CN103545615A - 一种新型低频圆锥波纹透镜喇叭天线及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，包括馈电装置、波纹喇叭装置、透镜装置，所述波纹喇叭装置由多个圆锥波纹模块组合而成。本发明还公开了喇叭天线的加工方法；降低了天线加工难度、加工周期和加工成本，更使得成品率大大提高；解决了直接整体圆锥波纹喇叭天线的难题；在圆锥体波纹模块分节连接处设计成螺纹拧接的思路，方便地解决了波纹模块分节的连接；解决了分节连接螺纹表面因时间变化造成的导电体腐蚀从而使表面形成了一层氧化膜而导致接触面导电性能变差进而影响天线辐射性能的问题；解决了分节连接螺纹因时间久远造成的互相粘接而导致不方便多次连接的问题；波纹模块分节的连接变得更为容易、性能更为可靠。

Description

一种新型低频圆锥波纹透镜喇叭天线及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种低频波纹透镜喇叭天线，尤其涉及一种由多个圆锥波纹模块分段组成的新型低频圆锥波纹喇叭透镜天线及其加工方法。 

背景技术

波纹透镜喇叭天线是一种混合模喇叭，又称之为标量馈源天线或者标准喇叭天线，因为在波纹喇叭壁上嵌入了深度近似为工作波长1/4倍的波纹槽，使得它具有很好的轴对称等化性方向图，各辐射面具有几乎重合的近似相位中心，各辐射面的方向图和相位中心位置与口径电场取向无关，并且其交叉极化电平与副瓣都很低。 

圆锥波纹喇叭天线最适用于用作当代各类高性能天线的照射器，诸如抛物面天线或者卡塞格伦天线的馈源，在星载某些型号的有效载荷发射率研究中也起着非常关键的作用。 

因为在光滑的喇叭壁上嵌入了根据应用性能设计的波纹槽（包括普通槽、L型加载槽、T形加载槽、V形加载槽或者双槽深波纹槽），使得圆锥波纹喇叭天线的生产变得较为困难；传统的设计、加工方法是将天线分为两部分加工生产，一部分是馈源部分（包括馈电同轴与馈电波导之间的转换）的生产，另一部分是圆锥波纹喇叭天线整体的生产，分别生产完毕后，两者再一体化连接。 

但随着工作频率的降低，譬如低至L、S波段频率甚至更低的低频圆锥波纹喇叭天线，当要求满足一定的辐射功率增益要求时，天线口径与轴向长度尺寸不可避免地变得很大，在同时保证天线结构强度的情况下，天线壁也变得较厚，使得重量也变得非常重，一旦天线成形将不能对它变换形状，更不能拆分，所 以使得随后的天线的包括测试、操作、运输变得异常困难。 

另外，波纹喇叭最难机械加工的部分是喉部区，当喇叭的波纹部分的内径大约仅为一个波长时，在喉部区要求的深约λ/2的槽，限制了能够伸入喇叭内的切槽杆的尺寸和形状。尤其是当槽的宽度很窄(几个mm)时，问题就更大。在这种情况下，切削刀具受到金属材料的阻力而使槽壁变形或使槽壁和槽底表面不平。任何一个微小的误差都可能使整个喇叭报废。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型的可由多个圆锥波纹模块组合而成的新型低频圆锥波纹喇叭透镜天线。 

本发明要解决另一个的技术问题是提供一种低频圆锥波纹喇叭透镜天线的加工方法。 

为了解决上述问题，本发明采用如下的技术方案： 

一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，包括馈电装置、波纹喇叭装置、透镜装置，其特征在于所述波纹喇叭装置由多个圆锥波纹模块组合而成。 

为使波纹喇叭的偏振分量足够的小，通常波纹齿厚要远小于四分之一波长(例如，对波长100mm波纹喇叭，其齿厚为4.01mm)，而为了达到所需要的高增益，譬如21dB，天线口径直径达到390mm，同时为了达到性能要求的波束宽度优良等化性，不包括馈电波导的天线波纹喇叭段长度就达到560mm。如果工作频率更低，诸如L波段海洋天线，天线尺寸势必更大，机械整体加工将变得十分困难。另外，对主喇叭段来说，传输的混合模式是一定的。要保持传输混合模相同，则各波纹槽和波纹齿的尺寸精度要严格保持一致，以防止由于各个波纹槽的槽宽、槽距、槽深的加工误差激励其他混合模而影响电特性。而波纹模块组装法在工艺上、技术上能够完善地满足天线设计要求。 

国家圆形波导有关规范GB 11450.4—89(IEC 153-4—1973) 

表1.波导尺寸的直径、直径偏差、壁厚、偏心度、及其偏差如下表规定： 

波纹模块组装法圆锥透镜天线制造加工技术和特点： 

1）波纹喇叭材料 

铝由于重量轻，因而大多采用它作为喇叭的材料，本发明也采用铝材表面氧化制造。 

2）波纹模块分段加工然后再组装 

波纹喇叭最难机械加工的部分是喉部区，当喇叭的波纹部分的内径大约仅为一个波长时，在喉部区要求的深约λ/2的槽，限制了能够伸入喇叭内的切槽杆的尺寸和形状。尤其是当槽的宽度很窄(几个mm)时，问题就更大。在这种情况下，切削刀具受到金属材料的阻力而使槽壁变形或使槽壁和槽底表面不平。任何一个微小的误差都可能使整个喇叭报废，因此在加工喉部区时要求十分注意。 

一个解决上述问题的方法就是将喇叭分成几个波纹模块部分制造然后组装起来。但缺点是需要增大喇叭外径以设置连接固紧机构，因而也增加了重量。在采用这种方法时，需注意以下问题; 

（1）分段加工时，每一段的端部要求平直且垂直于喇叭轴线，以避免喇叭可能产生的微小弯曲，由此而激发水平相关波形。 

（2）各组成部分的联接要求牢固并保证联接处间隙满足性能要求：联接处的间隙将导致断续电流而破坏槽中的电场。为此，可在联接部分间采用薄层导电膏，以保证联接部分间隙的电密封。 

表2.新型低频圆锥波纹透镜喇叭天线生产指标 

表2中的实物偏差高于表1的国家圆形波导有关规范。 

3）波纹模块分段的连接 

由于导电材料所处的环境中空气的氧化和腐蚀性气体、尘埃、水分等不利因素对电气连接的导电体的腐蚀作用，使导电体表面形成了一层氧化膜，本发明在波纹模块分段的连接处有效涂抹着这种导电膏，导电膏又叫电力复合脂，它有良好的导电特性，把它涂敷在导体电接触面上，可以有效地减少接触电阻，降低电气接头的温升使得波纹模块分段接头之间具有良好的电器导通性。 

涂敷导电膏时，应在无尘土飞扬且无凝露并保持干燥的环境中进行，以确保涂敷的质量。 

本发明采用的是志坚DG-8型或者埃科EC20-2型可动电接触型导电膏。 

本发明的可由下面加工方法得到：在馈电装置、波纹喇叭装置、透镜装置及组装等步骤中，其特征在于包括以下步骤： 

步骤1，将波纹喇叭装置分段加工成多个圆锥波纹模块； 

步骤2，在圆锥波纹模块侧壁预留螺孔，并在螺孔上拧上借力螺钉； 

步骤3，在波纹模块分段的连接处涂抹导电膏； 

步骤4，通过借力螺钉将圆锥波纹模块依次进行螺纹连接。 

步骤5，在对天线进行某个主平面辐射性能测试后，如果要测试另一个主平面的辐射性能，不需要重新安装发射天线与接收天线，也不需要重新调试其中心对准轴，只需要将图7“天线同轴波导馈电转换端视图”所示的8个m3固定 螺钉G逆时针（或者顺时针）旋转90°，而如图8所示圆锥波纹模变换段、图9所示的圆锥波纹模辐射段因为生产的保证，具有高度的等同性。而此时因为天线的固定结构未曾发生改变，所以发射天线与接收天线的中心对准轴仍然是处于最大发射功率对准轴，可以按测试方法要求继续测试。 

所述步骤1中将每个圆锥波纹模块端部加工为平直且垂直于喇叭轴线。 

所述步骤2中借力螺钉的直径大于m4。 

所述步骤3中导电膏为志坚DG-8型或者埃科EC20-2型可动电接触型导电膏。 

所述步骤5的固定螺钉的直径是m3。 

所述透镜装置包括透镜和透镜安装辅助板，在透镜周边均匀预留通孔，通孔分别与透镜安装辅助板和圆锥波纹模块最大开口端对应，通过螺钉和透镜安装辅助板将透镜连接到圆锥波纹模块上。 

采用这种结构后，当工作频率降低，譬如低至L、S波段频率甚至更低时，这些低频率圆锥波纹喇叭、主波束宽度主平面高对称性天线，即使为了保证辐射功率时的高增益要求也就是天线口径与轴向长度尺寸都变得很大时，也能使得天线的生产难度降低了许多，特别是波纹喇叭最难机械加工的喉部区域也变得较为容易。同时因为天线结构采取了多个波纹模块部分制造然后组装的方法，使得天线的组装、使用时一个人也完全能够解决，包括以前大尺寸、大重量该型天线的远距离运输问题，也避免了需要多人搬运以及占用较大空间以至对运输工具的要求。更为主要的是通过不同数量波纹模块的组合加上对应尺寸满足设计要求的头颈就可以地得到一种新型的天线。 

由圆锥体波纹模块分节设计、生产组装代替传统圆锥波纹喇叭天线整体加工模式，降低了天线加工难度、加工周期和加工成本，更使得成品率大大提高。 

先制作圆锥体波纹模块分节，解决了直接整体圆锥波纹喇叭天线的难题。 

在圆锥体波纹模块分节连接处设计成螺纹拧接的思路，方便地解决了波纹模块分节的连接。 

在圆锥体波纹模块分节连接螺纹拧接处使用可动电接触型导电膏，解决了分节连接螺纹表面因时间变化造成的导电体腐蚀从而使表面形成了一层氧化膜而导致接触面导电性能变差进而影响天线辐射性能的问题。 

分节连接螺纹拧接处使用可动电接触型导电膏，也解决了分节连接螺纹因时间久远造成的互相粘接而导致不方便多次连接的问题。 

圆锥体波纹模块分节助力转动螺钉的设计，使得波纹模块分节的连接变得更为容易、性能更为可靠。 

附图说明

图1为传统圆锥波纹喇叭天线示意图：(a)为天线轴线剖面视图，(b)为右视图； 

图2为新型圆锥波纹喇叭天线示意图：（a）为轴线剖面视图，（b）为右视图； 

图3为圆锥体波纹模块分节示意图：（a）为正视图，（b）为右视图，（c）为助力螺钉与分节连接示意图； 

图4为圆锥体波纹模块分节连接示意图：（a）为分节连接，（b）为借力螺钉与模块分节旋转连接； 

图5为新型圆锥波纹喇叭天线透镜：（a）为透镜前视图，（b）为透镜右视图，（c）为透镜安装辅助板； 

图6为新型圆锥波纹喇叭天线实例； 

图7为天线同轴波导馈电转换示意图：（a）为端视图，（b）为正视图； 

图8为圆锥波纹喇叭天线模转换段示意图； 

图9为圆锥波纹喇叭天线辐射段示意图； 

图10为圆锥波纹喇叭天线透镜安装段示意图。 

具体实施方式

1、传统圆锥波纹喇叭天线 

如图1所示的天线一旦生产完毕成形后，其组成部分A、B、C三部分，除了透镜C部分可拆卸外，A、B是不能拆卸的，在较低频率、较高增益时天线的尺寸必然较大，使得随后的使用操作，包括外场测试时的运输变得不方便甚至非常困难。 

2、新型圆锥波纹喇叭天线 

本发明的目的是解决圆锥波纹喇叭透镜天线低频段、较高增益在生产完成后使用、运输的困难问题，如图2所示。 

该图中，天线仍由A、B、C三部分组成。 

A部分为馈电部分，包含关键的同轴波导转换部分，该部分与后续的圆锥波纹喇叭部分通过8个m3固定螺钉G相连接，螺钉之间的角度为45°，正好是360°角被8个固定螺钉平均分配，其好处之一是使得关键的同轴波导转换部分变得交易生产，减少了加工难度，进而在同样加工工具的条件下保证了加工的精度，从而也保证了天线的设计性能；其好处之二是天线生产完毕后进行天线主平面辐射性能测试时——包括主平面辐射方向图宽度的等化性测试以及主平面之间的交叉极化性能测试，主平面的变换变得极为简单，抛弃了传统更换主平面的麻烦安装方法——必须对发射天线与接收天线分别旋转90°、然后再进行繁琐的最大方向寻找，既浪费宝贵的研究时间，还造成两个主平面最大辐射方向位置的不等同性。使用本发明图7所示的“天线同轴波导馈电转换端视图”中的设计方法，只需要在一个主平面辐射性能测试完成后，将该图所示的8个m3固定螺钉G逆时针（或者顺时针）旋转90°，就可以在保证两个主平面最大辐射位置保持不变的情况下轻易找到第2个主平面的最大辐射方向，进而完成需要的测试。 

Bi（i=0，1，2…）部分为圆锥体波纹模块分节，B0为该部分的第一分节， 它与馈电部分A通过传统方式相连接，它是圆锥波纹喇叭的模变换段，将馈电圆波导的传输主模H₁₁模经过若干个波纹齿后转换成圆锥波纹喇叭的辐射主模HE₁₁模，该阶段的模变换波纹齿数目与使用性能包括频带宽度、工作频率、工作频段有关，一般取值范围为5~12之间。本发明主要针对某星载型号的特殊应用，选择了5个模变换波纹齿数，既保证了型号需求，也减少了加工难度、精度的要求，如图8所示。图8所示的波纹齿深度h由下述公式(1)计算、波纹齿之间距离p的取值范围为λ_c/10≤p≤λ_c/5、波纹槽宽度w根据满足设计要求时的天线轴向长度内的波纹齿数决定。 

$h_i=\{\mathrm{\σ}-\frac{i-1}{N_{\mathrm{MC}}}[\mathrm{\σ}-\frac{1}{4}{e}^{\frac{1}{2.114{\left(k_c{a}_i\right)}^{1.334}}}\left]\right\}{\mathrm{\λ}}_c---\left(1\right)$

其中，i为波纹齿数顺序号，k_c为中心波长传播常数，a_i为波纹齿对应处波纹圆锥喇叭内半径，N_MC为模变换段总齿数，σ为辅助常数，其取值范围为0.4≤σ≤0.5，本发明取值0.42。 

本发明的模变换段波纹齿参数分别为如下表所示： 

表3.新型低频圆锥波纹透镜喇叭天线模变换段波纹齿参数 

波纹齿数号	1	2	3	4	5
						波纹齿深h(mm)	42.15	38.74	35.32	31.91	28.5
波纹齿距p(mm)	20.07	20.07	20.07	20.07	20.07
						波纹槽宽w(mm)	16.06	16.06	16.06	16.06	16.06

图9、图10示出了圆锥波纹模辐射段的示意图，模辐射段是圆锥波纹喇叭完成了从圆波导的传输主模H₁₁模经过若干个波纹齿达到稳定的辐射平衡HE₁₁模，进而完成天线的辐射性能。该波纹段的波纹数目22个，波纹齿深度H=25.09mm，其计算公式为 

为波纹圆锥喇叭传播常数的校正 因子，波纹齿之间距离P=20.07mm、波纹槽宽度W=16.06mm。 

圆锥体波纹模块Bi之间可以方便地借助辅助螺钉D通过旋转方式连接，下文将予论述；C部分为透镜部分，通过螺钉与部件F将其连接到需要的圆锥体波纹模块Bn（n表示i的最大值，也即是新型圆锥波纹喇叭天线的最大开口端）上。A、B、C三部分度可以拆卸并重新组装，重新组装后按需要可以得到新的不同性能的圆锥波纹喇叭透镜天线。 

3、圆锥体波纹模块分节 

图3是圆锥体波纹模块分节示意图。其中Ci对应圆锥体波纹模块分节Bi，Ci为Bi的螺纹扣，每个Bi的螺纹扣都可以与其前面的模块分节Bi-1通过Ci相连接，连接方式如图5所示借助部件Di借力旋转连接，Di是诸如直径大于m4的螺钉。 

4、圆锥体波纹模块分节连接 

如8.3所述，圆锥体波纹模块分节Bi之间可以通过借力螺钉Di（与分节Bi上面预留的对应螺钉孔凝接）分别与Bi-1、Bi+1相连接。旋转方向如图4(b)所示。 

5、透镜 

图5新型圆锥波纹喇叭天线透镜示意图，(a)图所示的透镜周边均匀分布根据强度要求预留的Φ*通孔E，用于下图中(c)透镜安装辅助板将透镜安装在新型圆锥波纹喇叭天线的开口端Bn上。 

如上所述，本发明除了解决使用操作与外场测试时的运输不方便困难之处外，还可以通过重新组装后可以得到新的不同性能的圆锥波纹喇叭透镜天线，此时要求针对所要求性能对应的圆锥波纹喇叭天线开口端配备对应尺寸的另外透镜，即该透镜与对应的圆锥波纹喇叭终端开口面具有匹配的尺寸，通过对应 的Fi板与天线相连接。 

6、新型圆锥波纹喇叭天线实例 

图6是应用本项技术设计生产的S波段实际天线，该型天线经实测后频率2.8GHz～3.6GHz范围内驻波系数小于1.5，增益≥20dB。 

Claims (19)

1.一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，包括馈电装置、波纹喇叭装置、透镜装置，其特征在于所述波纹喇叭装置由多个圆锥波纹模块组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述的每个圆锥波纹模块端部平直且垂直于喇叭轴线，模块之间螺纹顺次连接。

3.根据权利要求2所述的一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述馈电装置与圆锥波纹模块通过8个固定螺钉连接，固定螺钉之间的角度为45°。

4.根据权利要求3所述的一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述与馈电装置相连接的圆锥波纹模块的波齿数为5~12，波齿之间的距离范围是1/10到1/5个中心波长，波齿深度由公式确定；后续的圆锥波纹模块的波齿数为22，波纹齿深度计算公式为

为波纹圆锥喇叭传播常数的校正因子；波纹齿之间距离P=20.07mm、波纹槽宽度W=16.06mm。

5.根据权利要求4所述的一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述圆锥波纹模块侧壁预留有螺孔，螺孔上拧有借力螺钉。

6.根据权利要求4所述的一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述借力螺钉的直径大于m4，所属固定螺钉的直径是m3。

7.根据权利要求4所述的一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述波纹模块分段的连接处涂有导电膏。

8.根据权利要求4所述的一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述导电膏为志坚DG-8型或者埃科EC20-2型可动电接触型导电膏。

9.根据权利要求1所述的一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述透镜装置包括透镜和透镜安装辅助板，所述透镜周边均匀分布预留的通孔，通孔分别与透镜安装辅助板和圆锥波纹模块最大开口端对应，通过螺钉和透镜安装辅助板将透镜连接到圆锥波纹模块上。

10.根据权利要求1~9所述的任意一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线，其特征在于所述波纹喇叭装置为铝材表面氧化制造。

11.一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，包括加工馈电装置、波纹喇叭装置、透镜装置并组装等步骤，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，将波纹喇叭装置分段加工成多个圆锥波纹模块；

步骤2，在圆锥波纹模块侧壁预留螺孔，并在螺孔上拧上借力螺钉；

步骤3，在波纹模块分段的连接处涂抹导电膏；

步骤4，通过借力螺钉将圆锥波纹模块依次进行螺纹连接。

步骤5，进行天线主平面辐射性能测试。

12.根据权利要求11所述一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，其特征在于所述步骤1中将每个圆锥波纹模块端部加工为平直且垂直于喇叭轴线。

13.根据权利要求11所述一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，其特征在于所述步骤1中馈电装置与圆锥波纹模块通过8个固定螺钉连接，固定螺钉之间的角度为45°。

14.根据权利要求11所述一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，其特征在于所述步骤1中与馈电装置相连接的圆锥波纹模块的波齿数为5~12，波齿之间的距离范围是1/10到1/5个中心波长，波齿深度由公式

确定；后续的圆锥波纹模块的波齿数为22，波纹齿深度计算公式为

为波纹圆锥喇叭传播常数的校正因子；波纹齿之间距离P=20.07mm、波纹槽宽度W=16.06mm。

15.根据权利要求11所述一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，其特征在于所述步骤2中借力螺钉的直径大于m4。

16.根据权利要求11所述一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，其特征在于所述步骤5中借力螺钉的直径是m3。

17.根据权利要求11所述一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，其特征在于所述步骤3中导电膏为志坚DG-8型或者埃科EC20-2型可动电接触型导电膏。

18.根据权利要求11所述一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，其特征在于所述步骤5中包括主平面辐射方向图宽度的等化性测试以及主平面之间的交叉极化性能测试，测试时将所属8个固定螺钉逆时针（或者顺时针）旋转90°，保证在两个主平面最大辐射位置保持不变的情况下找到第2个主平面的最大辐射方向，进而完成需要的测试。

19.根据权利要求11~18所述的任意一种低频圆锥波纹透镜喇叭天线加工方法，其特征在于透镜装置包括透镜和透镜安装辅助板，在透镜周边均匀预留通孔，通孔分别与透镜安装辅助板和圆锥波纹模块最大开口端对应，通过螺钉和透镜安装辅助板将透镜连接到圆锥波纹模块上。

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