CN102394375A - 一种双频宽带波纹喇叭馈源天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体公开了一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，包括输入圆波导、变模段和辐射段，输入圆波导连接至变模段，变模段连接至辐射段，其特征在于：所述输入圆波导为过模传输波导，变模段和辐射段均为圆波导波纹结构；变模段由若干单槽深变周期波纹结构组成，内壁呈渐张的喇叭状，每个波纹结构的口径不相同；辐射段由若干口径线性渐张的周期性波纹结构组成，辐射段内壁的渐张角度大于变模段的渐张角度；本发明采用简单、紧凑的结构，巧妙实现了天线双频段E面和H面方向图等化、双频段边缘照射电平、宽带多模传输、双频段共相心等技术指标，具有结构紧凑、体积小、重量轻、成本低、易加工、效率高、环境适应性好等优点。

Description

一种双频宽带波纹喇叭馈源天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种双频宽带波纹喇叭馈源天线。

背景技术

双频宽带波纹喇叭馈源具有方向图等化性好、交叉极化电平低、双频匹配特性好等优点，在通信、雷达、制导、遥测、遥感、天文及电视广播等方面有着非常广阔的应用前景。为了提高反射面天线的效率，就必须要求馈源天线具有E面和H面方向图等化、交叉极化电平低于-30dB，因此，研制一种双频宽带波纹喇叭馈源具有重要的现实意义。

目前，实现双频宽带波纹喇叭馈源的方式一般有高斯赋形光壁喇叭天线和环加载波纹喇叭两种方案。

高斯赋形光壁喇叭天线方案一般是通过对喇叭内壁赋于一定的高斯函数开关，从而实现TE₁₁模式到HE₁₁模式的转换，在口面上实现方向图的等化设计，存在双频工作频带不够宽、无法传输要求的高次模式（TE₂₁模）等缺点。

环加载波纹喇叭一般通过较为复杂的环加载波纹变模段，把输入的TE₁₁模转换成HE₁₁模，再通过线性张角的辐射段往自由空间辐射，其不足之处是加工工艺复杂，在过模传输时易产生高次模因此无法实现宽频带自跟踪，同时很难保证两个频段的相位中心处于同一位置。

发明内容

为了解决一般双频段馈源无法传输自跟踪用高次模（TE₂₁模）、高低频相位中心不重合、结构复杂、加工精度要求高等问题，本发明提供一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，可实现双频段E面和H面方向图等化、双频段边缘照射电平、宽带多模传输、双频段共相心等技术指标。

本发明的目的具体通过以下技术方案实现：

一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，包括输入圆波导、变模段和辐射段，输入圆波导连接至变模段，变模段连接至辐射段，其特征在于：所述输入圆波导为过模传输波导，变模段和辐射段均为圆波导波纹结构；变模段由若干单槽深变周期波纹结构组成，内壁呈渐张的喇叭状，每个波纹结构的口径不相同；辐射段由若干口径线性渐张的周期性波纹结构组成，辐射段内壁的渐张角度大于变模段的渐张角度。

所述输入圆波导的输入口内径必须足够大，以便传输低频段的TE₂₁模式，其口径                                                

的最小值由下式决定：

其中

为TE₂₁模式的最低工作频率在真空中的波长。

所述辐射段的线性渐张的半张角大于9°且小于18°。所述半张角是指喇叭内壁（在这里为齿的最高端）和喇叭轴所夹的角。

所述变模段的每个波纹的槽的宽度、半径和齿的宽度、半径均不相同，都是依据双频段TE₁₁模式与HE₁₁模式的转换和过模传输的需要优化设计。

所述辐射段的每个周期的波纹的槽的宽度和齿宽度均相同。

所述辐射段的波纹的齿的内壁和槽的内壁均线性渐张，以产生所需要的边缘照射电平，其线性渐张与辐射段波纹的口径线性渐张原理相同。

本发明的有益效果如下：

本发明采用“遗传算法优化设计与模式匹配法性能仿真相结合”的新型方案，对变模段波纹的槽的宽度、深度和齿宽度、高度进行优化设计，并对槽的宽度、深度和齿宽度、高度的优化范围进行限定，以便于波纹喇叭加工工艺的可实现性；方向图的优化目标为天线口面场的交叉极化特性，同时设定两个频段各模式反射系数的范围，用简单、紧凑的结构，巧妙实现了天线的双频段方向图等化、双频共相心、高次模传输、双频段边缘照射电平以及良好的匹配，降低了天线的次交叉极化电平，提高了反射面天线的效率；有效抑制了高次模式对天线方向图等化性的影响；具有双频段E面和H面方向图等化、双频段边缘照射电平、宽带多模传输、双频段共相心等优点。

附图说明

图1 是本发明的一具体实施例的整体结构示意图

图2是本发明的一具体实施例的低频段驻波结果

图3是本发明的一具体实施例的高频段驻波结果

图4是本发明的一具体实施例的TE₁₁模方向图低频段测试结果

图5是本发明的一具体实施例的TE₁₁模K频段天线相位方向图高频段测试结果

图6是本发明的一具体实施例的TE₂₁模方向图测试结果

图7是本发明的一具体实施例的TE₁₁模K频段天线相位方向图测试结果

图8是本发明的一具体实施例的TE₂₁模方向图测试结果

其中，附图标记为：1输入圆波导，2变模段，3辐射段，4变模段的槽，5变模段的齿，6辐射段的齿，7辐射段的槽，8天线辐射口径。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述，但是本发明的实施方法和要求保护的范围并不局限于此。

如图1所示，一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，包括输入圆波导1、变模段2和辐射段3三部分；输入圆波导1连接至变模段2，变模段2连接至辐射段3，8为天线辐射口径。所述输入圆波导1为过模传输波导，变模段2和辐射段3均为圆波导波纹结构；变模段2由若干单槽深变周期波纹结构组成，内壁呈渐张的喇叭状，每个波纹结构的口径不相同；辐射段3由若干口径线性渐张的周期性波纹结构组成，辐射段3内壁的渐张角度大于变模段2的渐张角度。

所述变模段2的每个波纹的槽4的宽度、深度和齿5的宽度、高度均不相同，以便在馈源口径上产生HE₁₁模，采用遗传算法优化设计并与模式匹配法性能仿真相结合的方法，对变模段2波纹的槽4的宽度、深度和齿5宽度、高度进行优化设计，并对槽4的宽度、深度和齿5的宽度、高度的优化范围进行限定，以便于波纹喇叭加工工艺的可实现性。方向图的优化目标为天线口面场的交叉极化特性，同时设定两个频段各模式反射系数的范围，并能传输低频段TE₂₁模式，把TE₂₁模转换为HE₂₁模。

所述辐射段3包括若干个口径呈线性递增的周期性圆波导波纹，每个周期的圆波导波纹的槽7的宽度和齿6的宽度均相同。

所述输入圆波导1的输入口内径必须足够大，以便传输低频段的TE₂₁模式，其口径

的最小值由下式决定：

其中

为TE₂₁模式的最低工作频率在真空中的波长。

以K/Ka双频宽带波纹喇叭馈源天线为实例进行说明，输入圆波导1的输入圆波导的半径为0.76λ，λ为中心频率对应的真空中波长；通过遗传算法结合模式匹配法优化变模段2波纹的槽4的宽度、深度和齿5宽度、高度，并对槽4的宽度、深度和齿5的宽度、高度的优化范围进行限定，以便于波纹喇叭加工工艺的可实现性。本实例中设定变模段2的槽4的宽的优化范围的最小值为1.4mm（如果按经典设计，该值会很小可能达到0.5mm），以降低对加工刀具的要求，设定齿5的宽的优化范围的最小值为0.5mm，以降低加工过程中齿的变形。使天线口径场的交叉极化电平在要求的照射角±21°（21°照射角根据不同的应用，即所照射的抛物面天线的要求而定，可大可小，可相应进行调节）范围内小于-45dB，从0°~21°范围内每3°设一个点计算其交叉极化电平，以减小运算量。设计辐射段3张角大于9°而小于18°，以便天线在两个频段内的照射电平满足-17dB~-23dB（这一指标亦可根据的抛物面天线的要求相应调整）的要求，并设定各高次模式的反射系数均小于-30dB。尤其需要注意的是，输入的某一个模式不仅仅反射为同一个模式，经过变模段2变换后反射回来还可能变换为其它模式。在本实例中，输入的TE₁₁模除往外辐射外，还被反射成TE₁₁、TM₁₁等模式，因此在设定S参数优化目标时，必须对这种反射加以限定。最后优化得出的变模段2槽4的宽度、半径和齿5的宽度、半径如表1所示，表中λ为中心频率对应的真空中波长，齿5和槽4的序号从输入端口往辐射段3方向依次增加。辐射段3的齿6的宽度均为0.05λ，槽7的宽度均为0.27λ，半张角为15.5°。

表1 变模段槽宽度、半径和齿宽度、半径

对其辐射特性进行了验证，具体如下：

a)      在双频工作频带内反射系数小于-20dB，如图2所示和图3所示；

b)      低频和方向图E面和H面等化性很好，如图4所示；

c)      高频和方向图E面和H面等化性很好，如图6所示；

d)      在±21°范围内照射电平满足-17dB~-23dB的要求，如图4和图6所示；

e)      在天线的理论相心测量的两个频段测量的方向图相位在照射角度内均小于60°，表明天线在两个频段均处于同一相心，相位曲线如图5、和图7所示；

f)        TE₂₁模两个面的方向图等化性亦很好，零深均超过-30dB，如图8所示。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，包括输入圆波导（1）、变模段（2）和辐射段（3），输入圆波导（1）连接至变模段（2），变模段（2）连接至辐射段（3），其特征在于：所述输入圆波导（1）为过模传输波导，变模段（2）和辐射段（3）均为圆波导波纹结构；变模段（2）由若干单槽深变周期波纹结构组成，内壁呈渐张的喇叭状，每个波纹结构的口径均不相同；辐射段（3）由若干口径线性渐张的周期性波纹结构组成，辐射段（3）内壁的渐张角度大于变模段（2）的渐张角度。

2.根据权利要求1所述的一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，其特征在于：所述输入圆波导（1）的输入口内径                                               的最小值由下式决定：

其中

为TE₂₁模式的最低工作频率在真空中的波长。

3.根据权利要求1或2所述的一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，其特征在于：所述辐射段（3）的线性渐张的半张角大于9°且小于18°。

4.根据权利要求3所述的一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，其特征在于：所述变模段（2）的每个波纹的槽（4）的宽度、半径和齿（5）的宽度、半径均不相同。

5.根据权利要求3或4所述的一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，其特征在于：所述辐射段（3）的每个周期的波纹的槽（6）的宽度和齿（7）宽度均相同。

6.根据权利要求5所述的一种双频宽带波纹喇叭馈源天线，其特征在于：所述辐射段（3）的波纹的齿（7）的长度和槽（6）的深度均线性渐张，其线性渐张与辐射段（3）的波纹口径线性渐张相同，辐射段（3）的齿（7）和槽（6）用于产生所需要的边缘照射电平。

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