CN108987925B - 双频圆波导四脊喇叭天线 - Google Patents

Abstract

双频圆波导四脊喇叭天线，包括：喇叭体、圆波导、底座、固定法兰、脊片一、脊片二、脊片三、脊片四、SMA接头一和SMA接头二；喇叭体由上至下横截面逐渐缩小，喇叭体的底部安装有圆波导，圆波导安装在底座上，固定法兰安装在喇叭体的外侧圆周处，脊片一、脊片二、脊片三和脊片四等间隔地沿着喇叭体的内侧圆周安装，SMA接头一和SMA接头二安装在圆波导的侧壁上。本发明一方面，相比较于传统方法中使用两个馈源来实现超宽带的做法，用了一个喇叭馈源就可以覆盖整个频带，天线增益、副瓣电平、波束宽度等都能够达到指标要求；另一方面，减少了一个双工器，避免了额外的损耗，实现了产品的小型化、便捷式。

Description

双频圆波导四脊喇叭天线

技术领域

本发明属于超宽带信号追踪侦察的高增益天线馈源领域，具体涉及一种双频圆波导四脊喇叭天线。

背景技术

喇叭天线由于其多功能性、简单性和好的辐射性能，在微波测量、雷达和探测系统中有广泛的应用。展宽喇叭天线工作频带，最直接的方法就是在喇叭的波导和喇叭张开部分加入脊结构。脊喇叭天线增益高，阻抗低，体积小，易于和传输线连接，适合用在雷达、电子对抗设备以及微波电子器件中。喇叭天线作为馈源组阵时，圆锥喇叭可以节省空间，便于控制阵元间距而抑制栅瓣。

随着电子对抗、电子侦察及宽频带单脉冲跟踪等技术的发展，要求天线频带增宽，极化可变已成为必然趋势。而喇叭天线由于其频带宽，增益高，方向性好，在该领域得到充分的应用和发展，通常用来作为独立的天线或馈源使用。普通的喇叭天线工作频率受传输波导的尺寸影响外与增益要求，为了能使喇叭天线在宽频带下工作，需要对普通喇叭加以改进，通常采用加脊的方式。其中四脊喇叭天线不仅满足宽频带的要求，同时能够满足极化可变的要求。加脊的喇叭天线极大地满足了在宽频带天线领域的应用。

传统方法设计的加脊喇叭天线，两个端口覆盖了同一频率范围，实现的是水平极化和垂直极化两种极化方式，当需要覆盖更宽频段时，则需要双工器来转接额外的喇叭天线来覆盖实现。本发明设计的加脊喇叭天线能够实现在双频段下公用同一个喇叭天线，天线的一个端口对应使用的低频，另一个端口对应使用的高频，这样在保证满足系统频率范围使用需求时，减去了额外的双工器带来的系统损耗。

发明内容

常规设计的喇叭天线进行超宽带的设计比较困难，且当需要覆盖更宽频率时，亟需一个双工器来转接两副天线来覆盖整个频段，这种做法一方面由于双工器的引入会带来系统额外的损耗，另一方面使用不方便且增加成本。

本发明针对现有技术中的不足，提供一种双频圆波导四脊喇叭天线。一方面解决了超宽带的频率使用范围，另一方面，可以减去双工器的使用。本发明的双频圆波导四脊喇叭天线，具有良好的驻波特性，天线增益能够覆盖5～15dBi,较宽的边缘照射角，能作为超宽带抛物面天线的馈源。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

双频圆波导四脊喇叭天线，其特征在于，包括：喇叭体、圆波导、底座、固定法兰、脊片一、脊片二、脊片三、脊片四、SMA接头一和SMA接头二；所述喇叭体由上至下横截面逐渐缩小，喇叭体的底部安装有圆波导，所述圆波导安装在底座上，所述固定法兰安装在喇叭体的外侧圆周处，所述脊片一、脊片二、脊片三和脊片四等间隔地沿着喇叭体的内侧圆周安装，所述SMA接头一和SMA接头二安装在圆波导的侧壁上。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述喇叭体四周均匀分布有多个安装螺钉孔，用于固定四个脊片，每个脊片的一侧均贴合喇叭体内侧壁固定，每个脊片的另一侧均呈弧形，各脊片之间不接触，四个脊片两两相对设置，其中，脊片一和脊片二相对，脊片三和脊片四相对。

所述脊片一和脊片二用于实现频段5-18GHz，脊片三和脊片四用于实现频段18-40GHz。

所述底座内部设有倒锥形的反射腔，所述反射腔的四周均匀地开设有四个槽，四个脊片依次穿过喇叭体和圆波导并最终插入固定在槽中。

所述圆波导设有两个互相垂直的侧壁，分别用于安装SMA接头一和SMA接头二，圆波导的阻抗与两个SMA接头相等，每个SMA接头的探针均伸入圆波导中，其中，SMA接头一的探针一和SMA接头二的探针二呈上下错开的状态以避免接触。

所述脊片一中开设有通孔，脊片二中开设有半盲孔，SMA接头一的探针一穿过脊片一的通孔并伸入至脊片二的半盲孔中；脊片三中开设有通孔，脊片四中开设有半盲孔，SMA接头二的探针二穿过脊片三的通孔并伸入至脊片四的半盲孔中。

所述喇叭体通过十六个M2螺钉固定四个脊片，每个SMA接头通过四个M2螺钉固定在圆波导上，圆波导和底座之间通过四个M3平头螺钉固定。

喇叭天线采用2A12铝合金加工而成，表面进行导电氧化处理。

本发明的有益效果是：本发明所采用的双频圆波导喇叭天线，采用一个馈源来实现两段频率的覆盖，即5～18GHz和18～40GHz，且天线增益、副瓣电平、波束宽度等都能够达到指标要求。一方面，相比较于传统方法中使用两个馈源来实现超宽带的做法，在本方案中用了一个喇叭馈源就可以覆盖整个频带；另一方面，减少了一个双工器的，避免了额外的损耗，实现了产品的小型化、便捷式。该双频圆波导喇叭天线能够实现5～40GHz的超宽带覆盖，结合尺寸550*350的抛物面，可实现增益范围21dBi～40dBi,交叉极化大于30dB。

附图说明

图1a是双频圆波导四脊喇叭天线的组装图。

图1b是双频圆波导四脊喇叭天线的剖视图一。

图1c是双频圆波导四脊喇叭天线的剖视图二。

图2a是双频圆波导四脊喇叭天线喇叭体的正视图。

图2b是双频圆波导四脊喇叭天线喇叭体的左视图。

图2c是双频圆波导四脊喇叭天线喇叭体的剖视图。

图3a是双频圆波导四脊喇叭天线底座的底视图。

图3b是双频圆波导四脊喇叭天线底座的剖视图。

图3c是双频圆波导四脊喇叭天线底座的俯视图。

图4a是双频圆波导四脊喇叭天线脊片一的主视图。

图4b是双频圆波导四脊喇叭天线脊片一的侧视图。

图4c是双频圆波导四脊喇叭天线脊片一的俯视图。

图5a是双频圆波导四脊喇叭天线脊片二的主视图。

图5b是双频圆波导四脊喇叭天线脊片二的侧视图。

图5c是双频圆波导四脊喇叭天线脊片二的俯视图。

图6a是双频圆波导四脊喇叭天线脊片三的主视图。

图6b是双频圆波导四脊喇叭天线脊片三的侧视图。

图6c是双频圆波导四脊喇叭天线脊片三的俯视图。

图7a是双频圆波导四脊喇叭天线脊片四的主视图。

图7b是双频圆波导四脊喇叭天线脊片四的侧视图。

图7c是双频圆波导四脊喇叭天线脊片四的俯视图。

图8是天线组成框图。

附图标记如下：喇叭体1、安装螺钉孔1-1、圆波导2、底座3、反射腔3-1、槽3-2、固定法兰4、脊片一5、脊片二6、脊片三7、脊片四8、SMA接头一9、探针一9-1、SMA接头二10、探针二10-1。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图8所示，0.8GHz～40GHz高增益旋转天线包含天线单元和伺服控制单元两个独立安装部件。主要由以下部分组成如下：

a）一个反射面：5GHz～40GHz反射面；

c）两组天线：0.8GHz～5GHz Vivaldi阵列天线、5GHz～40GHz馈源；

d）三个前端：0.8GHz～5GHz前端、5GHz～18GHz前端、18GHz～40GHz前端；

e）伺服控制单元；

f）伺服转台；

g）滑环；

h）电缆：馈源与前端之间连接电缆、滑环与天线接口单元之间的连接电缆、滑环与伺服控制单元之间连接电缆。

针对上述天线组成中5～40GHz抛物面天线，起初的方案设计是采用两个馈源来分别覆盖5～18GHz和18～40GHz，再通过一个双工器来连接射频前端部分，通过最终的验证发现达不到指标要求，且系统使用稳定性较差。

在此基础上提出了双频圆波导四脊喇叭天线，用来作为抛物面天线的馈源。一个端口设计成5～18GHz来连接对应频段的射频前端，经前端处理后斜极化输出；另外一个端口设计成18～40GHz连接对应频段的射频前端，经前端处理后斜极化输出。具体设计如附图所示。

双频圆波导四脊喇叭天线在设计时，一个端口往低频段设计，另外一个端口往高频段设计，在中频时两个端口都能满足。在本方案中，应用的就是这一原理，低频段端口覆盖为5～18GHz，高频段端口覆盖为18～40GHz，在中频18GHz两个端口都能满足指标需求，很好的避免了在使用高频或低频时某一频点达不到指标要求。

如图1到图3所示的双频圆波导四脊喇叭天线，由四个脊片、一个喇叭体、底座和两个SMA接头组成，具体包括：喇叭体1、圆波导2、底座3、固定法兰4、脊片一5、脊片二6、脊片三7、脊片四8、SMA接头一9和SMA接头二10。喇叭体1由上至下横截面逐渐缩小，底部安装有圆波导2，喇叭体1和圆波导2一体化形成，圆波导2安装在底座3上，固定法兰4安装在喇叭体1的外侧圆周处，脊片一5、脊片二6、脊片三7和脊片四8等间隔地沿着喇叭体1的内侧圆周安装，SMA接头一9和SMA接头二10安装在圆波导2的侧壁上。

喇叭体1四周均匀分布有多个安装螺钉孔1-1，用于固定四个脊片，每个脊片的一侧均贴合喇叭体1内侧壁固定，每个脊片的另一侧均呈弧形，各脊片之间不接触，四个脊片两两相对设置，其中，脊片一5和脊片6相对，脊片三7和脊片四8相对。底座3内部设有倒锥形的反射腔3-1，如图3c所示，反射腔3-1的四周均匀地开设有四个槽3-2，四个脊片依次穿过喇叭体1和圆波导2并最终插入固定在槽3-2中。

圆波导2设有两个互相垂直的侧壁，分别用于安装SMA接头一9和SMA接头二10，圆波导2的阻抗与两个SMA接头相等，每个SMA接头的探针均伸入圆波导2中，其中，SMA接头一9的探针一9-1和SMA接头二10的探针二10-1呈上下错开的状态以避免接触。脊片一5中开设有通孔，脊片二6中开设有半盲孔，SMA接头一9的探针穿过脊片一5的通孔并伸入至脊片二6的半盲孔中；脊片三7中开设有通孔，脊片四8中开设有半盲孔，SMA接头二10的探针穿过脊片三7的通孔并伸入至脊片四8的半盲孔中。其中，半盲孔的深度设计影响了频率范围。

双频圆波导四脊喇叭天线采用的是2A12铝合金加工而成，表面需进行导电氧化处理，附图中已标明各尺寸序号，下面结合附图2～7对本发明作进一步详细描述。

图2a～2c喇叭体中a1和a20为SMA接头探针中心距底端的距离4.95mm和6.15mm，a2和a21为穿过SMA接头探针外径通孔直径为1.1mm，a3、a5、a22和a28为安装SMA接头法兰螺孔的中心间距6.4mm，SMA接头法兰螺孔直径a4为1.6mm深度为4mm，a9为直径1.8的通孔和直径为3.2mm，深度为3mm的沉孔，该通孔中心距底部的距离a6和a27为12.7mm，圆波导的长度a7为15.5mm，直径a29为12mm。整个喇叭体的长度a8为64.5mm，喇叭内口径直径a34为42mm，外径直径a35为45mm。喇叭体四周均匀分布12个直径a33为1.8mm的通孔用于安装四个脊片，每个通孔的间距分别为a30，a31，a32，即17mm、17mm和7mm。喇叭天线的安装固定法兰盘的直径a19为45mm，厚度为4mm，距离喇叭底部的距离a25为19mm，沿着安装固定法兰盘的直径a15为38mm，均匀分布三个直径a13为3.5mm的螺孔。喇叭体底部按照直径a17为18mm均匀分布4个用于安装M3*6的螺孔即a12，喇叭体底部圆波导的外径直径a11为25mm，选两个互为垂直的两个面均铣扁为a10，a16尺寸，即23mm。

图3a～3c喇叭底座的圆台直径b12为12mm，高b7为5.5mm，内部是倒锥形的反射腔结构，倒锥形反射腔的上表面直径b14为2mm，下表面直径b13为11.4mm，腔的深度b8为4mm，腔的张角b9为99°，腔的四周有四个宽b15和b16为2.5mm，深为1.4mm的槽，用于保证四个脊片的安装位置。整个底座的高度b6为8.5mm，喇叭台体的厚度为3mm，台体的直径b11为25mm，在台体上按照直径b5为18mm均匀分布4个M3的沉头孔即b1。b3和b4为23mm。

图4a～4c是喇叭的脊片一，其厚度c10为2mm，用于穿SMA接头探针的通孔直径c12为1.1mm，该通孔中心距底端的距离c9为0.85mm，在脊片臂上开四个深度为4mm的M1.6螺孔即c13，第一个螺孔距底端的距离c11为8.6mm，第二个螺孔与第三个螺孔的间距c6为17mm，第三个螺孔与第四个螺孔的间距c7为17mm，第四个螺孔与顶端的距离c8为6.6mm。穿过圆波导的脊片长度c2为10.4mm，宽度c1为5.6mm，贴合喇叭壁的脊片长度c4为52.2mm，斜角c3为163°。

图5a～5c是喇叭的脊片二，其厚度d1为2mm，用于短路SMA接头探针的半盲孔直径d12为0.6mm，深度d10为1mm，该半盲孔中心距底端的距离d9为0.85mm，在脊片臂上开四个深度为4mm的M1.6螺孔即d3，第一个螺孔距底端的距离d2为8.6mm，第二个螺孔与第三个螺孔的间距d5为17mm，第三个螺孔与第四个螺孔的间距d6为17mm，第四个螺孔与顶端的距离d7为6.6mm。穿过圆波导的脊片长度d11为10.4mm，宽度d8为5.6mm，贴合喇叭壁的脊片长度d14为52.2mm，斜角d13为163°。

图6a～6c是喇叭的脊片三，其厚度e1为2mm，用于穿SMA接头探针的通孔直径e2为1.1mm，该通孔中心距底端的距离e3为2.05mm，在脊片臂上开四个深度为4mm的M1.6螺孔即e5，第一个螺孔距底端的距离e4为8.6mm，第二个螺孔与第三个螺孔的间距e7为17mm，第三个螺孔与第四个螺孔的间距e8为17mm，第四个螺孔与顶端的距离e9为6.6mm。穿过圆波导的脊片长度e11为10.4mm，宽度e10为5.6mm，贴合喇叭壁的脊片长度e13为52.2mm，斜角e12为163°。

图7a～7c是喇叭的脊片四，其厚度f8为2mm，用于短路SMA接头探针的半盲孔直径f3为0.6mm，深度d10为1mm，该半盲孔中心距底端的距离f1为2.05mm，在脊片臂上开四个深度为4mm的M1.6螺孔即f10，第一个螺孔距底端的距离f9为8.6mm，第二个螺孔与第三个螺孔的间距f12为17mm，第三个螺孔与第四个螺孔的间距f13为17mm，第四个螺孔与顶端的距离f14为6.6mm。穿过圆波导的脊片长度f5为10.4mm，宽度f4为5.6mm，贴合喇叭壁的脊片长度f7为52.2mm，斜角f6为163°。

按照上述的尺寸进行加工装配至图1所示。

双频圆波导四脊喇叭天线中，脊片与喇叭体1的连接是通过均匀分布在喇叭体1四周的十六个安装螺钉孔1-1来实现两两对称。其中，脊片一5与脊片二6实现频段5-18GHz，脊片三7与脊片四8实现频段18-40GHz。每个SMA接头的连接也是通过4个M2螺钉来固定，两个SMA接头间呈现出一上一下的状态，来保证二者间不会有接触来避免短路。底座3与圆波导2的安装是通过四个M3的平头螺钉来连接。

本发明中，设计了具有合适的低截止频率的圆波导，并使其阻抗与馈电同轴线即SMA接头相等，中心导体跨过脊片间隙馈电到另一脊片实现短路。在设计时，为了保证50Ω的阻抗匹配，脊的间隙必须减小，并且脊的外形为屋顶状以使脊之间能较好的相互配合。另外，用于短路的反射腔采用了不同于传统形式的矩形腔结构，即倒锥形的形式。该形式的反射腔，在离馈电点很短的距离内，通过将侧壁渐变减小，可以使波导工作在截止频率以上，则波可传播到该区域。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.双频圆波导四脊喇叭天线，其特征在于，包括：喇叭体（1）、圆波导（2）、底座（3）、固定法兰（4）、脊片一（5）、脊片二（6）、脊片三（7）、脊片四（8）、SMA接头一（9）和SMA接头二（10）；所述喇叭体（1）由上至下横截面逐渐缩小，喇叭体（1）的底部安装有圆波导（2），所述圆波导（2）安装在底座（3）上，所述固定法兰（4）安装在喇叭体（1）的外侧圆周处，所述脊片一（5）、脊片二（6）、脊片三（7）和脊片四（8）等间隔地沿着喇叭体（1）的内侧圆周安装，所述SMA接头一（9）和SMA接头二（10）安装在圆波导（2）的侧壁上；

所述喇叭体（1）四周均匀分布有多个安装螺钉孔（1-1），用于固定四个脊片，每个脊片的一侧均贴合喇叭体（1）内侧壁固定，每个脊片的另一侧均呈弧形，各脊片之间不接触，四个脊片两两相对设置，其中，脊片一（5）和脊片二（6）相对，脊片三（7）和脊片四（8）相对；

所述脊片一（5）和脊片二（6）用于实现频段5-18GHz，脊片三（7）和脊片四（8）用于实现频段18-40GHz；

所述底座（3）内部设有倒锥台形的反射腔（3-1），所述反射腔（3-1）的四周均匀地开设有四个槽（3-2），四个脊片依次穿过喇叭体（1）和圆波导（2）并最终插入固定在槽（3-2）中；

所述圆波导（2）设有两个互相垂直的侧壁，分别用于安装SMA接头一（9）和SMA接头二（10），圆波导（2）的阻抗与两个SMA接头相等，每个SMA接头的探针均伸入圆波导（2）中，其中，SMA接头一（9）的探针一（9-1）和SMA接头二（10）的探针二（10-1）呈上下错开的状态以避免接触；

所述脊片一（5）中开设有通孔，脊片二（6）中开设有半盲孔，SMA接头一（9）的探针一（9-1）穿过脊片一（5）的通孔并伸入至脊片二（6）的半盲孔中；脊片三（7）中开设有通孔，脊片四（8）中开设有半盲孔，SMA接头二（10）的探针二（10-1）穿过脊片三（7）的通孔并伸入至脊片四（8）的半盲孔中。

2.如权利要求1所述的双频圆波导四脊喇叭天线，其特征在于：所述喇叭体（1）通过十六个M2螺钉固定四个脊片，每个SMA接头通过四个M2螺钉固定在圆波导（2）上，圆波导（2）和底座（3）之间通过四个M3平头螺钉固定。

3.如权利要求1所述的双频圆波导四脊喇叭天线，其特征在于：喇叭天线采用2A12铝合金加工而成，表面进行导电氧化处理。