CN105161854A - 一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线 - Google Patents

Abstract

一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，首次将径向盘技术引入到超宽带天线设计中，在天线的馈电处增加了径向盘阻抗变换器的设计，能够解决馈电系统中不同传输线变换器的超宽带工作问题，同时能保障天线辐射器在宽带馈电下实现电磁能量的有效变换和定向辐射。同时，采用了具有电场和磁场集中效应的脊波导结构，在其用于能量交换脊波导腔的两个侧面采用具有超宽带特性的三角脊结构，以保障对于不同频率的电磁波都具有良好匹配的电磁能量变换腔。采用了大口径渐变加脊定向喇叭辐射器设计技术，可以在超宽带内实现天线的高增益和定向性辐射，并控制天线的极化特性和方向图旁瓣。

Description

一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线

技术领域

本发明涉及一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，属于天线技术领域。

背景技术

常用宽带天线主要有行波天线、非频变天线、多模天线、组合天线四种类型。行波天线，如长线天线、表面波天线、漏波天线、脊波导天线等主要存在天线尺寸大，材料损耗大，天线增益低等问题。非频变天线，如阿基米得平面螺旋天线、对数天线、镜向天线等主要存在材料损耗大，馈电困难、天线增益低等问题。多模天线，如脊变波导断面天线等,主要存在方向性随频率变化而变化等问题。组合天线，如多频组合天线等，主要存在馈电困难，方向性多变，调试困难等问题。

经论文和专利检索表明，目前在国内外都没有工作频带范围覆盖1-20GHz、定向辐射，并在整个频段内均具有高达10dBi以上增益的小型天线的研究文献报道和产品生产。根据各种文献和国内外产品的调查结果，目前国内外超宽带天线产品主要存在两个不足：一是天线工作频带范围覆盖1-18GHz，二是天线增益一般较低，尤其是低频段一般低于7-8dBi。

从技术、应用和可靠性出发，基于多模脊渐变喇叭天线设计方案是性能较好的，但是其不足之处在于现有的多模脊渐变喇叭天线的驻波系数、工作带宽和天线增益都还达不到较高的设计要求。基于多模脊渐变喇叭天线能够在电压驻波比VSWR<3:1内具有的最大频率宽度仅为1-18GHz，且在低频段的天线增益最大只有7-8dBi，这是最接近工作带宽大于1-20GHz，定向辐射，并在整个频段内均具有高达10dBi以上增益设计要求的天线，也是业界应用最广、效果最好的超宽带高增益小型微波天线，常被用于微波暗室的宽带天线测试和电磁兼容室的宽带EMC测试。2009年发表在国际IEEE-AP杂志上的“ANovelCompactUltraWidebandAnternna”论文中介绍了一种超宽带天线设计方法，采用增加圆球的馈电结构设计，实现了3-100GHz的超宽带内的高增益，虽然该天线具有极宽的工作频带，但由于其天线在水平面上的最大辐射方向随工作频率发生变化，不能用于对天线有定向要求的平台。

现有的多模脊渐变喇叭天线设计方法难以在1-20GHz极宽频率范围内实现较高增益的定向辐射和天线的阻抗匹配，当天线工作到相对于最低频率较高的频率范围时，由于基于最低频率设计的脊波导中出现高次模式的电磁波，使得天线高段频率的电磁波辐射方向图发生波瓣分裂。同时，还由于高次模式的原因，使得脊波导与同轴馈电线间的阻抗匹配发生恶化。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，解决影响多模脊变喇叭天线性能的关键技术壁垒，大大扩展了天线的工作频率范围，改善天线的阻抗匹配和提高天线的辐射增益。

本发明的技术解决方案是：

一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，包括短路面、脊波导、矩形喇叭、第一渐变脊、第二渐变脊、馈电柱、馈电接头、三角脊和挡盖；

脊波导的腔体内，E面对称设置有斜坡状反射面，H面对称设置有三角脊，脊波导的一端为一平面，与短路面连接，脊波导的另一端与矩形喇叭相连接；矩形喇叭内部的两个宽面上对称安装第一渐变脊和第二渐变脊，第一渐变脊和第二渐变脊的端部均为直径相同的圆柱状过渡，其上设置有垂直于脊波导E面的贯通孔，第一渐变脊和第二渐变脊的端部均与脊波导腔体内的斜坡状反射面固定连接，第一渐变脊和第二渐变脊端部的贯通孔同轴相对，且与设置在脊波导腔体内的斜坡状反射面上的通孔连通；馈电接头下端的馈电探针从脊波导E面外侧插入，馈电探针依次穿过脊波导E面上的贯通孔、第一渐变脊端部的贯通孔以及第一渐变脊和第二渐变脊端部贯通孔之间的缝隙，伸入到第二渐变脊端部的贯通孔中，与馈电柱相接；馈电柱为圆柱状结构，从所述第二渐变脊端部的贯通孔插入；第一渐变脊贯通孔的下端部所在的圆环形端面与第二渐变脊贯通孔的上端部所在的圆环形端面形成径向盘阻抗变换器；挡盖安装在矩形喇叭开口处，将矩形喇叭封闭。

所述短路面上有圆柱状凸起，在该凸起的中心盲孔中安装有定位螺栓，用于所述天线安装后的定位，中心盲孔周边均匀分布若干个安装孔，该若干个安装孔分布在同一个圆周上。

第一渐变脊和第二渐变脊位于同一个平面内，且该平面为所述天线的对称面。

第一渐变脊端部贯通孔的直径大于第二渐变脊端部贯通孔的直径。

馈电柱的直径与第二渐变脊端部贯通孔的直径相同，馈电接头下端的馈电探针的直径与馈电柱的直径相同。

所述径向盘阻抗变换器包括圆环状上平板和圆环状下平板，上平板为第一渐变脊贯通孔下端部所在端面上直径为D的圆盘，所述第一渐变脊端部的圆柱状过渡位于上平板的圆周上；下平板为第二渐变脊贯通孔上端部所在上端面上直径为D的圆盘，所述第二渐变脊端部的圆柱状过渡位于下平板的圆周上；上平板与下平板之间的距离h满足关系式直径D满足关系式其中，V_i为径向盘阻抗变换器上下平板之间的电压,I_i为径向盘阻抗变换器内的位移电流，E_Z为径向盘阻抗变换器内的电场，为径向盘阻抗变换器内的磁场，Z_in＝V_i/I_i，Z_in为径向盘阻抗变换器的输入阻抗。

所述上平板与下平板之间的距离0.8mm<h<1.2mm，直径3mm<D<5mm，

脊波导腔的宽边长度a为所述天线最低工作频率对应的波长的1/4～1/2，窄边长度b小于宽边长度a，所述宽边长度a取值范围为100mm-120mm，窄边长度b取值范围为70mm-90mm。

矩形喇叭的口径宽边长度a1为430～470mm，窄边长度b1为330～370mm。

所述挡盖采用聚四氟乙烯材料制作，短路面、脊波导、矩形喇叭、第一渐变脊、第二渐变脊和三角脊均采用铝制作，馈电柱材料为铜。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)可以在非常宽的工作频率范围内实现高增益工作，有效提高整个系统的工作性能。

(2)可以在超宽工作频带内实现定向辐射，且波束宽度和相位中心随频率的变化较之对数周期天线和喇叭天线都要小很多，作为大型天线的馈源使用时，可大大提高整个天线的效率。

(3)由于馈电采用同轴线馈电，可以方便的用于许多移动场合。

(4)天线结构相对简单、整体尺寸小，这对于应用在任务平台相对紧凑的情况下，该优势将非常宝贵。

(5)本发明天线技术覆盖频段非常宽、增益相对较高、结构简单、整体尺寸小，非常便于安装使用。该天线技术可广泛用于通信、信号侦察、预警探测、电子对抗以及遥测遥控等业务领域，特别是对于基于航空、航天平台宽带调频通迅、信号侦察、预警探测、电子对抗等系统建设，既可作为独立天线使用，也可作为大型天线的馈源使用，安装非常方便。由于这样一个天线可以代替以往的多个分段天线，因此可以很好地解决以往由于受天线宽带技术限制，需要在许多航天、航空、地面机动等侦察、探测平台上需要安装使用多个天线，采用多个频段天线拼接，从而引起平台选型难、改造复杂，使用受限，影响系统性能等问题。

(6)本发明天线结构将径向盘阻抗变换器技术应用于超宽带天线设计当中，完美地解决了超宽带天线的阻抗匹配问题。采用径向盘技术的多模脊渐变喇叭天线的相对频率宽度已达到了192％，较现有同类天线179％的相对频率宽度提高了13％以上。

(7)本发明天线结构中添加了三角脊，大大扩展天线的截止频率，从而极大地扩展天线的工作带宽。脊波导腔内的E面斜坡使得能够形成虚拟反射面，提高阻抗匹配能力。

附图说明

图1是天线组成结构示意图

图2是天线组成结构局部放大图

图3是天线整体侧视示意图

图4是天线内部结构示意图

图5是脊波导腔结构示意图

图6是脊波导腔三角脊结构图

图7是脊波导等效电路图

图8是短路面与脊波导连接示意图

图9是渐变脊连接示意图

图10是渐变脊结构图

图11是渐变脊尺寸示意图

图12是图10渐变脊结构局部放大图

图13是第二渐变脊结构局部放大图

图14是径向盘阻抗变换器结构示意图

图15是径向盘阻抗变换器等效电路示意图

图16是1-20GHz天线驻波比VSWR测试结果图

图17是1-20GHz天线增益测试结果图

图18是天线1GHz的H面辐射方向测试结果图

图19是天线1GHz的E面辐射方向测试结果图

图20是天线5GHz的H面辐射方向测试结果图

图21是天线5GHz的E面辐射方向测试结果图

图22是天线10GHz的H面辐射方向测试结果图

图23是天线10GHz的E面辐射方向测试结果图

图24是天线15GHz的H面辐射方向测试结果图

图25是天线15GHz的E面辐射方向测试结果图

图26是天线20GHz的H面辐射方向测试结果图

图27是天线20GHz的E面辐射方向测试结果图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出了一类具有超宽带高增益特性的天线，通过结构创新和仿真优化技术，解决影响多模脊变喇叭天线性能的关键技术壁垒，大大扩展了天线的工作频率范围，改善天线的阻抗匹配和提高天线的辐射增益。除采用脊波导腔和在大口径喇叭天线加入渐变脊波导结构外，本发明的核心是首次将径向盘技术引入到超宽带天线设计中，在天线的馈电处增加了径向盘阻抗变换器的设计，从而解决馈电系统中不同传输线变换器的超宽带工作问题，同时能保障天线辐射器在宽带馈电下实现电磁能量的有效变换和定向辐射。

众所周知，实现超宽带天线设计必须解决三大技术难题：即天线在超宽带下的输入阻抗匹配问题、电磁能量高效变换问题和辐射体与自由空间波阻抗的阻抗匹配问题。依据天线理论，天线工作带宽与天线的高增益是一对矛盾。为解决上述三个技术难题和天线工作带宽与高增益间的矛盾，我们在天线设计中采用了脊波导腔；在大口径喇叭天线加入渐变脊波导结构；在天线的馈电处加入了径向盘阻抗变换技术。

径向盘阻抗变换器是微波电路中的一种特殊微波部件，常被用于微波波导电路的阻抗变换和阻抗匹配。通过对径向盘阻抗变换器的设计，能在超宽带频率范围内实现低阻抗的天线馈电接头与高阻抗的脊波导腔间的阻抗匹配。通过对径向盘两平板间的距离和平板半径尺寸的合理设计，径向盘可以在相当宽的频率范围内实现高低阻抗间的阻抗变换，从而使天线输入端在超宽带频率下具有良好的阻抗匹配，保障天线具有较低的驻波系数，在大口径高增益喇叭天线设计中保证天线的超宽带阻抗匹配，以满足小型天线的高增益和超宽带工作设计要求。

如图1、2、3、4所示，本发明提供的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，包括短路面2、脊波导3、矩形喇叭4、第一渐变脊5、第二渐变脊6、馈电柱8、馈电接头9、三角脊10和挡盖7；

如图5、图8所示，脊波导3的腔体302内，E面对称设置有斜坡状反射面12，H面对称设置有三角脊10，脊波导3的一端为一平面301，与短路面2连接，脊波导3的另一端与矩形喇叭4相连接；矩形喇叭4内部的两个宽面上对称安装第一渐变脊5和第二渐变脊6，第一渐变脊5的一端为圆柱状过渡，圆柱状过渡上设置有垂直于脊波导3的E面的贯通孔，第二渐变脊6的一端端部也为圆柱状过渡，该圆柱状过渡上设置有垂直于脊波导3的E面的贯通孔，两个渐变脊端部的圆柱状过渡直径相同，且两个圆柱状过渡中设置的贯通孔直径不同。

第一渐变脊5和第二渐变脊6的端部均与脊波导3腔体内的斜坡状反射面12固定连接，第一渐变脊5和第二渐变脊6端部的贯通孔同轴相对，且与设置在脊波导3腔体内的斜坡状反射面12上的通孔连通；馈电接头9下端的馈电探针从脊波导3的E面外侧插入，馈电探针依次穿过脊波导3的E面上的贯通孔、第一渐变脊5端部的贯通孔以及第一渐变脊5和第二渐变脊6端部贯通孔之间的缝隙，伸入到第二渐变脊6端部的贯通孔中，与馈电柱8相接；

馈电探针与第一渐变脊5端部的贯通孔的孔壁不接触，馈电探针的直径与馈电柱8相同，馈电探针与馈电柱8均与第二渐变脊6端部贯通孔的孔壁接触。

馈电柱8为圆柱状结构，从所述第二渐变脊6端部的贯通孔插入；第一渐变脊5贯通孔的下端部所在的圆环形端面与第二渐变脊6贯通孔的上端部所在的圆环形端面形成径向盘阻抗变换器11；挡盖7安装在矩形喇叭4开口处，将矩形喇叭4封闭。

挡盖7采用聚四氟乙烯材料制作，短路面2、脊波导3、矩形喇叭4、第一渐变脊5、第二渐变脊6和三角脊10均采用铝制作，馈电柱9材料为铜。

如图8所示为短路面与脊波导连接示意图。短路面2上有圆柱状凸起，在该凸起的中心盲孔中安装有定位螺栓1，用于所述天线安装后的定位，中心盲孔周边均匀分布若干个安装孔，该若干个安装孔分布在同一个圆周上。

如图12、13所示，第一渐变脊5端部贯通孔的直径大于第二渐变脊6端部贯通孔的直径。馈电柱8的直径与第二渐变脊6端部贯通孔的直径相同。

如图14所示，径向盘阻抗变换器包括圆环状上平板和圆环状下平板，上平板为第一渐变脊5贯通孔下端部所在端面上直径为D的圆盘，所述第一渐变脊5端部的圆柱状过渡位于上平板的圆周上；下平板为第二渐变脊6贯通孔上端部所在上端面上直径为D的圆盘，所述第二渐变脊6端部的圆柱状过渡位于下平板的圆周上；贯通孔中的馈电探针以及馈电柱8用于径向盘阻抗变换器的馈电。

以1-20GHz超宽带高增益小型微波天线设计为例，结构设计主要包括径向盘阻抗变换器设计、脊波导腔设计和大口径渐变加脊定向喇叭辐射器设计三个部分，应遵从以下步骤实施。

1.径向盘阻抗变换器设计

天线馈电端采用国标SMA同轴接头作为馈电接头9与径向盘阻抗变换器相连。径向盘阻抗变换器是微波波导电路设计中的一种微波部件，其特点是可以在非常宽的频率范围内实现较小阻抗与较大阻抗间的良好阻抗匹配。本天线馈电接头采用了50欧姆同轴线，当天线工作在超宽带下，天线特性阻抗将随频率变化有比较大的变化。而由于径向盘阻抗变换器盘间距离非常小，故其特性阻抗的绝对值相比50欧姆是非常小的。因此，在天线馈电处设计一径向盘阻抗变换器可以在非常宽的频率范围内实现天线特性阻抗与同轴线的阻抗匹配。

径向盘阻抗变换器结构示意图见图14，等效电路示意图见图15，径向盘阻抗变换器设计在大口径渐变加脊定向喇叭辐射器渐变脊的末端(见图12、图13、图14)，通过对径向盘阻抗变换器两平板间的距离h和平板半径D尺寸的合理设计和电磁仿真，安装在脊波导腔内的径向盘阻抗变换器可在1-20GHz相当宽频率范围内实现高低阻抗间的阻抗变换，从而保证天线输入端在超宽带频率下具有良好的阻抗匹配，保证天线具有较低的驻波系数。

上平板与下平板之间的距离h满足关系式直径D满足关系式其中，V_i为径向盘阻抗变换器上下平板之间的电压,I_i为径向盘阻抗变换器内的位移电流，Z_in＝V_i/I_i，Z_in为径向盘阻抗变换器的输入阻抗，取50欧姆，E_Z为径向盘阻抗变换器内的电场，为径向盘阻抗变换器内的磁场。

由于波导腔内径向盘所处环境的复杂性，导致径向盘阻抗变换器内电场和磁场很难用一个简单的数学解析式来表达。因此，径向盘阻抗变换器输入阻抗表达式是一个非常复杂的电磁场求解关系，无法直接简单地表示出，只能用数值迭代计算方法，通过计算机来求解。所以，本设计需要通过电磁场仿真软件HFSS的数值计算和优化技术来设计h和D，以达到在工作带宽内满足阻抗匹配和驻波指标要求的目的。

通过上述方式可得优化后的取值范围结果为：上平板与下平板之间的距离0.8mm<h<1.2mm，直径3mm<D<5mm。将径向盘技术应用于超宽带天线设计，很好地解决了超宽带天线的阻抗匹配。采用径向盘技术的多模脊渐变喇叭天线的相对频率宽度已达到了192％，较现有同类天线179％的相对频率宽度提高了13％以上。

为了进一步改善高频匹配性能，本设计采用了定制馈电探针。通过定制长度的馈电探针和上脊波导壁之间的径向盘电容效应抵消探针的高频电感。探针直径是依据50欧姆SMA馈电接头的标准尺寸决定，馈电接头9(50欧姆同轴线)的内外径比为1：2.3，长度大于脊波导3的E面上的贯通孔的高度、第一渐变脊5端部的贯通孔的高度以及第一渐变脊5和第二渐变脊6端部贯通孔之间的缝隙h之和。

2.脊波导腔设计

脊波导腔主要用于实现电磁波能量与电流、电压所描述的电路能量间的转换，也就是实现描述电磁波的电场、磁场向描述电路特征的电流、电压的高效率能量变换。由于天线要求是体积小型并且是超宽带、高增益工作。因此，这样的能量变换必须是超宽带和高效率的变换，同时结构必须小型化。

为保障天线小型化和超宽带特性，采用具有电场和磁场集中效应的脊波导结构(结构见图5)，并在其用于能量交换脊波导腔的两个侧面(H面)采用具有超宽带特性的三角脊结构(结构见图5、图6)，以保障对于不同频率的电磁波都具有良好匹配的电磁能量变换。

脊波导的严格计算是件困难的工作，主要从波导手册中查列表计算，用等效电路(等效电路图见图7)近似查表计算得到等效电路平衡方程：

$\frac{y_0^{\&prime;}}{y_0}tan\frac{\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_c}{a}^{\&prime;}+\frac{B}{y_0}-\cot \frac{\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_c}(a-a^{\&prime;})=0$

其中：a、b为脊波导的矩形腔的宽边和窄边长度，a′、b′分别为脊波导脊的宽边和窄边长度；y′₀、y₀分别为脊波导和矩形波导的特性导纳，B为脊波导脊的等效并联电容；λ_c为脊波导的截止波长。

对于不同模式、不同和可以通过查波导手册(WaveguideHandbook,N.Marcuvity,McGRAW-HILL.BookCompany,INC,1951)得到和B，从而得到脊波导截止波长λ_c。从表中可以看出，脊波导的基模H10与最相近模之间的频率带宽较矩形波导宽，并有较大的λ_c，即脊波导的截止波长比矩形波导截止波长(在相同波导尺寸下)要大。也就是说，对于同一工作频率，脊波导具有更小的尺寸。

矩形腔的宽边a尺寸由天线最低频率决定，取值范围为最低频率(1GHz)的所对应波长(300mm)的1/4～1/2，窄边b的尺寸小于a；a′、b′是由天线仿真软件对上述公式进行仿真计算来确定。脊波导腔长度H的设计与三角脊的优化结构设计相关。从工艺可实现角度考虑，在满足带内驻波系数的条件下，脊波导腔长度H越小越好，以保证结构尺寸小、重量轻。其优化设计的迭代过程是：先对H设定一个较小的尺寸，利用电磁仿真软件HFSS优化设计三角脊的结构尺寸，综合考虑结构的可实现性和带内驻波指标要求，反复迭代优化计算，直至得到最优结果，最终确定脊波导腔长度和三角脊的结构尺寸。

以1-20GHz宽带天线为例，最终优化结果为：所述脊波导a取值(100mm-120mm)，b取值(70mm-90mm)，如图6所示为三角脊10的示意图，三角脊10的斜角取值为(40，60)，采用此脊波导设计提升了国内外同类超宽带天线的宽带和增益特性，与国外同类超宽带天线相比，工作频带扩展了近一倍，增益提高了5dB。

3.大口径渐变加脊定向喇叭辐射器设计

大口径渐变加脊定向喇叭辐射器设计的主要目的是在超宽带内实现天线的高增益和定向性辐射，并控制天线的极化特性和方向图旁瓣。喇叭天线的口径的合理设计可以保障天线的高增益和定向性辐射特性，喇叭天线的口径由最低频率1GHz的增益决定，同时要兼顾高频率20GHz情况下大口径天线所引起的波束分裂，通过仿真优化计算，以获得最低频率点所要求的天线增益并获得高频段最小波束分裂。要满足天线最低频率的增益，必须保证天线具有足够大的口径尺寸。设矩形喇叭天线前端开口面积为S＝a1*b1，其中a1为矩形喇叭天线口径的宽边，b1为矩形喇叭天线口径的窄边。根据矩形喇叭天线增益计算公式，矩形喇叭天线的增益Gain为：

$Gain=0.65\frac{4\mathrm{\&pi;}S}{{\mathrm{\&lambda;}}^2},$ λ为工作波长，

天线在E面和H面的波束宽度分别为：

$2{\mathrm{\&theta;}}_{0.5E}\&ap;\frac{51\mathrm{\&lambda;}}{b}$

$2{\mathrm{\&theta;}}_{0.5H}\&ap;\frac{67.6\mathrm{\&lambda;}}{a}$

考虑最小频率点1GHz，可得到喇叭天线前端口径面积大于S＝axb＝11024mm²。结合三维电磁计算，最大程度地抑制高次模产生的波束分裂，从而确定口径尺寸a1、b1。矩形喇叭天线的后端与脊波导腔相接，其尺寸决定于脊波导腔的尺寸。

矩形喇叭天线的长度L主要与工作频带宽度有关。因此，L尺寸需要综合考虑增益、驻波、工作带宽以及可实现的尺寸范围来设计。从设计角度来说，如果天线带宽非常宽，天线长度越长越好，但此时会带来使用上的不便。考虑到本天线可能用于机载平台，L的取值范围不能超过650mm。由于渐变脊引进的目的是匹配阻抗、扩展带宽，其结构尺寸的优化设计可以有效缩短喇叭天线的长度L。因此，矩形喇叭天线的长度L与渐变脊的结构尺寸密切相关，必须是在优化设计渐变脊的同时，通过矩形喇叭天线b边尺寸与两条渐变脊的正交，来确定矩形喇叭天线的长度L，即矩形喇叭天线的长度L必须与渐变脊的渐变包络曲线同时优化设计。

渐变脊尺寸的合理设计和电磁仿真调节(通过电磁仿真软件优化计算以获得最佳脊的渐变达到驻波设计要求)可以保障在超宽带频率范围内，使天线喇叭辐射器与377欧姆的自由空间波阻抗相匹配，保障天线具有超宽带特性。用脊波导的等效电路模型进行近似计算，之后再通过电磁仿真软件的优化设计得到渐变脊的结构尺寸。优化的过程是一个复杂的数值计算过程，各个参数尺寸都要发生变化，所以无法给出一个简单的尺寸关系或公式，只能通过计算机迭代计算得出最后的尺寸。在满足带内驻波要求的条件下，取曲率最大的渐变脊包络线，以保证喇叭长度L最短。渐变脊的结构见图10、图11、图12和图13。

以1-20GHz宽带天线为例，最终优化结果为：矩形喇叭4的口径宽边长度a1为430～470mm，窄边长度b1为330～370mm，长度L取值330～370mm。

渐变脊的弧线段可以分为两部分，一部分为长度范围65～79mm的直线段，另一部分为圆弧，半径330～370mm，圆心角为58～61度。

通过对多模脊渐变喇叭天线的渐变脊尺寸的优化设计，改善了多模喇叭天线在超宽带下的波瓣分裂，扩展了未出现波瓣分裂下的工作带宽，降低了天线旁瓣和提高了天线增益。

在完成天线径向盘阻抗变换器、脊波导腔和大口径渐变加脊定向喇叭辐射器的初步设计后，采用HFSS电磁仿真软件对天线整体进行建模、电磁仿真和优化计算。对于不满足主要性能指标的部分，程序性自动调整相应参数进行进一步的设计和优化，以保证天线在1-20GHz的频率范围内满足增益大于10dBi、副瓣小于-13dB(1-10GHz范围)和-10dB(10-20GHz范围)、驻波系数小于2.5:1以及最大程度地抑制波束分裂的设计要求。

工作原理：由于天线的增益主要由天线口径尺寸、口径电场分布以及天线能量变换率决定，通过采用脊波导结构，相同情况下，具有比矩形波导更低的截止频率，从而获得更大的工作带宽。天线输入阻抗决定了天线能否从外输入馈电线处有效地获得能量，通过对具有较低的阻抗变换特性的径向盘的设计，达到天线的输入阻抗与外输入阻抗(通常为50欧姆或75欧姆)相等。天线输出阻抗决定了天线能否将变换好的电磁波能量有效地向高阻抗的自由空间辐射。通过采用波阻抗近似为377欧姆的渐变脊开口波导结构，保障了天线可以很好阻抗匹配地向自由空间(波阻抗近似为377欧姆)辐射电磁波能量。

以1-20GHz的超宽带高增益天线为例，给出本发明实施例：

短路面2为矩形，厚度16mm，长114mm，宽84mm，脊波导3为矩形，厚度46mm，宽边114mm，窄边84mm，矩形喇叭4开口a1＝454mm，b1＝354mm，长度L＝350mm，第一渐变脊5、第二渐变脊6长度相同(如图11)，为370.7mm，圆弧半径348mm，圆心角59.13度，馈电柱8为圆柱形，长度34mm，半径1.3mm，馈电接头9为50欧姆标准接头，探针长度为定制50mm，三角脊10，与脊波导301面相接的边长为40mm，斜角45度44分，挡盖7为矩形，长458mm，宽358mm，形成的径向盘阻抗变换器，上平板与下平板之间的距离h＝1mm，圆盘直径D＝4mm；第一渐变脊端部通孔直径为3mm，第二渐变脊端部通孔直径为1.3mm，挡盖7采用聚四氟乙烯材料制作，短路面2、脊波导3、矩形喇叭4、第一渐变脊5、第二渐变脊6和三角脊10均采用铝制作，馈电柱8材料为铜。

最后对上述天线进行了驻波、方向图和增益测试。测试结果显示：如图16所示，天线的电压驻波比VSWR在2.5:1范围之内，工作频率范围大于1-20GHz、如图17所示，天线的定向辐射增益大于11.5dBi，如图18所示是天线1GHz的H面辐射方向测试结果、图19所示是天线1GHz的E面辐射方向测试结果、图20所示是天线5GHz的H面辐射方向测试结果、图21所示是天线5GHz的E面辐射方向测试结果、图22所示是天线10GHz的H面辐射方向测试结果、图23所示是天线10GHz的E面辐射方向测试结果、图24所示是天线15GHz的H面辐射方向测试结果、图25所示是天线15GHz的E面辐射方向测试结果、图26所示是天线20GHz的H面辐射方向测试结果、图27所示是天线20GHz的E面辐射方向测试结果，从图18-27可以看出1GHz、5GHz、10GHz、15GHz、20GHz附近波束没有明显的分裂现象，均满足技术要求。该天线性能达到了国内外超宽带高增益小型微波天线设计的新高度，具有超宽带、高增益的特点，验证了本设计发明的有效性。

Claims (10)

1.一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：包括短路面(2)、脊波导(3)、矩形喇叭(4)、第一渐变脊(5)、第二渐变脊(6)、馈电柱(8)、馈电接头(9)、三角脊(10)和挡盖(7)；

脊波导(3)的腔体(302)内，E面对称设置有斜坡状反射面(12)，H面对称设置有三角脊(10)，脊波导(3)的一端为一平面(301)，与短路面(2)连接，脊波导(3)的另一端与矩形喇叭(4)相连接；矩形喇叭(4)内部的两个宽面上对称安装第一渐变脊(5)和第二渐变脊(6)，第一渐变脊(5)和第二渐变脊(6)的端部均为直径相同的圆柱状过渡，其上设置有垂直于脊波导(3)E面的贯通孔，第一渐变脊(5)和第二渐变脊(6)的端部均与脊波导(3)腔体内的斜坡状反射面(12)固定连接，第一渐变脊(5)和第二渐变脊(6)端部的贯通孔同轴相对，且与设置在脊波导(3)腔体内的斜坡状反射面(12)上的通孔连通；馈电接头(9)下端的馈电探针从脊波导(3)E面外侧插入，馈电探针依次穿过脊波导(3)E面上的贯通孔、第一渐变脊(5)端部的贯通孔以及第一渐变脊(5)和第二渐变脊(6)端部贯通孔之间的缝隙，伸入到第二渐变脊(6)端部的贯通孔中，与馈电柱(8)相接；馈电柱(8)为圆柱状结构，从所述第二渐变脊(6)端部的贯通孔插入；第一渐变脊(5)贯通孔的下端部所在的圆环形端面与第二渐变脊(6)贯通孔的上端部所在的圆环形端面形成径向盘阻抗变换器(11)；挡盖(7)安装在矩形喇叭(4)开口处，将矩形喇叭(4)封闭。

2.根据权利要求1所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：所述短路面(2)上有圆柱状凸起，在该凸起的中心盲孔中安装有定位螺栓(1)，用于所述天线安装后的定位，中心盲孔周边均匀分布若干个安装孔，该若干个安装孔分布在同一个圆周上。

3.根据权利要求1所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：第一渐变脊(5)和第二渐变脊(6)位于同一个平面内，且该平面为所述天线的对称面。

4.根据权利要求1所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：第一渐变脊(5)端部贯通孔的直径大于第二渐变脊(6)端部贯通孔的直径。

5.根据权利要求1所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：馈电柱(8)的直径与第二渐变脊(6)端部贯通孔的直径相同，馈电接头(9)下端的馈电探针的直径与馈电柱(8)的直径相同。

6.根据权利要求1所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：所述径向盘阻抗变换器(11)包括圆环状上平板和圆环状下平板，上平板为第一渐变脊(5)贯通孔下端部所在端面上直径为D的圆盘，所述第一渐变脊(5)端部的圆柱状过渡位于上平板的圆周上；下平板为第二渐变脊(6)贯通孔上端部所在上端面上直径为D的圆盘，所述第二渐变脊(6)端部的圆柱状过渡位于下平板的圆周上；上平板与下平板之间的距离h满足关系式直径D满足关系式其中，V_i为径向盘阻抗变换器(11)上下平板之间的电压,I_i为径向盘阻抗变换器内的位移电流，E_Z为径向盘阻抗变换器(11)内的电场，为径向盘阻抗变换器(11)内的磁场，Z_in＝V_i/I_i，Z_in为径向盘阻抗变换器(11)的输入阻抗。

7.根据权利要求6所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：所述上平板与下平板之间的距离0.8mm<h<1.2mm，直径3mm<D<5mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：脊波导的矩形腔的宽边长度a为所述天线最低工作频率对应的波长的1/4～1/2，窄边长度b小于宽边长度a，所述宽边长度a取值范围为100mm-120mm，窄边长度b取值范围为70mm-90mm。

9.根据权利要求1所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：矩形喇叭(4)的口径宽边长度a1为430～470mm，窄边长度b1为330～370mm。

10.根据权利要求1所述的一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，其特征在于：所述挡盖(7)采用聚四氟乙烯材料制作，短路面(2)、脊波导(3)、矩形喇叭(4)、第一渐变脊(5)、第二渐变脊(6)和三角脊(10)均采用铝制作，馈电柱(8)材料为铜。