CN114843785B - 一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，能够同时满足超宽带、高增益与低电压驻波比的要求。该天线包括喇叭段(1)，波导段(2)，上脊波导(3)，下脊波导(4)，短路背板(5)，以及同轴射频连接器(6)；喇叭段(1)的非脊壁采用栅栏结构；波导段(2)四周添加楔形结构；上脊波导(3)与下脊波导(4)为对称结构，脊的末端采用椭圆渐变结构；上脊波导(3)与下脊波导(4)进行开槽设计；本发明采用二阶贝塞尔曲线作为脊的渐变曲线，在获得良好匹配特性的同时大大减少了优化设计难度；同时对脊结构进行开槽设计，进一步降低了低频段的电压驻波比。所设计的天线在2‑18GHz超宽带范围内具有稳定的高增益与低电压驻波比，在超宽带领域具有非常广泛的应用前景。

Description

一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线

技术领域

本发明涉及天线领域，具体为一种新型超宽带双脊喇叭天线，特别涉及一种改善的具有简单脊曲线形式和脊上开槽的超宽带双脊喇叭天线。

背景技术

随着电子对抗，目标侦测以及超宽带技术的发展，传统的窄带天线已经不能满足复杂系统的需求；同时为避免由信道拥塞造成的通信干扰，超宽带天线技术已经成为无线电发展中最为急切的问题。

目前较为常见的超宽带天线、且可以应用在测试领域的，一般有双锥天线、螺旋天线、对数周期天线，以及Vivaldi天线、喇叭天线等。依靠着各自不同的特性，上述天线有着不同的应用场景。比如具有水平全向辐射特性的双锥天线通常被用作室内分布天线；结构简单易于制作的对数周期天线通常用于电视信号的接收；喇叭天线具有增益高，方向性稳定，结构简单，易加工等特点，在上述领域能够得到充分应用及发展，一般情况下，可以用来作为独立的天线或者馈源使用。

喇叭天线可以看做由逐渐张开的波导构成，电磁波从腔体内沿着渐变的波导结构辐射到自由空间。通常根据喇叭天线的波导展开方式的不同可以将其分为E面喇叭天线、H面喇叭天线、圆锥喇叭天线以及角锥喇叭天线。作为喇叭天线的变形和演进，Vivaldi天线具有宽频带、高定向性和低副瓣等优点，常被用在电磁兼容测试和射电天文学中。然而在毫米波频段，Vivaldi天线由于随着频率的升高，在介质基板上会产生较大的介质损耗，导致辐射效率变差。

相比于喇叭天线而言，加脊喇叭天线由于脊结构的存在，会使原有波导中主模的截止频率降低，并同时升高相邻高次模的截止频率，而且加脊可以使得波导获得更低的特性阻抗。因此加脊喇叭天线通常具有更宽的带宽，更适合于宽带应用场所。但传统的加脊喇叭天线仍存在一些弊端。包括由于口径处相位差过大，造成高频辐射波瓣图分裂进而导致增益陡降的问题。为了解决上述问题，研究人员从不同的角度出发，对天线结构进行了优化设计。包括脊的结构和曲线设计，反射腔优化设计，加载波纹和加载透镜等方法。通过上述方法虽然可以实现良好的阻抗匹配或者解决高频裂瓣的问题，但是目前的设计很少能在超宽带范围内取得较好的综合效果。如加载透镜虽然可以修正口径处相位差提高增益，但从透镜的平表面向内反射的波又会被重新聚焦于初级天线，引起电压驻波比的增大；通过在口径处加载波纹结构，可以减少边缘绕射，取得更稳定的相位中心，但需要牺牲带宽。因此对于解决脊喇叭天线方向图分裂问题而言，从工程或者实际应用的角度，最优的解决方案是改进结构。这类设计不仅不需要额外的结构，因此不会增加天线的体积，且容易获得良好的天线性能。此外，2010年B.Jacobs在Journal of Electromagnetic Waves andApplications上发表的文章The Effect of Manufacturing and Assembling Toleranceson the Performance of Double-ridged Horn Antennas中分析指出，复杂的加脊喇叭天线在设计、加工和装配的过程中，其内部出现的间隙会对天线性能造成严重的影响。因此在适用于毫米波的加脊喇叭天线的设计中，需要同时考虑各种性能参数以及实际加工装配的复杂程度。

发明内容

本发明的目的在于充分解决以上现存的缺陷问题，提出一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，通过改善优化脊曲线、设计新型反射腔体以及对脊上进行开槽等设计，较好的解决了传统超宽带双脊喇叭天线在高频处的辐射波瓣图分裂、增益下降以及综合性能不佳的问题。

为实现上述目的，本发明采取的方案为：设计一种脊上开槽的超宽带双脊喇叭天线，其特征在于包括喇叭段1，波导段2，上脊波导3，下脊波导4，短路背板5，同轴射频连接器6。所述喇叭段1为角锥喇叭结构，沿E面与H面线性展开，其末端和波导段2相连接，两者为一体结构。所述喇叭段1的非脊壁采用金属栅栏(金属条)结构，金属条的放置与同轴射频连接器6的探针方向平行，各金属条通过螺钉与脊壁侧面连接。所述的上脊波导3背面连接到所述的喇叭段1的内壁上，为一体结构，其末端直波导段深入到所述的波导段2的腔体内，与所述短路背板5短接，脊的渐变从所述波导段2与所述喇叭段1的分界处延申到所述喇叭段1的口径处。所述波导段2的四周均添加三角楔形结构，以短路背板5为底，线性延申到喇叭段1处结束。所述的上脊波导3和下脊波导4为对称结构，在上下脊上均进行开槽处理，开槽起点与开槽终点均位于脊曲线上。所述的同轴射频连接器6外导体通过螺钉与所述波导段2的外壁短接，内导体先后穿过波导段2与上脊波导3中的通孔后与下脊波导4短接。所述的上脊波导3与下脊波导4的渐变曲线均采用二阶贝塞尔曲线，其终点坐标之间的距离即为喇叭段1口径处脊壁之间的距离。所述的上脊波导3的背面连接到所述的喇叭段1的内壁上，两者为一体结构；其末端直波导段深入到所述的波导段2的腔体内，与所述短路背板5短接。所述波导段2的横截面为矩形结构。

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线的上脊波导3和下脊波导4为对称结构，脊宽为R取值范围为6.5-8mm。

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线喇叭段1的非脊壁采取栅栏结构，共十组，每组栅栏的高度为F为13.8mm，金属条高度为F_g取值范围为7.8-11mm。此外，喇叭段1口径处的窄边W等效为双脊末端间距，取值为66-74mm；口径处的宽边为H，取值范围为70-120mm；喇叭段的垂直高度为L，取值范围为120-140mm。

进一步的，所述的脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于上脊波导(3)和下脊波导(4)的末端采用直波导加椭圆渐变形式的组合结构，直波导的长度与波导段(2)的深度相同，椭圆结构的短轴长度和脊宽R相同，长轴长度F应小于波导段(2)的深度，F取值范围为6.5-12mm。

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线的上脊波导3和下脊波导4的脊渐变曲线满足二次贝塞尔曲线，方程表述为：

其中，x为上脊波导和下脊波导中心垂直距离的一半，z为曲线沿喇叭口径正方向的距离，(x₁，z₁)表示曲线起点的坐标，(x₂，z₂)为曲线形状控制点的坐标，(x₃，z₃)为曲线终止点的坐标。2x₁表示双脊末端椭圆结构的间距，2x₃表示喇叭口径处的脊壁的距离。

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线喇叭段(1)的非脊壁采用金属带条结构。初始金属带条不与波导段(2)接触，根据侧壁的长度，共分为10组金属带条，金属带条的宽度F为10.7mm，空气缝隙宽度为3mm。

进一步地，两个金属栅格侧壁关于加脊喇叭的中心轴线对称设置

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线波导段(2)的横截面为矩形结构。

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线的上脊波导3和下脊波导4的脊上进行开槽处理，起点和终点均在脊曲线上，对应的t参数分别为t_s＝0.005、t_e＝0.6。

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线喇叭段(1)的横截面为矩形结构。

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线同轴射频连接器(6)采用SMA规范，探针直径为1.27mm，填充PTEC材质，介质直径为4.1mm。

进一步的，所述脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线的喇叭段1、波导段2、上脊波导3、下脊波导4与短路背板5均采用轻量化金属铝加工制作，壁厚度B为5mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的上脊波导和下脊波导的曲线设计采用二阶贝塞尔曲线，与传统的设计曲线相比在取得良好匹配以及更高增益的同时大大减少了待优化参数数量，设计优化难度大幅度降低。同时，在曲线两端点固定后，只需调整唯一控制点坐标就可以更改曲线形状，而不会影响喇叭的口径尺寸。

2、本发明中在上脊波导和下脊波导的末端采用直波导加椭圆形渐变结构，形成了渐变式反射腔，有效减少了高次模的产生。并且为了进一步降低从波导段到喇叭段的结构突变的程度，在波导段的四周加载三角楔形块，解决了高频处辐射波瓣图主波瓣裂瓣与增益陡降的问题。

3、本发明的上脊波导和下脊波导进行开槽设计，开槽起点与开槽终点均设立在脊曲线上，以开槽起点和开槽终点的连线为槽底，通过待优化变量S为槽宽对脊进行切割。仿真数据表明，脊上开槽在不影响其他性能参数的情况下可以进一步改善低频段的电压驻波比，保证了天线在整个超宽带范围内性能的稳定。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明的脊上截面剖视图

图3为本发明的脊波导以及波导段结构示意图

图4为本发明实施例在2-18GHz内的电压驻波比仿真曲线图

图5为本发明实施例在2-18GHz内的S11参数仿真曲线图

图6为本发明实施例在2-18GHz内的增益仿真曲线图

图7为本发明实施例在2GHz、8GHz、14GHz以及18GHz的E面和H面的仿真方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明

本发明提供一种脊上开槽的超宽带双脊喇叭天线(简称天线，见图1)，该天线包括喇叭段1，波导段2、上脊波导3、下脊波导4、短路背板5以及同轴射频连接器6，喇叭段的非脊壁采用栅栏结构，和脊壁侧边通过螺钉固定；波导段2沿着双脊中轴线对称分解成左右两半，上脊波导3和下脊波导4分别与所在的脊壁以及半波导段进行整体加工，左右两部分后通过螺钉进行固定；上脊波导3和下脊波导4为对称结构，与脊壁一体加工成型，同轴射频连接器采用SMA规范，其外导体与波导段2的外壁通过螺钉短接，内导体先后穿过波导段2的上壁与上脊波导3椭圆段的通孔后与下脊波导4短接。

双脊喇叭天线的加工全部采用轻量金属材料铝，整体拆解为4部分，包括两个栅栏侧壁，两个脊各自所在的半天线部分。脊所在壁的侧边钻有螺纹孔，栅栏壁的边缘对应位置开孔，两者通过螺丝进行固定。

根据喇叭段的轴线长度将栅栏分为10组，每组高度为13.8mm，包括一个金属条和对应空气缝隙。其中缝隙的高度为3mm。喇叭段1的口径长边尺寸H为90mm，口径处短边(双脊末端间距)W为66mm，喇叭沿口径正方向的轴向高度为L＝135mm。为防止上下脊所在的半结构部分在加工时出现振刀和铝热变形情况，脊所在壁厚度取为5mm，栅栏壁为2mm，下方波导段起到整体固定的作用，四周壁厚度取10mm。

波导段2根据双脊的中轴线进行切割，等分为左右两部分，分别与对应的脊和脊壁进行整体加工。在下脊对应的波导段的壁上打贯穿型螺纹孔，上脊对应的波导段的壁上以切割平面为起点，向里打指定深度的螺纹孔，通过螺栓将左右两部分进行固定，再配合栅栏壁完成整个天线的组装。其中，波导段的外形高度B_h为11mm，外形宽度B_w为21.34mm，外形长度B_L为26mm。

同轴射频连接器6采用SMA规范，特性阻抗为50Ω，外导体和波导段2的外壁进行短接，其内芯穿过预留通孔和下脊波导4短接，SMA接头内芯直径为1.27mm，波导段2与上脊波导3的通孔直径为2.92mm，通孔中填充空气介质。

上脊波导3和下脊波导4和所在的脊壁一体加工，本实施例采用金属材料铝。上脊波导3与波导段2的相同位置进行开孔处理，开孔直径满足50Ω同轴线特性，用于穿过同轴射频连接器6的内芯。

上脊波导3和下脊波导4上分别进行开槽处理，开槽关于脊的中点线对称，槽宽S取值为3mm。其中开槽起点与开槽终点均设立在脊的曲线上，开槽起点坐标对应的二阶贝塞尔曲线的t参数为t_s＝0.005，开槽终点坐标对应的二阶贝塞尔曲线的t参数为t_e＝0.6，以两点连线为槽底，S为槽宽，对脊进行切割。

参照图2是本发明的天线剖视图，上脊波导3与下脊波导4均采用二阶贝塞尔曲线进行渐变设计；上下脊波导末端的直波导段延申到波导段2的底部并与短路背板5短接；椭圆结构位于直波导段上方，向波导段内部延申，但不与短路背板接触，以此形成渐变式反射腔，用于滤除反射腔体内产生的高次模。

波导段2的四周均添加三角楔形结构，以短路背板5为底，线性延申到喇叭段1处结束。

参照图3是本发明的脊壁俯视图，上脊波导3和下脊波导4尺寸相同，脊宽R为7mm。上下脊波导在波导段2与喇叭段1的连接处开始采用椭圆渐变结构，椭圆短轴和脊宽R相同；椭圆长轴F取值为6.9mm。

以下结合仿真结果，对本发明的技术做进一步描述：

1，仿真内容

以CST商用电磁仿真软件进行参数化建模和参数优化仿真设计。

如图4为本发明实施例在2-18GHz内电压驻波比的仿真曲线图；如图5为本发明实施例在2-18GHz内的S11参数仿真曲线图；如图6为本发明实施例在2-18GHz内的仿真增益曲线图；如图7(a)为本发明实施例在2GHz时的E面与H面的仿真方向图；如图7(b)为本发明实施例在8GHz时的E面与H面的仿真方向图；如图7(c)为本发明实施例在14Ghz时的E面与H面的仿真方向图；如图7(d)为本发明实施例在18Ghz时的E面与H面的仿真方向图。

2，仿真结果

参照图4，为本发明实施例的电压驻波比仿真曲线图。可以看到在整个2-18GHz频段内天线的电压驻波比小于1.7，在5-17GHz频段内电压驻波比小于1.5，在11-16GHz频段内小于1.2。说明本发明实施例在2-18GHz频段内具有良好的阻抗特性。

参照图5，为本发明实施例在2-18GHz频段内的S11参数仿真曲线图。可以看到天线在2-18GHz超宽带范围内，整体回波损耗S11参数小于-10dB，天线在倍频处谐振明显，说明天线匹配良好。

参照图6，为本发明实施例在2-18GHz频段内的增益曲线图。可以看到天线增益在高频处并没有出现增益陡降问题，且整体保持很高的增益。

参照图7，为本发明实施例在2GHz、8GHz、14GHz以及18GHz的E面与H面方向图。可以看出天线在各频点处方向图主瓣稳定，并没有出现主波瓣开裂的情况。

上述结果说明本发明在脊上开槽的情况下取得了良好的天线电气特性。

以上所述仅为本发明设计方案的一个具体实施方式，应当指出，任何熟悉该技术领域的人员在不脱离本发明的基础上，还可以对本发明做出改进或变换，都因涵盖在本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围都应该以权利要求书的保护范围为准。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (11)

1.一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，该天线包括喇叭段(1)，波导段(2)，上脊波导(3)，下脊波导(4)，短路背板(5)，同轴射频连接器(6)，其特征在于：

所述的喇叭段(1)为角锥结构，E面与H面同时线性展开，喇叭段(1)的末端和波导段(2)连接，为一体结构；

所述喇叭段(1)的非脊壁采用金属带条结构，金属带条的放置与同轴射频连接器(6)的探针方向平行，各金属条通过螺钉与脊壁侧面连接；

所述的上脊波导(3)背面连接到所述的喇叭段(1)的内壁上，为一体结构；其末端直波导段深入到所述的波导段(2)的腔体内，与所述短路背板(5)短接；

所述的上脊波导(3)和下脊波导(4)为对称结构，对称轴为喇叭沿口径正方向的中轴线；

所述的上脊波导(3)与下脊波导(4)的形状渐变，渐变部分从所述喇叭段(1)与所述波导段(2)的连接处开始，到所述喇叭段(1)的口径处结束；

所述的上脊波导(3)与下脊波导(4)渐变曲线采用二阶贝塞尔函数曲线；

所述的上脊波导(3)和下脊波导(4)的末端采用直波导加椭圆渐变组合结构，其中直波导从脊渐变结构末端延申到所述波导段(2)的底部，与所述的短路背板(5)进行短接；椭圆渐变结构在直波导段的上方，从脊渐变结构末端开始，向波导段(2)内延伸，不与短路背板(5)接触；

所述的上脊波导(3)与下脊波导(4)的脊上进行开槽设计，开槽关于脊宽的中线对称，且槽宽不大于脊的宽度；

所述的上脊波导(3)与下脊波导(4)的开槽起始点位置相同，槽宽相同，开槽为对称结构；

所述的波导段(2)的横截面为矩形结构；

所述的波导段(2)的四周添加三角楔形结构，以所述短路背板(5)处为底开始，延伸到波导段(2)与喇叭段(1)的连接处；

所述的同轴射频连接器(6)采用SMA规范，其外导体通过螺钉与所述波导段(2)的外壁短接，内导体先后穿过波导段(2)与上脊波导(3)中的通孔后与下脊波导(4)短接，通孔与探针直径大小关系满足50Ω同轴线特性；同轴线的特性阻抗z与内导体直径d、介质直径D以及介质介电常数ε_r的计算公式如下：

所述的喇叭段(1)、波导段(2)、上脊波导(3)、下脊波导(4)与短路背板(5)均采用轻量化金属铝加工制作。

2.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述的上脊波导(3)和下脊波导(4)为对称结构，脊宽为R，取值范围为6.5～8mm。

3.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述的喇叭段(1)口径处的窄边W等效为双脊末端间距，取值范围为66-74mm；口径处的宽边为H，取值范围为70-120mm；喇叭段(1)的垂直高度等效为脊的垂直高度，取值范围L为120-140mm。

4.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于上脊波导(3)和下脊波导(4)的末端采用直波导加椭圆渐变的组合结构，直波导长度与波导段(2)的深度相同，椭圆结构的短轴和脊宽R相同，长轴F应小于波导段(2)的深度，F取值范围为6.5-12mm。

5.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于上脊波导(3)和下脊波导(4)的渐变曲线采用二次贝塞尔曲线，其函数表述为：

其中，x为上脊波导和下脊波导中心垂直距离的一半，z为从波导段(2)与喇叭段(1)连接处沿喇叭口径正方向的高度，(x₁，z₁)表示曲线的起点坐标，(x₂，z₂)为曲线形状控制点的坐标，(x₃，z₃)为曲线终止点的坐标，2x₁表示双脊末端的脊间距，2z₁表示喇叭口径处的脊壁的距离。

6.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于喇叭段(1)的非脊壁采用金属带条结构，初始金属带条不与波导段(2)接触，根据侧壁的长度，共分为10组金属带条，金属带条的宽度F为10.7mm，缝隙宽度为3mm。

7.如权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述的波导段(2)的横截面为矩形结构。

8.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于上脊波导(3)和下脊波导(4)的脊上进行开槽处理，起点和终点均在脊曲线上，对应的t参数分别为t_s＝0.005、t_e＝0.6。

9.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述的喇叭段(1)的横截面为矩形。

10.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述的同轴射频连接器(6)采用SMA规范，探针直径为1.27mm，填充PTEC材质，介质直径为4.1mm。

11.根据权利要求1所述的一种脊上开槽的新型超宽带双脊喇叭天线，其特征在于所述的喇叭段(1)、波导段(2)、上脊波导(3)、下脊波导(4)与短路背板(5)均采用轻量化金属铝加工制作，壁的厚度B为5mm。

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