CN111555033B - 一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线，其中喇叭壁和脊均采用特定曲线，并相互配合，该宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线可以有效拓展工作带宽，降低电压驻波比，并能够显著降低波束宽度随频率变化；馈电探针采用两个SMA接头连接的半刚同轴电缆，两个馈电探针垂直安装，分别对应馈源的两个相互垂直方向极化，由于脊间距离较小，对馈电探针伸出部分尺寸进行处理；同时将脊曲线的终端外探特定长度，高于喇叭壁曲线终端，该设计进一步起到了展宽低频带宽和控制方向图的作用，同时将相位中心位置尽量控制在口面位置附近。

Description

一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线

技术领域

本发明涉及紧缩场馈源天线的技术领域，具体涉及一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线。

背景技术

馈源是反射面天线的核心组成部分，直接影响天线工作频带和综合性能，其中高性能宽频带的馈源可以有效地改善天线的工作性能。随着目前多个技术领域对超宽带馈源需求的提升，提出在较高的频带内得到较稳定的波束宽度及辐射特性的需求，故对这种超频带馈源天线的设计与应用具有重要的实际意义。

传统的四脊喇叭天线具有一定的应用空间，但是其有一定的缺陷，其方向图在高频时出现不对称，并且波束宽度不稳定，其随着频率的升高往往急速变窄，使天线达不到设计要求，且高频易出现方向图主瓣分裂的情况。而且其交叉极化水平较高影响测试精度，所以需要通过对四脊喇叭进行改良及设计。

目前对四脊喇叭天线的改良一直在进行着，主要通过对四脊喇叭天线的天线壁和脊片参数进行优化。以及增加口面适配器，高次模抑制环等设计。本发明通过设计一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线。

发明内容

本发明设计出一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线，其具有回波损耗小，波束宽度稳定，质量轻，成本低等优点。

本发明采用的技术方案为：一个宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线，其组成部分包括一个特定函数曲线的喇叭壁1，四个有两种特定函数曲线构成的脊片，一个后腔4，一个短路板7，两个SMA接头连接的半刚同轴电缆；特定函数曲线的圆形喇叭壁1和四个特定脊曲线的脊及一个后腔4和短路板7依次构成宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线；四个特定脊曲线的脊均匀安装在圆形喇叭壁1上，脊片外侧曲线与喇叭壁曲线相同，用以安装脊片，但脊片高度高于喇叭壁高度，可通过调节脊片与喇叭壁高度差改善高频方向图和波束宽度；两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆依次穿过喇叭壁和四个脊中的一个，电缆馈电接头的外导体与喇叭壁和穿过的脊电气连接，由于四个脊片间距离较小，对伸出SMA接头的半刚同轴电缆的内导体部分尺寸进行缩小，采用直径为0.15mm探针后与对面的脊进行电气连接，通过改变伸出部分内导体的尺寸改善方向图的对称性。

所述的宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线的喇叭壁是一个曲线函数构成，采用曲线型的外壁，它可以通过喇叭壁轮廓的自由变化对波导模进行自由变换，有效地将输入的主模转换为与自由空间相匹配的波束，运用曲线型外壁，使得天线的口径边缘处的口径场的大小随频率的的增加而减小，这样满足波束宽度随着频率的增加而保持稳定的必要条件，所以曲线型喇叭壁有利于保持恒定波束宽度，同时圆形的口径能够保证口径场具有圆对称性。在设计喇叭壁时，曲线长度在0.83λ_c～0.85λ_c，λ_c为最低工作频率对应波长。口面直径在0.65λ_c～0.68λ_c之间；喇叭壁指数曲线方程：

所述的宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线的脊片是曲线函数构成，脊片的厚度在0.022λ_c～0.028λ_c之间，两脊片之间的距离在0.01λ_c～0.011λ_c之间，脊片函数部分高度0.95λ_c～0.98λ_c；采用特定脊曲线的四个脊片在相互靠近位置处采用了45°切角，使四脊波导的主模特性阻抗与同轴线相匹配。对脊片的顶部有0.34mm的倒角处理，防止割手。两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头距离短路板7的距离分别为3.35mm和3.70mm；为保证对称性，使得两个SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头距离脊的底部距离相同，对其中相对的脊底部进行加厚0.35mm。脊片的脊曲线按照固定的指数曲线渐变，脊曲线的终端高度是高于喇叭壁曲线的终端，而不是同喇叭壁的脊曲线终端平齐，指数曲线方程为：

为了更好地配合喇叭壁的装配，脊的外侧同喇叭壁的指数曲线一致，指数函数为：

脊片的高度l1与喇叭壁高度l2，在设计时l1/l2在1.15～1.2之间，使得脊片外探，展宽低频带宽和控制方向图。

所述的宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线后腔的直径与喇叭壁底端直径一致，后腔4的高度在2.94～3mm之间，在对脊的底部有长6.8mm，宽1-1.5mm，高2.5-3mm的延伸，使得脊与短路版相连接，从而使四个特定脊曲线的基片与短路板有良好的电接触。

所述的宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线，两个SMA接头连接的半刚同轴电缆，在伸出外导体电气连接的脊片时，对SMA接头连接的半刚同轴电缆的内导体直径改为0.15mm，这一部分修改的长度为1.7-2mm，有助于改善方向图的对称性。

所述的宽带脊片外探四脊圆喇叭天线中，所述的天线主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂，以及上述金属的合金。

本发明的原理在于：该发明是一种针对于紧缩场测试的超宽带馈源的发明。该馈源可实现4倍频，如6-24G。该发明通过调节脊片伸出喇叭壁口面距离，获得较好的低频反射特性，同时对中高频性能产生的性能负面影响较小，配合特定的脊曲线和喇叭壁曲线，可以使脊波导的主模特性阻抗与同轴线的特性阻抗达到非常好的匹配效果，将喇叭的回波损耗大大减小，提高了喇叭的驻波性能，将喇叭的工作带宽极大地进行了拓展。馈电探针采用两个SMA接头连接的半刚同轴电缆电接头，同时对馈电探针内导体进行改良，改变内导体伸出部分直径和长度，便于馈源加工及组装，同时保证方向图的对称性，两个馈电探针垂直安装，分别对应馈源的两个极化。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明通过将采用特定曲线函数进行喇叭壁的设计配合特定的脊曲线函数设计，能够很好地获得模式匹配效果及降低喇叭的回波损耗，提高喇叭的驻波性能。同时控制波束宽度能够在频率范围能保持稳定，不在高频处急速收窄，主瓣方向图不分裂。

(2)、本发明通过将特定函数曲线的脊片伸出特定曲线的喇叭壁外，而不是将脊片与喇叭壁平齐，能够获得较好的低频反射特性，能够将相位中心控制在喇叭口面附近。

(3)、本发明采用修改SMA接头连接的半刚同轴电缆伸出射频线的内导体尺寸，这样便于加工安装，同时保证方向图的对称性。

附图说明

图1为本发明一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线的竖向剖面示意图；

图2为本发明一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线的横向剖面示意图；

图3为本发明一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线的特定曲线喇叭壁及后腔剖面图；

图中各标记示意符为：1为特定函数曲线的喇叭壁；2-1，2-2，2-3，2-4分别为第一脊，第二脊，第三脊，第四脊；3为脊片延长与短路版接触部分；4为后腔；5-1，5-2为两个SMA接头连接的同轴电缆；6-1，6-2为两个同轴电缆伸出尺寸减小部分；7为短路版。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

首先确定喇叭的口径和长度，口面尺寸由截止频率决定，传统的四脊喇叭口面需大于最低工作频率的一半，故应口面直径大于25mm，最终喇叭的口面直径选择在33～40mm，对应天线的长度应根据最优喇叭设计的原则，同时兼顾口面相位差尽可能小，喇叭长度选择50～51.2mm。

根据磁场积分方程方法，确定四脊波导的厚度和脊波导间距分别为1～1.2mm和0.5～0.55mm之间，同时在脊的底部切出45°的倒角，可以有效的抑制阻抗的虚部的波动性，同时能够防止四个脊片之间相互重叠。

脊片的脊曲线采用：

其中

式中，b_i和b₀分别与馈源点和张口处的半径有关，最终选择b_i，b₀分别为0.65，82.15；R是脊曲线的张口率，H与脊曲线高度有关，A∈[0,1]，A决定脊的直线度。指数曲线的张口率R对馈源性能的性能影响最大，优化结果后R为0.045，A的大小决定着脊片之间的缝隙大小，天线的输入阻抗与天线脊片缝隙成反比，所以需要选取合适的开口率A，能够将喇叭主模辐射出去的同时，避免恶化回波损耗，优化后A为0.94。H可根据天线的喇叭口面尺寸及脊波导尺寸和长度确定，最终优化后H为151.8。μ为比例因子为0.408。

喇叭壁曲线的参考曲线形式同脊曲线参考形式一致，经优化得到壁曲线方程。为了使馈源天线具有较稳定的相位中心，同时使相位中心稳定在天线口面附近；也为了获得更好低频反射性能，在设计喇叭壁时，使得其高度低于脊片高度，使得天线脊片外延，但脊片外延过长会恶化高频方向图性能。经过优化后，脊片高于喇叭壁6.67mm。

后腔4的设计主要基于对驻波性能的优化，最终选择高2.87mm，直径22.88mm。

改进型四脊喇叭天线的加工可以采用铝，铜等导电良好的金属，作为一个优选实施例，采用硬铝作为加工材料。

由于脊片馈源点之间的距离较小，在选用SMA接头连接的半刚同轴电缆时，需要选择直径较小射频电缆，以便获得较好的方向图性能及驻波。但由于射频电缆直径越小，所能加工出的电缆长度越短，故在设计时，需要对接头进行处理，在对电缆中伸出电缆介质包裹部分尺寸选择较小的直径0.15mm，这部分电缆的长度为1.7-2mm，如图，其他部分电缆直径选择常规尺寸0.3mm，这样可以获得较好天线性能的同时降低加工难度。两个馈电探针垂直安装，分别对应馈源两个极化。

本发明涉及的一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线，该馈源可以用于紧缩场测试系统中作为发射或接收天线，也可以作为紧缩场静区扫描探头，实现较高的测试精度。同时，该馈源还可以应用在射电天文领域，作为大型反射面天线的馈源使用。

Claims (3)

1.一种宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线，其特征在于：包括一个特定函数曲线的喇叭壁(1)，四个有两种特定函数曲线构成的脊，一个后腔(4)，一个短路板(7)，两个SMA接头连接的半刚同轴电缆；特定函数曲线的圆形喇叭壁和四个特定脊曲线的脊片及一个后腔和短路板依次构成宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线；四个特定脊曲线的脊均匀安装在圆形喇叭壁上；四个特定脊曲线的脊片终端位于天线喇叭壁外端，而非与喇叭壁终端平齐，使得脊片外探；两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆依次穿过喇叭壁(1)和四个脊中的一个，电缆馈电接头的外导体与喇叭壁(1)和穿过的脊电气连接，由于喇叭脊片间距离较小，对伸出SMA接头的半刚同轴电缆的内导体部分尺寸进行缩小，采用直径为0.15mm探针后与对面的脊进行电气连接；

喇叭壁(1)是一个曲线函数构成，长度在0.83λ_c～0.85λ_c之间，λ_c为最低工作频率对应波长，口面直径在0.65λ_c～0.68λ_c之间；喇叭壁指数曲线方程：

所述的特定脊曲线的脊的厚度在0.022λ_c～0.028λ_c之间，脊片曲线部分高度在0.95λ_c～0.98λ_c，两脊之间的距离在0.01λ_c～0.011λ_c之间；采用特定脊曲线的四个脊片在相互靠近位置处采用了45°切角，对脊片的顶部有适当的倒角处理，两个采用SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头距离短路板(7)的距离为0.065λ_c～0.075λ_c；为保证对称性，使得两个SMA接头连接的半刚同轴电缆馈电接头距离脊的底部距离相同，对其中相对的脊底部进行加厚，脊片的脊曲线按照固定的指数曲线渐变，脊曲线的终端高度是高于喇叭壁曲线的终端，而不是同喇叭壁的脊曲线终端平齐，指数曲线方程为：

为了更好地配合喇叭壁(1)的装配，脊的外侧同喇叭壁的指数曲线一致，指数函数为：

脊片的高度l1与喇叭壁高度l2，在设计时l1/l2在1.15～1.2之间，使得脊片外探，展宽低频带宽和控制方向图；

后腔(4)的直径与喇叭壁(1)底端直径一致，后腔的高度在0.06λ_c～0.1λ_c之间，在对脊的底部有长0.12λ_c～0.14λ_c，同脊宽，高0.06λ_c～0.1λ_c的延伸，使得脊与短路版相连接，从而使四个特定脊曲线的脊片与短路板(7)和后腔(4)有良好的电接触。

2.根据权利要求1所述的宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线，其特征在于：两个SMA接头连接的半刚同轴电缆，在伸出于外导体电气连接的脊片时，对SMA接头连接的半刚同轴电缆的内导体直径改为0.15mm，这一部分修改的长度为1.7-2mm。

3.根据权利要求1所述的宽带脊片外探四脊圆喇叭馈源天线，其特征在于：所述的天线主体由金属构成，金属选自：铝，铁，锡，铜，银，金，铂，以及上述金属的合金。

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