CN103779663B - 双频正交极化高隔离度喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频正交极化高隔离度喇叭天线，包括圆锥喇叭，在喇叭上设置有两个相互垂直的高频馈电端口和低频馈电端口，在高频馈电端口和低频馈电端口分别设置有方波导进行馈电，所述的方波导与所述的高频馈电端口和低频馈电端口进行过渡连接，其中低频馈电端口水平设置并与水平设置的方波导连接，高频馈电端口竖直设置并与竖直设置的方波导连接，在所述的喇叭的水平侧壁上设置有对穿小孔，小孔的位置设置在水平波导的中心线上，在所述的对穿小孔内设置有金属长销，在所述的竖直设置的波导上设置有调配螺钉。本发明的双频正交极化高隔离度喇叭天线，结构简单使用方便，性能优越，适用于毫米波气象雷达，且结构相对简单，加工较容易实现。

Description

双频正交极化高隔离度喇叭天线

技术领域

本发明属于喇叭天线以及面天线溃源领域，特别涉及一种双频正交极化高隔离度喇叭天线。

背景技术

气象与人民的生活息息相关。我国气象灾害发生频繁，对人们的生产、生活影响较大，人们日益认识到气象信息资源对经济社会发展的重要性。气象信息对许多社会经济部门的发展和人民生活都有很大贡献。云在天气系统发展、降水形成和大气辐射传输等物理过程以及国民经济的许多领域中都扮演着极其重要的角色。目前，云已经成为全球气候模型中最重要的也是最难确定的气象要素之一。云、雨分布、特性及其演化运动过程的监测对于研究全球气候变化和进行天气预报具有非常重要的作用。因此，对云的探测显得特别重要。

云的研究工作复杂而又庞大，从宏观的云量、云状、云高、云速探测到微观云粒子物理、化学、光学、辐射特性等的研究一直是云研究的重点。对于云及其辐射特性的观测和研究一直比较缺乏。目前主要常用的气象雷达分为晴空风廓线雷达和新一代天气测雨雷达。我国最常用的是新一代天气测雨雷达。该雷达主要用于监测和预警强雷暴等灾害性天气，如果要探测云，则需要较高的传输功率和配置较大的天线，即便这样，由于使用的是厘米波，存在着譬如地物遮挡、特定的探测条件等使用问题。风廓线雷达的工作波长达到6m，它探测晴空风场的能力以及对于降水云结构的观测能力都很好，但是探测云的能力相当有限。因此，尽管这两种雷达在某些情况下可以提供有关云的信息，但是时间分辨率和空间分辨率都很低，不足以给出详细的云结构，不能准确反映时刻变化的云参数信息。所以它们不适合专门用来观测和研究云的宏微观特性。而毫米波雷达的工作波长在毫米波段，它是利用云粒子对电磁波的散射特性，通过对云的雷达回波分析了解云的各种特性，云的回波参数反映了云的宏观和微观结构。

在毫米波频段，电子能量在大气中传播时与大气中悬浮微粒以及含水物质的相互作用比微波频段的相互作用强的多，这些相互作用的机理主要是吸收、散射和折射。而毫米波测云雷达原理的正是基于大气中的悬浮粒子对电磁波所产生的后向散射。影响毫米波传播的主要气体是氧分子和水蒸气。这些气体的谐振将在毫米波频段产生选择性吸收和散射。氧分子谐振引起的吸收峰出现在60GHz和120GHz附近；水蒸气引起的吸收峰出现在220GHz和183GHz附近，在整个毫米波频段有4个传播衰减较小的大气“窗口”，其中心频率分别在35GHz、94GHz、140GHz和220GHz附近，可用带宽分别在15GHz、20GHz、25GHz、60GHz左右。可以看出，任何一个毫米波窗口的可用带宽几乎都包含了厘米波频段的整个频段。这些宽频带的利用十分有利于雷达目标探测与识别的开发应用。毫米波的特性决定了毫米波雷达具有波长短、频带宽、体积小、重量轻、机动性能好等特点。在同样天线口径下，毫米波雷达具有以下优点：易于实现窄波束、低副瓣、高增益，在目标识别上能提供良好的精度和分辨力；能提高低角探测的精度，有效抑制多路径效应和杂波干扰；窄波束还可提高雷达系统抗干扰能力。

双频正交极化天线作为一种接收和发射电磁波的设备，是整个毫米波雷达系统中的一个关键部件。这种天线集合了双频天线和正交极化天线的优点，不仅能大大提高天线的性能，而且减少了通信系统所需天线的数目，很大程度上能降低系统的成本。然而双频正交极化天线在研究和设计上有较大的困难与挑战：一方面要求天线具有双频特性，且每个频带又要求一定的带宽。另一方面对天线的每个频段还提出了极化的要求，要么是不同的频段工作于不同的极化特性，要么每个频段都要具有正交极化的特性，而且要求具有较高的隔离度。目前都采用微带耦合馈电、多层贴片结构和正交模耦合器实现双频正交极化。

但是，对于微带天线，本身存在端口隔离度差，增益较低，不适用于大型反射面天线的馈源；而正交模耦合器往往内部结构复杂，尤其对于毫米波波段，器件尺寸小，器件难以加工，成本较高，且复杂的内部结构易导致后期使用与测试过程中存在较多的不稳定因素，影响器件的整体性能。因此有必要设计一种用于毫米波波段、高增益、较易加工的双频正交极化高隔离度喇叭天线。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种双频正交极化高隔离度喇叭天线。

为解决上述问题，本发明采用的方法是：一种双频正交极化高隔离度喇叭天线，包括圆锥喇叭，在喇叭上设置有两个相互垂直的高频馈电端口和低频馈电端口，在所述的高频馈电端口和低频馈电端口分别设置有方波导进行馈电，所述的方波导与所述的高频馈电端口和低频馈电端口进行过渡连接，其中低频馈电端口水平设置并与水平设置的方波导连接，高频馈电端口竖直设置并与竖直设置的方波导连接，在所述的喇叭的水平侧壁上设置有对穿小孔，小孔的位置设置在水平波导的中心线上，在所述的对穿小孔内设置有金属长销，在所述的竖直设置的波导上设置有调配螺钉。

作为本发明的一种改进，所述的双频正交极化高隔离度喇叭天线还包括一个外部壳体，在外部壳体上设置有一个与水平波导连接的法兰以及一个与竖直波导连接的法兰。

作为本发明的一种改进，所述的调配螺钉一端与竖直设置的波导相连接，另一端伸出所述的外部壳体，并可通过伸出外部壳体的部分调节。

有益效果：

本发明的双频正交极化高隔离度喇叭天线，结构简单使用方便，性能优越，端口隔离度高频高于40dB，低频高于100dB，增益低频大于10dB，高频大于20dB，电压驻波比优于1.2，适用于毫米波气象雷达，且结构相对简单，加工较容易实现。

附图说明

图1是双频正交极化高隔离度喇叭天线结构示意图；

图2是双频正交极化高隔离度喇叭天线外部装配图；

图3是可通过外部调节的调配螺钉结构示意图；

图4是喇叭天线装配图沿与水平波导宽边平行的中心线剖分的A部分剖面图；

图5是该喇叭天线装配图沿与水平波导宽边平行的中心线剖分的B部分剖面图；

图6是该双频正交极化高隔离度喇叭天线的仿真S参数曲线在Ka波段的参数图；

图7是该双频正交极化高隔离度喇叭天线的仿真S参数曲线在W波段的参数图；

图8是该双频正交极化高隔离度喇叭天线的电压驻波比在Ka波段曲线图；

图9是该双频正交极化高隔离度喇叭天线的电压驻波比在W波段曲线图；

图10是该双频正交极化高隔离度喇叭天线35GHz的增益方向图；

图11是该双频正交极化高隔离度喇叭天线94GHz的增益方向图；

图12是圆锥喇叭接正交矩形波导结构参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所述的一种双频正交极化高隔离度喇叭天线，包括圆锥喇叭5，在喇叭上设置有两个相互垂直的高频馈电端口和低频馈电端口，在所述的高频馈电端口和低频馈电端口分别设置有方波导进行馈电，所述的方波导与所述的高频馈电端口和低频馈电端口进行过渡连接，其中低频馈电端口水平设置并与水平方波导2连接，高频馈电端口竖直设置并与竖直方波导1连接。

在所述的喇叭的水平侧壁上设置有对穿小孔，小孔的位置设置在水平波导1的中心线上，在所述的对穿小孔内设置有金属长销3，在所述的竖直方波导1上设置有调配螺钉4。

所述的双频正交极化高隔离度喇叭天线还包括一个外部壳体如图2所示，在外部壳体上设置有一个与水平波导2连接的法兰以及一个与竖直波导1连接的法兰。

进一步地，所述的调配螺钉4一端与竖直波导1相连接，另一端伸出所述的外部壳体，并可通过伸出外部壳体的部分调节，调配螺钉4的结构示意图如3所示。

下面结合具体的数值对本发明作进一步地说明，本发明的实施例以毫米波气象雷达资料最常用的两个窗口频段，35GHz（8.6mm）和94GHz（3.2mm）进行说明。

本实施例中水平方波导2采用WR-28波导，其宽边长度为7.112mm，窄边长度为3.556mm；竖直波导1采用WR-10波导，宽边长度为2.54mm，窄边长度为1.27mm。

图12是该馈源圆锥喇叭接正交矩形波导结构参数示意图。其主要参数有口面直径D、喇叭锥高L。圆锥喇叭的口径D根据式

(1)

为-10dB波瓣宽度。为了确保低频35GHz获得足够增益，计算时理应取=8mm；但是，对于高频94GHz，喇叭口径越大，必然导致方向图波瓣宽度越窄，从而加载抛物面后，边缘照射电平较低，口径场分布不均匀，导致反射面口径利用因数较低，影响抛物面天线在高频上的增益效果。因此，在实际设计中，无论使用何种抛物面结构，在设计馈源时，必须权衡好高频与低频的性能，选择合适的喇叭口径D，同时可以较好的抑制高次模的产生。

在确定口径D后，根据式：

(2)

确定喇叭锥高L。式中是口面上，边缘相对于中心的最大射径差，其取值应在0.1～0.4范围内。本文设计的馈源中，考虑到高频段的性能极为重要，取=0.16，=3.2mm。

WR-10波导位置影响PORT1的驻波比系数，经过软件优化致最佳效果位置：WR-10宽边中心位置距离WR-28波导末端（也即长度L的最左端）约一个。

为了提高端口间隔离度，尤其是避免WR-10激励的电磁波进入WR-28波导，根据矩形波导理论以及电磁场边界条件，在耦合口处加入对穿金属销3，并进行尺寸以及位置的优化与比较。WR-10波导上加入调配螺钉可改善高频的端口匹配。

金属销3的使用，影响着馈源端口间隔离度和高频端口匹配性能。根据波导传输线以及电磁场边界条件理论，PORT1激励的垂直极化波经过耦合口处时由于被截止，无法进入PORT2；PORT2激励的水平极化波，到达耦合口附近时，由于加入了与WR-28宽边平行的金属销3，根据理想导体边界条件可知，其表面电场切向方向为零，避免水平极化波进入PORT1，明显改善端口间的隔离度。金属销3因为与PORT1的电场线垂直，故不影响其传输。金属销3相对于侧壁分支波导WR-10的位置是很重要的参数，它取决于希望的频带内各个主模的短路参考面，金属销中心距离WR-10宽边中心约。金属销的直径尺寸应小于，避免激励起高次模，影响端口匹配。为了更好实现高频端口阻抗匹配，需在WR-10矩形波导宽边中央处加一调配螺钉，螺钉中心位置距离耦合口处约。

图6到图11为该双频正交极化高隔离度喇叭天线的仿真的测试图，其中图6到图7是该双频正交极化高隔离度喇叭天线的仿真S参数曲线在Ka波段以及W波段的参数图；图8是该双频正交极化高隔离度喇叭天线的电压驻波比在Ka波段以及W波段曲线图；图10到图11是该双频正交极化高隔离度喇叭天线35GHz和94GHz的增益方向图；仿真结果显示，该馈源在端口隔离度高频高于40dB，低频高于100dB，增益低频大于10dB，高频大于20dB，电压驻波比优于1.2。

上述双频正交极化高隔离度喇叭天线制作简单，成本低廉，可由铜、铝等金属材料制成。

其具体制作过程可以分为四步，取两块厚度大约为20mm厚的金属铜板。第一步可以在一整块的金属材料板上利用电火花、钻孔等等工艺加工成图4的图样，并在表面镀金。第二步取相同材料的金属材料板，利用与第一步相同的工艺加工成图5的图样，同样在表面镀金。第三步，把两块加工体整合起来并用螺丝进行固定。最后给两个波导馈电端口加工法兰盘。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双频正交极化高隔离度喇叭天线，其特征在于：包括圆锥喇叭，在喇叭上设置有两个相互垂直的高频馈电端口和低频馈电端口，在所述的高频馈电端口和低频馈电端口分别设置有方波导进行馈电，所述的方波导与所述的高频馈电端口和低频馈电端口进行过渡连接，其中低频馈电端口水平设置并与水平方波导连接，高频馈电端口竖直设置并与竖直方波导连接，在所述的喇叭的水平侧壁上设置有对穿小孔，小孔的位置设置在水平波导的中心线上，在所述的对穿小孔内设置有金属长销，金属销中心距离竖直方波导宽边中心约λ_94GHz/4，在所述的竖直设置的波导上设置有调配螺钉，所述圆锥喇叭口面直径根据公式得出，所述圆锥喇叭锥高根据公式得出，其中D是所述圆锥喇叭口面直径，L是所述圆锥喇叭锥高，θ_0.1是-10dB波瓣宽度，δ＝0.16λ，λ＝3.2mm。

2.根据权利要求1所述的双频正交极化高隔离度喇叭天线，其特征在于：所述的双频正交极化高隔离度喇叭天线还包括一个外部壳体，在外部壳体上设置有一个与水平波导连接的法兰以及一个与竖直波导连接的法兰。

3.根据权利要求2所述的双频正交极化高隔离度喇叭天线，其特征在于：所述的调配螺钉一端与竖直设置的波导相连接，另一端伸出所述的外部壳体，并可通过伸出外部壳体的部分调节。

4.根据权利要求1所述的双频正交极化高隔离度喇叭天线，其特征在于：所述的喇叭天线的材料为铜或者铝。