CN113725615A - 一种宽带双极化喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带双极化喇叭天线，包括喇叭天线和方波导同轴转换结构，辐射喇叭的喇叭口处为垂直段，从垂直段的开口端起向张角段内延伸有金属十字栅格；方波导同轴转换结构包括双极化的馈电结构，同轴结构的底部设有两级阶梯变换段，两个极化的馈电结构在竖直方向上有一段高度差，其对应的波导脊的宽度、波导脊直线段长度以及阶梯变换的参数可以独立设计。本发明将金属十字栅格伸入喇叭内部一定长度，实现宽带的高增益，波导脊和阶梯变换段的参数独立设计，提高两极化馈电端口的隔离度，降低交叉极化电平，本发明的高增益、低剖面、高隔离的天线适用于X波段宽带有限扫描阵列。

Description

一种宽带双极化喇叭天线

技术领域

本发明涉及一种喇叭天线，尤其是一种宽带双极化喇叭天线。

背景技术

相控阵天线按照扫描范围可以分为宽角扫描、一般扫描和有限扫描阵列，在有限扫描阵列中可以通过增大单元间距来减少阵面的单元数量，对于二维固态有源相控阵，单元数量的减少就意味着连接收发组件数量的减少，对应的成本、重量、功耗大幅缩减，在工程研制中具有非常重要的意义。大单元间距通常指单元间的间隔大于等于一个波长，在这种条件下，按照周期排布的阵列即使在不扫描时阵因子都会出现栅瓣，扫描后栅瓣会进一步抬升从而限制系统应用。抑制栅瓣的主要方法有两种：一种是对单元或子阵进行非周期排布，使栅瓣能量无法在原有角度高效叠加，栅瓣出现分裂；另一种是采用高口径效率的单元，利用单元方向图在阵因子栅瓣位置产生零点，方向图乘积后可以降低阵列栅瓣电平。喇叭天线作为常规的高口径效率天线是大单元间距阵列的理想单元之一。

目前的双极化喇叭天线主要为四脊喇叭形式，可以实现倍频程的带宽，其脊从馈电端一直延续到口径面的设计虽然改善了匹配，但同时也增加了损耗，导致天线辐射效率的降低。另外还有常用于卫星通信的双极化喇叭天线，其采用正交模耦合器（OMT）进行馈电，具有比较高的口径面效率，馈电端口为矩形波导，作为相控阵单元应用还需增加一段波导同轴转换结构，整体的结构较为复杂，加工成本高；同时如果基于窄带三端口OMT馈电，天线的带宽将受限，且两极化馈电端口的一致性较差，而如果基于双脊波导BΦifot结构等宽带OMT进行馈电，则馈电结构尺寸将非常大，极大地增加天线剖面和重量。因此目前尚无性能全面的适用于宽带有限扫描阵列的双极化喇叭天线单元设计。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种高增益、低剖面、高隔离的宽带双极化喇叭天线，适用于X波段宽带有限扫描阵列。

技术方案：本发明所述的宽带双极化喇叭天线，包括喇叭天线和方波导同轴转换结构，所述辐射喇叭的喇叭口处为垂直段，从垂直段的开口端起向张角段内延伸有金属十字栅格；所述方波导同轴转换结构包括水平极化馈电结构和垂直极化馈电结构。

金属十字栅格包括垂直部分和渐变部分，垂直部分的长度与辐射喇叭的尺寸相同，高度与垂直段高度相同；渐变部分长度随辐射喇叭张角段的口面尺寸渐变保持一致，渐变部分的高度即伸入辐射喇叭内部的高度为张角段高度的2/5~3/5；通过优化金属十字栅格渐变部分的高度可以将谐振点移出带外，达到宽带的高效率辐射。

方波导同轴转换结构底部的短路壁处设有用于提高匹配特性的两级阶梯变换段，每级台阶的高度不小于阶梯变换段总高度的1/3，使得匹配改善的程度最优。

水平极化馈电结构由方波导、第一波导脊和与第一波导脊连接第一同轴结构组成，水平极化馈电结构与第一阶梯变换段连接；垂直极化馈电结构由方波导、第二波导脊和与第二波导脊连接的第二同轴结构组成，垂直极化馈电结构与第二阶梯变换段连接；方波导连接所述第一波导脊和第二波导脊。不同极化对应的波导脊和阶梯变换段的参数独立设计，以提高两极化馈电端口的隔离度，降低交叉极化电平。

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：（1）辐射效率高：本发明的天线在喇叭口处设置了伸入喇叭内部的栅格结构，同时仅将脊片保留在馈电结构中，改善了口径场分布，优化了单元方向图，提高了天线的辐射效率，实现了宽带匹配的同时保持了天线较高的辐射效率；（2）匹配特性好：同轴波导转换结构底部设有两级阶梯变换段，进一步提高脊波导到同轴的匹配特性；（3）隔离度高：两个波导脊和阶梯变换段的参数独立设计，提高两极化馈电端口的隔离度，降低交叉极化电平；（4）低剖面：本发明的馈电结构相比于同样能够实现高效率馈电的OMT具有低剖面特性。

附图说明

图1为本发明的宽带双极化喇叭天线结构图；

图2为图1中的A方向视图；

图3为图1中的B方向视图；

图4为图1的俯视图；

图5为本发明的方波导同轴转换结构图；

图6为图5中的A方向视图；

图7为图5中的B方向视图；

图8为图5的俯视图；

图9为本发明的宽带双极化喇叭天线馈电端口驻波曲线图；

图10为本发明的宽带双极化喇叭天线两极化馈电端口隔离度曲线图；

图11为本发明的宽带双极化喇叭天线8GHz时的仿真方向图；

图12为本发明的宽带双极化喇叭天线10GHz时的仿真方向图；

图13为本发明的宽带双极化喇叭天线12GHz时的仿真方向图；

图14为本发明的宽带双极化喇叭天线仿真增益频响曲线图；

图15为用本发明的宽带双极化喇叭天线构建的8*8阵列天线结构示意图；

图16为本发明的8*8阵列天线仿真方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1~图4所示，本发明的宽带双极化喇叭天线包括辐射喇叭1和方波导同轴转换结构2，能够覆盖X波段全段，本实施例中的天线单元口径面积为65mm*65mm，即中心频点10GHz波长的2.17倍，天线整体剖面高度为135mm。

辐射喇叭1包括张角段12和垂直段11，张角段12由方波导21逐渐张角得到，张角段12的高度为100mm，方波导21张角的角度约束范围为8~14°，本实施例中为11°左右，这个张角范围可以保证在宽带范围内，天线的口径面效率均能保持在最佳水平；若在实际应用中限制天线高度不能过高，也可以扩大张角的角度。方波导尺寸选取以能实现X波段信号传输且截面尺寸小为原则，可以取19~24mm，在喇叭天线口面尺寸选定的情况下，通过调整喇叭张角的大小使得天线在中心频点10GHz获得最高的口径面效率。

辐射喇叭1的喇叭口处设有垂直段11，由于电磁波到达喇叭口面时呈球面波，口面上各点间存在波程差，这种非同相地叠加会造成效率损失。因此在喇叭口面末端增加一段垂直段11，用来补偿口径面上的相位分布，使得口面辐射更趋于平面波，提升口径效率。垂直段11的长度取中心频点的1/3波长，本实施例中为10mm。

辐射喇叭1的中央设有金属十字栅格13，金属十字栅格13从垂直段11的末端起始，一直伸入到辐射喇叭1的内部，将辐射喇叭1的口面均匀分为四个部分，这样每一个部分的天线口面上的相位分布会更加均匀，可以进一步地改善整个天线口面的相位差，提高口面辐射效率。

金属十字栅格13可以分为垂直部分和渐变部分，垂直部分的长度与辐射喇叭1的尺寸相同，本实施例中为65mm，厚度为1mm，高度与垂直段11高度相同，本实施例中为10mm；渐变部分长度随辐射喇叭1张角段12的口面尺寸渐变保持一致，由口面的65mm渐变至末端的45.4mm；渐变部分的高度，即伸入辐射喇叭1内部的高度为辐射喇叭1张角段12高度的2/5~3/5，本实施例中渐变部分高度为49mm。

金属十字栅格13渐变部分的高度对于喇叭天线在全X频段实现高口径面效率至关重要，当仅有垂直段11的十字栅格结构时，带内部分频点会发生谐振导致增益迅速恶化，通过优化金属十字栅格13渐变部分的高度可以将谐振点移出带外，达到宽带的高效率辐射。当实际应用中限制喇叭天线的高度，即辐射喇叭1的张角段12的张角较最优辐射偏大，这样会导致增益带宽的损失，但仍可以通过降低金属十字栅格13渐变部分的高度来移动谐振点，获得目标窄带的高效率辐射。同时金属十字栅格13可以改善天线H面的电场分布形成方向图零点，当阵列不扫描时可以有效压制方向图栅瓣。

如图5~图8所示，方波导同轴转换结构2包括方波导21、第一波导脊22、第二波导脊23、第一同轴结构24、第二同轴结构25、第一阶梯变换段26和第二阶梯变换段27。方波导21、第一波导脊22和第一同轴结构24组成水平极化馈电结构，方波导21、第二波导脊23和第二同轴结构25组成垂直极化馈电结构。

第一波导脊22和第二波导脊23均由一对直线式脊片组成，加工方便且尽可能减小效率损失，第一波导脊22包括第一脊片221和第二脊片222，第二波导脊23包括第三脊片231和第四脊片232。

第一同轴结构24与天线口面平行，高度位于第一波导脊22的直线段，第一同轴结构24的组成包括将第一脊片221的中间掏出固定半径的圆孔作为同轴的外导体以及射频连接器的金属探针作为第一同轴结构24的内导体，第一同轴结构24从第一脊片221中穿过，导体内芯末端插入第二脊片222中，通过控制内外径的比例，实现50欧姆的馈电；第一同轴结构24的末端设有馈电端口，同轴结构内导体的末端与相对的脊面短接。在工作时，导行波经第一同轴结构24传输，在第一波导脊22间激励起水平极化的电磁波，并沿脊片震荡传输经辐射喇叭1辐射向自由空间。

第二同轴结构25的组成与第一同轴结构24相同，高度位于第二波导脊23的直线段，导行波在第二波导脊23间激励起垂直极化的电磁波，并沿脊片震荡传输经辐射喇叭1辐射向自由空间。

水平极化馈电结构和垂直极化馈电结构是空间正交的，在竖直方向上水平极化馈电结构略低于垂直极化馈电结构，在保证前两种极化馈电结构错开的同时能够提高馈电端口间的隔离度。

在脊片靠近方波导同轴转换结构2底部的短路壁处设有由两级台阶组成的阶梯变换段，进一步提高脊波导到同轴馈电结构的匹配特性，阶梯变换段的高度为谐振所需的最低高度，每级台阶高度不低于总高度的1/3，可以使得匹配改善的程度最优；第一波导脊22底部连接第一阶梯变换段26，第二波导脊23底部连接第二阶梯变换段27。

为了打乱脊的周期性，提高两极化馈电端口的隔离度，降低交叉极化电平，将第一波导脊22和第二波导脊23的参数进行独立设计，不同极化对应的波导脊的宽度、直线段长度以及阶梯变换等参数均可以不同。本实施例中方波导同轴转换结构2的高度为25mm，第一波导脊22和第二波导脊23的宽度为2.2~2.8mm，第一波导脊22渐变段高度不低于18mm，第二波导脊23的渐变段高度不低于16mm，第一阶梯变换段26的高度为2.5mm，第二阶梯变换段27的高度为4.5mm，第一馈电结构23和第二馈电结构24的导体内芯半径为0.3~0.5mm，第一同轴结构24和第二同轴结构25的高度差为0.5mm~2mm。

由仿真实验得出宽带双极化喇叭天线的具体性能如图9~图12所示。由图9可以看 出本实施例的宽带双极化喇叭天线在8-12GHz范围内驻波小于2，相对带宽大于40%，其中1 端口表示第一同轴结构24的末端的馈电端口，2端口表示第二同轴结构25的末端的馈电端 口。由图10可以看两极化馈电端口的隔离度在频带内高于34dB。由图11~图13可以看出频点 10G的主极化增益为17.17dBi，仿真方向图的交叉极化电平在

的范围内低于

dB，E面、H面的方向图具有对称性，H面方向图存在与E面近区相同位置的零点，实现 了非常好的单元辐射特性。由图14可以看出在X波段范围内天线增益大于15dB，口径效率大 于87%。

图15为利用本发明的宽带双极化喇叭天线单元构造8*8规模的大单元间距阵列示意图，阵列依照单元口径相邻排列，方位、俯仰的单元间距一致，均为中心频点波长的2.17倍。图16为经过该阵列仿真得到的方向图曲线，从图中可以看出其在不扫描时，在带内高频12GHz情况下，E面、H面栅瓣电平可以低于-12.7dB。该阵列同时可以作为更大规模阵列的子阵使用，结合阵列排布方法进一步压低栅瓣。

Claims (9)

1.一种宽带双极化喇叭天线，包括辐射喇叭（1）和方波导同轴转换结构（2），其特征在于，所述辐射喇叭（1）的喇叭口处为垂直段（11），从垂直段（11）的开口端起向张角段（12）内延伸有金属十字栅格（13），所述方波导同轴转换结构（2）包括水平极化馈电结构和垂直极化馈电结构。

2.根据权利要求1所述的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述金属十字栅格（13）包括垂直部分和渐变部分，垂直部分的高度与垂直段（11）高度相同，渐变部分的高度为所述张角段（12）高度的2/5~3/5。

3.根据权利要求1所述的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述水平极化馈电结构由方波导（21）、第一波导脊（22）和与第一波导脊（22）连接第一同轴结构（24）组成，所述垂直极化馈电结构由方波导（21）、第二波导脊（23）和与第二波导脊（23）连接的第二同轴结构（25）组成；所述方波导（21）连接所述第一波导脊（22）和第二波导脊（23）。

4.根据权利要求1所述的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述水平极化馈电结构和垂直极化馈电结构在水平方向上正交，在竖直方向上水平极化馈电结构低于垂直极化馈电结构。

5.根据权利要求1所述的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述垂直段（11）的长度为中心频点的1/3波长。

6.根据权利要求3所述的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，在所述方波导同轴转换结构（2）底部的短路壁处设有用于提高匹配特性的阶梯变换段，所述阶梯变换段包括与所述第一波导脊（22）底部相连接的第一阶梯变换段（26）和与第二波导脊（23）底部相连接的第二阶梯变换段（27）。

7.根据权利要求6所述的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述阶梯变换段由两级台阶组成。

8.根据权利要求7所述的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述阶梯变换段的每级台阶的高度不小于阶梯变换段总高度的1/3。

9.根据权利要求3所述的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述第一波导脊（22）和第二波导脊（23）均包括两片直线式脊片。

Images