CN105789911A - 圆极化椭圆波束圆阵列喇叭天线单元 - Google Patents

圆极化椭圆波束圆阵列喇叭天线单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，属于天线领域，具体涉及一种圆极化椭圆波束圆阵列喇叭天线单元，既可以用于接收也可以用于发射无线电波。天线单元包括馈电圆波导、复合喇叭口面、复合喇叭口面外侧的口面槽与反射面、以及馈电圆波导到复合喇叭口面的过渡段。本发明的圆极化椭圆波束天线单元，可实现宽边波束宽度接近90°，同时将窄边波束宽度压缩在20°左右，仅用四个单元就可以构成覆盖360°方位的圆阵列天线；并且在较宽的频带范围内实现宽波束，具有较高的圆极化纯度。

Description

圆极化椭圆波束圆阵列喇叭天线单元
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种圆极化椭圆波束圆阵列喇叭天线单元，既可以用于接收也可以用于发射无线电波。
背景技术
微波通信与侦测雷达系统中经常要求天线系统在水平方向全向覆盖360°，同时在垂直方向采用窄波束以节约能量，采用4个天线单元组成圆阵列是最为经济的技术形式。但是，系统往往采用6单元或8单元组成圆阵列天线，原因在于：单个天线单元在一定带宽范围内实现接近90°的3dB波束宽度难度较大，同时还要求另一个正交方向实现窄波束存在技术上的矛盾，解决难度也很大。
椭圆波束天线为常规天线，目前已经有广泛的应用。但作为圆阵列天线单元的椭圆波束天线与普通椭圆波束天线有很大不同。首先本专利涉及到的天线单元宽边波束宽度更宽，要求接近90°，这是目前已知的基于波导结构的椭圆喇叭天线无法达到的，而且该天线具有一定带宽，不是点频工作的，相位中心要求比较稳定，以提高测距的精度，普通椭圆波束天线与这个目标相差巨大。本专利还要求天线单元实现圆极化，圆极化的要求实际上是要求天线单元能够实现双线极化，而且不同线极化间方向图差别小，在此之外还要求两个不同线极化之间主模的相速要小。这对天线单元的设计要求是很高的。
目前国内外文献中已报道的椭圆波束天线可以归纳为四种，分别是矩形波纹喇叭，椭圆形波纹喇叭，矩形介质加载天线，椭圆介质加载天线。主要应用于地面或卫星的椭圆反射面天线馈源。ErikLier(E.LierandC.Stoffels,“Recentadvancesinelliptical-beamshapehorns,”inProc.1989IEEEAntennasPropagat.Soc./URSIInt.Symp.,SanJose,CA,1989,pp.1431-1434)等设计了一种介质加载的椭圆喇叭天线，天线的波束较窄，而且应用频带很窄。Vokurka(V.J.Vohrka,“Ellipticalcorrugatedhornforbroadcastingsatelliteantennas,”Electron.Lett.,vol.15,pp.652-654,Sep.27,1979)等设计了一种椭圆波纹喇叭，能够提供椭圆方向图，但是方向图很窄，宽边窄边3dB波束宽度均小于35度。Jame(G.L.James,“Primaryfeedswithwidebeamwidths,”Electron.Lett.,vol.14,pp.447-448,Jul.6,1978)等提出了一种通过增大喇叭口面附近金属反射面的圆波导天线，可以提供较宽的3dB波束宽度，但是该天线的波束为圆对称波束并且交叉极化较高。这些馈源的共同特点是带宽窄，波束宽度整体偏窄而且随频率变化剧烈。目前已有的椭圆波束天线设计不能实现宽边的3dB波束宽度接近90°，同时将窄边的波束宽度压缩在20°左右，难以满足四元圆极化阵列天线对椭圆波束天线单元的要求。
发明内容
本发明提出了一种新型圆极化椭圆波束天线单元，可实现宽边波束宽度接近90°，同时将窄边波束宽度压缩在20°左右，适合用于四元圆阵列，并具有易于加工的突出优点。
一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，包括馈电圆波导、复合喇叭口面、复合喇叭口面外侧的口面槽与反射面、以及馈电圆波导到复合喇叭口面的过渡段，其特征在于：
所述复合喇叭口面为一个矩形加两个半圆形的复合口面，两个半圆形的直边与矩形的两个短边分别重合连接，半圆直径与矩形短边长度相等，也与馈电圆波导的直径相等。
所述馈电圆波导到复合喇叭口面的过渡段为连续渐变过渡，沿渐变方向的截面为等边梯形。
所述口面槽为单槽。
所述反射面为圆形反射面，圆形反射面的直径大于或等于口面槽外侧壁的最大长度。
所述口面槽的内侧壁的伸出长度大于外侧壁的伸出长度。
所述复合喇叭口面的矩形长边长度为3.5～4.5倍中心频率波长；馈电圆波导的直径为工作频段的标准圆波导直径。
所述过渡段的长度为3.5～4.5倍中心频率波长。
所述口面槽内侧壁的最小厚度与外槽壁的厚度均为0.06～0.1倍中心频率波长，外侧壁相对于槽底的伸出长度为0.5～0.6倍中心频率波长，相对于反射面的伸出长度为0.45～0.55倍中心频率波长。
所述口面槽的内侧壁超出外侧壁的伸出长度为0.08～0.12倍中心频率波长。
所述天线单元还包括连接法兰。
所述天线单元由金属构成，材料为铝、铁、锡、铜、银、金、铂、或者上述金属的合金。
本发明设计的喇叭天线采用一个矩形加两个半圆形的复合口面，继承了轴向槽圆波纹喇叭能够提供高质量辐射方向图的优点，并能够像椭圆喇叭口面那样提供椭圆波束。该复合口面的半圆直径与馈电圆波导的半圆直径相同，同时相应地增加了圆波导到复合口面的过渡段。该复合口面和过渡段的曲率是一个常数，就是该半圆的曲率，因此，在机械加工过程中可避免更换刀具，比椭圆喇叭口面及其过渡段更易于机械加工，这在毫米波波段非常重要。
本发明根据镜像原理，通过反射面和单槽设计，使宽边3dB波束宽度展宽到接近90°。为了展宽宽边的3dB波束宽度，将口面槽的内侧壁适当前伸，同时引入一个大尺寸的金属反射面，通过调整喇叭口面模式之间的相位关系最大限度的展宽波束宽度。同时，通过对复合口面喇叭的槽深，槽宽，槽壁厚度等关键尺寸设计，使馈源方向图波束宽度频率敏感度降低，相位中心稳定。
考虑到圆波导加工经济并且精度较高，整个馈源系统的连接端设计为圆波导结构，连接面选择标准法兰，便于与圆极化器连接。
本发明的有益效果是：
(1)实现了宽边的3dB波束宽度接近90°，同时将窄边的波束宽度压缩在20°左右的椭圆波束圆极化天线单元，仅用四个单元就可以构成覆盖360°方位的圆阵列天线。
(2)可以在较宽的频带范围内实现宽波束，具有较高的圆极化纯度。
(3)给出了参数初值范围，可以快速设计。
(4)喇叭口面和过渡段结构易于机械加工，使其可以工作在毫米波频率。
(5)该结构天线可用数控机床加工为全金属结构，能够满足航空航天等高可靠性应用要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明轮廓示意图。
图3是本发明沿喇叭宽边的剖面图。
图4是本发明沿喇叭窄边的剖面图。
图5是圆阵列系统配置示意图。
图6是本发明喇叭口面尺寸示意图。
图7是本发明喇叭天线S11测试结果图。
图8是本发明喇叭天线96GHz方向图仿真结果与测试结果对比图。
图9是本发明喇叭天线96GHz三维方向图仿真结果图。
图10是本发明喇叭天线增益测试结果图。
图11是本发明喇叭天线轴比测试结果图。
图中标号：1、连接法兰，2、反射面，3、法兰上的连接孔，4、槽外侧壁，5、槽内侧壁，6、定位销钉，7、馈电圆波导，8、天线单元，9、圆极化器，10、阵列馈电网络，11、天线单元喇叭段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
如图1-4所示，一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，包括馈电圆波导(7)、复合喇叭口面、复合喇叭口面外侧的口面槽与反射面(2)、以及馈电圆波导到复合喇叭口面的过渡段(11)。天线单元用黄铜材料机械加工而成，工作于W波段，天线单元通过标准法兰UG387(1)与圆极化器相连接。
复合喇叭口面为一个矩形加两个半圆形的复合口面，其中矩形长边长度为10.37mm，半圆直径与矩形短边长度均为2.388mm，馈电圆波导直径也为2.388mm，即W波段的WC-9标准圆波导直径。
馈电圆波导到复合喇叭口面的过渡段的纵向长度L1＝12.76mm，内侧面为连续渐变过渡，沿渐变方向的截面为等边梯形，过渡段外侧面为阶梯形，便于加工的同时减轻了重量，也便于上连接螺钉。
口面槽为单槽，槽宽为0.58mm，槽外侧壁(4)厚sd＝0.3mm，伸出长度s＝1.6mm，槽内侧壁最小厚度也为sd＝0.3mm，伸出长度比外侧壁(5)长L3＝0.32mm。
反射面为直径＝15.32mm的圆形反射面，口面槽外侧壁相对于反射面的伸出长度为L4＝1.6mm。
设计参数的主要考虑如下：
首先由天线口面经验公式初步确定宽波束对应口面的尺寸应该小于1个波长,波束窄边对应的口面尺寸应大于3倍波长。为便于连接圆极化器，馈电圆波导的直径选择工作频段的标准圆波导直径，连接面也选择标准法兰。因此，将对应宽波束方向的口面选定为与标准圆波导直径相同。
考虑到圆波导段对可能产生的高次模的抑制，一般会引入一段标准圆波导段以抑制高次模，由于本发明主要针对毫米波喇叭天线，为了便于加工，标准圆波导段不宜过长，选择在中心频率对应波长的约2倍。
如果仅用典型的喇叭设计方法，喇叭窄边波束宽度可以达到20°。但是宽边波束宽度是无法达到接近90°的，因此必须对宽边的波束宽度进行特殊设计。波束宽边设计的主要思路是根据镜像原理，在口面附近增加一个圆形反射面，使宽边3dB波束宽度展宽。该圆形反射面的位置距离口面较近，因此也会一定程度展宽窄边波束宽度，将喇叭的长边设计在4～5倍中心频率波长时，能够得到接近20°的3dB波束宽度。具体值的选择需要根据圆形反射面位置固定后再确定。
传统的轴向槽喇叭多采用双槽或更多扼流槽，一方面可以使天线辐射更加接近理想惠更斯源，一方面可以提供更大的带宽。但考虑到毫米波对加工精度要求高，本发明的口面槽采用单槽。喇叭的槽壁理论上应当越薄越好，考虑到整个天线结构的稳定与坚固，选择金属槽壁的厚度均为0.06～0.1倍中心频率波长。口面槽的深度设计与金属槽壁厚有关，金属槽壁厚的电尺寸越大，相应的口面槽的深度应当越浅，在本发明中，口面槽的深度为0.5～0.6倍中心频率波长，喇叭口面的内导体相对伸出金属槽的外壁，伸出长度在0.08～0.12倍中心频率波长。
加工了W波段该天线样品，并连接圆极化器和矩圆过渡，进行了测试，验证了该设计，图7-图11是测试和仿真的结果。图7显示该天线测量的S11在84-100GHz均低于-17dB。图8显示该天线在96GHz的窄边3dB波束宽度约为20°，在宽边的波束宽度达到81°，实现了预期的椭圆波束。图9是该天线在96GHz的三维方向图仿真结果图。图10显示该天线在92-98GHz的增益约为13dB。图11显示该天线在92-98GHz的轴比小于2.1dB。

Claims (8)

1.一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，包括馈电圆波导、复合喇叭口面、复合喇叭口面外侧的口面槽与反射面、以及馈电圆波导到复合喇叭口面的过渡段，其特征在于：
所述复合喇叭口面为一个矩形加两个半圆形的复合口面，两个半圆形的直边与矩形的两个短边分别重合连接，半圆直径与矩形短边长度相等，也与馈电圆波导的直径相等；
所述馈电圆波导到复合喇叭口面的过渡段为连续渐变过渡，沿渐变方向的截面为等边梯形；
所述口面槽为单槽；
所述反射面为圆形反射面，圆形反射面的直径大于或等于口面槽外侧壁的最大长度。
2.如权利要求1所述的一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，其特征在于：所述口面槽的内侧壁的伸出长度大于外侧壁的伸出长度。
3.如权利要求1所述的一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，其特征在于：所述复合喇叭口面的矩形长边长度为3.5～4.5倍中心频率波长；馈电圆波导的直径为工作频段的标准圆波导直径。
4.如权利要求1所述的一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，其特征在于：所述过渡段的长度为3.5～4.5倍中心频率波长。
5.如权利要求1所述的一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，其特征在于：所述口面槽内槽壁的最小厚度与外槽壁的厚度均为0.06～0.1倍中心频率波长，外侧壁相对于槽底的伸出长度为0.5～0.6倍中心频率波长，相对于反射面的伸出长度为0.45～0.55倍中心频率波长。
6.如权利要求2或5所述的一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，其特征在于：所述口面槽的内侧壁超出外侧壁的伸出长度为0.08～0.12倍中心频率波长。
7.如权利要求1所述的一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，其特征在于：所述天线单元还包括连接法兰。
8.如权利要求1所述的一种圆极化椭圆波束喇叭天线单元，其特征在于：所述天线单元由金属构成，材料为铝、铁、锡、铜、银、金、铂、或者上述金属的合金。
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