CN114628908A - 一种高增益北斗通信喇叭天线及设计方法 - Google Patents

一种高增益北斗通信喇叭天线及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及北斗卫星通信技术领域，公开了一种高增益北斗通信喇叭天线及设计方法。高增益北斗通信喇叭天线的设计方法，包括如下步骤：步骤1.根据喇叭天线设计原理，对喇叭天线的波导和喇叭口的尺寸进行设计，以满足应用于北斗三号收发短报文的通信天线其特定工作频段以及增益需求；步骤2.使用天线仿真软件进行射频输入接口的阻抗匹配与参数优化，以满足天线在北斗三号收发短报文工作频段内的阻抗匹配；步骤3.对高增益北斗通信喇叭天线进行折叠结构设计。本发明设计的喇叭天线能同时实现北斗区域短报文通信系统的L波段的发射与S波段的接收功能，有效地解决了北斗通信信号的高增益收发的技术难题。

Description

一种高增益北斗通信喇叭天线及设计方法
技术领域
本发明涉及北斗卫星通信技术领域，尤其涉及一种高增益北斗通信喇叭天线及设计方法。
背景技术
北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，完全自主建设、独立运行的全球卫星导航系统。北斗系统创新融合了导航与通信能力，其中，通信服务是北斗系统区别于GPS、伽利略、GLONASS等其他全球卫星导航系统的特色功能。
2020年，北斗三号系统全面建成。北斗三号系统是由3GEO+3IGSO+24MEO构成的混合导航星座，北斗三号系统继承有源服务和无源服务两种技术体制，利用3颗GEO卫星能够为中国及周边地区用户提供区域短报文通信服务。
目前，对于北斗短报文L波段的定向发射以及S波段的定向接收，广泛采用对数周期天线。然而，目前L波段与S波段广泛采用的对数周期天线增益普遍在10dB以下，因而无法适应GEO卫星强弱区域宽动态信号的收发。为了克服现有技术存在的缺点和不足，迫切需要设计出一种能够同时工作在北斗收发频段并且满足相应频段高增益需求的天线。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高增益北斗通信喇叭天线设计方法，以获得能够同时实现北斗短报文L波段的发射与S波段的接收功能的高增益北斗通信喇叭天线。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种高增益北斗通信喇叭天线的设计方法，包括如下设计步骤：
步骤1. 首先根据喇叭天线设计原理，对喇叭天线的波导和喇叭口的尺寸进行设计，以满足应用于北斗三号收发短报文的通信天线其特定工作频段以及增益需求；
北斗短报文L波段发射信号的中心频率为1.6GHz， S波段接收信号中心频率为2.5GHz；
根据北斗通信天线在发射频率1.6GHz时天线增益16dB以上，接收频率2.5GHz时天线增益20dB以上的增益设计要求，选取同时适用于L波段与S波段的矩形波导；
经由高增益北斗通信喇叭天线的设计方法设计的高增益北斗通信喇叭天线包括：
矩形波导、喇叭口以及射频输入接口；
其中，矩形波导与喇叭口的小口径端相连，射频输入接口设置于矩形波导上；
喇叭口包括沿周向方向依次设置并连接的四个梯形侧壁面，四个梯形侧壁面两两相对；
定义与喇叭天线的E面相对应的一组梯形侧壁面为E侧壁面；
定义与喇叭天线的H面相对应的另一组相对的梯形侧壁面为Ｈ侧壁面；
根据天线设计要求的增益设置目标增益，计算出喇叭口的尺寸参数；
首先定义在喇叭口的大口径端处E侧壁面的边长以及H侧壁面的边长分别为DE和DH；
定义两个Ｅ侧壁面延长后的交线与喇叭口的大口径端面之间的垂线距离为RE，定义两个H侧壁面延长后的交线与喇叭口的大口径端面之间的垂线距离为RH；
定义喇叭口的小口径端处E侧壁面边线到喇叭口的大口径端面的垂线距离为L1，喇叭口的小口径端处H侧壁面边线到喇叭口的大口径端面的垂线距离为L2；
L1与L2的大小相等，且等于喇叭口的小口径端面到大口径端面之间的距离；
则喇叭口的尺寸参数求解过程如下：
根据喇叭口的大口径端在E侧壁面和H侧壁面的边长推导出喇叭天线的增益计算公式为：
G=4πS·v/λ2 （1）
其中，S= DH·DE，口径效率v=π2vH·vE/8，λ表示天线的发射频率波长；
vE、vH分别为喇叭口的E面和H面能够达到最大增益的口径效率，其中vE和vH已知；计算喇叭天线达到最佳方向系数时喇叭口的E侧壁面和H侧壁面对应的DE和DH：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（2）
Figure 59811DEST_PATH_IMAGE002
（3）
根据相似三角形关系，得到：
RE/ L1= DE/( DE-b) （4）
RH/ L2= DH/( DH-a) （5）
其中，a和b分别为矩形波导的宽度和高度，其中，参数a和b均为已知；
对于实际制作的喇叭天线，必须有：L1= L2，根据以上公式推导出：
L1= L2=( DH-a)·DH/3λ （6）
Figure 139762DEST_PATH_IMAGE003
（7）
代入增益计算公式并整理，得：
DH 4- aDH 3+3bGλ2DH/4π=3G2λ4/8π2 （8）
将天线发射频率为1.6GHz时的目标增益、天线的发射频率波长λ以及矩形波导参数a和b，作为一组数据代入上述公式（8），得到一个DH的值；
将天线接收频率为2.5GHz时的目标增益、天线的发射频率波长λ以及矩形波导参数a和b，作为另一组数据代入上述公式（8），得到另一个DH的值；
取以上两个DH的值中的较大的一个DH的值，作为最终求解得到的DH的值；
将最终求解得到的DH的值代入上述公式（6）得到参数L1以及L2的值；
进一步将参数L1、b以及λ代入上述公式（7）得到DE的值；
进一步将参数DE、L1以及b代入上述公式（4）得到参数RE的值；
进一步将参数DH、L2以及a代入上述公式（5）得到参数RH的值；
至此，求解得到喇叭口的参数DE、DH、RE、RH 、L1以及L2，得到具体尺寸的喇叭口；
步骤2. 完成喇叭天线的外形与尺寸设计后，使用天线仿真软件进行射频输入接口的阻抗匹配与参数优化，以满足天线在北斗三号收发短报文工作频段内的阻抗匹配。
优选地，步骤2具体为：
完成喇叭天线的外形与尺寸设计后，在矩形波导上方加入同轴线馈电；
通过天线仿真软件设置同轴线内外导体的半径，随后在天线仿真软件中进行边界条件与端口激励设置，完成辐射边界条件后对天线的射频输入接口具体位置和长度进行扫参；
根据天线不同的射频输入接口位置和馈电高度得到不同的S参数以及驻波比数值，根据扫参结果得到其最佳阻抗匹配的射频输入接口位置，设计优化后的喇叭天线。
优选地，步骤2之后还包括：
步骤3. 针对实际应用中的便携化需求，对高增益北斗通信喇叭天线进行折叠结构设计。
优选地，步骤3中，将喇叭口设计为可折叠结构，其包括喇叭口上段以及喇叭口下段；
其中，喇叭口下段与矩形波导连接为一体；
喇叭口上段包括沿周向方向依次设置的四个梯形侧壁，其中，四个梯形侧壁为两两相对；任意相邻的两个梯形侧壁的对应边沿之间均通过合页连接；
定义四个梯形侧壁中一组相对的梯形侧壁分别为第一梯形侧壁以及第三梯形侧壁，另一组相对的梯形侧壁分别为第二梯形侧壁以及第四梯形侧壁；
第一梯形侧壁与喇叭口下段对应于该第一梯形侧壁的边沿之间通过转轴连接，第三梯形侧壁与喇叭口下段对应于该第三梯形侧壁的边沿之间通过可开合的锁扣连接；
沿着第二梯形侧壁的对称轴位置将第二梯形侧壁分为对称的两段第二梯形侧壁段，其中，两段第二梯形侧壁段的对应边部之间通过合页进行连接；
沿着第四梯形侧壁的对称轴位置将第四梯形侧壁分为对称的两段第四梯形侧壁段，其中，两段第四梯形侧壁段的对应边部之间通过合页进行连接。
此外，本发明还提出了一种高增益北斗通信喇叭天线，该高增益北斗通信喇叭天线是基于上面述及的高增益北斗通信喇叭天线设计方法得到的。
本发明具有如下优点：
如上所述，本发明述及了一种高增益北斗通信喇叭天线及设计方法，基于该设计方法设计的高增益北斗通信喇叭天线，能够同时实现北斗区域短报文通信体统的L波段的发射与S波段的接收功能，有效地解决了北斗区域短报文通信信号的高增益收发的技术难题，扩展了北斗三号系统的区域短报文通信范围，实现了北斗GEO卫星信号边缘区弱信号的强捕获。此外，本发明设计方法在保证高增益的基础上，对高增益北斗通信喇叭天线的结构进行了折叠设计，使得设计后的高增益北斗通信喇叭天线，能够适配便携式北斗通信设备。
附图说明
图1为本发明实施例中北斗三号短报文通信系统框图。
图2为本发明实施例中高增益北斗通信喇叭天线的结构示意图。
图3为本发明实施例中高增益北斗通信喇叭天线的折叠示意图。
图4为本发明实施例中喇叭天线设计时的E面视图。
图5为本发明实施例中喇叭天线设计时的H面视图。
图6为本发明实施例中高增益北斗通信喇叭天线1.6GHz的方向图。
图7为本发明实施例中高增益北斗通信喇叭天线2.5GHz的方向图。
图8为本发明实施例中射频输入接口的阻抗匹配与参数优化示意图。
图9为本发明实施例中高增益北斗通信喇叭天线频率-驻波比曲线图。
其中，1-喇叭口，2-矩形波导，3-射频输入接口，4-梯形侧壁面，5-喇叭口上段，6-喇叭口下段，7-合页，8-第一梯形侧壁，9-第二梯形侧壁，10-第三梯形侧壁；
11-第四梯形侧壁，12-转轴，13-锁扣，14-第二梯形侧壁段，15-第四梯形侧壁段。
具体实施方式
本发明提出一种高增益北斗通信喇叭天线，以实现在信号边缘区域的短报文收发，发射频率1.6GHz时天线增益达到16dB以上，接收频率2.5GHz时天线增益20dB达到以上。
而普通喇叭天线无法同时满足北斗短报文收发频段要求，若收发分别采用两个不同频段的普通喇叭天线，则受制于高增益要求的大尺寸，会产生携带固定困难以及对星不准的问题。
本发明设计的新型天线能同时满足1.6GHz与2.5GHz频段高增益的收发需求，在保证高增益的基础上对天线结构进行折叠设计，不使用时将其折叠包装，具备一定的便携性。
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本实施例述及了一种高增益北斗通信喇叭天线设计方法，其包括如下设计步骤：
步骤1. 首先根据喇叭天线设计原理，对喇叭天线的波导和喇叭口的尺寸进行设计，以满足应用于北斗三号收发短报文的通信天线其特定工作频段以及增益需求。
如图1所示，北斗通信天线主要实现北斗信号接收处理和北斗RDSS短报文发送处理。变频单元将北斗通信天线收发信号进行上、下变频，中频放大后，由AD采样生成数字信号。
信息处理单元进行信号的搜索和捕获，载波和伪码的精密跟踪，以实现数据的位同步、帧同步、导航电文解调、伪距/载波相位/多普勒等基本观测量的提取。
北斗短报文L波段发射信号的中心频率为1.6GHz， S波段接收信号中心频率为2.5GHz。
根据天线工作频段，选取同时工作于L波段与S波段的矩形波导进行馈电。
经由高增益北斗通信喇叭天线设计方法设计的高增益北斗通信喇叭天线，天线结构如图2所示，其包括喇叭口1、矩形波导2以及射频输入接口3。
矩形波导2与喇叭口1的小口径端相连，射频输入接口设置于矩形波导2上。
喇叭口包括沿周向方向依次设置并连接的四个梯形侧壁面4，四个梯形侧壁面两两相对。
定义与喇叭天线的E面相对应的一组梯形侧壁面为E侧壁面。其中，喇叭天线的E面过喇叭口的两个E侧壁面的中线。定义与喇叭天线的H面相对应的另一组相对的梯形侧壁面为H侧壁面。其中，喇叭天线的H面过喇叭口的两个H侧壁面的中线。
喇叭天线的E 面是指通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面，喇叭天线的H面是指通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面，分别如图4和图5所示。
根据天线设计的收发频段要求设置目标增益（此处的目标增益是指发射频率为1.6GHz，接收频率为2.5GHz时分别对应的目标增益），计算出喇叭口的尺寸参数。
根据喇叭天线的辐射特性是E面与H面喇叭的结合，设计如图4和图5所示的结构。首先定义在喇叭口的大口径端处E侧壁面的边长以及H侧壁面的边长分别为DE和DH。
定义两个Ｅ侧壁面延长后的交线与喇叭口的大口径端面之间的垂线距离为RE，定义两个H侧壁面延长后的交线与喇叭口的大口径端面之间的垂线距离为RH。
定义喇叭口的小口径端处E侧壁面边线到喇叭口的大口径端面的垂线距离为L1，喇叭口的小口径端处H侧壁面边线到喇叭口的大口径端面的垂线距离为L2。
L1与L2的大小相等，且等于喇叭口的小口径端面到大口径端面之间的距离。
喇叭天线是一种面天线，通常作为口径天线来处理。
在分析喇叭天线内场的分布时，需要忽略波导连接处的反射和喇叭口径的反射，将喇叭内的场分布看作和无限长波导基本相同。
矩形波导内部满足单模传输条件，且只传输TE10模。通过矩形喇叭的口径场法，根据喇叭口的大口径端在E侧壁面和H侧壁面的边长推导出喇叭天线的增益计算公式为：
G=4πS·v/λ2 （1）
其中，S= DH·DE，口径效率v=π2vH·vE/8，λ表示波长。
vE、vH分别为喇叭口的E面和H面能够达到最大增益的口径效率，vE=0.64，vH=0.63。
根据图4和图5示出的喇叭天线的E面视图和H面视图，计算喇叭天线达到最佳方向系数时E侧壁面和D侧壁面分别对应的DE和DH，如公式（2）和公式（3）所示：
Figure 431066DEST_PATH_IMAGE004
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（3）
根据相似三角形关系，得到：
RE/ L1= DE/( DE-b) （4）
RH/ L2= DH/( DH-a) （5）
其中，a和b分别为矩形波导的宽度和高度，其中，参数a和b均为已知。
对于实际制作的喇叭天线，必须有：L1= L2，根据以上公式推导出：
L1= L2=( DH-a)·DH/3λ （6）
Figure 767542DEST_PATH_IMAGE006
（7）
代入增益计算公式并整理，得：
DH 4- aDH 3+3bGλ2DH/4π=3G2λ4/8π2 （8）
将天线发射频率为1.6GHz时的目标增益、天线的发射频率波长λ以及矩形波导参数a和b，作为一组数据代入上述公式（8），得到一个DH的值。
将天线接收频率为2.5GHz时的目标增益、天线的发射频率波长λ以及矩形波导参数a和b，作为另一组数据代入上述公式（8），得到另一个DH的值。
取以上两个DH的值中的较大的一个DH的值，作为最终求解得到的DH的值。
将最终求解得到的DH的值代入上述公式（6）得到参数L1以及L2的值；
进一步将参数L1、b以及λ代入上述公式（7）得到DE的值。
进一步将参数DE、L1以及b代入上述公式（4）得到参数RE的值。
进一步将参数DH、L2以及a代入上述公式（5）得到参数RH的值。
至此，求解得到喇叭口的参数DE、DH、RE、RH 、L1以及L2，得到具体尺寸的喇叭口。
下面对得到的喇叭天线具体尺寸进行增益测试，经过测试：
当喇叭天线工作中心频率为1.6GHz时，天线的方向图和增益数值如图6所示，当喇叭天线工作中心频率在2.5GHz时天线的方向图和增益数值如图7所示。
由图6能够看出，当喇叭天线工作中心频率为1.6GHz时的增益为17.13dB，当喇叭天线工作中心频率为2.5GHz时增益为20.16dB，以上增益均能满足目标增益设置要求。
本发明方法设计的高增益北斗通信喇叭天线通过单一天线，能够提升卫星视场覆盖范围内的双向通信能力，因而能够实现北斗信号边缘区域的短报文接收。
达到北斗三号收发短波文的特定工作频段以及增益要求：在发射频率1.6GHz时天线增益达17.13dB，接收频率2.5GHz时天线增益达20.16dB，收发工作频段内驻波比均小于2.5。
步骤2. 完成喇叭天线的外形与尺寸设计后，使用天线仿真软件进行射频输入接口的阻抗匹配与参数优化，以满足天线在北斗三号收发短报文工作频段内的阻抗匹配。
完成喇叭天线的外形与尺寸设计后，在波导上方加入同轴线馈电。
通过天线仿真软件设置同轴线内外导体的半径，随后在仿真软件中进行边界条件与端口激励设置，完成辐射边界条件后对天线的射频输入接口具体位置和长度进行扫参。
根据天线不同的射频输入接口位置和馈电高度得到不同的S参数以及驻波比数值，根据扫参结果得到其最佳阻抗匹配的射频输入接口位置，设计优化后的喇叭天线如图2所示。
更为具体地，在使用天线仿真软件进行匹配优化时，优化示意图如图8所示。
设置矩形波导的长度为5/4波长，同轴线馈电点使之位于矩形波导宽边中心，馈电点和矩形波导底侧板之间的距离先设置为1/4波长，同轴线的外导体与矩形波导的侧壁相连接，内导体从矩形波导宽边中心处插入到矩形波导内部场强最大处，形成电场激励方式。
完成激励条件以及辐射边界条件后，将射频输入接口处位置设置为参数wlength，将同轴线内导体的高度设置为high。设置天线的求解条件后，进行频率点和扫频设置，完成两个参数的扫参。根据扫参得到的1.6GHz 与2.5GHz频段处的S参数以及驻波比数值得到其最佳阻抗匹配的射频输入接口位置，设计优化后的喇叭天线驻波比曲线如图9所示。在北斗发射短报文的1.6GHz频率和接收短报文的2.5GHz频率驻波比都在2.5以下，阻抗匹配良好。
步骤3. 针对实际应用中的便携化需求，对高增益北斗通信喇叭天线进行折叠结构设计。
将设计优化后的如图2所示的北斗收发频段喇叭天线，进行折叠化设计，设计结构图如图3所示，喇叭口1为可折叠结构，其包括喇叭口上段5以及喇叭口下段6。
其中，喇叭口下段与矩形波导连接为一体，一体式结构体积较小。喇叭口上段5采用折叠设计，在不使用时可以折叠收纳，使得喇叭天线的长度减半，便于携带与运输。
如图3所示，喇叭口上段包括沿周向方向依次设置的四个梯形侧壁，其中，四个梯形侧壁为两两相对；任意相邻的两个梯形侧壁的对应边沿之间均通过合页7连接。
定义四个梯形侧壁中一组相对的梯形侧壁分别为第一梯形侧壁8以及第三梯形侧壁10，另一组相对的梯形侧壁分别为第二梯形侧壁9以及第四梯形侧壁11。
第一梯形侧壁8与喇叭口下段对应于该第一梯形侧壁8的边沿之间通过转轴12连接，使得第一梯形侧壁8可以绕该转轴12进行旋转并收纳至喇叭口下段6背侧。
第三梯形侧壁10与喇叭口下段对应于该第三梯形侧壁10的边沿之间通过可开合的锁扣13连接，在不使用喇叭天线时将锁扣13打开，则第三梯形侧壁10与喇叭口下段6分离。
沿着第二梯形侧壁9的对称轴位置将第二梯形侧壁9分为对称的两段第二梯形侧壁段14，其中，两段第二梯形侧壁段14均为直角梯形。
两段第二梯形侧壁段14的对应边部之间通过合页进行连接。
以上设计，使得第二梯形侧壁9在不使用时可以沿着对称轴进行折叠收纳。
同理，沿着第四梯形侧壁11的对称轴位置将第四梯形侧壁分为对称的两段第四梯形侧壁段15，其中，两段第四梯形侧壁段15均为直角梯形。
两段第四梯形侧壁段15的对应边部之间通过合页进行连接。
以上设计，使得第四梯形侧壁11在不使用时可以沿着对称轴进行折叠收纳。
使用时，沿转轴12将第一梯形侧壁8从喇叭口下段6的背侧转出，再将第二梯形侧壁9以及第四梯形侧壁11分别撑开，最后将第三梯形侧壁10通过锁扣与喇叭口下段6相连。
完成喇叭天线的总体展开固定操作后，将喇叭天线放置于合适位置，使用射频线缆连接喇叭天线的射频输入接口3与北斗收发设备，即可开始北斗短报文通信工作。
使用结束后，取下射频输入接口3的射频线缆。打开锁扣13，首先第三梯形侧壁10与喇叭口下段6分离，然后将第二梯形侧壁9以及第四梯形侧壁11分别沿自身对称轴折叠，最后将各个梯形侧壁一并绕转轴12旋转至喇叭口下段6的后侧，完成折叠收纳过程。
本发明通过以上折叠设计，可实现大尺寸喇叭天线的喇叭口1折叠，使得喇叭天线容积减小，长度减半，便于携带和运输，使用时展开即可，组装过程十分简便。
此外，本发明还提出了一种高增益北斗通信喇叭天线，该高增益北斗通信喇叭天线是基于上面述及的高增益北斗通信喇叭天线设计方法得到的。
本实施例述及的高增益北斗通信喇叭天线，能够同时实现北斗区域短报文通信系统的L波段的发射与S波段的接收功能，有效地解决了北斗通信信号的高增益收发的技术难题，扩展了北斗三号系统的短报文通信覆盖范围，实现了北斗卫星信号边缘区弱信号的增强。
此外，本实施例中高增益北斗通信喇叭天线可折叠，能够适配便携式北斗通信设备。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.一种高增益北斗通信喇叭天线的设计方法，其特征在于，包括如下设计步骤：
步骤1. 首先根据喇叭天线设计原理，对喇叭天线的波导和喇叭口的尺寸进行设计，以满足应用于北斗三号收发短报文的通信天线其特定工作频段以及增益需求；
北斗短报文L波段发射信号的中心频率为1.6GHz， S波段接收信号中心频率为2.5GHz；
根据北斗通信天线在发射频率1.6GHz时天线增益16dB以上，接收频率2.5GHz时天线增益20dB以上的增益设计要求，选取同时适用于L波段与S波段的矩形波导；
经由高增益北斗通信喇叭天线的设计方法设计的高增益北斗通信喇叭天线包括：
矩形波导、喇叭口以及射频输入接口；
所述矩形波导与喇叭口的小口径端相连，射频输入接口设置于矩形波导上；
喇叭口包括沿周向方向依次设置并连接的四个梯形侧壁面，四个梯形侧壁面两两相对；
定义与喇叭天线的E面相对应的一组梯形侧壁面为E侧壁面；
定义与喇叭天线的H面相对应的另一组相对的梯形侧壁面为Ｈ侧壁面；
根据天线设计要求的增益设置目标增益，计算出喇叭口的尺寸参数；
首先定义在喇叭口的大口径端处E侧壁面的边长以及H侧壁面的边长分别为DE和DH；
定义两个Ｅ侧壁面延长后的交线与喇叭口的大口径端面之间的垂线距离为RE，定义两个H侧壁面延长后的交线与喇叭口的大口径端面之间的垂线距离为RH；
定义喇叭口的小口径端处E侧壁面边线到喇叭口的大口径端面的垂线距离为L1，喇叭口的小口径端处H侧壁面边线到喇叭口的大口径端面的垂线距离为L2；
L1与L2的大小相等，且等于喇叭口的小口径端面到大口径端面之间的距离；
则喇叭口的尺寸参数求解过程如下：
根据喇叭口的大口径端在E侧壁面和H侧壁面的边长推导出喇叭天线的增益计算公式为：
G=4πS·v/λ2 （1）
其中，S= DH·DE，口径效率v=π2vH·vE/8，λ表示天线的发射频率波长；
vE、vH分别为喇叭口的E面和H面能够达到最大增益的口径效率，其中vE和vH已知；计算喇叭天线达到最佳方向系数时喇叭口的E侧壁面和H侧壁面对应的DE和DH：
Figure 982723DEST_PATH_IMAGE001
（2）
Figure 227760DEST_PATH_IMAGE002
（3）
根据相似三角形关系，得到：
RE/ L1= DE/( DE-b) （4）
RH/ L2= DH/( DH-a) （5）
其中，a和b分别为矩形波导的宽度和高度，其中，参数a和b均为已知；
对于实际制作的喇叭天线，必须有：L1= L2，根据以上公式推导出：
L1= L2=( DH-a)·DH/3λ （6）
Figure 476339DEST_PATH_IMAGE003
（7）
代入增益计算公式并整理，得：
DH 4- aDH 3+3bGλ2DH/4π=3G2λ4/8π2 （8）
将天线发射频率为1.6GHz时的目标增益、天线的发射频率波长λ以及矩形波导参数a和b，作为一组数据代入上述公式（8），得到一个DH的值；
将天线接收频率为2.5GHz时的目标增益、天线的发射频率波长λ以及矩形波导参数a和b，作为另一组数据代入上述公式（8），得到另一个DH的值；
取以上两个DH的值中的较大的一个DH的值，作为最终求解得到的DH的值；
将最终求解得到的DH的值代入上述公式（6）得到参数L1以及L2的值；
进一步将参数L1、b以及λ代入上述公式（7）得到DE的值；
进一步将参数DE、L1以及b代入上述公式（4）得到参数RE的值；
进一步将参数DH、L2以及a代入上述公式（5）得到参数RH的值；
至此，求解得到喇叭口的参数DE、DH、RE、RH 、L1以及L2，得到具体尺寸的喇叭口；
步骤2. 完成喇叭天线的外形与尺寸设计后，使用天线仿真软件进行射频输入接口的阻抗匹配与参数优化，以满足天线在北斗三号收发短报文工作频段内的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的高增益北斗通信喇叭天线的设计方法，其特征在于，
所述步骤2具体为：
完成喇叭天线的外形与尺寸设计后，在矩形波导上方加入同轴线馈电；
通过天线仿真软件设置同轴线内外导体的半径，随后在天线仿真软件中进行边界条件与端口激励设置，完成辐射边界条件后对天线的射频输入接口具体位置和长度进行扫参；
根据天线不同的射频输入接口位置和馈电高度得到不同的S参数以及驻波比数值，根据扫参结果得到其最佳阻抗匹配的射频输入接口位置，设计优化后的喇叭天线。
3.根据权利要求1所述的高增益北斗通信喇叭天线的设计方法，其特征在于，
所述步骤2之后还包括：
步骤3. 针对实际应用中的便携化需求，对高增益北斗通信喇叭天线进行折叠结构设计。
4.根据权利要求3所述的高增益北斗通信喇叭天线的设计方法，其特征在于，
所述步骤3中，将喇叭口设计为可折叠结构，其包括喇叭口上段以及喇叭口下段；
其中，喇叭口下段与矩形波导连接为一体；
喇叭口上段包括沿周向方向依次设置的四个梯形侧壁，其中，四个梯形侧壁为两两相对；任意相邻的两个梯形侧壁的对应边沿之间均通过合页连接；
定义四个梯形侧壁中一组相对的梯形侧壁分别为第一梯形侧壁以及第三梯形侧壁，另一组相对的梯形侧壁分别为第二梯形侧壁以及第四梯形侧壁；
第一梯形侧壁与喇叭口下段对应于该第一梯形侧壁的边沿之间通过转轴连接，第三梯形侧壁与喇叭口下段对应于该第三梯形侧壁的边沿之间通过可开合的锁扣连接；
沿着第二梯形侧壁的对称轴位置将所述第二梯形侧壁分为对称的两段第二梯形侧壁段，其中，两段第二梯形侧壁段的对应边部之间通过合页进行连接；
沿着第四梯形侧壁的对称轴位置将所述第四梯形侧壁分为对称的两段第四梯形侧壁段，其中，两段第四梯形侧壁段的对应边部之间通过合页进行连接。
5.一种高增益北斗通信喇叭天线，其特征在于，
由上述权利要求1至4任一项所述的高增益北斗通信喇叭天线的设计方法得到。
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01259605A (ja) * 1988-04-08 1989-10-17 Toshiba Corp 反射鏡連結装置
CN101593872A (zh) * 2009-07-01 2009-12-02 电子科技大学 一种后馈式毫米波宽带双脊喇叭天线
US20100214185A1 (en) * 2006-11-01 2010-08-26 The Regents Of The University Of California Plastic waveguide-fed horn antenna
JP2010252030A (ja) * 2009-04-15 2010-11-04 Murata Mfg Co Ltd ホーンアンテナ
CN204045736U (zh) * 2014-09-04 2014-12-24 湖南北云科技有限公司 一种双脊喇叭天线
CN204538174U (zh) * 2015-03-11 2015-08-05 王五顺 可折叠的矩形喇叭天线扇形波导
CN105098367A (zh) * 2014-04-30 2015-11-25 华为技术有限公司 一种角锥喇叭天线及其设计方法
CN109103579A (zh) * 2018-08-23 2018-12-28 钟祥博谦信息科技有限公司 一种单元喇叭天线及相关设备
CN110034405A (zh) * 2019-04-30 2019-07-19 江苏肯立科技股份有限公司 一种c波段宽波束角锥喇叭天线
CN209329143U (zh) * 2018-11-26 2019-08-30 南京洛仑通讯科技有限公司 一种高增益e面扇形喇叭天线
CN110602775A (zh) * 2019-07-25 2019-12-20 青岛国数信息科技有限公司 一种适应于跨洲际北斗短报文通信的增益调节系统及方法
CN211480302U (zh) * 2020-01-19 2020-09-11 上海深迅通信技术有限公司 一种矩形喇叭天线

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01259605A (ja) * 1988-04-08 1989-10-17 Toshiba Corp 反射鏡連結装置
US20100214185A1 (en) * 2006-11-01 2010-08-26 The Regents Of The University Of California Plastic waveguide-fed horn antenna
JP2010252030A (ja) * 2009-04-15 2010-11-04 Murata Mfg Co Ltd ホーンアンテナ
CN101593872A (zh) * 2009-07-01 2009-12-02 电子科技大学 一种后馈式毫米波宽带双脊喇叭天线
CN105098367A (zh) * 2014-04-30 2015-11-25 华为技术有限公司 一种角锥喇叭天线及其设计方法
CN204045736U (zh) * 2014-09-04 2014-12-24 湖南北云科技有限公司 一种双脊喇叭天线
CN204538174U (zh) * 2015-03-11 2015-08-05 王五顺 可折叠的矩形喇叭天线扇形波导
CN109103579A (zh) * 2018-08-23 2018-12-28 钟祥博谦信息科技有限公司 一种单元喇叭天线及相关设备
CN209329143U (zh) * 2018-11-26 2019-08-30 南京洛仑通讯科技有限公司 一种高增益e面扇形喇叭天线
CN110034405A (zh) * 2019-04-30 2019-07-19 江苏肯立科技股份有限公司 一种c波段宽波束角锥喇叭天线
CN110602775A (zh) * 2019-07-25 2019-12-20 青岛国数信息科技有限公司 一种适应于跨洲际北斗短报文通信的增益调节系统及方法
CN211480302U (zh) * 2020-01-19 2020-09-11 上海深迅通信技术有限公司 一种矩形喇叭天线

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
于臻等: "H面矩形喇叭天线的仿真与测试", 《实验室研究与探索》 *
张文辉等: "一种新型微带馈电的圆锥喇叭天线设计", 《电子科技》 *

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