CN109524782B - 一种双极化圆锥喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极化圆锥喇叭天线，包括圆锥喇叭、激励脊波导、短路背板和射频连接器，所述短路背板与所述激励脊波导连接，与激励脊波导形成短路背腔；所述激励脊波导包括圆波导和四片脊片，所述圆波导位于所述圆锥喇叭的小口径处，套装与各个所述脊片的外部，四片所述脊片呈十字交叉状固定于所述圆锥喇叭内表面；所述射频连接器设有两个，两所述射频连接器的内导体分别贯穿相邻的脊片，并对应连接至对向的脊片内，本发明的双极化圆锥天线喇叭能够得到超宽频带内良好的阻抗匹配，和良好的隔离度。

Description

一种双极化圆锥喇叭天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种双极化圆锥喇叭天线。

背景技术：

目前电子对抗、电子侦察、仿真目标模拟及宽频带单脉冲跟踪等技术的快速发展，天线要求频带增宽、极化可变已成为必然趋势，上述领域要求天线能够在较宽频率范围内发射和接收电波信号。

标准增益喇叭天线由于其增益高，方向性稳定，在上述领域能够得到充分应用及发展，一般情况下，可以用来作为独立的天线或者馈源使用。然而，现有普通喇叭天线的工作频段由于受到标准波导管尺寸的影响，为了能使喇叭天线在宽频带下工作，需要对普通喇叭天线加以改进，一般情况下采用加脊的方式。

四脊喇叭天线能够满足宽频带要求，同时能满足天线极化可变的要求，但是不同形状、尺寸的脊喇叭天线在发射和接收不同频率的无线电波时，其对应的天线输入阻抗相差较大，导致天线性能相差很多，如极化特性、方向特性、阻抗匹配、辐射效率、频带宽度等，即目前一种形状、尺寸的脊喇叭天线能够发射和接收的频带较窄，因此，为了针对不同频率的无线电波都能取的理想的通信效果，必须设计性能适当的形状、尺寸喇叭天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双极化圆锥喇叭天线，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种双极化圆锥喇叭天线，包括圆锥喇叭、激励脊波导、短路背板和射频连接器，所述短路背板与所述激励脊波导连接，与激励脊波导形成短路背腔；

所述激励脊波导包括圆波导和四片脊片，所述圆波导位于所述圆锥喇叭的小口径处，套装于各个所述脊片的外部，四片所述脊片呈十字交叉状固定于所述圆锥喇叭的内表面；

所述射频连接器设有两个，两所述射频连接器的内导体分别贯穿相邻的脊片，并对应连接至对向的脊片内。

进一步的，贯穿有射频连接器内导体的脊片上开设有阶梯形通孔，所述射频连接器的内导体所述阶梯形通孔构成阶梯形同轴阻抗变换。

进一步的，四片所述脊片具有相同的脊曲线，沿所述圆锥喇叭口径扩张方向，所述脊曲线依次包括：直线段、指数渐变段、第一曲线段和第二曲线段。

进一步的，所述直线段的长度约为0.1λ₀，其中：λ₀为中心频率的自由空间波长。

进一步的，所述指数渐变段的脊曲线方程为：y＝αe^βL+kL，其中：L为圆锥喇叭长度，α＝0.4～0.7，β＝0.001～0.004，L取值为345mm。

进一步的，所述短路背板包括安装法兰和设于圆波导内的圆台，所述圆台与安装法兰固定连接。

进一步的，所述圆台内表面设有吸波材料厚度为2～4mm。

进一步的，两所述射频连接器的内导体与圆台的距离为5～10mm。

进一步的，两所述射频连接器的内导体不在圆锥喇叭的同一横截面内，沿圆锥喇叭轴线方向两所述射频连接器的内导体的距离为：0.2～0.5mm。

进一步的，所述脊片的厚度为4～5.5mm。

本发明的优点在于：

1、通过圆锥喇叭、激励脊波导、短路背板和射频连接器组成的双极化圆锥天线喇叭能够得到超宽频带内良好的阻抗匹配，和良好的隔离度。

2、在圆锥喇叭形状尺寸固定的情况下，通过调整脊片的脊线方程，在天线所能发射和接收超宽带的无线电波情况下，使天线的输入阻抗变化很小，从而使所述超宽频带天线能在很宽的频率范围内发射和接收无线电波。

3、四片脊片拥有相同的脊线曲线方程，能扩展频率带宽，保证超宽带内具有良好的匹配特性，并能够在较低频率传输电磁波，脊片能起到阻抗匹配和扩展波导等效内径的作用。

4、通过调节第一曲线段和第二曲线段可以使天线的输入阻抗变化很小。

5、固定法兰盘和台阶圆台靠近射频连接器位置两侧处均设有缺口，便于连接射频电缆，台阶圆台处粘贴高性能吸波材料，可以缩短激励探针与台阶圆台的距离，缩短短路背腔尺寸，从而减小整个天线的结构尺寸。

6、脊片材料选用7075铝合金，采用此种材料加工脊片可有效降低因加工引起的材料变形，从而保证加工精度，减弱因脊片的公差精度对天线性能影响。

附图说明

图1是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线侧视图；

图2是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线俯视图；

图3是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线沿脊片方向局部剖视图；

图4是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线沿脊片方向激励脊波导局部放大剖视图；

图5是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线沿端盖方向截面图；

图6是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线脊片的脊线分段曲线示意图；

图7是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线内部第一脊片结构示意图；

图8是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线内部第二脊片结构示意图；

图9是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线内部第三脊片结构示意图；

图10是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线内部第四脊片结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1—图10所示，一种双极化圆锥喇叭天线，包括圆锥喇叭1、激励脊波导、短路背板3和射频连接器4，短路背板3与激励脊波导中的圆波导7连接，与圆波导7形成短路背腔；激励脊波导包括圆波导7和四片脊片2，四片脊片2分别记为第一脊片2a、第二脊片2b、第三脊片2c和第四脊片2d，其中第一脊片2a、第二脊片2b、第三脊片2c和第四脊片2d分别插入到圆锥喇叭1内并通过安装螺钉5固定在圆锥喇叭1内壁；圆锥喇叭1内壁上第一脊片2a、第二脊片2b形成一对脊片，圆锥喇叭1内壁上第三脊片2c、第四脊片2d形成一对脊片2，两对脊片2为十字正交状，构成正交脊片2；圆波导7位于圆锥喇叭1的小口径处，套装与各个脊片2的外部。射频连接器4设有两个，两射频连接器4分别记为第一射频连接器4a和第二射频连接器4b，第一脊片2a、第二脊片2b底端设计有第一射频连接器4a；第一射频连接器4a内导体穿过第一脊片2a底端预留Ф1.9mm馈电通孔2a1，插入到对向的第二脊片2b底端预留Ф1.5mm馈电通孔2b1内，并用螺钉6固定，为得到超宽频带内良好的阻抗匹配，第一脊片2a底端预留Ф1.9mm馈电通孔2a1设计为台阶孔；第三脊片2c、第四脊片2d底端设计有第二射频连接器4b，第二射频连接器4b内导体穿过第三脊片2c底端预留Ф1.9mm馈电通孔2c1，插入到对向的第二脊片2d底端预留Ф0.9馈电通孔2d1内，并用螺钉6固定；同样地，为得到超宽频带内良好的阻抗匹配，第三脊片2c底端预留Ф1.9mm馈电通孔2c1设计为台阶孔；第一射频连接器4a内导体与第二脊片2b相连的位置高度高于第二射频连接器4b内导体与第四脊片2d相连的位置高度，高度差取值范围为[0.6mm，0.9mm]，以避免流经第一射频连接器4a内导体的信号与流经第二射频连接器4b内导体的信号混合，保证天线在超宽频带内能够正常发射和接收无线电波，提高了天线第一射频连接器4a与第二射频连接器4b间的端口隔离度。

如图5—图10所示，脊片2是脊喇叭天线的关键部件，根据脊波导理论，为了扩展频率带宽，保证超宽带内具有良好的匹配特性，并能够在较低频率传输电磁波，脊片2起到阻抗匹配和扩展波导等效内径的作用，第一脊片2a、第二脊片2b、第三脊片2c和第四脊片2d拥有相同的脊线曲线方程。

脊片2本身作为馈源与负载之间的阻抗变换器，圆锥喇叭1中的脊片2起到阻抗匹配作用。其中，喇叭口面阻抗可认为是自由空间波阻抗ZL，脊片2将馈电探针输入阻抗变换到自由空间波阻抗，脊片2的脊线曲线由直线段201，指数渐变段202，第一曲线段203和第二曲线段204组成，直线段201长度约为0.1λ₀(λ₀为中心频率的自由空间波长)，直线段斜率由脊片中点处阻抗决定；指数渐变段202，为了改善天线在低频段的特性，在脊曲线指数方程上叠加了一个线性方程，该天线的脊曲线方程为y＝αe^βL+kL，其中系数由优化试验取值α为0.4～0.7，β为0.001～0.004，k为0.015～0.03；第一曲线段203和第二曲线段204为改善喇叭口面与中心的相位滞后问题，优化了脊喇叭天线的方向图，作为本发明实施例，L取值为345mm。

脊片2的厚度过厚会使高频段方向图中心偏离天线法线方向，脊片2厚度过薄会使频段驻波指标变差，作为本发明实施例，脊片2的厚度A1选择为4～5.5mm之间。根据圆脊波导理论，激励脊波导的直径D≈10*A1。

脊片2材料选用7075铝合金，采用此种材料加工脊片2可有效降低因加工引起的材料变形，从而保证加工精度，减弱因脊片2的公差精度对天线性能影响。

圆锥喇叭1斜径尺寸R，圆锥喇叭1口面尺寸A决定天线在口径面处的辐射方向图曲线，当给出口面尺寸A，通过参变量给出天线方向图曲线：当圆锥喇叭1口面尺寸A增大，圆锥喇叭1张角变大，天线方向系数增加；当圆锥喇叭1斜径R增大，天线方向系数增加，天线主瓣变窄；实际工程应用中，天线口面A和圆锥喇叭1斜径R不可能无限大，本发明实施例选取了最优尺寸A＝205mm、R＝350mm；

脊片2的第一曲线段203和第二曲线段204与圆锥喇叭1斜径R及圆锥喇叭1口径A有关。当圆锥喇叭1形状、尺寸固定时，在天线所发射和接收无线电波的频带较宽的情况下，通过调节第一曲线段203和第二曲线段204可以使天线的输入阻抗变化很小。

圆锥喇叭1激励脊波导段，根据圆脊波导理论，第一脊片2a与第二脊片2b的间距D1<5mm；同理，第三脊片2c与第四脊片2d的间距D2＝D1<5mm。激励脊波导的直径D≈11*D1，作为本发明实施例激励脊波导直径D选取52mm。

如图3所示，安装法兰3a和圆台3b靠近射频连接器位置两侧处均设有缺口，便于连接射频电缆；圆台3b处粘贴高性能吸波材料8，厚度T为2-4mm，可以缩短激励探针与圆台3b的距离H，缩短短路背腔尺寸，从而减小整个天线的结构尺寸，作为本发明实施例激励探针与台阶圆台3b之间的距离H在5mm～10mm之间。

作为本发明的优选实施例，如表1所示为超宽带天线所接收的无线电波的频率变化时，宽频带天线的输入阻抗值，在宽频带天线的频率在0.8GHz和18GHz之间变化时，宽频带天线的输入阻抗能够匹配在50欧姆附近，从而使宽频带天线能够在较宽的频率范围内发射和接收无线电波。

表1超宽带天线输入阻抗值

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，包括圆锥喇叭(1)、激励脊波导、短路背板(3)和射频连接器(4)，所述短路背板(3)与所述激励脊波导连接，与激励脊波导形成短路背腔；

所述激励脊波导包括圆波导(7)和四片脊片(2)，所述圆波导(7)位于所述圆锥喇叭(1)的小口径处，套装于各个所述脊片(2)的外部，四片所述脊片(2)呈十字交叉状固定于所述圆锥喇叭(1)的内表面；

所述射频连接器(4)设有两个，两所述射频连接器(4)的内导体分别贯穿相邻的脊片(2)，并对应连接至对向的脊片(2)内；

四片所述脊片(2)具有相同的脊曲线，沿所述圆锥喇叭(1)口径扩张方向，所述脊曲线依次包括：直线段(201)、指数渐变段(202)、第一曲线段(203)和第二曲线段(204)；

所述直线段的长度为0.1λ₀，其中，λ₀为中心频率的自由空间波长；

所述指数渐变段的脊曲线方程为：y＝αe^βL+kL，其中：L为圆锥喇叭长度，α＝0.4～0.7，β＝0.001～0.004，k＝0.015～0.03。

2.根据权利要求1所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，贯穿有射频连接器(4)内导体的脊片(2)上开设有阶梯形通孔，所述射频连接器(4)的内导体所述阶梯形通孔构成阶梯形同轴阻抗变换。

3.根据权利要求1所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述短路背板(3)包括安装法兰(3a)和设于圆波导(7)内的圆台(3b)，所述圆台(3b)与安装法兰(3a)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述圆台(3b)内表面设有吸波材料(8)，吸波材料(8)的厚度为2～4mm。

5.根据权利要求3所述的双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，两所述射频连接器(4)的内导体与圆台(3b)的距离为5～10mm。

6.根据权利要求1所述的双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，两所述射频连接器(4)的内导体不在圆锥喇叭(1)的同一横截面内，沿圆锥喇叭(1)轴线方向两所述射频连接器(4)的内导体的距离为：0.2～0.5mm。

7.根据权利要求1所述的双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述脊片(2)的厚度为4～5.5mm。

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