CN105720373B - 宽带双脊喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种宽带双脊喇叭天线，用于解决现有宽带双脊喇叭天线馈电结构复杂及在高频时出现裂瓣和增益下降的技术问题；包括喇叭外壳(1)、矩形波导段(2)、上脊(3)、下脊(4)和同轴馈线(5)；矩形波导段(2)采用带腔的立方体结构；上脊(3)和下脊(4)的脊线均由直线段和曲线段组成，其中曲线段采用三次贝塞尔曲线，该曲线末端端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值，该两个脊(3，4)分别固定在喇叭外壳(1)的上侧板和下侧板的内壁上；同轴馈线(5)穿过矩形波导段(2)的顶端和上脊(3)与下脊(4)相连；本发明的馈电结构简单，可在宽频带内保持稳定的方向图特性，适用于作为标准测量天线和作为反射器的馈源。

Description

宽带双脊喇叭天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种宽带双脊喇叭天线，特别涉及一种简化馈电结构和改善脊线结构形式的双脊喇叭天线，适用于作为标准测量天线和反射器的馈源。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，人们对于天线性能的要求也越来越高，传统的窄带天线已经不能满足人们的需求。在许多领域，比如在电视、调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等方面，要求高质量的传输语言、文字、数据、图像甚至是视频信息。而随着信道容量不断扩宽，传输速率不断提高，原有的频谱资源变得十分拥挤。因此超宽带天线技术成为了国内外的一个研究热点，受到了越来越多的重视。

超宽带天线按照形状可以分为单极子和偶极子天线、对数周期天线、反射面天线、螺旋天线、喇叭天线、贴片天线等等，它们各自有不同的适用场合。对数周期天线常用于电视信号接受，但没有固定的相位中心。螺旋天线虽然可以达到一定的带宽比，但是加工比较麻烦，结构稳定性也不够。贴片天线虽然体积较小，但功率容量不大。传统的双脊喇叭天线从结构上可以分为四个部分：由同轴馈线和环绕于脊末端的楔形体组成的馈电部分；由左右两侧板和上下两侧板组成的喇叭外壳；连接在喇叭外壳之后的标准矩形波导；一对由线性部分和曲线部分构成的脊。传统脊线的曲线部分多采用指数型曲线或者在指数型曲线末端添加一部分圆弧线的形式。双脊喇叭天线凭借着具有较高的增益、良好的方向性表现、低驻波比、在整个频带内具有较好的半功率波瓣宽度、易于激励、具有相对简单的结构和峰值处理能力等等优点，使得这种天线可以广泛地应用于电磁兼容领域、标准测量天线、通信系统、卫星定位系统、反射器的馈源和雷达中。

传统的加脊喇叭天线在很长时间被用作标准天线，但由于之前并没有有效的仿真软件来对实际的3D方向图进行研究，人们只能观察到少量的关于辐射性能衰落的信息。随着计算机处理能力的提高和数字计算方法的进步使得人们可以在整个频带范围内对双脊喇叭天线进行分析。2003年Christian Bruns等人在IEEE Transactions onElectromagnetic Compatibility发表的文章Analysis and Simulation of a 1–18GHzBroadband Double-Ridged Horn Antenna中指出，传统的加脊喇叭天线并不是在整个频带范围内保持主瓣沿着喇叭轴向，而是当频率大于12GHz时，其主瓣开始分裂成为4个远离轴向的旁瓣，并且伴随着6dB左右的增益下降。这些裂瓣的出现成为了加脊喇叭天线在电磁兼容领域应用中的一个大问题，比如在暗室中作为测量天线的使用时，需要天线在辐射性能上保持唯一的主瓣。

而另一方面，由于传统的双脊喇叭天线并不是一体化制成的，而是由若干个部分组装而成，馈电结构相对复杂，并且传统的脊线形式多采用指数型曲线，调节难度较大。比如中国专利申请，申请公布号为CN104993243A，名称为“超宽带喇叭天线”，该发明公开了一种超宽带喇叭天线，该天线包含模式转换后馈腔部分、同轴线激励部分、双脊喇叭部分，其中模式转换后馈腔部分的结构如图1所示。通过利用金属套、短路板、斜体、楔体、喇叭窄边侧壁等结构实现超宽带性能，但是模式转换后馈腔部分的结构过于复杂。脊的脊线采用传统的指数型曲线，其结构如图2所示，采用的指数型曲线为z(y)＝0.02y+z(0)e^ky(0≤y≤L)，更改曲线的相关变量不仅会改变脊的形式，同时也会影响喇叭口径尺寸，因此不利于调节。2010年B.Jacobs在Journal of Electromagnetic Waves and Applications上发表的文章The Effect of Manufacturing and Assembling Tolerances on the Performance ofDouble-ridged Horn Antennas中指出，传统的加脊喇叭天线各个部分之间尤其是在馈电部分存在的缝隙会对天线性能产生严重影响，在脊和添加在矩形波导部分楔形体之间的缝隙以及楔形体与矩形波导壁之间的缝隙对于天线增益会产生严重影响，并且这种缝隙在大量制造天线时更容易产生。而简单的提高天线各个部分的加工精度不仅造价昂贵，而且不能保证能取得理想的效果。这些缺点限制了双脊喇叭天线的应用和进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种宽频双脊喇叭天线，通过简化馈电结构和改善脊线的结构形式，用于解决现有宽带双脊喇叭天线馈电结构复杂及在高频时出现裂瓣和增益下降的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种宽带双脊喇叭天线，包括喇叭外壳1、矩形波导段2、上脊3、下脊4和同轴馈线5；喇叭外壳1为矩形椎体结构，其末端与矩形波导段2相连；上脊3和下脊4采用相同结构，其脊线均由直线段和曲线段组成，分别固定在喇叭外壳1的上侧板和下侧板的内壁上；同轴馈线5穿过矩形波导段2的顶端和上脊3与下脊4相连；上脊3和下脊4脊线的曲线段采用三次贝塞尔曲线，该曲线末端端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值；该上脊3和下脊4靠近馈电点一端的横向部分采用圆弧结构；矩形波导段2采用带腔的立方体结构。

上述的宽带双脊喇叭天线，上脊3和下脊4的脊的宽度尺寸为J，其取值范围为6～8.5mm。

上述的宽带双脊喇叭天线，喇叭外壳1采用轻质金属材料，该喇叭外壳1的口径长边尺寸为W，其取值范围为80～95mm，口径短边尺寸为A，其取值范围为65～75mm，轴向长度尺寸为B，其取值范围为78～85mm。

上述的宽带双脊喇叭天线，矩形波导段2采用轻质金属材料，外形高度尺寸为C，其取值范围为20～24mm，外形长度尺寸为D，其取值范围为10～14mm，外形宽度尺寸为E，其取值范围为20～24mm。

上述的宽带双脊喇叭天线，所述三次贝塞尔曲线由以下参数方程表述：

其中，x表示曲线沿喇叭轴向的距离，y表示与上脊和下脊中心的垂直距离，(x₁,y₁)表示起始端端点的坐标值，(x₂,y₂)表示起始端端点控制点的坐标值，(x₄,y₄)表示末端端点的坐标值，(x₃,y₃)表示末端端点控制点的坐标值；并且其末端端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值，即x₃＞x₄，y₃＞y₄。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明中的矩形波导段由于采用了带腔的立方体结构，与现有的矩形波导段采用的在内部添加楔形块的结构相比简化了馈电结构的复杂程度，降低了加工难度和加工成本；同时，避免了天线在脊和楔形体之间以及楔形体和矩形波导壁之间可能产生的缝隙，保证了天线在整个工作频带内性能的稳定。

2、本发明中上脊和下脊脊线的曲线部分由于采用了末端端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值的三次贝塞尔曲线，可以很好的实现从馈电端口到自由空间的阻抗变换，避免了高频时的裂瓣和增益下降问题，与通常采用的指数型曲线相比，这种参数曲线在调节参数过程中只对脊的形式产生影响，而不会改变喇叭天线的口径尺寸，更加有利于调节和控制。

附图说明

图1是现有超宽带加脊喇叭天线模式转换后馈腔部分的结构示意图；

图2是现有超宽带加脊喇叭天线的下脊结构示意图；

图3是本发明的整体结构示意图；

图4是本发明矩形波导段的剖视图；

图5是本发明下脊的结构示意图；

图6是本发明实施例1在2～18GHz电压驻波比仿真曲线图；

图7是本发明实施例1在2～18GHz增益仿真曲线图；

图8是本发明实施例1分别在2GHz、10GHz、14GHz和18GHz的E/H面仿真方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

参照图3，一种宽带双脊喇叭天线，包括喇叭外壳1、矩形波导段2、上脊3、下脊4和同轴馈线5。喇叭外壳1为矩形椎体结构，其末端与矩形波导段2的开口通过焊接相连；上脊3和下脊4采用相同结构，分别通过螺丝固定在喇叭外壳1的上侧板和下侧板的内壁上，同轴馈线5的外芯和矩形波导段2的外壁相接，内芯穿过依次穿过矩形波导段2的上壁和上脊3中的通孔与下脊4相接。

喇叭外壳1采用轻质金属材料，本实施例采用铝质板材，其结构有由左右两侧板和上下两侧板组成矩形椎体结构，上下两侧板的两个侧边均向外翻折，且与左右两侧板相垂直，所述翻折部分与对应的左右两侧板紧密贴合，翻折部分和左右两侧板在沿翻折部分方向上开有螺纹孔，通过螺钉将左右两侧板和上下两侧板固定连接。喇叭外壳1的口径长边尺寸W为85mm，口径短边尺寸A为70mm，轴向长度尺寸B为80mm，所用铝板厚度h为1mm。

矩形波导段2采用轻质金属材料，本实施例采用铝质板材，采用带腔的立方体结构，与喇叭外壳1相连的一端为开口，另一端为短路板，在其上壁沿纵向的中轴线上设有一圆形通孔用于穿过同轴馈线5的内芯。矩形波导段2的外形高度尺寸C为22mm，外形长度尺寸D为12mm，外形宽度尺寸E为22mm，波导壁厚度为1mm。

上脊3和下脊4均采用轻质金属材料，本实施例采用铝材。在上脊3和下脊4与喇叭上下两侧板接触的一面相应的位置上开有螺纹孔，用于和喇叭外壳1的上下侧壁连接，其中上脊3在与矩形波导段2上壁圆形通孔相对应的位置上具有同样半径的通孔，用于穿过同轴馈线5的内芯。

同轴馈线5采用特性阻抗值为50Ω，其内芯半径为0.65mm，外芯半径为1.5mm。

参照图4，是本发明矩形波导段的剖视图。矩形波导段2的空腔部分为立方体结构，矩形波导段上下左右四壁的厚度尺寸均为1mm。

参照图5，下脊4的脊线由曲线段41和直线段42组成，这两段曲线连接构成脊4结构的整体形状，下脊4在靠近馈电点一端的横向部分采用圆弧结构43。曲线段41采用末端端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值的三次贝塞尔曲线，脊的宽度尺寸J为7.5mm。

实施例2:

实施例2与实施例1结构相同，仅对以下参数作出修改：脊的宽度尺寸J为6mm，矩形波导段2的外形高度尺寸C为20mm，外形长度尺寸D为10mm，外形宽度尺寸E为20mm，喇叭外壳1的口径宽度尺寸W为80mm，口径高度尺寸A为65mm，轴向长度尺寸B为78mm。

实施例3：

实施例2与实施例1结构相同，仅对以下参数作出修改：脊的宽度尺寸J为8.5mm，矩形波导段2的外形高度尺寸C为24mm，外形长度尺寸D为14mm，外形宽度尺寸E为24mm，喇叭外壳1的口径宽度尺寸W为95mm，口径高度尺寸A为75mm，轴向长度尺寸B为85mm。

以下结合仿真结果，对本发明的技术效果作进一步描述：

1、仿真内容

利用仿真软件HFSS对上述实施例1所述的天线结构进行建模仿真。如图6本发明实施例1在2～18GHz电压驻波比仿真曲线图；如图7本发明实施例1在2～18GHz增益仿真曲线图；如图8a是本发明实施例1在2GHz的E/H面仿真方向图；b是本发明实施例1在10GHz的E/H面仿真方向图；c是本发明实施例1在14GHz的E/H面仿真方向图；d是本发明实施例1在18GHz的E/H面仿真方向图；

2、仿真结果

参照图6，为本发明实施例1的电压驻波比仿真曲线图。可以看出来在整个2～18GHz范围内天线的电压驻波比小于2，在6.7～18GHz范围内天线的电压驻波比小于1.5。说明本发明具有良好的阻抗带宽特性。

参照图7，为本发明实施例1的2～18GHz增益仿真曲线图。可以看出在高频时增益保持稳定，并没有出现增益下降问题。

参照图8，是本发明实施例1分别在2GHz、10GHz、14GHz和18GHz的E/H面仿真方向图。可以看出天线在整个2～18GHz范围内方向图稳定，并没有出现裂瓣现象。

上述仿真结果说明本发明在简化馈电结构的前提下保持了良好的辐射性能。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带双脊喇叭天线，包括喇叭外壳(1)、矩形波导段(2)、上脊(3)、下脊(4)和同轴馈线(5)；所述喇叭外壳(1)为矩形椎体结构，其末端与矩形波导段(2)相连；所述上脊(3)和下脊(4)采用相同结构，其脊线均由直线段和曲线段组成，分别固定在喇叭外壳(1)的上侧板和下侧板的内壁上；所述同轴馈线(5)穿过矩形波导段(2)的顶端和上脊(3)与下脊(4)相连；其特征在于所述上脊(3)和下脊(4)脊线的曲线段采用三次贝塞尔曲线，该曲线末端端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值；该上脊(3)和下脊(4)靠近馈电点一端的横向部分采用圆弧结构；所述矩形波导段(2)采用带腔的立方体结构。

2.根据权利要求1所述的宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述上脊(3)和下脊(4)的脊的宽度尺寸为J，其取值范围为6～8.5mm。

3.根据权利要求1所述的宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述喇叭外壳(1)采用轻质金属材料，其口径长边尺寸为W，其取值范围为80～95mm，口径短边尺寸为A，其取值范围为65～75mm，轴向长度尺寸为B，其取值范围为78～85mm。

4.根据权利要求1所述的宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述矩形波导段(2)采用轻质金属材料，其外形高度尺寸为C，其取值范围为20～24mm，外形长度尺寸为D，其取值范围为10～14mm，外形宽度尺寸为E，其取值范围为20～24mm。

5.根据权利要求1所述的宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述三次贝塞尔曲线由以下参数方程表述：

其中，x表示曲线沿喇叭轴向的距离，y表示与上脊和下脊中心的垂直距离，(x₁,y₁)表示起始端端点的坐标值，(x₂,y₂)表示起始端端点控制点的坐标值，(x₄,y₄)表示末端端点的坐标值，(x₃,y₃)表示末端端点控制点的坐标值；并且其末端端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值，即x₃＞x₄，y₃＞y₄。