CN105098367A - 一种角锥喇叭天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种角锥喇叭天线及其设计方法，其中角锥喇叭天线包括喇叭天线本体和馈源，所述喇叭天线本体包括第一侧面和馈电输入端，所述馈源包括导体平面；所述导体平面通过所述馈电输入端向所述喇叭天线本体馈电，所述第一侧面平行于所述导体平面，且设置于所述导体平面上或者所述导体平面的延伸面上。采用本发明，角锥喇叭天线通过与导体平面平行的第一侧面，可更为方便地集成于电路板上，从而实现了高增益的喇叭天线与可用面积较小的电路板的集成整合，在保证天线增益的同时使得电路结构更为紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种一种角锥喇叭天线及其设计方法。
背景技术
喇叭天线(HornAntennas)为波导口渐开的辐射结构，是最广泛使用的微波/毫米波天线之一。喇叭天线除了大量用做反射面天线的馈源以外，也是相控阵天线的常用单元天线，还可以用做对其它高增益天线进行校准和增益测试的通用标准。角锥喇叭天线作为喇叭天线的一种，其具有很宽的带宽，一般可以有几个倍频程，同时增益可以做到16dBi～25dBi左右，是很好的定向波束天线。常用的角锥喇叭天线具有很高的用途，但由于其结构尺寸一般较大，且为立体结构，因此几乎无法与电路板集成。
发明内容
本发明实施例提供一种锥喇叭天线及其设计方法，可使角锥喇叭天线便于集成。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种角锥喇叭天线，包括喇叭天线本体和馈源，所述喇叭天线本体包括第一侧面和馈电输入端，所述馈源包括导体平面；
所述导体平面通过所述馈电输入端向所述喇叭天线本体馈电，所述第一侧面平行于所述导体平面，且设置于所述导体平面上或者所述导体平面的延伸面上。
基于第一方面，在第一方面的第一种可行的实施方式中，所述馈源为波导，所述波导包括信号输出端和导体平面；
所述信号输出端开口与所述馈电输入端开口连通，所述导体平面与所述第一侧面在所述信号输出端开口处拼接，使所述第一侧面设置于所述导体平面从所述信号输出端的开口方向延伸而形成的延伸面上。
基于第一方面的第一种可行的实施方式，在第一方面的第二种可行的实施方式中，所述喇叭天线本体还包括与所述馈电输入端相对设置的喇叭开口，所述喇叭天线本体和所述波导设置于印刷电路板PCB上，所述第一侧面在所述喇叭开口处的侧边与所述PCB的边缘重合。
基于第一方面，在第一方面的第三种可行的实施方式中，所述馈源包括介质基板以及设置于所述介质基板一面上的平面传输线，所述介质基板的一面为所述导体平面；
所述平面传输线穿过所述馈电输入端并设置于所述第一侧面上，用于向所述喇叭天线本体馈电，所述第一侧面设置于所述介质基板的导体平面上。
基于第一方面的第三种可行的实施方式，在第一方面的第四种可行的实施方式中，所述喇叭天线本体还包括与所述馈电输入端相对设置的喇叭开口，所述第一侧面在所述喇叭开口处的侧边与所述导体平面的边缘重合。
基于第一方面的第四种可行的实施方式，在第一方面的第五种可行的实施方式中，所述喇叭开口为矩形；所述喇叭开口的各个侧边与所述馈电输入端对应的侧边的距离相同。
基于第一方面，在第一方面的第六种可行的实施方式中，所述喇叭天线本体还包括与所述第一侧面相对的第二侧面，所述第一侧面与第二侧面相对的边长度分别相等。
本发明第二方面提供了一种角锥喇叭天线的设计方法，所述角锥喇叭天线包括喇叭天线本体和馈源，所述喇叭天线本体包括第一侧面、与所述第一侧面相对的第二侧面以及馈电输入端，所述馈源包括导体平面；所述方法包括：
将所述第一侧面和所述第二侧面进行调整，使所述第一侧面平行于所述导体平面；
将所述第一侧面设置于所述导体平面上或者所述导体平面的延伸面上，使所述导体平面通过所述馈电输入端向所述喇叭天线本体馈电。
基于第二方面，在第二方面的第一种可行的实施方式中，所述喇叭天线本体还包括与所述馈电输入端相对设置的喇叭开口；所述将所述第一侧面和所述第二侧面进行调整，使其平行于所述导体平面，包括：
将所述第一侧面和所述第二侧面进行抬升，所述喇叭开口的口面平行于所述馈电输入端所在平面，使所述第一侧面平行于馈源的导体平面；
对所述第一侧面的侧边进行长度补偿，使所述第一侧面与所述第二侧面对应的边长度分别相等。
基于第二方面，在第二方面的第二种可行的实施方式中，所述喇叭天线本体还包括与所述第一侧面相对的第二侧面；
所述将所述第一侧面和所述第二侧面进行调整，使其平行于馈源的导体平面，包括：
将所述第一侧面以及所述第二侧面同时进行抬升，抬升过程中两个面之间的角度保持不变，使所述第一侧面平行于所述导体平面。
上述可知，角锥喇叭天线的馈源采用导体平面向喇叭天线本体进行馈电，喇叭天线本体的一个侧面(第一侧面)平行于导体平面，且可设置于导体平面或者导体平面的延伸面上，因此，本实施例中的角锥喇叭天线通过与导体平面平行的第一侧面，可更为方便地集成于电路板上，从而实现了高增益的喇叭天线与可用面积较小的电路板的集成整合，在保证天线增益的同时使得电路结构更为紧凑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的的一种角锥喇叭天线的一个视图的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的的一种角锥喇叭天线的另一个视图的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种角锥喇叭天线的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种角锥喇叭天线的设计方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1、图2或图3，为本发明实施例提供的一种角锥喇叭天线的结构示意图，包括喇叭天线本体10和馈源，喇叭天线本体10包括第一侧面101、馈电输入端102、与所述馈电输入端相对设置的喇叭开口103以及与第一侧面101相对的第二侧面102，第一侧面101与第二侧面102相对的边长度分别相等。
在实现角锥喇叭天线的一个侧面与用于馈电的导体平面的共面化之前，需要先设计基本的校准喇叭天线，当天线工作在主模时，口面场在H面呈余弦渐削分布，E面呈均匀分布，因此当角锥喇叭在H面、E面的口面相位差满足SH＝3/8，SE＝1/4，即相应的ΦM，H＝3π/4，ΦM，E＝π/2时，可获得最大的远场增益值。举例来说，在一种实施方式中，角锥喇叭天线采用的参数为：喇叭长度(即馈电输入端102的中心至喇叭开口103中心的距离)为21mm，馈电输入端102为矩形，其长和宽分别为1.651mm和0.8255mm，相应的，喇叭开口103也为矩形，其长和宽分别为12.466mm和9.902mm，由此确定了角锥喇叭天线的基本结构参数。
馈源包括导体平面，导体平面通过所述馈电输入端101向所述喇叭天线本体10馈电，第一侧面101平行于导体平面，且设置于导体平面上或者导体平面的延伸面上。
需要说明的是，第一侧面101为喇叭天线本体10贴设于导体平面的一面或者与导体平面拼接的一面。现有的角锥喇叭天线的任一侧面均不平行于导体平面，即不与导体平面共面。而在本发明实施方式中，第一侧面101平行于导体平面，且设置于导体平面上或者导体平面的延伸面上。
导体平面是馈源向喇叭天线本体10进行馈电的能量传输介质，其可以为波导中的导体平面，也可以是印刷电路板PCB等介质基板上用于部署元器件的一面。
请一并参见图1和图2，在一种实施方式中，馈源为波导20，波导20包括信号输出端201和导体平面202；所述信号输出端201开口与所述馈电输入端102开口连通，所述导体平面与所述第一侧面在所述信号输出端201开口处拼接，使所述第一侧面101设置于导体平面从所述信号输出端的开口方向延伸而形成的延伸面上。
在该实施方式中，喇叭天线本体10和波导20设置于印刷电路板PCB上，所述第一侧面在所述喇叭开口处的侧边与所述PCB的边缘重合。
具体的，与波导20的导体平面202共面化后的角锥喇叭天线，一般作为整体电路结构中的末级输出，因此喇叭开口103外侧(辐射方向)不能有多余的PCB。因为在使用时喇叭开口103外侧若存在PCB，且没有设置相应的接地时，会造成最大辐射方向附近会有明显的波瓣起伏，并且会导致最大辐射方向偏向PCB所在平面。因此，一般将第一侧面在喇叭开口103处的侧边设置在PCB的边缘处，即与PCB的边缘重合。然而，在另一种实施方式中，当喇叭开口103外侧不可避免地设置有PCB时，则可在喇叭开口103外侧进行铺地，以使喇叭天线的最大增益方向不会出现波瓣起伏和分裂的情况。
请参见图3，在另一种实施方式中，馈源包括介质基板30以及设置于所述介质基板30一面上的平面传输线31，介质基板30的一面为导体平面，平面传输线31穿过馈电输入端102并设置于第一侧面101上，用于向喇叭天线本体10馈电，第一侧面101设置于介质基板30的导体平面上。
需要说明的是，介质基板30和平面传输线31所构成的结构即为共面波导，共面波导的构成原理为：在介质基板30的一个面上制作出中心导体带(即平面传输线31)，并在紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面，这样就构成了共面波导。在该实施方式中，介质基板可以为PCB。平面传输线31穿过馈电输入端102，在喇叭天线本体10的腔体内部形成馈电的探针结构(图未示)，即平面传输线31末端弯曲并垂直于第一侧面101。
进一步的，所述第一侧面在所述喇叭开口处的侧边与所述导体平面的边缘重合。具体的，与介质基板30的导体平面共面化后的角锥喇叭天线，一般作为整体电路结构中的末级输出，因此喇叭开口103外侧(辐射方向)不能有多余的PCB。因为在使用时喇叭开口103外侧若存在PCB，且没有设置相应的接地时，会造成最大辐射方向附近会有明显的波瓣起伏，并且会导致最大辐射方向偏向PCB所在平面。因此，一般将第一侧面在喇叭开口103处的侧边设置在PCB的边缘处，即与PCB的边缘重合。然而，在另一种实施方式中，当喇叭开口103外侧不可避免地设置有PCB时，则可在喇叭开口103外侧进行铺地，以使喇叭天线的最大增益方向不会出现波瓣起伏和分裂的情况。
在一种实施方式中，角锥喇叭天线的喇叭开口103为矩形，对应的，馈电输入端102也为矩形。喇叭开口103的各个侧边与馈电输入端102对应的侧边的距离相同。
通过发明实施例，角锥喇叭天线的馈源采用导体平面向喇叭天线本体进行馈电，喇叭天线本体的一个侧面(第一侧面)平行于导体平面，且可设置于导体平面或者导体平面的延伸面上，因此，本实施例中的角锥喇叭天线通过与导体平面平行的第一侧面，可更为方便地集成于电路板上，从而实现了高增益的喇叭天线与可用面积较小的电路板的集成整合，在保证天线增益的同时使得电路结构更为紧凑。
请参见图4，为本发明实施例提供的一种角锥喇叭天线的设计方法，其中，角锥喇叭天线包括喇叭天线本体和馈源，喇叭天线本体包括第一侧面、馈电输入端、喇叭开口以及与所述第一侧面相对的第二侧面，所述馈源包括导体平面。角锥喇叭天线的设计方法包括步骤S301-S30N。
S301，确定角锥喇叭天线的基本结构参数。
在实现角锥喇叭天线的一个侧面与用于馈电的导体平面的共面化之前，需要先设计基本的校准喇叭天线，当天线工作在主模时，口面场在H面呈余弦渐削分布，E面呈均匀分布，因此当角锥喇叭在H面、E面的口面相位差满足SH＝3/8，SE＝1/4，即相应的ΦM，H＝3π/4，ΦM，E＝π/2时，可获得最大的远场增益值。举例来说，在一种实施方式中，角锥喇叭天线采用的参数为：喇叭长度(即馈电输入端102的中心至喇叭开口103中心的距离)为21mm，馈电输入端102为矩形，其长和宽分别为1.651mm和0.8255mm，相应的，喇叭开口103也为矩形，其长和宽分别为12.466mm和9.902mm，由此确定了角锥喇叭天线的基本结构参数。
S302，将所述第一侧面和所述第二侧面进行调整，使所述第一侧面平行于所述导体平面。
在一种实施方式中，步骤S302可具体为：
将所述第一侧面和所述第二侧面进行等距离抬升，所述喇叭开口的口面平行于所述馈电输入端所在平面，使所述第一侧面平行于馈源的导体平面；对所述第一侧面的侧边进行长度补偿，使第一侧面与第二侧面对应的边长度分别相等。
其中，第一侧面进行长度补偿的侧边是垂直于馈电输入端的侧边，在第一侧面和第二侧面进行抬升的过程中，喇叭天线本体的其他侧面也跟随进行相应的上移(即等距离向上抬升)。
需要说明的是，对第一侧面的侧边进行适当的长度补偿，延长第一侧面的长度，将使得喇叭开口的口面方向提升，即提升后的口面将不再平行于馈电输入端所在屏幕，而使得提升后的喇叭开口到馈电输入端的距离与原来的喇叭开口到馈电输入端的距离一致(若不进行长度补偿，则该距离比原来的短)。在本实施方式中，经过对第一侧面的提升后，喇叭天线本体的结构发生了较大变化，若不进行长度补偿，则会影响射频性能和端口匹配特性。具体的，可参见图1中的角锥喇叭天线，其中所示的虚线40与喇叭开口103之间的部分为整体进行补偿的部分，而第一侧面101的长度补偿长度为a。
在另一种实施方式中，步骤S302可具体为：将所述第一侧面以及所述第二侧面进行抬升，抬升过程中两个面之间的角度保持不变，使所述第一侧面平行于所述导体平面。
具体的，第一侧面和第二侧面以馈电输入端的上侧边(或下侧边)为旋转轴，张角不变(与原喇叭天线两个面之间的张角等角)地向上旋转一定的角度，使得第一侧面平行于导体平面，这种实施方式比第一种实施方式更为简单(无需进行长度补偿)，且端口匹配特性更好。
现有技术中的角锥喇叭天线为对称的结构，而经过上述两种实施方式使得第一侧面与导体平面实现共面化后，需要重新评估角锥喇叭天线的对称性以及相关特性。例如，在第一种实施方法中，对喇叭开口进行提升，且对第一侧面进行长度调整后，角锥喇叭天线的指向性与馈电输入端口的中心到喇叭开口的中心的连线基本相同。例如，设计中采用150GHz频段设计17dBi左右的天线，其E面中心截面的张角大约是16.98°，而天线的最大辐射方向是8.4°,这个比喇叭口面张角的一半8.49°略小。采用第二种实施方式形成共面化喇叭时其E面中心截面形成张角大约是18.22°，天线的辐射方向为8.55°，这个比喇叭口面的张角9.11°要小。
S303，将所述第一侧面设置于所述导体平面上或者所述导体平面的延伸面上，使所述导体平面通过所述馈电输入端向所述喇叭天线本体馈电。
具体的，导体平面可以是波导中的导体平面，也可以是印刷电路板PCB等介质基板上用于部署元器件的一面。当使用波导时，波导和喇叭天线本体设置于PCB上，PCB通过波导的导体平面向喇叭天线本体馈电。当导体平面为介质基板上用于部署元器件的一面时，则可采用设置于介质基板上的平面传输线向喇叭天线本体馈电。
通过发明实施例，角锥喇叭天线的馈源采用导体平面向喇叭天线本体进行馈电，喇叭天线本体的一个侧面(第一侧面)平行于导体平面，且可设置于导体平面或者导体平面的延伸面上，因此，本实施例中的角锥喇叭天线通过与导体平面平行的第一侧面，可更为方便地集成于电路板上，从而实现了高增益的喇叭天线与可用面积较小的电路板的集成整合，在保证天线增益的同时使得电路结构更为紧凑。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种角锥喇叭天线，其特征在于，包括喇叭天线本体和馈源，所述喇叭天线本体包括第一侧面和馈电输入端，所述馈源包括导体平面；
所述导体平面通过所述馈电输入端向所述喇叭天线本体馈电，所述第一侧面平行于所述导体平面，且设置于所述导体平面上或者所述导体平面的延伸面上。
2.如权利要求1所述的角锥喇叭天线，其特征在于，所述馈源为波导，所述波导包括信号输出端和导体平面；
所述信号输出端开口与所述馈电输入端开口连通，所述导体平面与所述第一侧面在所述信号输出端开口处拼接，使所述第一侧面设置于所述导体平面从所述信号输出端的开口方向延伸而形成的延伸面上。
3.如权利要求2所述的角锥喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线本体还包括与所述馈电输入端相对设置的喇叭开口，所述喇叭天线本体和所述波导设置于印刷电路板PCB上，所述第一侧面在所述喇叭开口处的侧边与所述PCB的边缘重合。
4.如权利要求1所述的角锥喇叭天线，其特征在于，所述馈源包括介质基板以及设置于所述介质基板一面上的平面传输线，所述介质基板的一面为所述导体平面；
所述平面传输线穿过所述馈电输入端并设置于所述第一侧面上，用于向所述喇叭天线本体馈电，所述第一侧面设置于所述介质基板的导体平面上。
5.如权利要求4所述的角锥喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线本体还包括与所述馈电输入端相对设置的喇叭开口，所述第一侧面在所述喇叭开口处的侧边与所述导体平面的边缘重合。
6.如权利要求5所述的角锥喇叭天线，其特征在于，所述喇叭开口为矩形；所述喇叭开口的各个侧边与所述馈电输入端对应的侧边的距离相同。
7.如权利要求1所述的角锥喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线本体还包括与所述第一侧面相对的第二侧面，所述第一侧面与第二侧面相对的边长度分别相等。
8.一种角锥喇叭天线的设计方法，其特征在于，所述角锥喇叭天线包括喇叭天线本体和馈源，所述喇叭天线本体包括第一侧面、与所述第一侧面相对的第二侧面以及馈电输入端，所述馈源包括导体平面；所述方法包括：
将所述第一侧面和所述第二侧面进行调整，使所述第一侧面平行于所述导体平面；
将所述第一侧面设置于所述导体平面上或者所述导体平面的延伸面上，使所述导体平面通过所述馈电输入端向所述喇叭天线本体馈电。
9.如权利要求8所述的角锥喇叭天线的设计方法，其特征在于，所述喇叭天线本体还包括与所述馈电输入端相对设置的喇叭开口；
所述将所述第一侧面和所述第二侧面进行调整，使其平行于所述导体平面，包括：
将所述第一侧面和所述第二侧面进行抬升，所述喇叭开口的口面平行于所述馈电输入端所在平面，使所述第一侧面平行于馈源的导体平面；
对所述第一侧面的侧边进行长度补偿，使所述第一侧面与所述第二侧面对应的边长度分别相等。
10.如权利要求8所述的角锥喇叭天线的设计方法，其特征在于，所述将所述第一侧面和所述第二侧面进行调整，使其平行于馈源的导体平面，包括：
将所述第一侧面以及所述第二侧面进行抬升，抬升过程中两个面之间的角度保持不变，使所述第一侧面平行于所述导体平面。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151125 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |