CN110364817B - 一种低剖面高效率圆极化喇叭天线及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面高效率圆极化喇叭天线及其工作方法，采用底馈的馈电方式进行馈电，信号在波导功分网络中进行1分4的等幅同相功分，功分后的4路信号通过过渡波导后分别沿辐射喇叭向自由空间进行辐射，过渡波导与辐射喇叭的长边具有夹角，故输入的电磁波被分解成两个极化正交的分量，沿辐射喇叭向外传输时由于辐射喇叭长边和短边尺寸不同从而形成相位差，最终在辐射喇叭口面形成圆极化波。本发明的天线与现有技术方法设计的天线相比，其口面效率提高了6％及以上，在口径尺寸与波长的尺寸相同的情况下，本发明的天线具有更低的剖面高度。

Description

一种低剖面高效率圆极化喇叭天线及其工作方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种低剖面高效率圆极化喇叭天线及其工作方法。
背景技术
目前，圆极化喇叭天线技术已经有了很大的积累，其低剖面、圆极化技术主要体现在天线辐射结构的创新，包括：
a)在圆波导内部增加介质插片使入射到该插片的电磁波被分解为两个等幅、同相的正交极化分量，经过介质板后会产生一个相位差，当相位差为90°时，就会在输出端口形成圆极化波；
b)在圆波导内插入一个阶梯状的薄隔板，输入的TE11模经过隔板后形成两个正交的相差90°的等幅分量，从而形成圆极化波；
c)在圆波导或方波导内插入两排金属膜片，使入射波与波导的轴线方向成45°角入射到金属膜片形成两个幅度相等、相位差90°的正交分量，从而形成圆极化波；
d)在圆波导内部增加一排金属螺钉，使入射波与螺钉轴向成45°夹角射入到螺钉处形成两个幅度相等、相位差90°的正交分量，从而形成圆极化波。
以上方法通过在波导中增加额外的介质插片、金属隔板、金属膜片或金属销钉的方式使入射波分离成两个幅度相等、相位差90°的正交分量，从而形成圆极化波，但该方法需要在金属波导中引入额外的金属或非金属零件，且天线的圆极化性能受引入零件的安装位置、加工精度、装配精度影响较大。
文献《一种Ka频段圆极化喇叭天线仿真与测量》第四章采用a)的方法在圆波导中插入介质插片，通过介质插片能产生两个等幅度、90°相位差的正交波导模，从而在输出端口形成圆极化波，该天线的口径尺寸为Ф26mm，总长度为90mm，其剖面高度相当于10.9个波长，其方向图如图1所示，无法实现低剖面特性；文献第三章还介绍了b)、c)、d)三种形成圆极化波的方法，形成圆极化的原理类似，存在的共同问题是天线的总长度较长，无法实现低剖面特性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种低剖面高效率圆极化喇叭天线及其工作方法，采用馈电波导一分为四再进行空间合成的方式实现低剖面、高效率的特性，采用过渡波导与辐射喇叭夹角馈电且辐射喇叭长、短边成比例的方式实现圆极化特性。
具体的，一种低剖面高效率圆极化喇叭天线，包括波导功分网络、过渡波导和辐射喇叭，所述波导功分网络、过渡波导和辐射喇叭由下至上分别依次连接，所述辐射喇叭为倒置的四棱台形状，且其底面为长方形，顶面为正方形，所述过渡波导的长轴方向与辐射喇叭底面的长边方向不平行且不重合，即具有夹角。
进一步的，所述波导功分网络为一分四功分器，所述过渡波导和辐射喇叭均分别设置有4个。
进一步的，所述4个辐射喇叭呈两行两列紧密排列。
此外，一种低剖面高效率圆极化喇叭天线的工作方法，包括以下步骤：
S1.采用底馈的馈电方式进行馈电，信号在波导功分网络中进行1分4的等幅同相功分；
S2.功分后的4路信号通过过渡波导后分别沿辐射喇叭向自由空间进行辐射，过渡波导与辐射喇叭的长边具有夹角，故输入的电磁波被分解成两个极化正交的分量，沿辐射喇叭向外传输时由于辐射喇叭长边和短边尺寸不同从而形成相位差，最终在辐射喇叭口面形成圆极化波。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的天线与现有技术方法设计的天线相比，其口面效率提高了6％及以上；
(2)在口径尺寸与波长的尺寸相同的情况下，本发明的天线具有更低的剖面高度。
附图说明
图1为圆极化喇叭天线的方向图仿真结果；
图2为本发明的原理图；
图3为实施例2的喇叭天线模型俯视图；
图4为实施例2的喇叭天线驻波系数仿真结果；
图5为实施例2的喇叭天线轴比仿真结果；
图6为实施例2的喇叭天线方向图仿真结果一；
图7为实施例2的喇叭天线方向图仿真结果二；
图8为实施例3的喇叭天线结构示意图；
图9为实施例3的喇叭天线的波导功分网络示意图；
图10为实施例3的天线驻波系数测试结果；
图11为实施例3的天线方向图测试结果。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2所示，本实施例提供了一种低剖面高效率圆极化喇叭天线，包括波导功分网络、过渡波导和辐射喇叭，波导功分网络、过渡波导和辐射喇叭由下至上分别依次连接，辐射喇叭为倒置的四棱台形状，且其底面为长方形，顶面为正方形，过渡波导的长轴方向与辐射喇叭底面的长边方向不平行且不重合，具有夹角，即过渡波导与辐射喇叭夹角馈电。其中，波导功分网络为一分四功分器，过渡波导和辐射喇叭均分别设置有4个，4个辐射喇叭呈两行两列紧密排列。
本实施例的喇叭天线的工作方法如下：
S1.采用底馈的馈电方式进行馈电，信号在波导功分网络中进行1分4的等幅同相功分；
S2.功分后的4路信号通过过渡波导后分别沿辐射喇叭向自由空间进行辐射，过渡波导与辐射喇叭的长边具有夹角，故输入的电磁波被分解成两个极化正交的分量，沿辐射喇叭向外传输时由于辐射喇叭长边和短边尺寸不同从而形成相位差，最终在辐射喇叭口面形成圆极化波。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上：
本实施例提供了一种工作频带为19.6GHz～21.2GHz的喇叭天线，其模型俯视图如图3所示，喇叭天线的外形尺寸为35mm×35mm×38mm。
喇叭天线的驻波仿真结果如图4所示，带内驻波不大于1.3。
喇叭天线的轴比仿真结果如图5所示，带内轴比不大于2.1。
喇叭天线的方向图仿真结果如图6所示，带内增益大于17.8dB。
从图6的仿真结果可以看出，喇叭天线在19.6GHz和21.2GHz的频点处圆极化增益达到17.8dB和18.4dB，按照公式
Figure BDA0002134349920000031
进行计算，喇叭天线在工作频带内的口面效率超过91％。
整个喇叭天线的口径尺寸相当于中心频点的2.4λ，口面效率超过91％，而其剖面高度仅相当于中心频点的2.6λ。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上：
为了验证本发明的有效性，按照实施例1中的仿真模型制作了天线实物，并进行了性能测试，如图8所示为该天线的结构示意图，其中波导功分网络如图9所示。
天线的驻波系数测试结果如图10所示，在19.6GHz～21.2GHz的频带内驻波系数小于1.29，与仿真结果基本吻合。
天线的圆极化方向图测试结果见如图11所示，其中(a)、(b)、(c)和(d)分别对应4个不同的频点。
天线的圆极化增益、轴比的测试结果如表1所示，带内增益≥17.3dB，带内轴比≤2.6dB。
表1天线增益、轴比、带外增益测试结果
Figure BDA0002134349920000041
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。

Claims (4)

1.一种低剖面高效率圆极化喇叭天线，其特征在于，包括波导功分网络、过渡波导和辐射喇叭，所述波导功分网络、过渡波导和辐射喇叭由下至上分别依次连接，所述辐射喇叭为倒置的四棱台形状，且其底面为长方形，顶面为正方形，所述过渡波导的长轴方向与辐射喇叭底面的长边方向不平行且不重合，即具有夹角。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面高效率圆极化喇叭天线，其特征在于，所述波导功分网络为一分四功分器，所述过渡波导和辐射喇叭均分别设置有4个。
3.根据权利要求2所述的一种低剖面高效率圆极化喇叭天线，其特征在于，所述4个辐射喇叭呈两行两列紧密排列。
4.一种基于权利要求1所述的低剖面高效率圆极化喇叭天线的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采用底馈的馈电方式进行馈电，信号在波导功分网络中进行1分4的等幅同相功分；
S2.功分后的4路信号通过过渡波导后分别沿辐射喇叭向自由空间进行辐射，过渡波导与辐射喇叭的长边具有夹角，故输入的电磁波被分解成两个极化正交的分量，沿辐射喇叭向外传输时由于辐射喇叭长边和短边尺寸不同从而形成相位差，最终在辐射喇叭口面形成圆极化波。
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