CN112510374A - 一种双极化圆锥喇叭天线 - Google Patents

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陈西洋
李东明
朱成林
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Abstract

本发明公开了一种双极化圆锥喇叭天线，包括锥形壳体、匹配安装座、射频连接器和圆波导段；所述锥形壳体的内侧壁上设置有两对脊片；所述圆波导段包括圆波导和两对脊片的直波导段；所述圆波导位于锥形壳体的小口径处；两对脊片的侧壁垂直固定在锥形壳体的内侧壁上；两对脊片的直波导段固定在圆波导的内侧壁上；两对脊片十字正交对称分布；所述匹配安装座与圆波导连接，形成锥台反射腔；所述射频连接器安装在圆波导处的侧壁上；所述射频连接器贯穿一对脊片中的一个脊片并插入至相对脊片的直线段；所述匹配安装座与圆波导连接处设置有锥形孔。本发明能够得到近7倍频内良好的双极化、方向图等电性能。

Description

一种双极化圆锥喇叭天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种双极化圆锥喇叭天线。
背景技术
在雷达、通信、航空航天及遥控遥测等系统中，天线极化匹配良好与否，所得的结果是迥然不同的。因此，为适应现代高机动、全方位电子战，适应多战场信息密集、多变的特点，天线极化自适应的要求日益迫切。通常的单极化天线难以满足现代化战场的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双极化圆锥喇叭天线，以解决现有技术中存在的单极化天线难以满足现代化战场需求的问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种双极化圆锥喇叭天线，包括锥形壳体、匹配安装座、射频连接器和圆波导段；所述锥形壳体的内侧壁上设置有两对脊片；所述圆波导段包括圆波导和两对脊片的直波导段；所述圆波导位于锥形壳体的小口径处；两对脊片的侧壁垂直固定在锥形壳体的内侧壁上；两对脊片的直波导段固定在圆波导的内侧壁上；两对脊片十字正交对称分布；所述匹配安装座与圆波导连接，形成锥台反射腔；所述射频连接器安装在圆波导处的侧壁上；所述射频连接器贯穿一对脊片中的一个脊片并插入至相对脊片的直线段；所述匹配安装座与圆波导连接处设置有锥形孔。
进一步的，所述脊片包括脊片甲、脊片乙、脊片丙和脊片丁；所述脊片甲和脊片乙构成一对脊片；所述脊片丙和脊片丁构成一对脊片；所述射频连接器包括第一射频连接器和第二射频连接器；所述第一射频连接器上设置有第一探针；所述第二射频连接器上设置有第二探针；所述第一探针贯穿脊片甲的直线段，由第一探针的劈槽插入脊片乙的直线段内；所述第二探针贯穿脊片丙的直线段，由第二探针的劈槽插入脊片丁的直线段内。
进一步的，所述第一探针通过脊片甲的通孔贯穿脊片甲的直线段；所述第二探针通过脊片丙的通孔贯穿脊片丙的直线段；所述脊片甲和脊片丙的通孔直径均为0.69mm；所述第一探针和第二探针不在同一横截面内；沿锥形壳体高度方向第一射频连接器和第二射频连接器的距离为0.4~0.5mm。
进一步的，所述脊片包括直线段、指数渐变段、第三曲线段和第四曲线段；所述直线段、指数渐变段、第三曲线段和第四曲线段首尾相接构成封闭曲线。
进一步的，所述第三曲线段和第四曲线段均采用三点式圆弧曲线。
进一步的，所述匹配安装座为方菱台型结构；所述锥形孔的上平面直径为0.2~0.3mm，下平面直径为0.05~0.15mm；所述锥形孔的深度为2~4mm。
进一步的，所述锥形壳体与圆波导为一个整件。
进一步的，所述脊片的厚度为1~3mm。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
通过锥形孔的设置，相比矩形孔，不仅能在更宽的频带内反射叠加经探针激励起的TE11模，还能在宽频带内改善天线的电压驻波比，保证脊片在匹配短路板圆台平面有足够支撑的同时，保证了脊片高度上的一致性，从而改善方向图，能够得到近7倍频带内良好的阻抗匹配，实现双极化和方向图性能，进而满足现代化战场需求；通过对射频连接器探针劈槽处理，劈槽处理后的探针富有弹性使装配更加容易，同时探针和脊片连接更加紧密，从而使阻抗匹配调试更加简单。
附图说明
图1是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线侧视图；
图2是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线沿脊片方向局部剖视图；
图3是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线脊片的脊线分段曲线示意图；
图4是本发明实施例双极化圆锥喇叭天线射频连接器示意图。
附图标记：1-锥形壳体；2-匹配安装座；3-射频连接器；4-脊片；41-直线段；42-指数渐变段；43-第三曲线段；44-第四曲线段；5-圆波导段；6-探针；7-锥形孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-4所示，一种双极化圆锥喇叭天线，包括锥形壳体1、匹配安装座2、射频连接器3和圆波导段5；锥形壳体1的内壁上固定有两对脊片4；圆波导段5包括圆波导和两对脊片4的直波导段，直波导段由两对脊片4的直线段构成；圆波导位于锥形壳体1的小口径处，匹配安装座2与圆波导段5的圆波导连接，形成锥台反射腔，锥形壳体1与圆波导段5的圆波导结构上一体化，为一个整件，无需装配，避免装配带来的误差影响。
两对脊片4分别为脊片甲、脊片乙、脊片丙和脊片丁，其中脊片甲、脊片乙、脊片丙和脊片丁分别插入到锥形壳体1内并通过安装螺钉固定在锥形壳体1的内壁；锥形壳体1的内壁上脊片甲、脊片乙为一对脊片，锥形壳体1的内壁上脊片丙、脊片丁形成另一对脊片，两对脊片4呈十字正交对称分布，构成两对正交脊片4；两对脊片4的直线段固定在圆波导的内壁上。
射频连接器3设有两个，射频连接器3设置有探针6，射频连接器3包括第一射频连接器和第二射频连接器；第一射频连接器上设置有第一探针；第二射频连接器上设置有第二探针；探针6远离射频连接器3端设置有劈槽，劈槽处理使装配调试更容，同时有利于阻抗匹配。
第一探针和第二探针相互垂直，沿锥形壳体1高度方向错开0.45mm，分别插入相邻脊片4的直波导段并与对向的脊片4的直波导段紧密连接，构成同轴到脊波导过度。
脊片甲的直线段被第一射频连接器的第一探针通过通孔贯穿，第一探针的劈槽部分插入对向脊片乙的直线段内，为阻抗匹配，脊片甲上的通孔直径为0.69mm。同理，脊片丙的直线段被第二射频连接器的第二探针通过通孔贯穿，第二探针的劈槽部分插入对向脊片丁的直线段内，为阻抗匹配，脊片丙的通孔直径为0.69mm。第一射频连接器和第二射频连接器的高度差为0.45mm，此高度差在保证两端口隔离度的情况下，在6~40GHz宽频带内输入端有良好的阻抗匹配性能。
如图2所示，匹配安装座2为方菱台型结构，菱台上挖有锥形孔7，锥形孔7的上平面直径φu值为0.2~0.3mm，下平面直径φd值为0.05~0.15mm，锥形孔深2~4mm。锥形结构相比于柱型结构的反射腔，锥形结构因斜面渐变，在宽频带内不同频点都能有良好的阻抗匹配效果。两探针6与锥形孔7上平面的距离为0.4~1mm。两探针6不在锥形壳体1的同一横截面内，沿锥形壳体1高度方向两射频连接器3的距离为0.4~0.5mm。锥形孔7相比矩形孔，不仅能在更宽的频带内反射叠加经探针激励起的TE11模，还能在宽频带内改善天线的电压驻波比。锥形孔7直径与圆波导直径比为0.38，脊片在匹配短路板圆台平面有足够的支撑，保证了脊片高度上的一致性，从而改善方向图。
图2~图4展示了一种双极化圆锥喇叭天线的关键部分。为保证6~40GHz超宽带内具有良好的电压驻波比，脊片4在设计时采用了4段曲线。第一段曲线为直线段41，直线段41紧固于圆波导内壁，构成圆波导段5，直线段41的长度约为0.08λ 0 （λ 0 为低频的自由空间波长）。射频信号经射频连接器3，经探针6到脊片4与圆波导构成的脊波导，激励起TE11模，TE11模沿脊片4向天线口径传送。同时向匹配安装座2方向传播TE11模被锥形孔7反射，反射信号再与激励信号叠加向天线口径传送。第一探针需贯穿脊片甲，与对向脊片乙紧密连接。第一探针右端进行了劈槽处理，使得探针右端富有弹性。能更容易的插入到与第一探针相同直径的脊片乙的孔内。第二探针右端同样采取了劈槽处理，这样的措施使安装调试更加容易，降低难度。
脊片4的第二段曲线为指数渐变段42。天线输入端阻抗为50欧姆，需要变换到自由空间阻抗377欧姆。为实现宽频带内阻抗的良好变换，采用渐变的指数曲线来设计脊片。脊片4的脊曲线方程为y=beax+kz，其中，b值为0.2~0.5之间，a值为0.003~0.004之间，k值为0.02~0.03之间。通过优化第一曲线段和第二曲线段改变天线的输入阻抗，拓展天线的带宽。通过优化脊曲线方程，可以使天线阻抗在很宽带的频带内变化很小，达到宽频带性能；
为进一步改善天线带宽内的电压驻波比，在第二段曲线指数渐变段42的基础上，叠加第三曲线段43和第四曲线段44。第三曲线段43和第四曲线段44采用三点式圆弧曲线，经仿真优化，改善天线低频带内的电压驻波比、改善天线的方向图，避免方向图凹陷。通过调节直线段高度和第四段曲线可以改善天线低频段电压驻波比；
脊片4的变形直接导致壳体内结构的不对称性，使天线的电压驻波比变差。本发明采用7075铝合金，脊片4厚度为市面原材料厚度，避免厚度二次加工带来的脊片变形。7075铝合金的强度能保证脊片4被螺钉紧固不因其张力变形，使天线的电压驻波比稳定不变。
脊片4的厚度为1~3mm。脊片4靠近锥形壳体1轴线的面为对称的斜切面结构。可直接选用2mm厚的7075铝合金脊片4，避免铣脊片厚度带来该脊片的变形，同时该材料硬度高，脊曲线加工时不易形变，可降低加工带来的误差影响。
本发明根据电磁波的极化理论，双极化天线不仅能实现双线极化性能，对双极化天线端口的信号幅度和相位加以控制，能实现天线的任意极化性能，且能实现超宽带性能。本发明在超宽频带内可以发射和接收电磁波信号，也可以利用幅相控制原理和开关切换，在6~40GHz超宽频带内实现天线的任意极化性能。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，包括锥形壳体、匹配安装座、射频连接器和圆波导段；所述锥形壳体的内侧壁上设置有两对脊片；所述圆波导段包括圆波导和两对脊片的直波导段；所述圆波导位于锥形壳体的小口径处；两对脊片的侧壁垂直固定在锥形壳体的内侧壁上；两对脊片的直波导段固定在圆波导的内侧壁上；两对脊片十字正交对称分布；所述匹配安装座与圆波导连接，形成锥台反射腔；所述射频连接器安装在圆波导处的侧壁上；所述射频连接器贯穿一对脊片中的一个脊片并插入至相对脊片的直线段；所述匹配安装座与圆波导连接处设置有锥形孔。
2.根据权利要求1所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述脊片包括脊片甲、脊片乙、脊片丙和脊片丁；所述脊片甲和脊片乙构成一对脊片；所述脊片丙和脊片丁构成一对脊片；所述射频连接器包括第一射频连接器和第二射频连接器；所述第一射频连接器上设置有第一探针；所述第二射频连接器上设置有第二探针；所述第一探针贯穿脊片甲的直线段，由第一探针的劈槽插入脊片乙的直线段内；所述第二探针贯穿脊片丙的直线段，由第二探针的劈槽插入脊片丁的直线段内。
3.根据权利要求2所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述第一探针通过脊片甲的通孔贯穿脊片甲的直线段；所述第二探针通过脊片丙的通孔贯穿脊片丙的直线段；所述脊片甲和脊片丙的通孔直径均为0.69mm；所述第一探针和第二探针不在同一横截面内；沿锥形壳体高度方向第一射频连接器和第二射频连接器的距离为0.4~0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述脊片包括直线段、指数渐变段、第三曲线段和第四曲线段；所述直线段、指数渐变段、第三曲线段和第四曲线段首尾相接构成封闭曲线。
5.根据权利要求4所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述第三曲线段和第四曲线段均采用三点式圆弧曲线。
6.根据权利要求1所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述匹配安装座为方菱台型结构；所述锥形孔的上平面直径为0.2~0.3mm，下平面直径为0.05~0.15mm；所述锥形孔的深度为2~4mm。
7.根据权利要求1所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述锥形壳体与圆波导为一个整件。
8.根据权利要求1所述的一种双极化圆锥喇叭天线，其特征在于，所述脊片的厚度为1~3mm。
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