CN108232460B - 一种波束等化的小口径圆锥喇叭 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波束等化的小口径圆锥喇叭，该小口径圆锥喇叭包括同轴设置的张角段和辐射段，所述张角段为喇叭状，所述辐射段的一端与张角段的喇叭面连接，所述辐射段的边缘上设置有至少2个使圆锥喇叭E面和H面等化的微扰结构，所述微扰结构关于E面或H面对称，辐射段设置有微扰结构的边缘与辐射段未设置微扰结构的边缘到中轴线的距离相异，辐射段与E面相交的两点之间的距离L1小于辐射段与H面相交的两点之间的距离L2。该发明的优点在于：微扰结构在辐射段上对称设置，激励起TM11模，等化两个面波瓣，辐射段的口径在E面方向压缩，起到等化波瓣的作用。

Description

一种波束等化的小口径圆锥喇叭
技术领域
本发明涉及反射面天线的技术领域，尤其是一种波束等化的小口径圆锥喇叭。
背景技术
喇叭的主要功能是作为反射面天线的馈源，因为反射面结构简单并且具有较高增益，广泛应用于雷达系统和无线通信系统中，由于喇叭需要通过支撑杆安装在反射面上，因此会具有一定的遮挡，使得反射面增益下降、交叉极化恶化等，因此大多要求作为反射面馈源的喇叭具有旋转对称方向图。F/D比较小的反射面天线馈电角比较大，馈源口径相应较小，主要考虑边缘馈电电平，其次考虑到馈源的遮挡效应，还要求喇叭的口径尽量小，因此口径较小的圆锥喇叭就成为较好选择。
波束等化，也就是360度旋转对称性对气象雷达很重要，对其气象参数提取，双偏振应用都有十分重要的意义。气象雷达常使用反射面天线形式，若反射面天线的馈源是方向图旋转轴对称的，则反射面整体不但具有交叉极化电平低的特点，而且反射面效率也会较高。
但是对于普通的带有张角的喇叭，虽然几何结构上是轴对称的圆锥喇叭，但是由于其主模TE11的场结构并不对称，故其E面和H面的波束宽度是不相同的，必须引入高次模TM11模，才能使得喇叭的方向图波束等化。要求波束等化场合常规使用的喇叭形式有双模圆锥喇叭，因为双模圆锥喇叭通过变角段激励器TM11模，在变角段之后有一段移相段，调节移相段的长度调节TM11模的相对相位，使得口径中心的TM11模与TE11模同相，但是要激励起TM11模，需要足够大的喇叭口径，如喇叭口径2a，工作波长为λ，要传输TM11模，则2π/λ*a>3.83，即a>0.609563λ,口径2a>1.22λ。对于要求口径一个波长左右的情况显然双模喇叭就不适合了。
圆口径的馈源若只传输TE11主模，那么其E面和H面方向图不等化，即相对圆口径反射面边缘馈电电平相差较大，同时因为E面的副瓣较高，在小焦径比反射面场合，很容易造成副瓣进入反射面区域。故对于抛物面天线要求低副瓣，即需要低照射电平、波束等化的场合，需要使用小口径的馈源的场合，常规能够实现波束等化的双模圆锥喇叭已经不合适，因双模圆锥喇叭口径较大，适合长焦距情形。
因此，能否研制出一种波束等化的小口径圆锥喇叭，从而实现整体天线构造的高集成性需求，为本领域技术人员近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，为此，本发明提供一种波束等化的小口径圆锥喇叭。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种波束等化的小口径圆锥喇叭，包括同轴设置的的张角段和辐射段，所述张角段为喇叭状，所述辐射段的一端与张角段的喇叭面连接，所述辐射段的边缘上设置有至少2个使圆锥喇叭E面和H面等化的微扰结构，所述微扰结构关于E面或H面对称，辐射段设置有微扰结构的边缘与辐射段未设置微扰结构的边缘到中轴线的距离相异，辐射段与E面相交的两点之间的距离小于辐射段与H面相交的两点之间的距离。
优化的，所述圆锥喇叭还包括与张角段和辐射段两者同轴设置的馈电段，所述馈电段包括圆波导，所述张角段通过喇叭面相对的端面与圆波导的一端面等大小连接，所述辐射段与喇叭面连接的端面与喇叭面形状相同且大小相等。
优化的，所述馈电段还包括矩形波导和矩圆过渡波导，所述矩形波导的一端与设备外的馈线连接，另一端与矩圆过渡波导一端连接，矩圆过渡波导的另一端与圆波导另一端连接。
优化的，所述微扰结构是通过对辐射段平行于H面方向切割形成的微扰剖面。
优化的，所述微扰结构为2个，且关于H面对称设置，2个微扰结构均为平行于H面的剖面。
优化的，所述矩形波导与中轴线平行且相互垂直的相邻两面分别与H面平行和E面平行；
所述矩圆过渡波导作为矩形波导到圆波导的转换结构，矩圆过渡波导为直径和圆波导相同的沿平行于H面方向不同深度切割形成的具有台阶的结构，切割形成的台阶切割面在圆形波导到矩形波导的方向上到中轴线的距离逐渐减小。
优化的，台阶切割面到中轴线的距离大于矩形波导中平行于H面的平面到中轴线的距离。
优化的，所述张角段的张角范围为10～40°。
优化的，根据权利要求1所述的一种波束等化的小口径圆锥喇叭，其特征在于，所述微扰结构为垂直于H面的附加部。
优化的，所述包括设置有微扰结构的辐射段为椭圆形柱状。
所述圆锥喇叭为一体成型结构。
本发明的优点在于：
(1)矩形波导传输的是TE10模，矩圆过渡波导为矩形波导主模TE10模到圆波导主模TE11模的变换段。张角段为带有一定角度的圆锥结构，辐射段上具有微扰结构，微扰结构是在辐射段上对称设置，激励起TM11模，等化两个面波瓣，辐射段与E面相交的两点之间的距离L1小于辐射段与H面相交的两点之间的距离L2，即激励起TM11模来展宽E面波瓣，压低副瓣，口径在E面方向压缩，起到等化波瓣的作用。
(2)本发明采用一体化成型结构，结构简单。
(3)本发明将馈源的馈电口设计为矩形波导结构形式，直接可与馈源之外的馈线连接，不需要其他额外过渡结构，故需要对馈源中的信号传输模式进行转化，即需要将TE10模转化为TE11模，本发明中矩圆过渡波导实现了TE10模转化为TE11模。
(4)本发明中微扰结构的设计，可以减少圆锥喇叭中辐射段的长度，有利于喇叭的小型化设计，从而减轻了圆锥喇叭的重量，从而降低了支撑圆锥喇叭的支撑结构的支撑重量的要求。
附图说明
图1为本发明一种波束等化的小口径圆锥喇叭的立体图；
图2为本发明一种波束等化的小口径圆锥喇叭包括辐射段、张角段和圆波导的立体图；
图3为本发明一种波束等化的小口径圆锥喇叭波束等化馈源模式传输原理图；
图4为本发明一种波束等化的小口径圆锥喇叭结构示意图驻波；
图5为本发明一种波束等化的小口径圆锥喇叭结构示意图方向图。
图6为本发明一种波束等化的小口径圆锥喇叭的辐射段垂直于中轴线的截面为椭圆形的圆锥喇叭示意图。
图中标注符号的含义如下：
1-圆波导 2-张角段 3-辐射段 4-矩形波导 5-矩圆过渡波导
6-微扰结构 7-馈电段 10-中轴线
L1-辐射段与E面相交的两点之间的距离
L2-辐射段与H面相交的两点之间的距离
具体实施方式
本具体实施方式对具体结构和波束等化的小口径圆锥喇叭在波束等化馈源模式下的传输原理进行详细描述。
本发明中的波束等化的小口径圆锥喇叭的结构包括以下多种结构方式，分别在以下实施例中具体描述。
实施例1
如图1-2所示，一种波束等化的小口径圆锥喇叭，包括同轴设置的且一体化成型的辐射段3、张角段2、馈电段7，馈电段7包括依次设置的圆波导1、矩圆过渡波导5和矩形波导4。所述张角段2为喇叭状，张角段2的张角θ为30°。所述辐射段3的一端与张角段2的喇叭面连接，所述辐射段3的边缘上设置有2个使圆锥喇叭E面和H面等化的微扰结构6，2个微扰结构6关于H面对称，辐射段3设置有微扰结构6的边缘与辐射段3未设置微扰结构6的边缘到中轴线10的距离相异，辐射段3与E面相交的两点之间的距离L1小于辐射段3与H面相交的两点之间的距离L2。在该实施例中，辐射段3在未设置微扰结构6之前为内外直径分别大于圆波导1内外直径的另一圆形波导，微扰结构6是通过对辐射段3平行于H面方向切割形成的微扰剖面。且关于H面对称设置，2个微扰结构6均为平行于H面的剖面。
在辐射段3剖切形成微扰结构6的同时，也对与辐射段3连接的张角段2进行剖切，剖切后的面与微扰结构6的面在同一水平面上，从而使得张角段2的喇叭面的形状与相连的辐射段3的端面形状相同。张角段2通过喇叭面相对的端面与圆波导1连接的端面形状和大小均相同，所述矩形波导4的一端与设备外的馈线连接，另一端与矩圆过渡波导5一端连接，矩圆过渡波导5的另一端与圆波导1另一端连接。
所述矩形波导4与中轴线10平行且相互垂直的相邻两面分别与H面平行和E面平行。
所述矩圆过渡波导5作为矩形波导4到圆波导1的转换结构，矩圆过渡波导5为直径和圆波导1相同的沿平行于H面方向不同深度切割形成的具有台阶的结构，切割形成的2个台阶切割面在圆形波导到矩形波导4的方向上到中轴线10的距离逐渐减小。
台阶切割面到中轴线10的距离大于矩形波导4中平行于H面的平面到中轴线10的距离。
在本实施例中，辐射段3、张角段2、馈电段7所有部位的尺寸最终实现TE11模和TM11模具有270°的相位差。
参考图4，本波束等化的小口径圆锥喇叭工作频带内驻波均小于1.5。
参考图5，本波束等化的小口径圆锥喇叭，E面和H面方向图波束等化良好。
实施例2
如图6所示，一种波束等化的小口径圆锥喇叭，包括同轴设置的且一体化成型的辐射段3、张角段2、馈电段7，馈电段7包括依次设置的圆波导1、矩圆过渡波导5和矩形波导4。所述张角段2为喇叭状，张角段2的张角θ为10°。所述辐射段3的一端与张角段2的喇叭面连接，所述辐射段3的边缘上设置有2个使圆锥喇叭E面和H面等化的微扰结构6，2个微扰结构6关于H面对称，辐射段3设置有微扰结构6的边缘与辐射段3未设置微扰结构6的边缘到中轴线10的距离相异，辐射段3与E面相交的两点之间的距离L1小于辐射段3与H面相交的两点之间的距离L2。在该实施例中，设置有微扰结构6的辐射段3为椭圆形柱状波导，椭圆形结构的长轴侧边作为微扰结构6。相对于现有技术中使用圆波导1作为辐射段3，本实施例中的微扰结构6为垂直于H面的附加部。辐射段3与E面相交的两点之间的距离L1为椭圆形的短轴，辐射段3与H面相交的两点之间的距离L2为椭圆形的长轴。
张角段2的喇叭面的形状与相连的辐射段3的端面形状相同，即为椭圆形。张角段2通过喇叭面相对的端面与圆波导1连接的端面形状和大小均相同，即为圆形。所述矩形波导4的一端与设备外的馈线连接，另一端与矩圆过渡波导5一端连接，矩圆过渡波导5的另一端与圆波导1另一端连接。
所述矩形波导4与中轴线10平行且相互垂直的相邻两面分别与H面平行和E面平行。
所述矩圆过渡波导5作为矩形波导4到圆波导1的转换结构，矩圆过渡波导5为直径和圆波导1相同的沿平行于H面方向不同深度切割形成的具有台阶的结构，切割形成的2个台阶切割面在圆形波导到矩形波导4的方向上到中轴线10的距离逐渐减小。
台阶切割面到中轴线10的距离大于矩形波导4中平行于H面的平面到中轴线10的距离。
在本实施例中，辐射段3、张角段2、馈电段7所有部位的尺寸最终实现TE11模和TM11模具有270°的相位差。
实施例3
与实施例1不同之处在于，张角段2的张角θ为40°。
实施例4
与实施例2不同之处在于，张角段2的张角θ为20°。
实施例5
与实施例1不同之处在于，张角段2的张角θ为40°。
实施例6
与实施例2不同之处在于，张角段2的张角θ为20°。
在实施例1-4中，微扰结构为偶数个，且关于H面对称设置。
上述波束等化馈源模式传输原理如图3所示，波束等化圆锥喇叭分为馈电段7、张角段2和辐射段3三个部分，馈电段7的目的是为了将矩形波导4传输的TE10模变换为直径为2a0的圆波导1传输的TE11模，带有张角θ的张角段2和带有微扰结构6的辐射段3，共同激励起TM11模，其中辐射段3是直径为2a的圆波导，其具有一定长度L，通过调节微扰结构6使得TE11模和TM11模具有270°的相位差。在AA1平面处TE11模和TM11模的相位相差90°，两种模型通过长度L后，在辐射口处两种模式的相对相位差最佳，从而使得喇叭方向图等化。
小口径圆锥喇叭实现波束等化，应用在口径小于1.22λ的场合，特别是适用于喇叭口径在一个波长左右的情况，在双模喇叭不适用的场合。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种波束等化的小口径圆锥喇叭，其特征在于，包括同轴设置的张角段(2)和辐射段(3)，所述张角段(2)为喇叭状，所述辐射段(3)的一端与张角段(2)的喇叭面连接，所述辐射段(3)的边缘上设置有至少2个使圆锥喇叭E面和H面等化的微扰结构(6)，所述微扰结构(6)关于E面或H面对称，辐射段(3)设置有微扰结构(6)的边缘与辐射段(3)未设置微扰结构(6)的边缘到中轴线(10)的距离相异，辐射段(3)与E面相交的两点之间的距离(L1)小于辐射段(3)与H面相交的两点之间的距离(L2)；
所述圆锥喇叭还包括与张角段(2)和辐射段(3)两者同轴设置的馈电段(7)，所述馈电段(7)包括圆波导(1)，所述张角段(2)通过喇叭面相对的端面与圆波导(1)的一端面等大小连接，所述辐射段(3)与喇叭面连接的端面与喇叭面形状相同且大小相等；
所述馈电段(7)还包括矩形波导(4)和矩圆过渡波导(5)，所述矩形波导(4)的一端与设备外的馈线连接，另一端与矩圆过渡波导(5)一端连接，矩圆过渡波导(5)的另一端与圆波导(1)另一端连接；
其中，所述微扰结构(6)是通过对辐射段(3)平行于H面或E面方向切割形成的微扰剖面；在辐射段(3)剖切形成微扰结构(6)的同时，也对与辐射段(3)连接的张角段(2)进行剖切，剖切后的面与微扰结构(6)的面在同一水平面上，从而使得张角段(2)的喇叭面的形状与相连的辐射段(3)的端面形状相同；张角段(2)通过喇叭面相对的端面与圆波导(1)连接的端面形状和大小均相同，即为圆形；辐射段(3)是直径大于馈电段(7)中圆波导(1)的圆波导。
2.根据权利要求1所述的一种波束等化的小口径圆锥喇叭，其特征在于，所述微扰结构(6)为2个，且关于H面对称设置，2个微扰结构(6)均为平行于H面的剖面。
3.根据权利要求2所述的一种波束等化的小口径圆锥喇叭，其特征在于，所述矩形波导(4)与中轴线(10)平行且相互垂直的相邻两面分别与H面平行和E面平行；
所述矩圆过渡波导(5)作为矩形波导(4)到圆波导(1)的转换结构，矩圆过渡波导(5)为直径和圆波导(1)相同的沿平行于H面方向不同深度切割形成的具有台阶的结构，切割形成的台阶切割面在圆形波导到矩形波导(4)的方向上到中轴线(10)的距离逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的一种波束等化的小口径圆锥喇叭，其特征在于，台阶切割面到中轴线(10)的距离大于矩形波导(4)中平行于H面的平面到中轴线(10)的距离。
5.根据权利要求1所述的一种波束等化的小口径圆锥喇叭，其特征在于，所述张角段(2)的张角范围为10～40°。
6.根据权利要求1所述的一种波束等化的小口径圆锥喇叭，其特征在于，所述微扰结构(6)为垂直于H面的附加部。
7.根据权利要求6所述的一种波束等化的小口径圆锥喇叭，其特征在于，设置有微扰结构(6)的辐射段(3)为椭圆形柱状。
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