CN104466415A - 透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，属于微波天线技术领域，用于解决双脊喇叭天线增益低和高频方向图裂变的问题；包括同轴馈电接头(1)、矩形波导(2)、波纹喇叭(3)、双脊波导(4)和介质透镜(5)；波纹喇叭(3)的前端口位置设有双曲结构的介质透镜(5)，该介质透镜(5)的焦点与天线馈源中心重合，后端口与矩形波导(2)相连接，内部设有双脊波导(4)；同轴馈电接头(1)安装在矩形波导(2)的上部；波纹喇叭(3)上下金属板(7)的内侧后部表面设有平面波纹。本发明在1-18GHz区间具有超宽带、高增益、方向图稳定的优点。适用于电磁兼容测试、反射面天线馈源及超宽带雷达等领域。

Description

透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，在保证天线基本功能的同时，还可以作为其他反射面天线的馈源，可用于电磁兼容测试系统及超宽带雷达等领域。

技术背景

随着无线通信技术的飞速发展，天线技术所涉及的领域越来越广泛，超宽带天线技术作为国内外的一个研究热点，受到更多研究人员的重视。超宽带高功率技术在雷达、通信和电子对抗等领域有着广泛的应用。作为超宽带系统的最前端，超宽带的双脊喇叭天线是其重要的组成部分，并且广泛应用在电磁兼容测试系统、反射面天线馈源系统和超宽带雷达等领域。在电磁兼容测试系统、反射面天线馈源、超宽带雷达天线中要求使用的天线具有定向性、高增益和宽频带等性能。

高增益超宽带天线具有应用范围广等优点，但也存在一些缺陷，主要体现在以下两个方面：1.常见的双脊喇叭天线由于自身结构和电尺寸的限制,在全频带内难以满足高增益的要求，限制了天线的应用范围。2.高增益超宽带的性能通常可以通过双脊喇叭天线来实现，但当工作频率高于12GHz时，天线产生的高次模会导致方向图主瓣产生裂变，这种裂变会破坏方向图的稳定性，限制了这种天线在对方向图要求比较严格领域的应用。2003年，IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility刊登了Christian Bruns的题为“Analysis and simulation of a 1-18-GHz broadband double-ridgedhorn antenna”的文章中，公开了一种双脊喇叭在高频区域远场方向图的全波计算方法，该方法证明了双脊喇叭在12GHz以上高频段方向图主瓣产生裂变。

为克服双脊喇叭天线在全频带内增益低的缺陷，现有技术如：2012年，IEEEAntennas Wireless Propagation Letter刊登了Ahmet Serdar Turk的题为“Partiallydielectric-loaded ridged horn antenna design for ultra wideband gain and radiationperformance enhancement”的文章中，公开了一种通过在双脊喇叭辐射窗口中心位置，加载平板状介质块的方法，能够实现将柱面波转化为平面波,从而提高天线的增益，但是使用该方法会改变喇叭内部电磁波的传播模式，从而降低双脊喇叭天线的带宽。

目前,在锥形喇叭的设计中，一般是通过在喇叭体的内表面全段加载波纹的方式，来提高天线方向图的稳定性。如中国专利申请，授权号为CN 202678521U，“一种新型毫米波纹喇叭”的发明，公开一种新型波纹喇叭，该波纹喇叭为内腔呈圆锥形的圆柱体，其工作频率范围是82.6GHz-100GHz,通过在圆锥形内表面轴向整体加载波纹的方式，提高天线方向图的稳定性，但是这种波纹的加载方式，因为波纹尺寸的限制，在超宽带天线的低频区，方向图会产生裂变，不能完全适用于双脊喇叭1GHz-18GHz的工作频段。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供了一种透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，在保证有效超宽带的前提下，解决了双脊喇叭天线增益低的问题，同时消除了双脊喇叭天线频率在12GHz以上时辐射方向图主瓣的裂变。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括同轴馈电接头1、矩形波导2、波纹喇叭3、双脊波导4和介质透镜5；该波纹喇叭3由两块介质板6和两块金属板7形成前后开口的斗状结构，其前端口位置设有介质透镜5，后端口与矩形波导2相连接；双脊波导4安装在波纹喇叭3的内部，其后端与矩形波导2相连；其特征在于：所述介质透镜5为双曲结构，安装在其焦点与天线馈源中心重合的位置，用于将波纹喇叭3形成的柱面波转化为平面波，以提高天线增益；所述金属板7的内侧后部表面设置有平面波纹，用于抑制高次模以消除方向图主瓣裂变。

所述介质板6为等腰梯形，其内侧面上印制有平行于梯形底的金属条61。

所述金属板7为等腰梯形，其上的平面波纹由若干个平行槽线71组成；在平面波纹所在的同一表面上，设置有与金属板7的纵向轴线重合、并贯穿等腰梯形的上底的金属板沟槽72。

所述两块介质板6和两块金属板7分别用作该波纹喇叭3的两面侧板和上下板。

所述矩形波导2的一侧设置有斗状腔体23，在该斗状腔体23的底部和纵向轴线上分别设置有楔形反射腔22和波导沟槽24，所述波导沟槽24的顶端设有波导探针过孔21。

所述双脊波导4由第一脊波导42和第二脊波导43组成，每个脊包括曲线段、直线段和末端段，其中曲线段的外轮廓呈三阶的贝塞尔曲线形状；直线段和末端段分别嵌入金属板沟槽72和波导沟槽24中，并与之固定；在所述第一脊波导42的末端段面的纵向设有半圆形脊探针过孔41。

所述同轴馈电接头1由探针和外导体组成，其中探针依次穿过波导探针过孔21和双脊探针过孔41后给第二脊波导43馈电，外导体给第一脊波导42馈电。

所述介质透镜5由曲面和底平面组成，其中所述曲面的外轮廓满足公式ρ＝FQ₂(n-1)/(n-cos(θ))，其中ρ为介质透镜5外轮廓曲面到焦点的距离，θ为方位角，n为介质材料的折射系数，F为介质透镜5的焦点，Q₂为介质透镜5曲面的顶点，FQ₂是透镜焦点到双曲面顶点的距离。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明由于采用在波纹双脊喇叭的辐射窗口的中心位置安装介质透镜的方法，通过将该透镜的焦点与馈源中心点重合，将双脊喇叭天线产生的柱面波转化为平面波，改变了波的传播方向，有效地提高了天线的增益，克服了现有天线增益低的缺陷，与现有技术相比，在提高增益的同时，由于双曲介质透镜不改变喇叭内电磁波的传播模式，也就不会影响天线的带宽，有效拓宽了天线的适用范围，满足了更多用户的需求。

2.本发明由于采用了在双脊喇叭的上下金属板内侧，靠近馈源一端设置金属板槽线，形成局部的平面波纹，从而优化了平面波纹位置，抑制了双脊喇叭天线工作中产生的高次模，从而消除了高频区域主瓣裂变，同时提高天线在低频区域方向图的稳定性，有效改善天线在全频段范围方向图的定向性，该天线与现有技术相比，更适合在电磁测试等对天线整体性能要求高的领域内使用。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图(不含一侧介质板)；

图2是本发明的介质板的结构示意图；

图3(a)和图3(b)分别是本发明的金属板主视图和左视图；

图4(a)和图4(b)分别是本发明的矩形波导沿纵向中轴线横面剖视立体结构示意图和右视立体结构示意图；

图5是本发明的双脊波导的沿纵向对称轴剖视图；

图6是本发明的介质透镜的结构原理图；

图7是本发明与现有技术的增益对比图；

图8是本发明的驻波比图；

图9是本发明在18GHz高频远场E面方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，以下结合附图和具体实施例作进一步的描述。

参照图1，本发明包括同轴馈电接头1、矩形波导2、波纹喇叭3、双脊波导4和介质透镜5，所述波纹喇叭3由两块介质板6作为两面侧板、两块金属板7作为上下板而形成的前后开口的斗状结构，其前端口位置设有介质透镜5，后端口与矩形波导2相连接；双脊波导4安装在波纹喇叭3的内部，其后端与矩形波导2相连；作为天线馈源的同轴馈电接头1安装在矩形波导2的上部。介质透镜5为双曲结构，安装在其焦点与天线馈源中心重合的位置，用于将波纹喇叭3形成的柱面波转化为平面波，以提高天线增益；金属板7的内侧后部表面设置有平面波纹，用于抑制高次模以消除方向图主瓣裂变。波纹喇叭3的轴向长度等于双脊波导4的直线段轴向长度，尺寸G5为169mm。

参照图2，所述介质板6采用FR4材质，其形状为上底M1等于66mm、下底M2等于136mm、高H1等于186mm的等腰梯形结构，该介质板6的内侧面上印制有平行于梯形底的五条宽度为4mm的金属条61，用于改善天线在低频时驻波比的性能，这五条金属条将介质板6沿高度方向分割为均等的五个部分。

参照图3(a)，所述金属板7的形状为上底L1等于86mm、下底L3等于242mm、高G3等于172.6mm的等腰梯形，其厚度等于12mm,在该金属板7内侧面的对称轴上设置有宽度L2为8.6mm的金属板沟槽72，该金属板沟槽72用于固定双脊波导4，在与金属板沟槽72同一侧面上靠近等腰梯形上底面一端设置有34条宽度为2.5mm，间距为0.5mm的相互平行的槽线71，所述槽线71始端和末端之间距离G1为106.6mm，槽线71的末端和梯形上底距离G2为112.6mm,所述槽线71与金属板沟槽72垂直,波纹喇叭3的高次模的波长短，槽线71形成的平面波纹对其波阻抗呈负阻，从而抑制高次模，达到消除天线高频区域主瓣裂变的目的。参照图3(b)，所述槽线71的深度M4为8mm。

参照图4(a)和图4(b),在所述矩形波导2靠近喇叭体一侧设置有斗状腔体23，在该斗状腔体23底部的设置有楔形反射腔22，纵向轴线上设置有波导沟槽24，在波导沟槽24顶端中心线上设置有波导过孔21。馈源中心到矩形波导2与喇叭连接的端面距离G4为9mm,所述斗状腔体23和楔形反射腔22，用于反射电磁波，同时调节天线的驻波比，满足超宽带的要求。波导沟槽24用于固定双脊波导4。，

同轴馈电接头1，采用50欧姆N型同轴接头，包括探针和外导体，其探针依次通过波导探针过孔21和第一脊波导42的脊探针过孔41，与第二脊波导43连接并对其馈电；外导体与矩形波导2固定连接，通过矩形波导2对第一脊波导42进行馈电。

参照图5，所述双脊波导4由第一脊波导42和第二脊波导43组成，每个脊波导包括曲线段、直线段和末端段，其中曲线段的外轮廓线是三阶的贝塞尔曲线；其中第一脊波导42和第二脊波导43直线段分别固定在上下金属板7的金属板沟槽72中，两个脊波导的末端段与矩形波导2的波导沟槽24相固定,第一脊波导42和第二脊波导43靠近矩形波导2一端的曲线末端之间距离M3为1mm,双脊波导4的作用在于将同轴馈电接头1的50欧姆特性阻抗，平滑过渡到喇叭口自由空间阻抗，使得在双脊之间的电场产生的柱面电磁波向喇叭口方向传播。

参照图6，所述介质透镜5采用聚四氟乙烯材料的双曲结构，该双曲结构由曲面和底面两部分组成，其中曲面外轮廓满足公式ρ＝FQ₂(n-1)/(n-cos(θ))，其中ρ为外轮廓与透镜焦点的距离，θ为方位角，θ最大值由介质透镜5的焦点和喇叭窗口尺寸决定，n为介质材料的折射系数，F为介质透镜5的焦点，Q₂为介质透镜5双曲面的顶点，FQ₂是透镜焦点到双曲面顶点的距离，其尺寸由波纹喇叭3轴向长度尺寸G5和馈源中心到喇叭后端的距离尺寸G4以及喇叭窗口尺寸M2决定；所述介质透镜5的底面直径可以通过喇叭窗口的短边尺寸确定,喇叭窗口短边尺寸等于梯形侧板底面长度尺寸M2。

本发明各组成部分的安装位置关系和工作原理是：波纹喇叭3的末端与矩形波导2焊接固定；同轴馈电接头1的探针依次通过波导探针过孔21和脊探针过孔41与第二脊波导43接触，其外导体与矩形波导2固定连接；馈源中心位置为波纹喇叭横向轴线与探针中轴线交汇处，波纹喇叭辐射窗口中心位置安装有介质透镜5，介质透镜5焦点与馈源中心重合。所述同轴馈电接头1的外导体和探针分别给第一脊波导42和第二脊波导43馈电，形成向外辐射的柱面状电磁波，在双脊波导4内部激励产生的高次模的波长短，槽线71形成的平面波纹对其波阻抗呈负阻，从而抑制高次模，达到消除天线高频区域主瓣裂变的目的；通过对平面波纹位置的优化，提高天线在低频区域方向图的稳定性；由于消除了高频区域的主瓣裂变，又提高了低频区域方向图的稳定性，从而有效改善天线在全频段范围方向图的定向性。经过抑制高次模后的柱面波通过介质透镜5，将发散的电磁波汇集到沿轴向传播，从而提高了天线的增益。

参照图7，横轴表示天线的工作频率，纵轴表示天线增益。当天线的工作频率在1GHz-18GHz区间时，随着频率的增加，现有双脊喇叭天线增益由7dBi增加到18dBi，加载介质透镜后的波纹喇叭天线增益由7dBi增加到24dBi,可以看出加载介质透镜后，天线的增益在各个频段上都有不同程度的增加，且增加的效果明显。

参照图8，横轴表示天线的工作频率，纵轴表示天线端口电压驻波比。在加载透镜后的波纹双脊喇叭天线的工作频率为1GHz-18GHz区间时，其端口电压驻波比除个别频点小于2.4外，其余均小于2.0，说明天线的输入端匹配良好，且为超宽带天线，其工作带宽没有发生变化。

参照图9，横轴表示天线电磁波传播的方向角度，纵轴表示天线增益。当加载透镜后的波纹双脊喇叭天线的电磁波传播的方向角度为-180°至180°时，天线的增益变化范围是-30dBi～23dBi，其主要转播方向，即电磁波沿轴向传播的角度为0°时，天线增益为23dBi,没有凹陷，说明方向图的主瓣没有裂变，天线性能稳定。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所作出的其他变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，包括同轴馈电接头(1)、矩形波导(2)、波纹喇叭(3)、双脊波导(4)和介质透镜(5)；该波纹喇叭(3)是由两块介质板(6)和两块金属板(7)形成前后开口的斗状结构，其前端口位置设有所述介质透镜(5)，后端口与矩形波导(2)相连接；该双脊波导(4)安装在波纹喇叭(3)的内部，其后端与所述矩形波导(2)相连；其特征在于：

所述介质透镜(5)采用双曲结构，安装在其焦点与天线馈源中心重合的位置，用于将波纹喇叭(3)形成的柱面波转化为平面波，以提高天线增益；

所述金属板(7)的内侧后部表面设置有平面波纹，用于抑制高次模以消除方向图主瓣裂变。

2.根据权利要求1所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：所述介质板(6)为等腰梯形，其内侧面上印制有若干平行于梯形底的金属条(61)。

3.根据权利要求1所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：所述金属板(7)为等腰梯形，其上的平面波纹由若干个平行槽线(71)组成；在平面波纹所在的同一表面上，设置有与金属板(7)的纵向轴线重合、并贯穿等腰梯形的上底的金属板沟槽(72)。

4.根据权利要求1所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：所述两块介质板(6)和两块金属板(7)分别用作该波纹喇叭(3)的两面侧板和上下板。

5.根据权利要求1所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：所述矩形波导(2)的一侧设置有斗状腔体(23)，在该斗状腔体(23)的底部和纵向轴线上分别设置有楔形反射腔(22)和波导沟槽(24)，该波导沟槽(24)的顶端设有波导探针过孔(21)。

6.根据权利要求1所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：所述双脊波导(4)由第一脊波导(42)和第二脊波导(43)组成，每个脊波导包括曲线段、直线段和末端段，其中曲线段的外轮廓呈三阶的贝塞尔曲线形状。

7.根据权利要求3或6所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：所述第一脊波导(42)和第二脊波导(43)的直线段和末端段分别嵌入金属板沟槽(72)和波导沟槽(24)中，并与之固定。

8.根据权利要求6所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：在所述第一脊波导(42)的末端段面设有半圆形脊探针过孔(41)。

9.根据权利要求1所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：所述同轴馈电接头(1)由探针和外导体组成，其中探针依次穿过波导探针过孔(21)和双脊探针过孔(41)后给第二脊波导(43)馈电，外导体给第一脊波导(42)馈电。

10.根据权利要求1所述的透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线，其特征在于：所述介质透镜(5)由曲面和底平面组成，且曲面的外轮廓满足如下公式：

ρ＝FQ₂(n-1)/(n-cos(θ))

其中ρ为介质透镜(5)外轮廓曲面与焦点的距离，θ为方位角，n为介质材料的折射系数，F为介质透镜(5)的焦点，Q₂为介质透镜(5)曲面的顶点，FQ₂是透镜焦点到双曲面顶点的距离。