CN109616771A - 一种毫米波宽带低旁瓣喇叭天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，由电磁波的传递方向依次设置矩形馈电波导、矩圆过渡段、圆形台阶渐变段、圆形辐射口面形成电磁辐射区；所述矩圆过渡段用于实现矩形馈电波导到圆形台阶渐变段的之间的转换，所述圆形台阶渐变段通过若干台阶将矩圆过渡段最后一级的圆形口面逐级扩大至末级口面，由该末级口面等宽延伸一段匹配段形成圆形辐射口面。优点为：本发明的喇叭天线采用阶梯状渐变辐射段代替连续渐变辐射段、在辐射口面外围集成限波槽的结构，所提出的天线具有一体化的结构特征，单纯依赖普通机械加工工艺即可实现，不需要其他复杂工艺进行辅助，不需要后期拼接组装，成品一致性好，单件成本低，宽频带、低辐射旁瓣。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波成像与测量领域，尤其涉及一种毫米波宽带低旁瓣喇叭天线。
背景技术
喇叭天线因其设计方法成熟、结构相对简单、工作频段宽、辐射效率高等特点而广泛应用于雷达、通信以及测量系统中，其基本形式是通过将矩形波导或者圆波导的开口面逐渐扩展形成足够的辐射口径面积而形成。喇叭天线一般分为角锥喇叭天线和圆锥喇叭天线，这两种天线在结构工艺实现及辐射波束性能上存在如下特点，在某些场合的制造和使用会存在一些制约：
首先，在结构工艺方面，角锥喇叭天线多采用钣金工艺结合银焊工艺实现，圆锥喇叭天线多采用电铸工艺加工。钣金工艺在天线工作频率比较低时是能够满足要求的，但在毫米波及更高频段，钣金工艺无法满足结构精度的要求，会带来额外的损耗；银焊工艺及电铸工艺都要求具备特殊的工艺装备和能力，在大批量生产时才具有优势，小批量生产时的单件成本很高。
其次，在电性能方面，尤其是旁瓣抑制这项指标上，目前的角锥喇叭天线以及圆锥喇叭天线一般在15dB左右，这导致该类天线的使用在很多对旁瓣电平有更高要求的场合受到限制。
针对毫米波喇叭天线的研制生产现状进行检索调研，可以发现目前使用的该类天线都不同程度的存在上述结构及性能方面的不足，举例如下：
北京西宝电子技术有限公司生产的XB-HA12-20标准角锥喇叭天线，法兰盘与渐变辐射段采用银料焊接工艺连接，根据其测试数据可见，在91.9GHz频点上，其E面的旁瓣抑制只有11.4dB。
2008年，白冰、苗俊刚等人在《北京航空航天大学学报》上发表了《短毫米波段波纹喇叭天线的新工艺》的论文，提出通过加工一系列圆环状波纹片和合理的工装结构而组装成完整的波纹喇叭天线。这种方法仅仅依赖于机械加工工艺即可满足，但属于分体加工组装，在结构上难以实现一体化加工。
2012年，《电子器件学报》报道了东南大学郭林等人撰写的论文《一种工作在W波段的角锥喇叭天线》，该天线采用矩形波导馈电，利用矩形波导的H面和E面逐渐展开形成角锥喇叭，该天线E面辐射方向图的旁瓣抑制也只有15dB左右。
2015年，蔡云龙等人撰写的发明专利《一种角锥喇叭天线及其设计方法》，该天线的设计将天线的一个侧面与用于馈电的导体平面共面化，更为方便地集成于电路板上，在保证天线增益的同时使得电路板的结构更加紧凑。此设计相较于传统的喇叭天线有所改进，但其馈源与喇叭本体之间的一体化连接难度较大以及电路板的集成度要求较高。
2018年，《现代雷达》报道了方红梅等人撰写的《一种新型天线单元的设计与制造》，该天线设计采用精密铸造的方式，针对水平方向上喇叭天线根部跳变的现象，局部增加倒角和过度，削弱局部应力集中，以获得更加顺滑的内应力曲线。这种实现方法属于前述电铸工艺，只有在大批量生产时才能体现优势，不适合少量原理样件的低成本制造。
考虑到喇叭天线属于纯金属结构的天线，而目前在金属加工领域最常用的工艺是数控机床铣削工艺，如果能在喇叭天线的实现过程中单纯采用数控铣削工艺而不依赖其他工艺，将大大降低工艺复杂度和成本。但目前无论角锥喇叭还是圆锥喇叭天线，在结构上都存在沿喇叭天线轴向的连续渐变段，以实现波导阻抗与空间阻抗的宽带匹配。但这种连续渐变段结构对于数控铣削工艺来说存在一定的挑战，光滑度要求越高加工时间越长，间接导致加工成本的提升。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种毫米波宽带低旁瓣喇叭天线。
技术方案：本发明所述的毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，由电磁波的传递方向依次设置矩形馈电波导、矩圆过渡段、圆形台阶渐变段、圆形辐射口面形成电磁辐射区；所述矩圆过渡段用于实现矩形馈电波导到圆形台阶渐变段的之间的转换，所述圆形台阶渐变段通过若干台阶将矩圆过渡段最后一级的圆形口面逐级扩大至末级口面，由该末级口面等宽延伸一段匹配段形成圆形辐射口面。
此装置采用阶梯状渐变辐射段提出的天线具有一体化的结构特征，单纯依赖普通机械加工工艺即可实现，不需要其他复杂工艺进行辅助，不需要后期拼接组装，成品一致性好，单件成本低，圆形台阶渐变段的末级口面与自由空间之间存在一定长度的圆形匹配段，通过调整该匹配段的长度，可以进一步改善末级口面与自由空间之间的阻抗匹配，从而提高天线的辐射效率。
进一步的，所述电磁辐射区外设有装置外壳，所述装置外壳的首端设有法兰盘，用于与其他元器件互联。
进一步的，所述矩圆过渡段是通过若干级台阶实现，参与过渡的所有台阶逐级地增加矩形馈电波导的宽边和窄边尺寸，其中，窄边尺寸的递增幅度大于宽边尺寸的递增幅度，至最后一级弧形台阶的宽边与窄边完全相等。矩圆过渡段所用台阶的数量与具体实现时矩形馈电波导的截面尺寸有关系，矩形馈电波导的宽边和窄边在结构尺寸上相差越大，实现这一过渡所需要的台阶数越多，过渡段台阶数量的具体选择以满足天线在工作频段内的阻抗匹配为依据。
进一步的，所述圆形台阶渐变段的台阶数量根据天线所需增益决定，天线所需增益越高，圆形辐射口面直径越大，所需圆形台阶渐变段的台阶数量就越多。圆形台阶渐变段台阶数量的具体选择以满足天线在工作频段内的阻抗匹配为依据。
进一步的，所述圆形辐射口面的外围开设一圈或者多圈限波槽。通过阻断圆形辐射口面往外围延伸的表面电流，来抑制偏离天线轴向上的电磁辐射，进而实现较低的旁瓣电平。
其中，所述限波槽的宽度和深度为所需抑制频点对应波长的四分之一；单个限波槽的工作带宽有限，如果天线的工作带宽较宽，则通过多个对应不同频点的限波槽来实现旁瓣抑制。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本发明的喇叭天线采用阶梯状渐变辐射段代替连续渐变辐射段、在辐射口面外围集成限波槽的结构，所提出的天线具有一体化的结构特征，单纯依赖普通机械加工工艺即可实现，不需要其他复杂工艺进行辅助，不需要后期拼接组装，成品一致性好，单件成本低，宽频带、低辐射旁瓣。
附图说明
图1为本发明法兰盘一侧的立体结构图；
图2为本发明圆形辐射口面一侧的立体结构图；
图3为本发明的剖视图；
图4为本发明圆形辐射口面一侧的正视图；
图5为本发明电压驻波比测量曲线；
图6为本发明在80GHz的E面和H面方向图的测量曲线。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示的毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，主要技术指标如下：
工作频段：76-81GHz
增益：>20dBi
带内电压驻波比：<1.5
3dB波束宽度：>15度
旁瓣抑制：>20dB
极化隔离:>20dB
由电磁波的传递方向依次设置矩形馈电波导1、矩圆过渡段2、圆形台阶渐变段3、圆形辐射口面4形成电磁辐射区；所述矩圆过渡段2用于实现矩形馈电波导1到圆形台阶渐变段3的之间的转换，所述圆形台阶渐变段3通过若干台阶将矩圆过渡段2最后一级的圆形口面逐级扩大至末级口面，由该末级口面等宽延伸一匹配段形成圆形辐射口面4。
所述电磁辐射区外设有装置外壳5，所述装置外壳5的首端设有法兰盘6，法兰盘6上固定螺孔、销钉孔以及矩形馈电波导的截面尺寸均采用国际标准，以便于与其他具有相同标准接口的元器件互联。法兰盘6采用UG387/U-M标准法兰，矩形馈电波导采用W波段标准WR10波导，波导截面尺寸2.54mm×1.27mm。
所述矩圆过渡段2是通过若干级台阶实现，参与过渡的所有台阶逐级地增加矩形馈电波导1的宽边和窄边尺寸，其中，窄边尺寸的递增幅度大于宽边尺寸的递增幅度，至最后一级弧形台阶的宽边与窄边完全相等，也就是过渡到圆形。矩圆过渡段2所用台阶的数量与具体实现时矩形馈电波导1的截面尺寸有关系，矩形馈电波导的宽边和窄边在结构尺寸上相差越大，实现这一过渡所需要的台阶数越多，过渡段台阶数量的具体选择以满足天线在工作频段内的阻抗匹配为依据。矩圆过渡段2采用6级台阶过渡，每级台阶高度都是0.4mm，每级弧形台阶的截面尺寸分别为2.74×1.47mm，2.74×1.77mm，2.74×2.07mm，2.74×2.37mm，2.74×2.67mm，3.0×3.0mm。
圆形辐射口面4的直径以满足天线的增益指标为依据，因为天线的增益与天线的有效辐射孔径面积有直接关系。所以，由天线所要求具备的增益指标可以确定辐射口面的直径，而辐射口面直径与矩圆过渡段2最后一级的直径的差异，进一步决定了圆形台阶渐变段的台阶数量。天线增益越高，辐射口面直径越大，所需要的渐变台阶数量越多。渐变段台阶数量的具体选择以满足天线在工作频段内的阻抗匹配为依据。圆形台阶渐变段3一共包含45级台阶，每级台阶高度0.4mm，相邻台阶的直径从3mm开始，以0.3mm的增量逐级递增，最终辐射口面05的直径为16.5mm。
所述圆形辐射口面4的外围开设两圈限波槽7，其中，所述限波槽7的宽度和深度为所需抑制频点对应波长的四分之一；单个限波槽7的工作带宽有限，如果天线的工作带宽较宽，则通过多个对应不同频点的限波槽7来实现旁瓣抑制，本实施例中限波槽宽度0.7mm，深度0.9mm，两圈限波槽之间的距离0.7mm。
整个天线结构采用6061型铝材制造，如图5和图6所示，由测试结果可见，本实施例在76-81GHz的工作频段范围内的电压驻波比都在1.5以下，增益不低于20dBi，3dB波束宽度18°，旁瓣抑制约25dB。
Claims (6)
1.一种毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，其特征在于：由电磁波的传递方向依次设置矩形馈电波导(1)、矩圆过渡段(2)、圆形台阶渐变段(3)、圆形辐射口面(4)形成电磁辐射区；所述矩圆过渡段(2)用于实现矩形馈电波导(1)到圆形台阶渐变段(3)之间的转换，所述圆形台阶渐变段(3)通过若干台阶将矩圆过渡段(2)最后一级的圆形口面逐级扩大至末级口面，由该末级口面等宽延伸一段匹配段形成圆形辐射口面(4)。
2.根据权利要求1所述的毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，其特征在于：所述电磁辐射区外设有装置外壳(5)，所述装置外壳(5)的首端设有法兰盘(6)。
3.根据权利要求1所述的毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，其特征在于：所述矩圆过渡段(2)是通过若干级台阶实现，参与过渡的所有台阶逐级地增加矩形馈电波导(1)的宽边和窄边尺寸，其中，窄边尺寸的递增幅度大于宽边尺寸的递增幅度，至最后一级弧形台阶的宽边与窄边完全相等。
4.根据权利要求1所述的毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，其特征在于：所述圆形台阶渐变段(3)的台阶数量根据天线所需增益决定，天线所需增益越高，圆形辐射口面(4)直径越大，所需圆形台阶渐变段(3)的台阶数量就越多。
5.根据权利要求1所述的毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，其特征在于：所述圆形辐射口面(4)的外围开设一圈或者多圈限波槽(7)。
6.根据权利要求5所述的毫米波宽带低旁瓣喇叭天线，其特征在于：所述限波槽(7)的宽度和深度为所需抑制频点对应波长的四分之一；单个限波槽(7)的工作带宽有限，如果天线的工作带宽较宽，则通过多个对应不同频点的限波槽(7)来实现旁瓣抑制。
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