CN109713453A

CN109713453A - 一种时域双脊喇叭天线

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Publication number: CN109713453A
Application number: CN201811602841.4A
Authority: CN
Inventors: 黄建领; 康宁; 韩玉峰
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明公开了一种时域双脊喇叭天线，包括对称设置的相同结构的第一金属板和第二金属板；第一金属板包括第一侧板，第二金属板包括第二侧板，所述第一侧板和所述第二侧板相对的一侧表面分别形成有第一脊和第二脊；所述第一金属板和所述第二金属板的对称面为垂直极化面，所述第一脊和第二脊在平行于所述垂直极化面的轮廓沿信号发射方向线性扩张，在垂直于所述垂直极化面的轮廓沿信号发射方向曲线扩张，本发明可改善目前时域宽带天线的缺陷，确保了时域信号波形的保真性。

Description

一种时域双脊喇叭天线

技术领域

本发明涉及天线领域。更具体地，涉及一种时域双脊喇叭天线。

背景技术

暗室吸波材料反射特性时域校准系统主要用于暗室建成后或使用过程中，对暗室吸波墙面反射特性指标进行验收或进行定期校准。在GJB152A《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》中，规定吸波材料在80MHz～250MHz频段范围内的最小垂直反射损耗6dB；在250MHz以上频率范围内的最小垂直反射损耗10dB。暗室吸波材料反射特性时域校准原理为：如图1所示，由时域脉冲源产生时域脉冲信号，经过时域宽带天线(发射天线)向空间辐射，经待测吸波墙面反射后，由时域宽带天线(接收天线)接收进入接收设备，控制计算机利用程序对收发信号进行数据处理，得到暗室吸波材料反射特性。

时域宽带天线是暗室吸波材料反射特性时域校准系统的重要组成部分，用于发射、接收时域脉冲信号，时域宽带天线的信号传输特性直接影响对校准数据的处理方法，时域宽带天线信号传输特性的最重要指标是波形的保真性。目前时域宽带天线大多采用双锥天线和扇形偶极子天线等形式。这些天线普遍存在馈电困难、辐射效率低以及方向性差等缺点。此外，如对数周期天线、等角螺旋天线等，虽然可以实现宽频带辐射，但是发射出去的信号波形却发生了严重的失真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时域双脊喇叭天线，改善目前时域宽带天线的缺陷，确保了时域信号波形的保真性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明公开了一种时域双脊喇叭天线，其特征在于，包括对称设置的相同结构的第一金属板和第二金属板；

第一金属板包括第一侧板，第二金属板包括第二侧板，所述第一侧板和所述第二侧板相对的一侧表面分别形成有第一脊和第二脊；

所述第一金属板和所述第二金属板的对称面为垂直极化面，所述第一脊和第二脊在平行于所述垂直极化面的轮廓沿信号发射方向线性扩张，在垂直于所述垂直极化面的轮廓沿信号发射方向曲线扩张。

优选地，所述曲线为指数曲线。

优选地，所述指数曲线公式为

y＝A×e^(k×x)+C×x

其中，A、_k和C为常数。

优选地，

当发射的信号频率在80MHz～250MHz时，

A₁＝10.009，k₁＝0.00564964，C₁＝0.110508，x＝(0,653.928)；

当发射的信号频率在250MHz～1GHz时，

A₂＝2.534，k₂＝0.0114538637424，C₂＝0.128978，x＝(0,382.36)。

优选地，

当发射的信号频率在80MHz～250MHz时，第一金属板和第二金属板形成的夹角为53.4度；

当发射的信号频率在250MHz～1GHz时，第一金属板和第二金属板形成的夹角为77.3度。

优选地，所述天线进一步包括固定所述第一金属板和第二金属板的固定组件。

优选地，所述第一侧板和所述第二侧板对应的边缘通过多个横杆固定连接。

优选地，所述第一金属板和第二金属板通过馈电组件电连接。

优选地，所述第一侧板在垂直极化面上的投影覆盖所述第一脊在所述垂直极化面上的投影；所述第二侧板在垂直极化面上的投影覆盖所述第二脊在所述垂直极化面上的投影。

优选地，所述第一脊和所述第二脊的表面覆盖有蒙板。

本发明的有益效果如下：

本发明的时域双脊喇叭天线的第一脊和第二脊在平行于所述垂直极化面的轮廓沿信号发射方向线性扩张，在垂直于所述垂直极化面的轮廓沿信号发射方向曲线扩张。经测试，本发明的新型时域双脊喇叭天线，可改善目前宽带天线的缺陷，波形保真度范围在90％以上，确保了时域信号波形的保真性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有技术暗室吸波材料反射特性时域校准的原理示意图。

图2示出现有非共面扇形喇叭天线的俯视图。

图3示出现有非共面扇形喇叭天线的侧视图。

图4示出现有非共面扇形喇叭天线的不连续性等效电路图。

图5示出现有非共面扇形喇叭天线的横截面图。

图6示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例的示意图之一。

图7示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例的示意图之二。

图8示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例的示意图之三。

图9示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例的示意图之四。

图10示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例的示意图之五。

图11示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例金属板的正视图。

图12示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例金属板的俯视图。

图13示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例N型馈电的剖面图。

图14示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例腔体馈电的示意图。

图15示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例高斯脉冲信号波形图。

图16示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例微分高斯脉冲信号波形图。

图17示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例天线激励高斯脉冲信号波形图。

图18示出本发明时域双脊喇叭天线一个具体实施例天线辐射轴向上不同距离位置处的辐射波形图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

时域宽带天线是时域校准系统的重要组成部分，它的信号传输特性直接影响对校准数据的处理方法。影响时域宽带天线信号传输特性的最重要指标是波形的保真性。

现有的非共面扇形(TEM)喇叭天线是由相互间存在一定夹角的两个三角形金属板组成。如图2和图3所示，TEM喇叭天线的几何参数包括天线长度L、顶角β、张角α以及金属板的不同形状。

对于TEM喇叭天线，保持TEM喇叭的长度L不变，增大其顶角β和张角α时，频率特性会变差，使接收到的信号波形发生畸变；保持天线的顶角β和张角α不变时，天线越长，幅频特性曲线也较平坦。所以要设计波形高保真性的超宽带TEM喇叭天线，应使β、α尽量的小，同时L尽量的大。

时域宽带天线要求天线具有良好的波形保真性，可通过分析TEM喇叭天线的阻抗匹配来实现波形保真。TEM喇叭天线的不连续性等效电路图如图4所示。

设天线在z截面处的归一化瞬态特性阻抗为Z(z)，则此处的反射系数为

式中，Z(z+Δz)为波到达段的瞬态特性阻抗，当信号很窄时，Δz非常小，上式可以简化为：

可以求得：Z(z)＝e^αΓ(z)z………………………………(3)

式中α＝2/Δz。

因此，如果希望Γ(z)＝C(常数)，那么天线的特性阻抗应为指数变化函数。当Γ(z)＝0时，天线的特性阻抗为常数，天线具有宽频带特性阻抗。

图5示出了TEM喇叭天线的横截面，可以用积分方程方法计算其特性阻抗：

其中，d为两个金属板间的距离，w为两个金属板的宽度。

TEM喇叭天线是由于张角口径不连续处电荷积累导致电荷加速运动而辐射电磁波的，辐射机理决定了它的性能表现。TEM喇叭在口径面上辐射电磁波的同时，会产生比较大的反射，要提高TEM喇叭的性能，可以改变张角的形状。

由此，本实施例公开了一种时域双脊喇叭天线。如图6-图10所示，本实施例中，时域双脊喇叭天线包括对称设置的相同结构的第一金属板和第二金属板。

如图11和图12所示，第一金属板包括第一侧板11，第二金属板包括第二侧板21，所述第一侧板11和所述第二侧板21相对的一侧表面分别形成有第一脊12和第二脊22。

所述第一金属板和所述第二金属板的对称面为垂直极化面，所述第一脊12和第二脊22在平行于所述垂直极化面的轮廓沿信号发射方向线性扩张，在垂直于所述垂直极化面的轮廓沿信号发射方向曲线扩张。本发明的时域双脊喇叭天线可解决普通天线存在的馈电困难、辐射效率低以及方向性差等缺点以及解决发射天线时域脉冲信号波形失真的问题。

在优选的实施方式中，所述第一侧板11在垂直极化面上的投影覆盖所述第一脊12在所述垂直极化面上的投影；所述第二侧板21在垂直极化面上的投影覆盖所述第二脊22在所述垂直极化面上的投影。

优选的，所述曲线为指数曲线。所述指数曲线公式可为

y＝A×e^(k×x)+C×x

其中，A、_k和C为常数。

由于校准频率范围宽，80MHz～1GHz，同一天线覆盖整个频率范围难以实现，本发明分为80MHz～250MHz和250MHz～1GHz两个频段。当发射的信号频率在80MHz～250MHz时，A₁＝10.009，k₁＝0.00564964，C₁＝0.110508，x＝(0,653.928)。当发射的信号频率在250MHz～1GHz时，A₂＝2.534，k₂＝0.0114538637424，C₂＝0.128978，x＝(0,382.36)。

在优选的实施方式中，当发射的信号频率在80MHz～250MHz时，第一金属板和第二金属板形成的夹角为53.4度。当发射的信号频率在250MHz～1GHz时，第一金属板和第二金属板形成的夹角为77.3度。

天线还包括时域天线N型馈电71部分、双脊腔体部分和外围固定支撑部分组成。双脊腔体部分和外围固定支撑部分除了起到固定支撑的作用之外，更主要的作用是将电磁能量通过馈电端口，沿双脊之间的缝隙将电磁波辐射到自由空间，天线的形式及各部分零件的形状决定了天线特性，如较低的驻波比、较宽的频率范围以及较好的时域信号波形保真性。

如图13所示，时域天线N型馈电71包括探针713、N型法兰盘711和聚四氟支撑712组成，探针713与N型法兰盘711组成同轴馈电部件，保证50欧姆阻抗匹配，聚四氟支撑712为较低介电常数的聚四氟乙烯绝缘材料，起到绝缘固定支撑的作用。探针713采用一体化设计加工完成，保证馈电过程中电流光滑传输，没有突变截面。

双脊腔体部分包括第一腔体馈电72、第二腔体馈电73、凸台74、后挡板9和后挡圈3，其中，时域天线N型馈电71穿入在双脊腔体部分，穿过第一脊12并与第二脊22导电连接，探针713看作内导体，探针713穿过第一腔体馈电72与第二腔体馈电73导电连接，探针713末端连接有凸台74，凸台74起到增加探针713表面电流路径的作用，可以改善天线驻波比。第一腔体馈电72与第二腔体馈电73嵌于双脊腔体内部，起到支撑、导电和阻抗匹配的作用，第一腔体馈电72与第二腔体馈电73的形状如图14所示。N型法兰盘711看作外导体，与天线最外侧板导电连接。后挡板9和后挡圈3均属于双脊腔体部分的外导体，起固定支撑和导电的作用。

第一脊12和第二脊22分别通过脊内衬51、脊内衬边52、第一脊内衬竖杆53、第二脊内衬竖杆54、第一脊蒙板61、第二脊蒙板62和第三脊蒙板63形成。具体的，第一脊蒙板61覆盖第一脊12和所述第二脊22的曲面、第二脊蒙板62覆盖第一脊12和所述第二脊22与曲面相邻的侧面，第三脊蒙板63覆盖所述曲面相对的背面，第一脊蒙板61、第二脊蒙板62和第三脊蒙板63覆盖于脊内衬51、脊内衬边52、第一脊内衬竖杆53和第二脊内衬竖杆54形成的支架的外侧，形成封闭空间。脊内衬51可起到确定曲面的指数曲线轮廓的目的，所有内衬起到给蒙板、侧板定位及导电连接的作用，蒙板及侧板起到包裹成形的作用。双脊尺寸较大，如采用实心加工会产生过高的成本及重量，因此采用内衬加外部蒙皮的形式，主要内衬采用非金属材质，主要目的是减重，其余内衬采用金属型材，目的是承重及保证良好的导电连接。

外围固定支撑部分包括多个横杆4和连接件8。所述第一侧板11和所述第二侧板21对应的边缘通过多个横杆4固定连接。例如，本实施例中，所述第一侧板11和所述第二侧板21对应的边缘分别通过4个横杆4连接。连接件8将双脊的侧板与后挡圈固定并导电连接。

除天线反射系数、驻波和增益等指标特性以外，时域天线还需要具有良好的时域特性。由于时域天线在使用过程中，主要用来发射或接收时域脉冲信号，因此对天线时域特性的表征，主要考察其对时域脉冲信号的波形保真性。

对于时域脉冲波形，由于其转换到频域后覆盖频率范围较宽，其包含的频率分量较多，不同频率分量的信号延迟时间不同，会导致时域波形失真。为了保证时域脉冲波形不失真，需要平坦的群时延特性，即不同频率分量信号延迟时间相同。如果天线群时延在整个频段内可以保持在某一范围即只产生很小波动，则天线对时域脉冲波形的保真就很好。

根据电磁场及天线理论，天线辐射的电磁波是由天线上流动的电流而激励产生的，假设天线的最小组成单元即电偶极子上的电流是某种时域脉冲波形，其辐射电场将是天线上电流脉冲波形的微分形式。如果电流波形为高斯脉冲形式，则其辐射电场为微分高斯脉冲形式。因此，当时域天线的激励信号采用高斯脉冲信号时，为了衡量其对信号的波形保真性，需要将辐射信号形式与微分高斯脉冲信号进行比较。两种信号形式越接近，表明天线的波形保真度越高。

在理论分析及仿真计算过程中，通常采用高斯脉冲信号作为激励信号。

高斯脉冲信号作为一种常用的瞬态信号，其时域基本形式如下：

其中，A为幅度，τ为时间参数，t为时间。获得的高斯脉冲信号的波形如图15所示。

将上述高斯脉冲信号在时间上微分求导后得到微分高斯脉冲信号，其时域表达式如下：

根据微分高斯脉冲信号的计算公式，得到的微分高斯脉冲信号波形如图16所示。

为了分析天线的时域特性，建立天线电磁仿真模型，其中天线的激励信号采用高斯脉冲信号，并在其辐射轴向上不同距离位置处设置全向场强探头以记录辐射脉冲波形。由于采用高斯脉冲信号作为天线激励信号，因此分析天线的时域特性需要将其辐射脉冲信号与微分高斯脉冲信号进行比较，研究其波形保真性。根据上述仿真模型，得到不同距离位置场强探头记录的辐射脉冲波形如图17所示。

仿真结果表明，从时域波形来看，天线辐射轴向上不同距离位置处的辐射波形相当于激励信号波形的微分，即微分高斯脉冲信号。但是同时，天线辐射波形存在拖尾响应，导致信号失真。

天线对时域脉冲信号的波形保真性可以通过辐射脉冲波形与理想参考波形的比较来表征。与理想参考波形微分高斯脉冲信号相比，天线辐射脉冲波形存在拖尾响应。拖尾响应越小，辐射波形与理想波形的接近度越好，天线波形保真度越高；反之，拖尾响应越大，辐射波形与理想波形的接近度越差，天线波形保真度越低。

根据获得的辐射脉冲波形形状，定义拖尾响应信号最大幅度与第一个完整响应幅度的比值为失真度，如下式所示：

其中A_tail为拖尾响应信号最大幅度，A_main为第一个完整响应幅度。

而波形保真度则根据失真度计算获得：

wfid＝1-wfdt (10)

根据如图18所示的天线辐射轴向上不同距离位置处的辐射波形可以看出，其辐射波形失真度在10％以下，因此其波形保真度范围在90％以上。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种时域双脊喇叭天线，其特征在于，包括对称设置的相同结构的第一金属板和第二金属板；

2.根据权利要求1所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，所述曲线为指数曲线。

3.根据权利要求2所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，所述指数曲线公式为

y＝A×e^(k×x)+C×x

其中，A、k和C为常数。

4.根据权利要求3所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，

当发射的信号频率在80MHz～250MHz时，

A₁＝10.009，k₁＝0.00564964，C₁＝0.110508，x＝(0,653.928)；

当发射的信号频率在250MHz～1GHz时，

A₂＝2.534，k₂＝0.0114538637424，C₂＝0.128978，x＝(0,382.36)。

5.根据权利要求1所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，所述天线进一步包括固定所述第一金属板和第二金属板的固定组件。

7.根据权利要求1所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，所述第一侧板和所述第二侧板对应的边缘通过多个横杆固定连接。

8.根据权利要求1所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，所述第一金属板和第二金属板通过馈电组件电连接。

9.根据权利要求1所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，所述第一侧板在垂直极化面上的投影覆盖所述第一脊在所述垂直极化面上的投影；所述第二侧板在垂直极化面上的投影覆盖所述第二脊在所述垂直极化面上的投影。

10.根据权利要求1所述的时域双脊喇叭天线，其特征在于，所述第一脊和所述第二脊的表面覆盖有蒙板。