、

103′-矩圆过渡波导段内芯、104′-矩波导延伸段内芯、

105-加工工件夹持延伸段内芯

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的一体化波纹喇叭天线进行详细说明。

本发明是一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线，如图1所示，所述的一体化天线为壳体1结构，所述壳体1采用一体化一次性电铸加工成型，壳体1通过连接部件3与其它设备上用于馈电的矩形波导连接。

如图1，壳体1为一体化电铸，是由金属铜构成的整体结构，壳体1内开有一贯通于壳体1上下两端的内腔2，壳体1的这种一体化的整体结构保证了内腔2导体边界的连续性，避免了传统方式采用分立部件必然在部件端口连接处产生的接触损耗，有益于减小连接错位产生的反射，降低天线电压驻波比。

所述壳体1外形为圆柱状或截面直径不等的锥台状，壳体1的外形主要取决于对应内腔2的尺寸，在保证天线整体强度的情况下，使壳体1的厚度为2～3mm，以实现更小的体积和重量。壳体1外部表面光滑，以避免在使用过程中钩挂到衣物、连接线路及其他设备。

内腔2是壳体1内部上下两端贯穿形成的空心腔体结构，自上而下分为波纹内壁辐射段101、圆波导延伸段102、矩圆过渡波导段103、矩波导延伸段104四个部分，各部分间截面连续，过渡平滑，为单一整体且各部分纵向中心线保证共线。圆波导延伸段102一端与波纹内壁辐射段101平滑过渡连接，且直径与波纹内壁辐射段101内径相同。另一端平滑过渡连接矩圆过渡波导段103，矩圆过渡波导段103与圆波导延伸段102相接的部位为圆形内截面，与矩波导延伸段104相接的部位为矩形内截面，所述的矩形内截面的截面尺寸与矩波导延伸段104内截面尺寸相同，矩圆过渡波导段103与矩波导延伸段104内截面平滑过渡连接。所述波纹内壁辐射段101为间隔排列的波纹槽。从靠近圆波导延伸段102的一端开始，波纹槽的深度由二分之一波长均匀变化为四分之一波长，并保持四分之一波长的波纹槽深度直到壳体1端口面。这种槽深形式使天线在圆波导延伸段102与波纹内壁辐射段101之间、波纹内壁辐射段101口面与开放空间之间都能实现较好的匹配和较低的损耗。波纹槽的宽度和间隔则由工作频率合理决定，一般要求在五分之一波长以内。波纹内壁辐射段101半径是变化的，一般是从靠近圆波导延伸段102的一端向喇叭天线口面逐渐扩展。张角的变化与口面直径对方向图主板宽度和增益的性能有显著的影响。波纹结构实现了H₁₁波到HE₁₁波的模式转换，从而保证了天线的低交叉极化、方向图良好对称等电性能。

所述圆波导延伸段102为圆柱结构空腔，其截面直径按照矩波导延伸段104的截面对角线长度的1.1倍确定，作为矩圆过渡波导段103与波纹内壁辐射段101之间的过渡段，圆波导延伸段102长度为2～4mm。

所述矩圆过渡波导段103的长度一般设计为波长的5～12倍，由天线的电性能与外观尺寸要求综合决定。实现矩波导延伸段104内的H₁₀波向圆波导延伸段102内的H₁₁波模式转换的同时满足了较低的损耗、驻波比等电性能要求。

所述矩波导延伸段104根据设计的工作频率范围选定矩波导延伸段104的型号和截面尺寸，这一段主要作为与其他外部设备的矩波导连接之后的延伸过渡部分，取2～4mm。

壳体1中矩波导延伸段104端口一端套接连接部件3，连接部件3与用于馈电的矩波导和其他设备连接。

一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线加工方法，以一体化结构的内芯4为模具，在内芯4表面电铸沉积铜形成壳体1，通过下述步骤来制造包含预先设计要求的天线：

步骤1：确定天线内腔2与外部壳体1结构尺寸；

选择和工作频率匹配的矩波导尺寸、圆波导直径，确定矩圆过渡波导段的长度和横截面渐变的引导线形式；根据设计指标提出的电性能要求，通过仿真实验设计天线的张角，波纹槽深度、宽度与间隔，天线总长度，口面直径等参数，从而获得内腔2的具体结构和尺寸。

步骤2：根据步骤1所设计的天线内腔2的结构与尺寸，确定电铸加工所需铝制整体内芯4的结构；

由于铝硬度适中，具有较好的加工特性，加工出的的产品表面光洁度高。而且铝的化学特性比铜活跃，可以用酸完全腐蚀去除的同时又不对化学特性更稳定的金属铜造成损害。所以整体内芯材料选用金属铝。

如图2所示，所述内芯4各部分的几何尺寸要求与所设计的一体化波纹喇叭天线内腔2结构的对应部位完全一致，并且所述内芯各段外径尺寸与内腔2的各段内径尺寸相同，内芯4两端要留有机床上工件夹持的加工余量。内芯自上往下可分为5个部分：波纹内壁辐射段内芯101′、圆波导延伸段内芯102′、矩圆过渡波导段内芯103′、矩波导延伸段内芯104′、加工工件夹持延伸段内芯105

其中波纹内壁辐射段内芯101′对应波纹内壁辐射段101；圆波导延伸段内芯102′对应圆波导延伸段102；矩圆过渡波导段内芯103′对应矩圆过渡波导段103；矩波导延伸段内芯104′对应矩波导延伸段104。所述矩波导延伸段内芯104′应较矩波导延伸段104设计长度略长3～5mm，以利于在加工过程中工件夹持，为天线外观加工时端面切削预留加工余量；同时也使得波纹内壁辐射段内芯101′应较波纹内壁辐射段101设计长度略长，尺寸以所使用机床要求为准，以利于在加工过程中工件夹持；

步骤3：由高精度数控机床对铝棒进行机械加工，得到内芯4；

将适当直径的铝棒在高精度数控机床上车削出加工工件夹持延伸段内芯105和圆波导延伸段内芯102′的棒状结构。波纹内壁辐射段内芯101′先由高精度数控机床车削出锥台结构，再采用定制的小宽度专用刀具，在锥台结构上逐个加工出槽环，形成波纹内壁辐射段内芯101′结构。矩圆过渡波导段内芯103′先由高精度数控机床加工出略大于其外径的毛胚，再根据设计要求的各段截面尺寸打磨成截面尺寸连续平滑变化的的过渡形式。最后形成一整体结构内芯4结构。

步骤4：天线壳体1毛坯的电铸成型；

将铝制电铸内芯清洗干净后，夹持住加工工件夹持延伸段内芯105将步骤2中加工完成的铝制电铸内芯整体垂直浸入硫酸铜溶液中，接通电流，使硫酸铜溶液中的铜离子在内芯外逐渐沉积，紧密附着在内芯上的金属铜越积越厚，形成毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线壳体1的加工毛胚，当金属铜附着厚度达到设计壳体1的设计要求，并保证了足够的车削加工余量时，停止电铸。完成天线壳体1的毛胚电铸工作。

步骤5：壳体1外部加工。

根据图纸要求对天线壳体1毛胚进行车削加工，提高外部表面光洁度，去除电铸过程中上下两端多余的电铸余量，完成壳体1。

步骤6：在壳体1中矩波导延伸段104端口一端套接装配连接部件3。

在对壳体1毛胚的车削机加工过程中，若事先腐蚀去掉内芯4，内腔2结构的毛胚可能在外力挤压夹持下发生变形，影响内腔2结构的准确性，并对天线的电性能造成不利影响。所以应该在对包含内芯4的实心壳体1毛胚完成所有机加工程序后，再在酸溶液中腐蚀去掉整个铝制内芯4。接着检查、清洗天线。

按照实际需要，可以对天线内表面进行镀金以进一步改善电性能。也可针对天线的实际工作环境，在天线外表面涂覆防腐材料。至此毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线加工完成。

下面通过一实施例来对本发明做进一步说明：

以2mm波长(150GHz)15dB增益标准天线为例，通过如下步骤来完成：

步骤1：确定天线内腔2与外部壳体1结构尺寸；

根据设计指标提出的电性能确定天线的张角，波纹深度，天线长度，口面直径等几何尺寸。这里天线工作中心频率决定了矩波导规格，要求满足工作波长主模传输条件。如2mm波长(150GHz)15dB增益标准天线选择WR-06波导(1.651mm×0.8255mm)，圆波导延伸段102截面直径取矩形波导段截面对角线长度的1.1倍，这里取2.09mm，矩圆过渡段103长度为波长的5～12倍，这里取14mm。

步骤2：确定电铸加工所需铝制整体内芯4的结构；

根据步骤1所设计的天线内腔2的结构与尺寸，设计出内芯4的整体结构，使波纹内壁辐射段内芯101′对应波纹内壁辐射段101；圆波导延伸段内芯102′对应圆波导延伸段102；矩圆过渡波导段内芯103′对应矩圆过渡波导段103；矩波导延伸段内芯104′对应矩波导延伸段104。在矩波导延伸段内芯104′长度比矩波导延伸段104长度长3mm，波纹内壁辐射段内芯101′应较波纹内壁辐射段101设计长度略长5mm，以利于在加工过程中工件夹持，如图2所示。

步骤3：由高精度数控机床对铝棒进行机械加工，得到内芯4；

将适当直径的铝棒在高精度数控机床上车削出加工工件夹持延伸段内芯105和圆波导延伸段内芯102′的棒状结构。波纹内壁辐射段内芯101′先由高精度数控机床车削出锥台结构，再采用定制的小宽度专用刀具，在锥台结构上逐个加工出槽环，形成波纹内壁辐射段内芯101′结构。矩圆过渡波导段内芯103′先由高精度数控机床加工出略大于其外径的毛胚，再根据设计要求的各段截面尺寸打磨成截面尺寸连续平滑变化的的过渡形式。最后形成形成一整体结构内芯4结构。

步骤4：天线壳体1毛坯的电铸成型；

按照前述加工步骤第三步将图2所示铝制电铸内芯4清洗干净，放置入金属盐溶液中进行电铸，为在重力影响下保证内芯4各部分的共轴性，需保证内芯4沿长度方向与地面垂直。当内芯4外部各部位所附着致密金属铜均达到设计要求厚度，满足一体化波纹喇叭天线外观机械加工余量要求，立即停止电铸。

步骤5：在壳体1中矩波导延伸段104端口一端套接装配连接部件3；

步骤6：壳体1外部加工；

天线壳体1毛胚按设计图纸车削加工。最后腐蚀去除铝制内芯4，得到所设计的矩圆过渡一体化波纹喇叭天线。若需要还可在内腔2表面镀金以改善热损耗等性能，或对天线外观进行防腐等处理工作。

通过上述方法，得到毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线，如图3所示。最终获得的2mm波长天线的性能，如图4所示，在150GHz±5GHz工作频段内，电压驻波比峰值低于1.03。增益幅值图圆对称性良好，如图5所示，3dB角处垂直与水平方向增益差小于0.5dB。

Claims (6)

1、一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线，其特征在于：采用一体化一次性电铸加工成型；

所述天线的壳体内开有一贯通于壳体上下两端的内腔，内腔自上而下由波纹内壁辐射段、圆波导延伸段、矩圆过渡波导段、矩波导延伸段组成，各部分间截面连续，过渡平滑，为单一整体且各部分纵向中心线共线；圆波导延伸段一端与波纹内壁辐射段平滑过渡连接，且直径与波纹内壁辐射段内径相同；另一端平滑过渡连接矩圆过渡波导段，矩圆过渡波导段的内截面逐渐由圆形过渡到与矩波导延伸段截面尺寸相同的矩形后，与矩波导延伸段平滑过渡连接；

壳体下端矩波导延伸段端口套接装配有连接部件，该连接部件用来与其他设备上用于馈电的矩形波导连接。

2、如权利要求1所述一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线，其特征在于：所述波纹内壁辐射段由间隔排列的波纹槽构成；从靠近圆波导延伸段的一端开始，波纹槽的深度由二分之一波长均匀变化为四分之一波长，并保持四分之一波长的波纹槽深度直到壳体上端口面；波纹槽的宽度和间隔则在五分之一波长以内。

3、如权利要求1所述一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线，其特征在于：所述圆波导延伸段长度为2～4mm，截面直径为矩波导延伸段的截面对角线长度的1.1倍。

4、如权利要求1所述一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线，其特征在于：所述矩圆过渡波导段长度为波长的5～12倍。

5、如权利要求1所述一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线，其特征在于：所述矩波导延伸段长度为2～4mm。

6、一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线加工方法，其特征在于：通过6个步骤来完成：

步骤1：设计天线内腔的结构与尺寸；

步骤2：根据步骤1所设计的天线内腔的结构与尺寸，确定电铸加工所需铝制整体内芯的结构；

内芯内自上往下可分为5个部分：波纹内壁辐射段内芯、圆波导延伸段内芯、矩圆过渡波导段内芯、矩波导延伸段内芯、加工工件夹持延伸段内芯；其中，波纹内壁辐射段内芯对应波纹内壁辐射段；圆波导延伸段内芯对应圆波导延伸段；矩圆过渡波导段内芯对应矩圆过渡波导段；矩波导延伸段内芯对应矩波导延伸段；

步骤3：由高精度数控机床对铝棒进行机械加工，得到内芯；

将适当直径的铝棒在高精度数控机床上车削出加工工件夹持延伸段内芯和圆波导延伸段内芯的棒状结构；波纹内壁辐射段内芯先由高精度数控机床车削出锥台结构，再采用定制的小宽度专用刀具，在锥台结构上逐个加工出槽环，形成波纹内壁辐射段内芯结构；矩圆过渡波导段内芯先由高精度数控机床加工出略大于其外径的毛胚，再根据设计要求的各段截面尺寸打磨成截面尺寸连续平滑变化的的过渡形式；

步骤4：天线壳体毛坯的电铸成型；

将铝制电铸内芯清洗干净后，夹持住加工工件夹持延伸段内芯将铝制电铸内芯整体垂直浸入硫酸铜溶液中，接通电流，当紧密附着在内芯上的金属铜厚度达到壳体毛坯的设计要求时，停止电铸；

步骤5：在壳体中矩波导延伸段端口一端套接装配连接部件；

步骤6：壳体外部加工；

天线壳体毛胚按设计图纸车削加工。最后腐蚀去除铝制内芯。

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