CN103700945B - 一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置及方法，该装置包括同轴传输线（1）、圆同轴波导（8）和矩形波导（5），所述的同轴传输线（1）连接矩形波导（5）的输入端，矩形波导（5）的输出端通过矩形电容窗口（7）连接圆同轴波导（8），在圆同轴波导外壁（4）与圆同轴波导内壁（3）之间搭接两个相隔180度的短路探针（6）。利用上述装置所实现的馈电方法，能够直接通过同轴探针激励矩形波导中的TE₁₀模式信号，将TE₁₀模式信号通过矩形电容窗口过渡到圆同轴波导使其仅产生TEM模式和TE₁₁模式信号，再通过两个相隔180度的短路探针抑制TEM模式信号，从而使圆同轴波导中只存在TE₁₁模式信号。

Description

一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置及方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域,尤其涉及一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置及方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，频率复用和极化复用越来越普遍，这也要求天线实现多频段和双极化。为了实现天线的双频共用，一种经常采用的天线形式就是同轴喇叭天线。同轴喇叭天线的高频部分馈电方式较为简单，即矩形到圆形波导馈电或同轴到圆形波导馈电；而对于低频部分由于多个模式共存，馈电时要抑制TEM模式，所以一般采用等幅反向馈电方法进行馈电，利用TEM模式和TE₁₁模式信号在圆同轴波导截面上的电场分布的不同(如图4、5所示)，在图1、2所示的等幅反向馈电装置中引入功分器2结构来产生两个等幅反向信号,并通过同轴传输线1分两路将两个等幅反向信号接入圆同轴波导8的两侧同时馈电，以抑制圆同轴波导8中的TEM模式信号，使圆同轴波导8中只保留TE₁₁模式信号。但是，这样就增加了结构的复杂性，继而增加了制造成本与难度，且由于引入了功分器结构,不利于天线的驻波特性。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述等幅反向馈电方式引入功分器而造成结构复杂的技术问题，本发明提供一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置及方法，利用该同轴馈电装置及方法能够避免使用功分器，简化了馈电结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置及方法，该同轴馈电装置包括：同轴传输线、圆同轴波导和矩形波导，所述的同轴传输线连接矩形波导的输入端，矩形波导的输出端通过矩形电容窗口连接圆同轴波导，在圆同轴波导外壁与圆同轴波导内壁之间搭接两个相隔180度的短路探针。所述的圆同轴波导内仅产生TEM模式和TE₁₁模式信号。

基于上述的同轴喇叭天线的同轴馈电装置的同轴馈电方法，所述的同轴馈电方法包括：

步骤1)传输信号经同轴传输线输入矩形波导，通过同轴探针激励矩形波导生成TE₁₀模式信号；所述的同轴传输线内导体延长一小段深入矩形波导中，继而形成同轴探针，其轴线应与Te₁₀电场的电力线相平行，并置于矩形波导宽壁的中心处；

步骤2)将步骤1)中生成的TE₁₀模式信号通过矩形电容窗口过渡到圆同轴波导，并调节圆同轴波导的内外壁直径，使其工作波长满足只传输TEM模式和TE₁₁模式的传输条件，进而使圆同轴波导内仅产生TEM模式和TE₁₁模式信号；

步骤3)通过两个相隔180度的短路探针抑制步骤2)中得到的TEM模式信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤2)中的传输条件满足：使圆同轴波导中传输信号的工作波长仅小于TEM模式和TE₁₁模式的截止波长。

对于同轴喇叭天线，其传输线部分为圆同轴波导，对于圆同轴波导，其主模为TEM模式，高次模为TE模式和TM模式。而同轴喇叭天线需要的输入模式为TE₁₁模式，所以对同轴喇叭馈电就需要激励起圆同轴波导中的高次模的同时，抑制TEM模式。

利用TEM模式在圆同轴波导截面上的电场分布与TE₁₁模式的不同，一般采用相隔180度的两根同轴线进行两侧同时馈电，馈电幅度相同，馈电相位相反，这样保证在馈电截面上的电场分布与TE₁₁模式相同，而与TEM模式不同，从而抑制TEM模式。此种馈电方式，需要同轴馈线激励功分器，得到等幅反向信号，进而激励圆同轴波导。

本发明提出直接通过同轴探针激励矩形波导TE₁₀模式，从矩形波导的TE₁₀模式过渡到圆同轴波导，通过调节该圆同轴波导的内外壁直径，使其工作波长满足只传输TEM模式和TE₁₁模式的传输条件,从而使圆同轴波导内仅产生TEM模式和TE₁₁模式,再通过两个相隔180度的短路探针抑制TEM模式。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过同轴探针激励矩形波导中的TE₁₀模式信号，并通过矩形电容窗口过渡到圆同轴波导生成TE₁₁模式信号，对同轴喇叭天线单侧馈电，从而简化了同轴双侧馈电的功分器结构。

本发明的一种同轴喇叭天线的同轴馈电电路及方法的优点在于：

本发明直接通过同轴探针激励矩形波导中的TE₁₀模式信号，实现对同轴喇叭天线单侧馈电，简化了同轴双侧馈电的功分器结构；从矩形波导的TE₁₀模式信号过渡到圆同轴波导，并调节圆同轴波导的内外壁直径使圆同轴波导内仅产生TEM模式和TE₁₁模式,再通过两个相隔180度的短路探针抑制TEM模式信号，从而使圆同轴波导中只存在TE₁₁模式信号。

附图说明

图1为等幅反向同轴馈电装置的主视图。

图2为图1中所示等幅反向同轴馈电装置的侧视图。

图3为图1中所示等幅反向同轴馈电装置的结构示意图。

图4为TEM模式信号在圆同轴波导中的电场分布图。

图5为TE₁₁模式信号在圆同轴波导中的电场分布简化图(图中标注的电场线是与TEM模式电场分布不同的部分)。

图6为本发明实施例的一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置的主视图。

图7为图6所示的同轴喇叭天线的同轴馈电装置的侧视图。

图8为图6所示的同轴喇叭天线的同轴馈电装置的结构示意图。

图9为本发明实施例中的矩形波导的电路图。

图10为利用本发明的馈电方法馈电后的圆同轴波导中的电场分布图。

图11为利用本发明的馈电方法馈电后的仿真结果。

图12为利用本发明的馈电方法馈电后的仿真结果。

附图标记

1、同轴传输线2、功分器3、圆同轴波导内壁

4、圆同轴波导外壁5、矩形波导6、短路探针

7、矩形电容窗口8、圆同轴波导

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置及方法进行详细说明。

矩形波导中传输的信号为TE₁₀模式，有时为了特殊需求，引入多种模式，如后面提到的TEM模式，或者TM模式。在矩形波导中如果只能存在一种模式即TE₁₀模式，如多种，即在TE₁₀模式之外还共存其它模式；对于同轴传输线，如果只存在一种模式即TEM模式，如多种，即在TEM之外还共存其它模式。所以对于矩形波导，只要同轴传输线的传输信号在矩形波导中能够激励信号并在矩形波导中传播，即传播此信号的TE₁₀模式。同轴波导中同时存在TEM模式和TE₁₁模式，对于同轴喇叭，TE₁₁模式是所需模式，TEM需要被抑制，TEM模式和TE₁₁模式的电场分布的简单示意图如图4、5所示。

对于同轴喇叭天线，其传输线部分为圆同轴波导，对于圆同轴波导，其主模为TEM模式，高次模为TE和TM模。而同轴喇叭天线需要的输入模式为TE₁₁模式，所以对同轴喇叭馈电就需要激励起圆同轴波导中的高次模的同时，抑制TEM模式。

如图6、7所示，本发明的一种同轴喇叭天线的同轴馈电电路，该同轴馈电装置包括同轴传输线1和圆同轴波导8，所述的同轴馈电装置还包括矩形波导5，所述的同轴传输线1连接矩形波导5的输入端，矩形波导5的输出端通过矩形电容窗口7连接圆同轴波导8，在圆同轴波导外壁4与圆同轴波导内壁3之间搭接两个相隔180度的短路探针6。所述的圆同轴波导8内仅产生TEM模式和TE₁₁模式信号。

矩形波导5通过调节长和宽,用于同轴传输线1与圆同轴波导的阻抗匹配。

如图9所示，Z_in为同轴线阻抗，Z_out为同轴波导的阻抗，Z为矩形波导的阻抗，C1为同轴接头深入矩形波导部分引起的电抗，C2为矩形电容窗口引入的电抗，L为矩形波导引入的感抗，可通过调节矩形波导的长度来改变此参数。通过调节同轴传输线所连接的同轴探针深入矩形波导的长度,矩形电容窗口的尺寸,及矩形波导的长度,使电路匹配,从而得到较好的驻波比。

基于上述同轴喇叭天线的同轴馈电装置的同轴馈电方法，所述的同轴馈电方法包括：

步骤1)传输信号经同轴传输线1输入矩形波导5，通过同轴探针激励矩形波导5生成TE₁₀模式信号；所述的同轴传输线内导体延长一小段深入矩形波导中，继而形成同轴探针，其轴线应与Te₁₀电场的电力线相平行，并置于矩形波导宽壁的中心处；

步骤2)将步骤1)中生成的TE₁₀模式信号通过矩形电容窗口7过渡到圆同轴波导8，并调节圆同轴波导8的内外壁直径使其工作波长满足只传输TEM模式和TE₁₁模式的传输条件，进而使圆同轴波导8内仅产生TEM模式和TE₁₁模式信号；

步骤3)通过两个相隔180度的短路探针6抑制步骤2)中得到的TEM模式信号。

将同轴传输线内导体延长一小段深入矩形波导中，继而形成同轴探针，其轴线应与Te₁₀电场的电力线相平行，并置于TE₁₀电场最强处，即波导宽壁的中心处。

上述步骤2)中的传输条件满足：使圆同轴波导中传输信号的工作波长仅小于TEM模式和TE₁₁模式的截止波长。

如图10所示，TEM模式信号与TE₁₁模式信号的电场分布的区别在于，TME模式在短路探针6处存在电场线，而TE₁₁模式此处不存在电场线，所以发明中提出在此处放入短路探针6，强制此处电场为0，从而抑制了TEM模式。利用上述同轴馈电方法进行馈电后，圆同轴波导中的电场分布与TE₁₁模式信号相同，故TEM模式信号被抑制，不存在于圆同轴波导内。

另外，本发明的同轴馈电方法与等幅反向馈电方法存在不同，一种需要有幅度相等，相位相差180度的两路信号同时馈电，以激励TE₁₁模式信号；而本发明的同轴馈电方法只要一路信号直接馈入，省去了功分器结构。

实施例1:

在本实施例中，对同轴喇叭天线低频5.25到5.57GHz的馈电部分进行设计。在此频点，短路探针距离短路面距离L1＝12.7mm；矩形波导尺寸为L2＝40.39mm；L3＝23.4mm；探针馈电深度L4＝14.3mm；圆同轴波导外腔R＝9.5mm；内腔r＝8.5mm；另外，改变上述L1-L4的尺寸，谐振频率不同。

上述的矩形波导就是结构为四周金属电壁,中空传输信号的一种传输线,分为标准波导和非标准波导,此处为非标准波导,矩形波导不同的长宽值得到不同的阻抗。矩形波导一端短路,另一端连接电容窗口,调整此矩形波导长度可调整引入的感抗,从而调节驻波。

圆同轴波导的内外壁半径决定了圆同轴波导中传输的不同模式的波型对应的截止波长，只有当某模式的截止波长大于工作波长时，该模式的波型才能在同轴波导中传输。所以通过调节圆同轴波导的内外壁半径，使圆同轴波导中传输信号的工作波长小于TEM模式和TE₁₁模式的截止波长且大于其他高次模的截止波长，从而达到只传输TEM模式和TE₁₁模式的目的。

如图11示出了所述同轴馈电装置的驻波特性，从图中可看出在5.25GHz到5.41GHz频段内驻波比均小于1.16；如图12示出了所述同轴馈电装置的传输特性S₂₁参数，dB(S(1:1,2:1))为S₂₁传输系数，其中(1：1，2：1)表示1端口和2端口，端口1为同轴馈线端口，端口2为圆同轴波导TE₁₁模式对应的馈线端口，从图中可以看出，在5.25到5.41GHz频段内S₂₁均大于-0.06dB；由图11、12可知，利用上述设计的同轴喇叭天线的同轴馈电装置进行同轴馈电，由于采用了本发明所述的同轴单侧馈电方式，降低了传统双侧馈电有可能引入的不一致性，简化了功分器部分，降低了设计难度与加工复杂度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种同轴喇叭天线的同轴馈电装置，该同轴馈电装置包括同轴传输线(1)和圆同轴波导(8)，其特征在于，所述的同轴馈电装置还包括矩形波导(5)，所述的同轴传输线(1)连接矩形波导(5)的输入端，矩形波导(5)的输出端通过矩形电容窗口(7)连接圆同轴波导(8)，在圆同轴波导外壁(4)与圆同轴波导内壁(3)之间搭接两个相隔180度的短路探针(6)；所述的圆同轴波导(8)内仅产生TEM模式和TE₁₁模式信号。

2.基于权利要求1所述的同轴喇叭天线的同轴馈电装置的同轴馈电方法，其特征在于，所述的同轴馈电方法包括：

步骤1)传输信号经同轴传输线(1)输入矩形波导(5)，通过同轴探针激励矩形波导(5)生成TE₁₀模式信号，所述的同轴传输线内导体延长一小段深入矩形波导中，继而形成同轴探针，其轴线应与TE₁₀电场的电力线相平行，并置于矩形波导宽壁的中心处；

步骤2)将步骤1)中生成的TE₁₀模式信号通过矩形电容窗口(7)过渡到圆同轴波导(8)，并调节圆同轴波导(8)的内外壁直径使其传输信号的工作波长满足只传输TEM模式和TE₁₁模式的传输条件，进而使圆同轴波导(8)内仅产生TEM模式和TE₁₁模式信号；

步骤3)通过两个相隔180度的短路探针(6)抑制步骤2)中得到的TEM模式信号。

3.根据权利要求2所述的同轴喇叭天线的同轴馈电装置的同轴馈电方法，其特征在于，所述步骤2)中的传输条件满足：使圆同轴波导中传输信号的工作波长仅小于TEM模式和TE₁₁模式的截止波长。