CN106099376B - 基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，解决了现有技术中高增益喇叭天线尺寸过大的问题，在喇叭天线底端口镶嵌着上介质基板，辐射地板位于上下介质基板的中间，上介质基板上表面刻蚀有贴片阵列，下介质基板下表面刻蚀有馈电网络，并与侧面安装的同轴馈电接头连接，总体构成微带阵列。贴片阵列由大小不同的分阵列构成，对应不同工作频率。本发明通过利用微带阵列替代矩形波导对喇叭结构进行馈电，在保证相同增益的前提下，有效的缩减喇叭天线尺寸，同时实现了不同频率处方向图的扫面效果，扩大了天线的视角，本发明有效实现了小型化、多频率波束扫描功能等功能，适用于无线通信等领域。

Description

基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，涉及一种小型化频扫喇叭天线，具体是一种基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，用于无线通信、雷达等领域。
技术背景
喇叭天线作为优质的反射面馈源结构和阵列天线的辐射单元，在卫星、微波中继通讯、相控阵、天线测量等方面获得了非常广泛的应用。随着微波天线系统集成度越来越高，喇叭天线的小型化设计变得愈发重要。通常为了实现小型喇叭天线，需要减少喇叭终端口径的面积和喇叭长度，但是这样将难以有效的校准喇叭天线辐射终端的相位分布，并且降低了喇叭天线的增益。另一方面，馈电波导为了避免高次模造成反射，其探针激励和喇叭后端口的距离约为λ。这些限制使得喇叭天线的小型化设计和辐射性能的提升难以兼顾。
现有研究多采用加载透镜前端的技术来缩减喇叭天线尺寸，如：2014年，IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters刊登了Mustafa K.Taher Al-Nuaimi的题为“Design of High-Directivity Compact-Size Conical Horn Lens Antenna”的文章中，公开了一种小型化、高定向性的圆锥喇叭透镜天线，通过在标准锥形喇叭天线口径处加载介质平板透镜，能够在具有相同定向性的情况下，比传统喇叭天线在长度上缩短44.46％。又如中国专利申请，申请号为CN 102683863 A，“一种喇叭天线”的发明专利，公开了一种填充非均匀超材料的喇叭天线，该发明通过在喇叭天线中填充非均匀梯度变化的超材料透镜结构，有效校准了该喇叭天线的喇叭口径的相位分布并减小了喇叭段的长度，从而达到喇叭天线小型化和高增益的目的。以上所述的方法均能够在保持天线增益性能的前提下，有效实现喇叭天线的结构尺寸缩减，但是这都借助于在喇叭段加载介质结构，并不利于天线与微波系统的一体化集成设计。
长期以来，减小喇叭天线的体积已经成为工程中的难题，由于喇叭天线的体积过大，不利于现代应用平台的一体化设计，限制了喇叭天线在工程中的应用。目前，大多采用在喇叭天线中的喇叭段加载介质透镜结构来校准喇叭天线的终端的相位分布，然而加载介质透镜结构的设计，需要在介质结构上设计多个小型结构来实现透镜的功能，使得喇叭天线的设计更为复杂，并不能从结构上有效减小喇叭天线的体积，同时不可避免地增加了天线的重量。
发明内容
本发明提供了一种基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，通过利用微带阵列替代矩形波导对喇叭结构进行馈电，在保证相同增益的前提下，有效的缩减喇叭天线尺寸，解决了现有技术中高增益喇叭天线尺寸过大的问题，同时通过构建多组微带阵列的馈电结构，能够实现喇叭天线的频率扫描功能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，在矩形喇叭的底部安装有介质基板，介质基板分为下介质基板和上介质基板，下介质基板和上介质基板的中间为辐射地板，下介质基板与辐射地板的长宽相同，下介质基板的下表面刻蚀有馈电网络，下介质基板的一边侧面安装有同轴馈电接头，上介质基板镶嵌于矩形喇叭的底端口，其特征在于：在上介质基板的上表面刻蚀有方形辐射贴片组成的多组分阵列，贴片阵列由大小不同的多组分阵列构成，馈电网络为与大小不同的分阵列对应的功率分配器，用背馈电方式将馈电网络的功率分配器各端口一一对应与每组分阵列中的各方形辐射贴片形成电连接，同轴馈电接头利用导线分别与馈电网络中的功率分配器的末端相连接，也就是在贴片阵列、功率分配器和同轴馈电接头之间形成整体结构的电连接，通常也称为微带天线阵列对喇叭的馈电。
与矩形波导馈电的技术方案相比，微带天线具有重量轻、体积小等诸多优点，尤其是其纵向尺寸仅有基片厚度，如果利用微带天线阵列作为喇叭天线的馈源，不会额外增加喇叭的体积。尤其，通过微带阵列设计和喇叭结构来设计双重调节天线辐射终端的相位分布，会有效改变单纯利用喇叭结构来实现既定天线辐射的设计局限，有效缩短喇叭长度。而且，通过设计基于多组微带阵列馈电的喇叭天线，将更容易构建在现代微波系统中的多功能集成设计，实现喇叭天线多频工作模式下的波束扫描。
本发明利用微带阵列对矩形喇叭进行馈电，改变传统波导馈电的喇叭天线的结构，有效的减小传统喇叭天线的尺寸。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明采用了微带阵列对喇叭天线馈电，即通过利用微带阵列替代矩形波导对喇叭结构进行馈电，与现有技术相比，能够保证在与传统的喇叭天线具有相同增益的前提下，省掉馈电波导的空间，同时减少了喇叭段的长度，有效的实现了喇叭天线的小型化。
2.本发明通过构建多组不同工作频率处微带阵列的馈电结构，利用喇叭壁的作用，使靠近喇叭壁的微带阵列的方向图偏离主方向，实现了喇叭天线不同频率处的方向图波束扫描功能。
附图说明
图1是本发明的整体结构三维示意图；
图2是本发明的底部结构的仰视图，也是馈电网络的结构分布图；
图3是本发明的馈电网络中的单个功率分配器的结构示意图；
图4是传统的喇叭天线与本发明喇叭天线的结构图，其中图4a是传统的喇叭天线的结构图，其中图4b是本发明的喇叭天线的结构图；
图5是在10GHz相同增益下，波导馈电喇叭天线与本发明喇叭天线的辐射方向图；
图6是本发明喇叭天线的不同频率工作时的波束扫描曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
现有技术中通过加载介质透镜结构等的设计使得喇叭天线的设计更为复杂，并不能从结构上有效的减小喇叭天线的体积，为此，本发明提出了一种基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线。参见图1，在矩形喇叭8的底部安装有介质基板，介质基板分为下介质基板31和上介质基板32，下介质基板31和上介质基板32的中间为辐射地板4，其中下介质基板31与辐射地板4的长宽相同，下介质基板31的下表面刻蚀有馈电网络2，下介质基板31的一边侧面安装有同轴馈电接头1，用于连接外部电源。上介质基板32镶嵌于矩形喇叭8的底端口，也可以说矩形喇叭8的底端口镶嵌在上介质基板32上，镶嵌后上介质基板32的下表面与矩形喇叭8的下端口平齐。本发明在上介质基板32的上表面刻蚀有贴片阵列，贴片阵列由大小不同的分阵列构成，分阵列由方形辐射贴片构成。本发明所采用的微带阵列馈电，改变了传统波导馈电的喇叭天线的结构，有效的减小了喇叭天线的尺寸。
参见图2，本发明的馈电网络2为多组功率分配器，与大小不同的分阵列对应。本发明用背馈电方式将馈电网络2的功率分配器各端口一一对应与分阵列中各方形辐射贴片形成电连接，同轴馈电接头1利用导线一一对应与馈电网络2中的功率分配器的末端电连接，利用金属圆柱依次穿过下介质基板31、辐射地板4、上介质基板32，功率分配器的端口与介质基板正上方分布的方形辐射贴片单元形成电连接，馈电网络2上每一功率分配器的各端口一一对应于相应工作频率处的分阵列，以此来实现微带阵列对于矩形喇叭8的馈电。本发明采用多组不同工作频率的分阵列，利用喇叭壁的作用使左右两边的分阵列的方向图偏离主方向，实现多频率下天线方向图的波束扫描。
本发明通过利用微带阵列对喇叭结构进行馈电，实现喇叭天线的小型化设计与频率扫描功能。
实施例2
基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线的总体构成和具体结构同实施例1，参见图1，本发明贴片阵列是n组大小不同的分阵列平行排列，每组分阵列中的方形辐射贴片平行于矩形喇叭8的H面方向放置，n组分阵列沿着矩形喇叭8的E面方向或由大到小或由小到大排列放置，n是大于1的奇数，可以是3、5、7…，具体取值根据工程中喇叭天线的底端口大小而定。本例中n为5，也就是说有5组分阵列构成总体贴片阵列。本例中，分阵列是由小到大沿着矩形喇叭8的E面方向平行排列放置，一一对应工作于12GHz、11GHz、10GHz、9GHz、8GHz，每组分阵列中的方形辐射贴片平行于矩形喇叭8的H面方向放置，参见图2，同轴馈电接头1为5个相同的接头，每个接头与馈电网络2中的5组功率分配器一一对应利用导线形成电连接，以此实现微带阵列对矩形喇叭8的馈电。
实施例3
基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线的总体构成和具体结构同实施例1-2，本发明中大小不同的n组分阵列各自对应不同工作频率下的方形辐射贴片阵列，参见图1，分阵列依次一一对应工作在不同频率处，每组分阵列工作在一个固定的频率处，利用喇叭壁的作用使左右两边分阵列的方向图偏离主方向，方向图的偏离程度与分阵列到该侧的喇叭壁的距离成反比，位于中心的分阵列的方向图正对主方向。本例中，主方向为喇叭辐射端口的正对方向，位于相对于中心位置左边的分阵列，方向图偏向于主方向的右侧，其中距离该侧喇叭壁较近的分阵列的方向图偏离程度大于距离该侧喇叭壁较远的分阵列的方向图偏离程度，位于中心位置的分阵列，方向图正对主方向，位于相对于中心位置右边的分阵列，方向图偏向于主方向的左侧，其中距离该侧喇叭壁较近的分阵列的方向图偏离程度大于距离该侧喇叭壁较远的分阵列的方向图偏离程度，总之，位于相对于中心位置的一边的分阵列，方向图偏离主方向，偏向于该侧喇叭壁的对侧方向。因此，本发明实现了不同频率处方向图的扫瞄效果，扩大了天线的视角。
下边给出一个具体的示例
实施例4
基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线的总体构成和具体结构同实施例1-3，
本发明基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，由同轴馈电接头1、馈电网络2、介质基板、辐射地板4、贴片阵列和矩形喇叭8组成，本发明利用微带阵列对矩形喇叭8进行馈电，改变传统波导馈电的喇叭天线的结构，有效的减小传统喇叭天线的尺寸。
参见图1，本例中贴片阵列采用了三组不同工作频率的分阵列，为分阵列5、分阵列5、分阵列5，分阵列5工作在9GHz，分阵列6工作在10GHz，分阵列7工作在11GHz，每组分阵列由三个方形微带贴片单元组成，刻蚀于上介质基板32上表面。三组分阵列可以通过分别连接同轴馈电接头1，实现多频率的微带阵列馈电的喇叭天线。本例采用三组分阵列，利用喇叭壁的作用使靠近该侧喇叭壁的分阵列的方向图偏离主方向，实现天线波束扫描。参见图1，介质基板分为下介质基板31和上介质基板32，结构为长方体，材质为F4B，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，分别位于辐射地板4下表面和上表面。参见图4b，上介质基板32的长宽尺寸与矩形喇叭8的底端口的内尺寸相同，上介质基板32纵向嵌入于矩形喇叭8后端口内。辐射地板4为长方形，位于下介质基板31和上介质基板32两块介质基板中间，辐射地板4通过在上介质基板32的下表面刻蚀形成。矩形喇叭8，材质为金属。参见图2，本例中同轴馈电接头1为三个相同的接头，由探针和外导体组成，位于下介质基板31的侧面，其中利用导线将每个同轴馈电接头1的探针与馈电网络2的每个功率分配器末端分别相连接，外导体与辐射地板4固定连接。馈电网络2为三组工作在不同频率处的功率分配器，刻蚀于下介质基板31的下表面，参见图4b，通过金属圆柱依次穿过下介质基板31、辐射地板4、上介质基板32，将每组分阵列中方形辐射贴片单元与馈电网络2中的每组功率分配器的端口连接起来，以此来给每组分阵列馈电。
本例中，具体各组成结构的位置和尺寸给出如下：
本例中形成分阵列5与相对应的功率分配器电连接的金属圆柱，与分阵列5中单元的中心位置相距1.85mm，形成分阵列6与相对应的功率分配器电连接的金属圆柱，与分阵列6的中心位置相距1.65mm，形成分阵列7与相对应的功率分配器电连接的金属圆柱，与分阵列7中各方形辐射贴片单元的中心位置相距1.6mm，参见图3，馈电网络2中与分阵列5相对应的功率分配器的尺寸L1为27.5mm，L2为5.8mm，L3为5.65mm，L4为11mm，L5为5.8mm，L6为7.8mm，L7为2mm，L8为5.15mm，W1为2.2mm，W2为0.7mm，W3为0.6mm，W4为0.55mm，W5为1.22mm，馈电网络2中与分阵列6相对应的功率分配器的尺寸L1为24.5mm，L2为5.2mm，L3为5.1mm，L4为10mm，L5为5mm，L6为6.9mm，L7为2mm，L8为4.68mm，W1为2.2mm，W2为0.65mm，W3为0.65mm，W4为0.6mm，W5为1.2mm，馈电网络2中与分阵列7相对应的功率分配器的尺寸L1为22.3mm，L2为4.7mm，L3为4.6mm，L4为9mm，L5为4.5mm，L6为6.7mm，L7为2mm，L8为4.1mm，W1为2.2mm，W2为0.8mm，W3为0.7mm，W4为0.6mm，W5为1.2mm。参见图1，介质基板分为上介质基板32和下介质基板31，分别位于辐射地板4上表面和下表面，结构为长方体，下介质基板31的尺寸长为59.58mm，宽为40.39mm，基板厚为0.5mm，上介质基板32的尺寸长为66mm，宽为46mm，基板厚为0.5mm，纵向镶嵌入于矩形喇叭8后端口内，上介质基板32的下表面与矩形喇叭8的下端口平齐。辐射地板4，长为66mm，宽为46mm。参见图1，分阵列5的工作频率为9GHz，分阵列6的工作频率为10GHz、分阵列7的工作频率为11GHz，每组分阵列由三个方形微带贴片单元组成，分别刻蚀于上介质基板32上表面，分阵列5中的尺寸为9.75mm,分阵列6中的方形辐射贴片单元尺寸为8.75mm,分阵列7中的方形辐射贴片单元尺寸为7.88mm，各组分阵列依次从小到大顺序排列位于上介质基板32的三等分每一等分的中心位置，的中间方形辐射贴片单元位于上介质基板32另外一维方向的中心位置，每组分阵列中其他贴片的位置可根据馈电网络2中相应工作频率下的功率分配器的尺寸可得到。参加图4b，矩形喇叭8，喇叭壁厚1mm，长度H1为32.9mm，喇叭H面口径内尺寸为87mm，E面口径内尺寸为66mm。
下面通过仿真对本发明的技术效果作进一步详细描述。
实施例5
基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线的总体构成和具体结构同实施例4。
仿真条件，采用ANSOFT HFSS15.0电磁仿真软件对本发明的微带阵列馈电的喇叭天线进行全波仿真。
参见图4，本发明天线与波导馈电的喇叭天线具有相同增益的情况下，本发明天线与波导馈电的喇叭天线的结构对比，见图4b，本发明天线整体长度H1为32.9mm，见图4a，矩形导馈电的喇叭天线的喇叭段长度H2为75mm，馈电的矩形波导的长度H3为32.9mm，本发明微带阵列馈电的喇叭天线的整体长度减少了75.5mm，可以看出有效的降低了天线的长度，实现了喇叭天线的小型化。
实施例6
基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线的总体构成和具体结构同实施例4-5。
参见图5，10GHz下对相应的同轴馈电接头进行馈电，对本发明基于微带阵列馈电的喇叭天线增益进行仿真，曲线1代表本发明微带阵列馈电的喇叭天线H面的增益随方位角的变化，曲线2代表本发明微带阵列馈电的喇叭天线E面的增益随方位角的变化，最大辐射方向处增益为17.59dBi，曲线3代表波导馈电的喇叭天线H面的增益随方位角的变化，曲线4代表波导馈电的喇叭天线E面的增益随方位角的变化，最大辐射方向处增益为17.60dBi，结合图4，进一步的说明了本发明的微带阵列馈电的喇叭天线与传统的波导馈电的喇叭天线相同增益的情况下，本发明的微带阵列馈电的喇叭天线有效的实现了长度上的缩减。
实施例7
基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线的总体构成和具体结构同实施例4-6。
本例中，具体结构尺寸同实施例4，仅对上介质基板32与矩形喇叭8的尺寸作了调整，具体为：
参见图1，调整上介质基板32的尺寸长为57.58mm，宽为40.39mm,参见图4b，矩形喇叭8的尺寸H1为34.9mm。
仿真条件同实施例4。
参见图6，曲线1代表9GHz下对相对应频率下的同轴馈电接头进行馈电，本发明天线E面的增益随方位角的变化，最大辐射方向为18°，增益为16.62dBi。曲线2代表10GHz下对相对应频率下的同轴馈电接头进行馈电，本发明天线E面的增益随方位角的变化，最大辐射方向为0°，增益为17.75dBi。曲线3代表11GHz下对相对应频率下的同轴馈电接头进行馈电，本发明天线E面的增益随方位角的变化，最大辐射方向为-21°，增益为17.44dBi。从上述结果可以看出，本发明的喇叭天线实现了方向图多频率波束扫描。
简而言之，本发明提出的一种基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，解决了现有技术中高增益喇叭天线尺寸过大的问题，在喇叭天线底端口镶嵌着上介质基板，辐射地板位于上介质基板和下介质基板的中间为辐射地板，上介质基板上表面刻蚀有贴片阵列，下介质基板下表面刻蚀有馈电网络，并与侧面安装的同轴馈电接头连接，总体构成微带阵列。贴片阵列由大小不同的分阵列构成，对应不同工作频率。本发明通过利用微带阵列替代矩形波导对喇叭结构进行馈电，在保证相同增益的前提下，有效的缩减喇叭天线尺寸，同时实现了不同频率处方向图的扫面效果，扩大了天线的视角，实现了小型化、多频率波束扫描功能等功能，适用于无线通信等领域。

Claims (4)

1.一种基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，在矩形喇叭(8)的底部安装有介质基板，介质基板分为下介质基板(31)和上介质基板(32)，下介质基板(31)和上介质基板(32)的中间为辐射地板(4)，下介质基板(31)与辐射地板(4)的长宽相同，下介质基板(31)的下表面刻蚀有馈电网络(2)，下介质基板(31)的一边侧面安装有同轴馈电接头(1)，上介质基板(32)镶嵌于矩形喇叭(8)的底端口，其特征在于：在上介质基板(32)的上表面刻蚀有方形辐射贴片阵列，所述贴片阵列由大小不同的分阵列构成，馈电网络(2)为与大小不同的分阵列对应的功率分配器，用背馈电方式将馈电网络(2)的功率分配器各端口一一对应与每组分阵列中的各方形辐射贴片形成电连接，同轴馈电接头(1)利用导线分别与馈电网络(2)中的功率分配器的末端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，其特征在于，所述贴片阵列是n组大小不同的分阵列平行排列，每组分阵列中的方形辐射贴片平行于矩形喇叭(8)的H面方向放置，n组分阵列沿着矩形喇叭(8)的E面方向或由大到小或由小到大排列放置，n是大于1的奇数。
3.根据权利要求2所述的基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，其特征在于，所述n组分阵列各自对应不同工作频率，利用喇叭壁的作用使左右两边的分阵列的方向图偏离主方向，位于相对于中心位置的一边的分阵列，方向图偏离主方向，偏向于对侧方向，方向图的偏离程度与分阵列到该侧的喇叭壁的距离成反比，位于中心的分阵列的方向图正对于主方向。
4.根据权利要求1或3所述的基于微带阵列馈电的小型化频扫喇叭天线，其特征在于，所述馈电网络(2)为n组功率分配器，每组功率分配器工作在一一对应的分阵列工作的频率处。
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