CN105071045A - 一种高增益低旁瓣e面扇形喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，其特征在于，它是由矩形波导段、张角连接段、喉部过渡段和扇形喇叭段构成；矩形波导段的一端作馈电端口，用主模TE₁₀模进行馈电，另一端朝外张开形成馈电波导和喇叭喉部间的连接段；连接段末端先后朝内、朝外弯折三次和两次，形成朝后凸起的喉部过渡段；过渡段末端宽边朝外张开形成扇形喇叭段，喇叭段的宽边两侧内壁放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条，并延伸至喇叭口位置。该发明实现了E面扇形喇叭天线的宽频带、高增益、低旁瓣、高前后向比、高效率和尺寸缩减，具有思路新颖、原理清晰、方法普适、结构简单、加工方便等特点，对于H面扇形喇叭天线的方向图优化设计也有很好的借鉴意义。

Description

一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线

技术领域

本发明涉及微波通信天线技术领域，特别是涉及一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线。

背景技术

微波由于其频谱宽、传播特性好、波长适中等优点，是整个无线电波段中最常用的波谱资源，已成为雷达成像、卫星通信/导航、蜂窝移动通信、无线中继通信、短距高速通信等无线电业务的优选频段。可以说，目前绝大部分无线业务都是集中在1GHz-30GHz的微波频段，而微波天线则是微波通信成功应用的关键和瓶颈。微波天线种类繁多，其中相当一部分是应用于高功率场景。常见大功率微波天线的一般由波导演变而来。一般地，波导类器件具有高功率容量、低损耗的突出优点。尽管它体积大而笨重，目前仍是大功率微波应用场合的首选器件。因此，在最原始的矩/圆波导基础上，人们开发出一系列功能不同、性能优异的波导类器件，如脊波导(RidgedWaveguide)、魔T头(Magic-T)、间隙波导(GapWaveguide)、波纹喇叭天线(CorrugatedHorn)、波导缝隙天线等。其中，喇叭天线是由波导演变的天线类型中最典型的例子。矩形波导宽边(电壁)张开就是E-面扇形喇叭，窄边(磁壁)张开是H-面扇形喇叭，两边同时张开便是角锥喇叭；圆波导口径均匀张开成圆锥喇叭。E/H面扇形喇叭天线的工作原理与窄矩形缝隙天线相同，即顺着缝隙的平面波束较窄，垂直于缝隙的平面波束则较宽，这种方向图适合于移动通信的用户覆盖场合，如用户分布在基站周围某个方向较宽角域范围的情形。而当宽边和窄边同时张开时，两个主平面波束宽度则十分接近，如角锥喇叭、圆锥喇叭，这种方向图则适合用作大焦径比旋转抛物面的馈源。另外，由于馈电的矩形波导主模TE₁₀模式隔离度很高，喇叭天线的交叉极化鉴别率(XPD)很高，故天线测量用的标准增益天线常选用角锥喇叭。虽然，扇形喇叭天线具有宽波束和高增益的特点，但方向图旁瓣、后瓣很大。因此，用于密集部署的基站时，会对邻近基站造成显著干扰，这极大地限制了其应用场合。由以上论述知，E/H面扇形喇叭天线性能的提升，对于高功率宽角域移动通信覆盖应用仍有很大的现实意义。

本发明旨在为微波移动通信基站提供一种高功率容量、高增益、低旁瓣、宽波束、高效率、高交叉极化比(XPD)的E面扇形喇叭天线，从而对宽角度范围内的多个用户同时进行覆盖，并且不对邻近基站形成干扰。常规E面喇叭天线竖直放置时，满足基站天线水平波束宽(H面)、垂直波束窄(E面)的特点，但是旁瓣和后瓣电平很高，难以满足上述应用的特殊要求。为了克服这一缺点，本发明借鉴了类似波纹喇叭的设计思路，在喇叭张角段内壁的E面两侧加载周期性扼流槽，产生类似后者的混合HE11模式，从而显著降低了旁瓣和后瓣。同时，喇叭张开段采用混合张角，在减小喇叭长度的同时(L≈24*λ)，可获得良好的宽带阻抗匹配(VSWR≤1.2)。

另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、结构简单、加工容易等特点。值得一提的是，该方法对于H面扇形喇叭天线的方向图优化设计也有较强的指导意义。

发明内容

本发明旨在解决现有技术之不足而提供的一种高增益、宽波束、低旁瓣、高前后向比(FTBR)、高交叉极化比(XPD)、高效率、高功率容量的E面扇形喇叭天线，从而对分布于较宽角域范围内的多个移动用户同时进行覆盖，并且不对附近距离较邻近的其他基站形成电磁干扰。

本发明采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，其特征在于，它包括由多段不同张角连接段构成的E面扇形喇叭主体，E面扇形喇叭主体包括依次连接的矩形波导段、张角连接段、喉部过渡段和扇形喇叭段；矩形波导段的一端作馈电端口，用主模TE₁₀模进行馈电，另一端朝外张开形成馈电波导和喇叭喉部间的连接段；连接段末端先后朝内、朝外弯折三次和两次，形成朝后凸起的喉部过渡段；过渡段末端宽边朝外张开形成扇形喇叭段，喇叭段的宽边两侧内壁放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条，并延伸至喇叭口位置。

作为上述方案的进一步说明，所述连接段包括从馈电波导的一端朝外张开所形成的连接段的末端，然后其宽边先朝外弯折三次再朝内弯折两次形成朝后凸起的喉部，该喉部再朝外张开便形成扇形喇叭段。

所述排成一排的平行矩形齿条自喇叭喉部顺着宽边延伸至喇叭开口位置。

一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的设计方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系；

步骤二，选用一段长度为L₀的BJ262或BJ260标准矩形波导，以方便与馈电部分连接；

步骤三，矩形波导一端作馈电端口，用主模TE₁₀模进行馈电，另一端的宽边(E面)朝外则以α角张开，张开段长度为L₁，窄边宽度不变，形成馈电波导和波纹喇叭间的连接段；

步骤四，步骤三张开段末端宽边(E面)先朝外弯折三次，然后朝内弯折两次，形成朝后凸起的喉部，再以角度β张开，张开段长度为L₂，窄边宽度仍保持不变；采用不等张角的两张开段，目的在于减小喇叭总长度L及获得宽带阻抗匹配，而它们间向后凸起的喉部过渡段则能进一步改善带内阻抗匹配；

步骤五，在步骤四喇叭段宽边(E面)两侧内壁，放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条直至喇叭口位置，此周期结构能有效抑制旁瓣和后瓣，从而构成E面波纹扇形喇叭天线。其中，周期齿条的高度、间距、数量对驻波改善和旁瓣/后瓣抑制都有显著作用。

优选地，所述的矩形波导如BJ260或BJ262用作馈电波导段，长度则取L₀≈4*λ。

优选地，所述的高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，两张开段的张角和长度分别取α＝7°～9°、β＝11°～13°，L₁≈9*λ、L₂≈11.7*λ；两者间的后凸喉部过渡段深度D₁≈1.2*λ，喇叭开口处的E面宽度W≈12*λ。

优选地，所述的高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，喇叭段宽边内壁两侧(E面)放置两组完全对称的、垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条，其设计参数为：高度H₁≈1*λ，宽度W₁≈0.45*λ，中心距S₁≈0.45*λ，数目N＝19。

优选地，所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，采用电火花等工艺加工成型。

优选地，所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，选用纯铜、合金铜、铝和不锈钢等常见金属材料加工制造。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

本发明采用混合张角张开段和喇叭段E面加载周期性扼流槽的方法，产生类似波纹喇叭的混合HE₁₁模式，从而显著降低了旁瓣/后瓣(SLL≤-14.5dB，FTBR≥28dB)和交叉极化电平(XPD≥60dB)；同时，喇叭天线在长度(L≈24*λ)和口径宽度(W≈12*λ)均较小的情况下，具有良好的宽带阻抗匹配(25GHz-30GHz,VSWR≤1.2)、宽波束(H面HPBW＝63.5°-73.0°)和高增益(G＝17dBi-18dBi)特性。

附图说明

图1为天线模型所采用的直角坐标系定义示意图；

图2为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线模型图；

图2(a)为喇叭正视图，图2(b)为喇叭侧视图，图2(c)为喇叭喉部过渡段的局部放大图；

图3为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线仿真输入阻抗Z_in的频率特性图；

图4为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线仿真反射系数|S₁₁|曲线；

图5为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线仿真驻波比VSWR曲线；

图6为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线在f_L＝25GHz的仿真2D实增益方向图(G＝17.98dBi)；

图7为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线在f_c＝27GHz的仿真2D实增益方向图(G＝17.24dBi)；

图8为高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线在f_H＝29GHz的仿真2D实增益方向图(G＝17.64dBi)。

附图标记说明：1、馈电波导段2、张角连接段3、喉部过渡段4、喇叭段5、周期性齿条6、喇叭口。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

这里，将基于标准矩形波导BJ262来构造高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，并给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

本发明的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，其特征在于，它包括由多段不同张角波导段构成的E面扇形喇叭主体，E面扇形喇叭主体包括依次连接的矩形波导段1、张角连接段2、喉部过渡段3和扇形喇叭段4；矩形波导段的一端作馈电端口，用主模TE₁₀模进行馈电，另一端朝外张开形成馈电波导和喇叭喉部间的连接段；连接段末端先后朝内、朝外弯折三次和两次，形成朝后凸起的喉部过渡段；过渡段末端宽边朝外张开形成扇形喇叭段，喇叭段的宽边两侧内壁放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条5，并延伸至喇叭口位置6。

以下是所述的高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的设计方法，它包括以下步骤：

步骤一，首先建立空间直角坐标系(笛卡尔坐标系)，如图1所示。

步骤二，选用一段长度为L₀的标准矩形波导BJ262，以方便与馈电部分连接，如图2(a)、2(b)的标注1所示；

步骤三，矩形波导一端作馈电端口，用主模TE₁₀模进行馈电，另一端的宽边(E面)朝外则以α角张开，张开段长度为L₁，窄边宽度不变，形成连接标准波导和波纹喇叭的张角连接段，如图2(a)、2(b)的标注2所示；

步骤四，步骤三张开段末端宽边(E面)先朝外弯折三次，然后朝内弯折两次，形成朝后凸起的喉部，如图2(a)、2(b)的标注3所示；再以角度β张开，张开段长度为L₂，窄边宽度仍保持不变，如图2(a)、2(b)的标注4所示。采用不等张角的两张开段，目的在于减小喇叭总长度L及获得宽带阻抗匹配，而它们间向后凸起的喉部过渡段则能进一步改善带内阻抗匹配；

步骤五，在步骤四喇叭段宽边(E面)两侧内壁，放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条直至喇叭口位置，如图2(a)、2(b)的标注5、6所示，此周期结构能有效抑制旁瓣和后瓣，从而构成E面波纹扇形喇叭天线。其中周期齿条的高度、间距、数量对驻波改善和旁瓣/后瓣抑制都有显著作用。

其中，图3输入阻抗曲线图中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是输入阻抗Z_in，单位为Ω；实线表示实部R_in，虚线表示虚部X_in。由图知，在25GHz-29GHz频带内，实部R_in＝320Ω，虚部X_in＝-20Ω-+20Ω。显然，在整个频带内用标准波导BJ262馈电便可实现良好的阻抗匹配。

图4反射系数曲线图中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是反射系数幅度|S₁₁|，单位为dB。在25GHz-29GHz频带内，|S₁₁|≤-21dB，相对带宽约14.81％。

图5驻波比曲线图中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是VSWR。在25GHz-29GHz频带内，VSWR≤1.2，相对带宽约14.81％。

图6f_L＝25GHz的2D方向图中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；光滑线表示H-面(XOZ平面，半功率波束宽度HPBW为63.54°)；标记线表示E-面(YOZ平面，半功率波束宽度HPBW为6.78°)。旁瓣电平SLL＝-13.29，前后向比FTBR＝31.45，交叉极化比XPD＝63.28dB。

图7f_C＝27GHz的2D方向图中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；光滑线表示H-面(XOZ平面，半功率波束宽度HPBW为63.89°)；标记线表示E-面(YOZ平面，半功率波束宽度HPBW为10.56°)。旁瓣电平SLL＝-25.96，前后向比FTBR＝28.29，交叉极化比XPD＝67.86dB。

图8f_H＝29GHz的2D方向图中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；光滑线表示H-面(XOZ平面，半功率波束宽度HPBW为8.65°)；标记线表示E-面(YOZ平面，半功率波束宽度HPBW为73.04°)。旁瓣电平SLL＝-17.28，前后向比FTBR＝27.78，交叉极化比XPD＝66.54dB。

本发明针对扇形喇叭天线是微波工程应用中的一种重要天线类型，但其旁瓣/后瓣电平较高、尺寸较大，致使其应用潜力大大受限这一现状，如密集部署的移动通信基站天线，提出了采用混合张角张开段和喇叭段E面加载周期性扼流槽的方法，产生类似波纹喇叭的混合HE₁₁模式，从而显著降低了旁瓣/后瓣(SLL≤-14.5dB，FTBR≥28dB)和交叉极化电平(XPD≥60dB)。同时，使得整个在喇叭天线在长度(L≈24*λ)和口径宽度(W≈12*λ)均较常规E面喇叭减小的情况下，获得良好的宽带阻抗匹配(25GHz-30GHz,VSWR≤1.2)、宽波束(H面HPBW＝63.5°-73.0°)和高增益(G＝17dBi-18dBi)。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、结构简单、加工方便等特点。值得一提的是，该方法对于H面扇形喇叭天线的方向图优化设计也有较强的指导意义。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，其特征在于，它是由矩形波导段、张角连接段、喉部过渡段和扇形喇叭段构成；矩形波导段的一端作馈电端口，用主模TE₁₀模进行馈电，另一端朝外张开形成馈电波导和喇叭喉部间的连接段；连接段末端先后朝内、朝外弯折三次和两次，形成朝后凸起的喉部过渡段；过渡段末端宽边朝外张开形成扇形喇叭段，喇叭段的宽边两侧内壁放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条，并延伸至喇叭口位置。

2.根据权利要求1所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，其特征在于，所述连接段包括自矩形波导端一端朝外张开的过渡段的末端的宽边先朝外弯折三次，然后朝内弯折两次形成朝后凸起的喉部，该喉部宽边再朝外张开形成E面扇形喇叭段。

3.根据权利要求1所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，其特征在于，所述排成一排的矩形齿条延伸至喇叭段的开口位置。

4.一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的设计方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系；

步骤二，选用一段长度为L₀标准矩形波导；

步骤三，矩形波导一端作馈电端口，用主模TE₁₀模进行馈电，另一端的宽边朝外则以α角张开，张开段长度为L₁，窄边宽度不变，形成连接标准波导和波纹喇叭的过渡段；

步骤四，步骤三张开段末端宽边先朝外弯折三次，然后朝内弯折两次，形成朝后凸起的喉部，再以角度β张开，张开段长度为L₂，窄边宽度仍保持不变；

步骤五，在步骤四喇叭段宽边两侧内壁，放置一排垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条直至喇叭口位置，从而构成E面波纹扇形喇叭天线。

5.根据权利4所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的设计方法，其特征在于，所述矩形波导以BJ260或BJ262用作馈电波导段，长度则取L₀≈4*λ。

6.根据权利4所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的设计方法，其特征在于，两张开段的张角和长度分别取α＝7°～9°、β＝11°～13°，L₁≈9*λ、L₂≈11.7*λ；两者间的后凹喉部过渡段深度D₁≈1.2*λ，喇叭开口处的E面宽度W≈12*λ。

7.根据权利4所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的设计方法，其特征在于，所述高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，喇叭段宽边内壁两侧两组完全对称的、垂直于内壁、均匀间隔、相互平行的矩形齿条高度H₁≈1*λ，宽度W₁≈0.45*λ，中心距S₁≈0.45*λ，数目N＝19。

8.根据权利4所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的设计方法，其特征在于，高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的加工过程采用电火花工艺加工成型。

9.根据权利4所述的一种高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线的设计方法，其特征在于，高增益低旁瓣E面扇形喇叭天线，选用纯铜、合金铜、铝或不锈钢加工制造。