CN114361801B - 一种双极化高隔离度l波段小型化喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线。该天线由波纹喇叭、方波导、底部腔体、顶部盖板、馈电网络、腔体盖板、馈电探针和馈电板组成。所述波纹喇叭位于天线的最上方，方波导连接于波纹喇叭下端，底部腔体连接于方波导下端，馈电板夹装在方波导与底部腔体中间，馈电网络贴敷于方波导和底部腔体外壁，馈电探针穿过方波导侧壁连接馈电网络和馈电片，馈电网络封闭于方波导与底部腔体外壁上的圆柱形腔体内。本发明采用馈电网络结合馈电板进行差分馈电，实现了宽带双极化信号的激励，且使天线馈电段的长度减小了近一个波长。通过喇叭段的大张角轴向槽设计减小了喇叭段的长度，提高了喇叭天线的极化隔离度和方向图波束。

Description

一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线

技术领域

本发明属于电子科学与技术学科领域，特别提供一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线。在雷达、通信、遥测等领域可作为独立天线或反射面天线馈源使用。

背景技术

在雷达、通信及遥感测控等系统中，搭载平台空间及承重有限。为满足应用要求，需要在尽可能小的空间和轻的载重上兼顾喇叭天线的高性能。为减小天线部分的尺寸和重量，就需要尽可能简化天线的结构或进行多个不同性能部件的小型化设计。当喇叭天线工作在低频段时，其物理尺寸和重量成为了限制其应用的关键因素。因此，在保证喇叭天线高性能的同时进行天线的小型化很有意义。

喇叭天线能同时工作于多个极化方式下时，在通信系统中，能有效增大通信容量；在雷达系统中，有利于提高分辨率。当天线极化隔离度不高时，会造成通信信道间的干扰，雷达分辨率的降低，甚至系统无法正常工作。因此保持天线较高的极化隔离度对雷达、通信系统至关重要。

目前实现喇叭天线小型化、双极化高隔离度高性能的方式较多。在小型化方面，主要包括喇叭段和馈电段两方面的小型化。喇叭段小型化方式主要包括轮廓曲线赋形、增大喇叭张角、横纵槽结合等。这些方式均是在天线口径大小确定时，调整从喇叭入口半径变化到出口半径的方式以改变天线长度。横纵槽结合的设计对于喇叭天线整体长度较长的横槽波纹喇叭有较明显的效果，但对于本身长度较短的大张角喇叭，该方式效果较小。馈电段的小型化主要包括可以通过机械地弯折波导或用其他激励方式馈电。后者方式灵活，可将馈电部分和喇叭进行组合设计。需要注意的是，喇叭天线要实现稳定的场分布就需要一定的长度，而且波导长度较长时才能够将馈电部分产生的高次模充分衰落。天线长度太短时，部分不需要的高次模就会进入口面参与辐射，虽然对主极化影响较小，但对要求高隔离度性能的喇叭天线的交叉极化影响很大。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决L波段等较低频段喇叭天线的小型化以及双极化高隔离度问题，本发明提出一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线。

技术方案

一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线，其特征在于包括以下部分：

波纹喇叭，所述波纹喇叭位于天线的最上方；

方波导，所述方波导连接于波纹喇叭下端；

底部腔体，所述底部腔体连接于方波导下端；

顶部盖板，所述顶部盖板与方波导外侧壁连接；

馈电网络，所述馈电网络贴敷于方波导外壁，通过螺钉与方波导外壁固定；

腔体盖板，所述腔体盖板通过螺钉与方波导外壁连接；

馈电探针，所述馈电探针通过方波导侧壁的通孔连接馈电网络和馈电板；

馈电板，所述馈电板夹装在方波导与底部腔体中间。

本发明进一步的技术方案：所述波纹喇叭形式为大张角圆锥波纹喇叭形式，输入口为方波导口，内部通过方圆变换段转换为圆口径；波纹采用轴向的波纹槽结构。

本发明进一步的技术方案：所述方波导上连波纹喇叭，下连底部腔体；方波导的外壁以顶部盖板为分界，上段为方柱体，下段外壁为圆柱面。

本发明进一步的技术方案：所述底部腔体外圆内方，且其内部增加金属柱，构成同轴腔体结构。

本发明进一步的技术方案：所述馈电网络为微带型馈电网络，包括上馈电网络和下馈电网络，分别共形贴敷于方波导与底部腔体外壁，外有腔体封闭。

本发明进一步的技术方案：所述馈电探针为类似同轴线结构穿过方波导侧壁，用于连接馈电网络与馈电板，相向的两对馈电探针分别用于馈电网络与馈电片的连接。

本发明进一步的技术方案：所述馈电板由单面覆铜板制成，覆铜面刻蚀有相向的两对馈电片，馈电片分别位于通过馈电板中心的十字交叉线上，中心挖孔避让底部腔体中心的金属圆柱。

有益效果

针对较低频段高性能喇叭天线尺寸庞大的问题，本发明提供了一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线。与传统喇叭天线相比，一方面，采用大张角、轴向波纹技术，大大缩短喇叭长度尺寸；另一方面，采用波导外壁贴敷馈电网络与同轴底部腔体相结合的双极化馈电技术，代替传统正交模耦合器馈电方式，长度减小了近一个波长，大大缩小了馈电结构的尺寸，从而实现了喇叭天线小型化的设计。

本发明通过对大张角、轴向波纹轮廓的改进和槽宽、槽深的优化，改进了喇叭口面相位偏差，调节了模比，尤其对E面的幅度分布影响较大，边缘绕射减小效果明显，从而使E面和H面的幅度分布接近，得到波纹混合模HE11的场分布，从而抑制交叉极化，提高了极化隔离度(大于56dB)和口径效率(大于70％)。采用两对差分馈电的对称结构实现双极化，减小了高次模的影响，提高了馈电极化纯度，保证了喇叭高隔离度性能的实现。

本发明采用馈电网络结合馈电板进行差分馈电，代替了传统正交模耦合器馈电方式，实现了L波段(带宽12％)双极化信号的激励，同时使天线馈电段的长度减小了近一个波长。通过喇叭段的大张角轴向槽设计减小了喇叭段的长度，同时改进轴向槽宽度和深度，提高了喇叭天线的极化隔离度和方向图波束等。本发明在2.39λ₀的长度下实现了L波段喇叭天线小型化、高隔离度、双极化性能。解决了高性能喇叭天线尺寸较大的问题，尤其是对于低频段喇叭天线小型化设计具有实用价值。本发明可应用于需要高极化隔离性能的雷达、通信、导航系统中。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例天线的整体结构爆炸图；

图2为本发明实施例天线的馈电结构爆炸图；

图3为本发明实施例天线的剖面图；

图4为本发明实施例天线的馈电网络平面图；

图5为本发明实施例天线的馈电板平面图；

图6为本发明实施例天线的电压驻波比；

图7为本发明实施例天线的两端口隔离度；

图8为本发明实施例天线的E面和H面方向图(端口503激励)：(a)1.185GHz；(b)1.260GHz；(c)1.335GHz；

图9为本发明实施例天线的E面和H面方向图(端口504激励)：(a)1.185GHz；(b)1.260GHz；(c)1.335GHz；

图10为本发明实施例天线的频带内增益曲线。

图中：1-波纹喇叭、2-方波导、3-底部腔体、4-顶部盖板、5-馈电网络、6-腔体盖板、7-馈电探针、8-馈电板。

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，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线，包括波纹喇叭1、方波导2、底部腔体3、顶部盖板4、馈电网络5、腔体盖板6、馈电探针7、馈电板8，共8个部分组成。所述波纹喇叭1位于天线整体上方，方波导2在天线整体中间，底部腔体3在天线整体下方。波纹喇叭1下开口与方波导2上开口连接，方波导2下开口与底部腔体3上开口连接，馈电板8夹装在方波导2下开口与底部腔体3上开口连接面处。在方波导2下开口与底部腔体3上开口连接分界面上，且位于方波导2四个侧壁中间位置处，分别开圆柱孔(垂直于侧壁)，用于馈电探针7通过。馈电网络5分别贴敷于方波导2下部外表面和底部腔体3外表面。馈电网络5外部是一个封闭的腔体，顶部盖板4和腔体盖板6是这个腔体的盖板。馈电探针7一头与馈电网络5连接，另一头与馈电板8连接。

所述波纹喇叭1为圆锥波纹喇叭，纵向槽大张角设计。波纹结构设计成不等槽宽、不等槽深，并通过多项式轮廓赋形。上端开口为喇叭天线的辐射口；下端开口内部通过圆方变换段，变成方形开口，适配于方波导馈电。

所述方波导2与波纹喇叭1共轴装配，方波导2的外壁以顶部盖板位置为分界，上段为方柱面，下段为圆柱面，圆柱面上贴敷上馈电网络501。

所述底部腔体3为外圆内方的半开放同轴腔体结构，内、外壁均可以看成方波导2下端的延伸，上开口与方波导相连，下开口封闭。外壁圆柱面上贴敷下馈电网络502。底部腔体3内部中心位置有金属圆柱，金属圆柱立于底面之上，高度略高于底部腔体3，金属圆柱垂直穿过馈电板8中心的圆孔。底部腔体加馈电板起同轴波导转化作用。

所述馈电板8为单面覆铜方形介质基板，覆铜面即介质基板的下表面刻蚀有四个馈电片。馈电板8夹装在方波导2与底部腔体3连接的分解面上。

所述馈电探针7是同轴线的芯线。在方波导2与底部腔体3连接面上，方形四条边中间分别开一个圆柱孔，垂直穿过侧壁，用于同轴馈电探针7通过。通过馈电探针7实现馈电网络到馈电板8的电连接

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

参考图1～3，本发明实施例提供的一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线包括：1-波纹喇叭、2-方波导、3-底部腔体、4-顶部盖板、5-馈电网络、6-腔体盖板、7-馈电探针、8-馈电板。

波纹喇叭1由铝材加工而成，口面直径1.89λ₀，长度1.09λ₀。喇叭内为轴向槽波纹结构，共6节波纹槽，槽深及槽宽不等，为改善匹配，第一阶波纹槽较深，随半径增大，后续几阶波纹槽深逐渐减小至接近λ₀/4，波纹轮廓曲线为多项式线型：

y＝a₁x³-a₂x²+a₃x-a₄

其中，a₁＝3×10^-5，a₂＝1.21×10^-2，a₁＝2.0144，a₁＝1.7106。

方波导2由铝材加工而成，总长度为1.29λ₀，方波导边长满足0.5λ_m＜R＜0.707λ_M(λ_m、λ_M分别为频率低端和高端对应波长)。

底部腔体3由铝材加工而成，外圆内方，为半开放同轴腔体。

顶部盖板4由铝材加工而成，固定于方波导2外壁，是馈电网络5外部圆柱腔体的顶盖。

馈电网络5包括上馈电网络501和下馈电网络502两块，由双面覆铜板制成，厚度1mm。正面为微带型馈电网络，背面全部覆铜，参考图4。其中，503和504分别为上馈电网络501和下馈电网络502的输入口，505和506分别为上馈电网络501和下馈电网络502的输出口。馈电网络5背面共形贴敷到方波导2外壁的圆柱面上。金属化过孔507用于固定馈电网络。

腔体盖板6由铝板加工而成，厚度为2mm。是馈电网络5外部圆柱腔体的侧面盖板。

馈电探针7有四个，直径1mm，类似于同轴电缆的芯线，馈电探针7一头与馈电板上的馈电片焊接，另一头与馈电网络端口505、506焊接。

馈电板8由FR4单面覆铜板制成，厚度1mm，参考图5，一面刻蚀有4个馈电片，馈电片分别位于通过馈电板8中心的十字交叉线上。

上述的双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线的实施例天线的整体结构剖面图如图3所示，通过馈电网络5的输入端503和504馈电，经过馈电网络505、506输出等分功率和差分相移，再通过馈电探针7传输到馈电板的馈电片上，形成双极化及差分馈电，然后在方波导内激励起主模TE₁₁模，通过方波导2激励波纹喇叭1，实现电磁波的辐射。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1、仿真内容

如图6～图10是对上述实施例天线的电压驻波比、端口隔离度和方向图的仿真计算结果。

2、仿真结果

图6是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。可以看到，端口表现出良好的匹配特性。频带内电压驻波比小于1.3。

图7是对实施例天线仿真得到的两极化端口的端口隔离度随工作频率变化的曲线。可见，两极化端口隔离度大于60dB。

图8、图9分别是对实施例天线仿真得到的方向图。可见，在频带内天线极化隔离度大于56dB，且具有良好的波束等化。实现了高隔离度双极化工作。

图10是对实施例天线仿真得到的频带内增益曲线。可见，两主极化增益均大于13.8dB，低频口径效率大于70％。

表1是本发明实施例天线方向图性能统计表。可见，最大辐射方向±3°内极化隔离度大于56dB，两主平面的波束宽度差小于2度，波束等化良好。

表1本发明实施例天线性能统计表(a)端口503激励

(b)端口504激励

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线，其特征在于包括以下部分：

波纹喇叭（1），所述波纹喇叭（1）位于天线的最上方；所述波纹喇叭（1）为圆锥波纹喇叭，纵向槽大张角设计；波纹结构设计成不等槽宽、不等槽深，并通过多项式轮廓赋形；上端开口为喇叭天线的辐射口；下端开口内部通过圆方变换段，变成方形开口，适配于方波导馈电；

方波导（2），所述方波导（2）连接于波纹喇叭（1）下端；所述方波导（2）上连波纹喇叭（1），下连底部腔体（3）；方波导（2）的外壁以顶部盖板（4）为分界，上段为方柱体，下段外壁为圆柱面；

底部腔体（3），所述底部腔体（3）连接于方波导（2）下端；

顶部盖板（4），所述顶部盖板（4）与方波导（2）外侧壁连接；

馈电网络（5），所述馈电网络（5）贴敷于方波导（2）外壁，通过螺钉与方波导（2）外壁固定；所述馈电网络（5）为微带型馈电网络，包括上馈电网络（501）和下馈电网络（502），分别共形贴敷于方波导（2）的外壁圆柱面上，馈电网络（5）外部是一个封闭的腔体，顶部盖板（4）和腔体盖板（6）是这个腔体的盖板；

腔体盖板（6），所述腔体盖板（6）通过螺钉与方波导（2）外壁连接；

馈电探针（7），所述馈电探针通过方波导侧壁的通孔连接馈电网络和馈电板；所述馈电探针（7）为同轴线结构穿过方波导（2）侧壁，用于连接馈电网络（5）与馈电板（8），相向的两对馈电探针（7）分别用于馈电网络（5）与馈电片的连接；

馈电板（8），所述馈电板（8）夹装在方波导（2）与底部腔体（3）中间；所述馈电板（8）由单面覆铜板制成，覆铜面刻蚀有相向的两对馈电片，馈电片分别位于通过馈电板（8）中心的十字交叉线上，中心挖孔避让底部腔体（3）中心的金属圆柱。

2.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线，其特征在于所述波纹喇叭（1）形式为大张角圆锥波纹喇叭形式，输入口为方波导口，内部通过方圆变换段转换为圆口径；波纹采用轴向的波纹槽结构。

3.根据权利要求1所述的一种双极化高隔离度L波段小型化喇叭天线，其特征在于所述底部腔体（3）外圆内方，且其内部增加金属柱，构成同轴腔体结构。