CN109830807B - 一种宽波束高增益喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽波束高增益喇叭天线，包括矩形波导、过渡段、SMA馈电探针以及矩形泄漏缝隙组，矩形波导一侧开口设有短路封闭片，矩形波导窄边保持不变，矩形波导宽边沿喇叭出口方向线性展开形成过渡段，矩形波导宽边侧壁上设有上、下层金属片，矩形泄漏缝隙组包括第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组，第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组分别开在上下层金属片上，并且对称设置，SMA馈电探针设置在喇叭天线中心轴上，并与短路封闭片设有间隔。本发明在工作频段上与同尺寸常规H面矩形喇叭天线相比，展宽了增益波瓣图E面3dB波束宽度，提高了端射方向增益，保持了输入阻抗基本不变，实现了良好的匹配效果。

Description

一种宽波束高增益喇叭天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种宽波束高增益喇叭天线。

背景技术

喇叭天线是一种面天线，由波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线。由于喇叭天线结构简单，频带宽和方向图易于控制，在卫星通信、地面微波链路及射电望远镜等系统中有着广泛的应用。在喇叭天线中，其增益与波束宽度是一对矛盾，往往只能从两者中取一个折中，以符合特定的应用场景。然而，在一些应用场景下(比如室内定位系统)，要求其基站天线同时具有较高的增益和较宽的波束宽度。这就要求设计出一种新型宽波束高增益喇叭天线。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽波束高增益喇叭天线，在天线的工作频段上与同尺寸常规H面矩形喇叭天线相比，展宽了增益波瓣图E面3dB波束宽度，提高了端射方向增益，保持了输入阻抗基本不变，回波损耗S11基本保持不变，实现了良好的匹配效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种宽波束高增益喇叭天线，包括：矩形波导、过渡段、SMA馈电探针以及矩形泄漏缝隙组，

所述矩形波导一侧开口设有短路封闭片，所述矩形波导窄边保持不变，矩形波导宽边沿喇叭出口方向线性展开形成过渡段，矩形波导宽边侧壁上设有第一金属片和第二金属片，第一金属片和第二金属片相对设置，所述矩形泄漏缝隙组包括第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组，所述第一矩形泄漏缝隙组开在第一金属片上，所述第二矩形泄漏缝隙组开在第二金属片上，所述第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组对称设置，所述SMA馈电探针设置在喇叭天线中心轴上，并与短路封闭片设有间隔。

作为优选的技术方案，所述第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组均设有三对对称矩形泄漏缝隙对，为第一对称矩形泄漏缝隙对、第二对称矩形泄漏缝隙对和第三对称矩形泄漏缝隙对，每对对称矩形泄漏缝隙对均相对喇叭天线对称轴对称设置。

作为优选的技术方案，所述第一对称矩形泄漏缝隙对的缝隙长宽设为24mm*9mm，与喇叭天线对称轴距离设为12mm，所述第二对称矩形泄漏缝隙对的缝隙长宽设为20mm*18mm，与喇叭天线对称轴距离设为19mm，所述第三对称矩形泄漏缝隙对的缝隙长宽设为13mm*12mm，与喇叭天线对称轴距离设为16mm，第一对称矩形泄漏缝隙对、第二对称矩形泄漏缝隙对和第三对称矩形泄漏缝隙对沿沿喇叭出口方向依次设置。

作为优选的技术方案，所述第一对称矩形泄漏缝隙对、第二对称矩形泄漏缝隙对和第三对称矩形泄漏缝隙对与短路封闭片的距离依次为99mm，113mm和202mm。

作为优选的技术方案，喇叭天线整体采用厚度为2mm的铝片。

作为优选的技术方案，所述矩形波导长、宽、高设为71mm*57mm*36mm。

作为优选的技术方案，所述过渡段的喇叭长度设为173mm，张角设为50°。

作为优选的技术方案，所述SMA馈电探针与短路封闭片的间隔距离设为23mm。

作为优选的技术方案，所述SMA馈电探针包括SMA接头和套在SMA内针上的匹配圆环，SMA馈电探针内针直径设为1.3mm，长度设为18mm，套在SMA内针上的匹配圆环直径设为3mm，长度设为3mm，设置在距离SMA内针末端6mm处。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明在天线的工作频段上与同尺寸常规H面矩形喇叭天线相比，展宽了增益波瓣图E面3dB波束宽度。

(2)本发明在天线的工作频段上与同尺寸常规H面矩形喇叭天线相比，提高了端射方向增益。

(3)本发明保持了输入阻抗基本不变，回波损耗S11基本保持不变，实现了良好的匹配效果。

附图说明

图1为本实施例宽波束高增益喇叭天线三维结构示意图；

图2为本实施例宽波束高增益喇叭天线俯视图；

图3为本实施例宽波束高增益喇叭天线侧视图；

图4为本实施例宽波束高增益喇叭天线回波损耗S11曲线图；

图5为本实施例宽波束高增益喇叭天线增益波瓣图E面(Phi＝0°)3dB波束宽度曲线图；

图6为本实施例宽波束高增益喇叭天线端射方向(Phi＝0°，Theta＝0°)增益曲线图；

图7为本实施例宽波束高增益喇叭天线4GHz频点处的天线辐射增益波瓣图E面；

图8为本实施例宽波束高增益喇叭天线4GHz频点处的天线辐射增益波瓣图H面。

其中，11-矩形波导、12-过渡段、13-SMA馈电探针、21-第一对称矩形泄漏缝隙对、22-第二对称矩形泄漏缝隙对、23-第三对称矩形泄漏缝隙对。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1、图2、图3所示，本实施例提供一种宽波束高增益喇叭天线，其结构包括矩形波导11、过渡段12、SMA馈电探针13以及矩形泄漏缝隙组。

所述矩形波导11为开口短路封闭的矩形波导，过渡段12与矩形波导11无缝连接，过渡段12由矩形波导窄边尺寸保持不变，矩形波导宽边尺寸沿喇叭出口方向线性展开得到，SMA馈电探针13位于电场强度最大处。

在本实施例中，矩形波导宽边侧壁上设有第一金属片和第二金属片，第一金属片和第二金属片相对设置，所述矩形泄漏缝隙组包括第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组，所述第一矩形泄漏缝隙组开在第一金属片上，所述第二矩形泄漏缝隙组开在第二金属片上，所述第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组对称设置，本实施例中的第一、第二金属片的尺寸为喇叭的长度和宽度覆盖住喇叭即可，本实施例做成方形只是为了建模方便。

在本实施例中，展宽了常规H面矩形喇叭天线的E面3dB波束宽度，在第一第二金属片上开任意的缝隙，都能展宽波束宽度，本实施例沿天线对称轴对称设置矩形泄漏缝隙，使得波束宽度的展宽效果最佳，开在矩形波导宽边上、下层金属上的泄漏缝隙优选为上、下层相同的3对对称的矩形泄漏缝隙对。第一对称矩形泄漏缝隙对21关于天线对称轴对称，缝隙长宽优化为24mm*9mm，与对称轴距离12mm，与短路封闭铝片距离99mm。第二对称矩形泄漏缝隙对22关于天线对称轴对称，缝隙长宽优化为20mm*18mm,与对称轴距离19mm，与短路封闭铝片距离113mm。第三对称矩形泄漏缝隙对23关于天线对称轴对称，缝隙长宽优化为13mm*12mm，与对称轴距离16mm，与短路封闭铝片距离202mm。

在本实施例中，宽波束高增益喇叭天线整体由厚度为2mm的铝片构成。

在本实施例中，开口短路封闭的矩形波导11的长宽高优选为71mm*57mm*36mm(长度接近于一个工作中心波长，高度接近于半个波长)。过渡段12结构中，喇叭长度优选为173mm，张角优选为50°。SMA馈电探针13内针直径优选为1.3mm，长度优选为18mm。SMA馈电探针13的馈电点的Y轴坐标优选为实施例宽波束高增益喇叭天线的对称轴，X轴坐标优选为距离短路封闭铝片23mm处(即为SMA馈电探针中心与短路封闭铝片之间的距离)，此距离接近于四分之一工作中心波长，使得探针刚好位于电场强度最大处，达到良好的馈电效果。套在SMA内针上的匹配圆环直径优选为3mm，长度优选为3mm，位置优选为距离SMA内针末端6mm处。

为了说明本实施例的设计效果，利用CST软件对本实施例进行了辐射特性的模型仿真。

如图4所示，本实施例天线回波损耗S11均小于-10dB(在工作频段3.5GHz～4.5GHz内)，达到了良好的匹配效果。与同尺寸常规H面矩形喇叭天线S11对比，天线回波损耗S11基本没有很大的变化。说明所开泄漏缝隙对天线的阻抗匹配几乎没有影响。

如图5所示，本实施例天线增益波瓣图E面(Phi＝0°)3dB波束宽度大于100°(在工作频段3.5GHz～4.5GHz内)。同尺寸常规H面矩形喇叭天线增益波瓣图E面(Phi＝0°)3dB波束宽度大于80°(在工作频段3.5GHz～4.5GHz内)。同尺寸条件下对比，本实施例天线增益波瓣图E面(Phi＝0°)3dB波束宽度展宽了约20°。说明所开泄漏缝隙可以有效地展宽天线增益波瓣图E面(Phi＝0°)3dB波束宽度。

如图6所示，本实施例天线端射方向(Phi＝0°，Theta＝0°)上的增益大于10.5dB(在工作频段3.5GHz～4.5GHz内)。同尺寸常规H面矩形喇叭天线端射方向(Phi＝0°，Theta＝90°)上的增益大于10dB(在工作频段3.5GHz～4.5GHz内)。同尺寸条件下对比，本实施例天线端射方向(Phi＝0°，Theta＝0°)上的增益提高了约0.5dB。说明所开泄漏缝隙可以稍微提高端射方向(Phi＝0°，Theta＝0°)上的增益。

如图7、图8所示，本实施例提供了4GHz频点处的天线增益波瓣图。由图可知，本实施例天线与常规H面矩形喇叭天线类似，其天线增益波瓣图波束主瓣在端射方向(Phi＝0°，Theta＝0°)上。如图7所示，在天线增益波瓣图E面上，本实施例天线与同尺寸的常规H面喇叭天线对比，本实施例天线的天线增益波瓣图增加了对称的6个旁瓣。这6个旁瓣是由开在矩形波导宽边上、下层金属上的各3对对称的泄漏缝隙产生的：开在矩形波导宽边上、下层金属上的各3对对称的泄漏缝隙切割了矩形波导宽边上的电流，造成了矩形波导内的电磁能量的泄漏，从而在天线增益波瓣图上产生了6个对称的旁瓣。这6个旁瓣中的左右2个第一旁瓣对天线的3dB波束宽度有贡献，从而使得本实施例天线的3dB波束宽度得到了展宽。与此同时，由于这6个旁瓣中的第二、三旁瓣的存在，使得本实施例天线的旁瓣电平比同尺寸的常规H面矩形喇叭天线的旁瓣电平有所升高。如图8所示，本实施例天线的辐射增益波瓣图H面与同尺寸的常规H面喇叭天线的辐射增益波瓣图H面相比，基本没有变化。说明在矩形波导宽边上、下层金属上的各3对对称的泄漏缝隙对天线辐射增益波瓣图H面几乎没有影响。

以上仿真结果说明，本实施例天线通过在常规H面矩形喇叭天线的矩形波导宽边上、下层金属上开泄漏缝隙，使得本实施例天线在工作频段3.5GHz-4.5GHz上与同尺寸的常规H面矩形喇叭天线相比具有如下优点：一、天线增益波瓣图E面(Phi＝0°)3dB波束宽度展宽了约20°。二、端射方向的增益提高了约0.5dB。三、几乎不影响天线的输入阻抗。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种宽波束高增益喇叭天线，其特征在于，包括：矩形波导、过渡段、SMA馈电探针以及矩形泄漏缝隙组，

所述矩形波导一侧开口设有短路封闭片，所述矩形波导窄边保持不变，矩形波导宽边沿喇叭出口方向线性展开形成过渡段，矩形波导宽边侧壁上设有第一金属片和第二金属片，第一金属片和第二金属片相对设置，所述矩形泄漏缝隙组包括第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组，所述第一矩形泄漏缝隙组开在第一金属片上，所述第二矩形泄漏缝隙组开在第二金属片上，所述第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组对称设置，所述SMA馈电探针设置在喇叭天线中心轴上，并与短路封闭片设有间隔；

所述第一矩形泄漏缝隙组和第二矩形泄漏缝隙组均设有三对对称矩形泄漏缝隙对，为第一对称矩形泄漏缝隙对、第二对称矩形泄漏缝隙对和第三对称矩形泄漏缝隙对，每对对称矩形泄漏缝隙对均相对喇叭天线对称轴对称设置；

所述第一对称矩形泄漏缝隙对的缝隙长宽设为24mm*9mm，与喇叭天线对称轴距离设为12mm，所述第二对称矩形泄漏缝隙对的缝隙长宽设为20mm*18mm，与喇叭天线对称轴距离设为19mm，所述第三对称矩形泄漏缝隙对的缝隙长宽设为13mm*12mm，与喇叭天线对称轴距离设为16mm，第一对称矩形泄漏缝隙对、第二对称矩形泄漏缝隙对和第三对称矩形泄漏缝隙对沿沿喇叭出口方向依次设置；

所述第一对称矩形泄漏缝隙对、第二对称矩形泄漏缝隙对和第三对称矩形泄漏缝隙对与短路封闭片的距离依次为99mm，113mm和202mm。

2.根据权利要求1所述的宽波束高增益喇叭天线，其特征在于，喇叭天线整体采用厚度为2mm的铝片。

3.根据权利要求1所述的宽波束高增益喇叭天线，其特征在于，所述矩形波导长、宽、高设为71mm*57mm*36mm。

4.根据权利要求1所述的宽波束高增益喇叭天线，其特征在于，所述过渡段的喇叭长度设为173mm，张角设为50°。

5.根据权利要求1所述的宽波束高增益喇叭天线，其特征在于，所述SMA馈电探针与短路封闭片的间隔距离设为23mm。

6.根据权利要求1所述的宽波束高增益喇叭天线，其特征在于，所述SMA馈电探针包括SMA接头和套在SMA内针上的匹配圆环，SMA馈电探针内针直径设为1.3mm，长度设为18mm，套在SMA内针上的匹配圆环直径设为3mm，长度设为3mm，设置在距离SMA内针末端6mm处。

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