CN115173069B - 高增益滤波喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益滤波喇叭天线，涉及通信用天线技术领域。所述天线包括同轴馈电结构、喇叭壳体以及透镜组，所述同轴馈电结构位于所述喇叭壳体的尾端，所述透镜组位于所述喇叭壳体的首端开口内，所述同轴馈电结构内设置有若干个阻抗匹配台阶，用于调节阻抗匹配，沿所述喇叭壳体的轴向间隔的设置有若干个耦合隔片，所述透镜组包括若干组透镜组，信号从同轴馈电结构进入喇叭壳体内，依次穿过多个滤波腔，再透过透镜组向空间辐射。所述天线兼具高增益、圆极化以及滤波特性，功能强大，结构简单。

Description

高增益滤波喇叭天线
技术领域
本发明涉及通信用天线技术领域，尤其涉及一种高增益滤波喇叭天线。
背景技术
天线和滤波器是无线通信系统中的两个重要的无源器件，在整个通信电路中的地位举足轻重。天线作为无线通信系统中有效发射和接收电磁波的前端部件，主要用来完成电磁波与导行波之间的相互转换，其性能的优劣会直接影响到整个系统的通信效果。天线的种类繁多，针对不同功能和应用环境的通信系统，天线需要选择合适的结构以符合系统技术要求的辐射性能。滤波器的作用是在电路中对带外的杂波进行抑制，滤除镜频干扰等。一款良好的高性能天线，在收发信号的同时，还能有效地控制空间的电磁能量分布，优化网络质量，提高系统容量。随着无线通信技术日趋成熟，造就了天线和滤波器的一体化和集成化，逐渐形成了滤波天线的概念。
喇叭天线是一种经典的天线结构，被广泛应用于各种通信系统当中。常规的喇叭天线往往是通过在末端接一段滤波器来实现滤波功能，这不仅增加了系统的体积，也会引入由喇叭天线与滤波器级联而导致的额外损耗。除此以外，圆极化波具有良好的抗干扰性，能抗云雨干扰，减少信号损失，消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响，在通信等领域具有广泛的应用。而喇叭天线的圆极化主要取决于圆极化器，圆极化器主要包括螺钉圆极化器、介质板圆极化器等。这些措施虽然可以设计圆极化喇叭天线，但结构和组装复杂并且造价高，并不利于实际工程应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种兼具高增益、圆极化以及滤波特性的喇叭天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高增益滤波喇叭天线，其特征在于：包括同轴馈电结构、喇叭壳体以及透镜组，所述同轴馈电结构位于所述喇叭壳体的尾端，所述透镜组位于所述喇叭壳体的首端开口内，所述同轴馈电结构内设置有若干个阻抗匹配台阶，用于调节阻抗匹配，沿所述喇叭壳体的轴向间隔的设置有若干个耦合隔片，所述透镜组包括若干组透镜组，信号从同轴馈电结构进入喇叭壳体内，依次穿过多个滤波腔，再透过透镜组向空间辐射。
进一步的技术方案在于：所述同轴馈电结构包括同轴波导壳体，所述同轴波导壳体的尾端通过固定板进行封闭，所述固定板上形成有通孔，同轴馈电金属柱插入到所述通孔内，且其内端延伸到所述同轴波导壳体内，所述同轴波导壳体的上下侧内壁上对称的设置有第一阻抗匹配台阶、第二阻抗匹配台阶以及第三阻抗匹配台阶，所述第一阻抗匹配台阶、第二阻抗匹配台阶以及第三阻抗匹配台阶从外向内设置，且所述第一阻抗匹配台阶、第二阻抗匹配台阶以及第三阻抗匹配台阶的高度逐渐降低。
进一步的技术方案在于：所述喇叭壳体呈现梯形筒状结构，其内部从左到右设置有两块第一耦合隔片、两块第二耦合隔片以及两块第三耦合隔片，两个所述第一耦合隔片沿所述喇叭壳体的前后方向设置，且两者之间具有间隔；两个所述第二耦合隔片沿所述喇叭壳体的前后方向设置，且两者之间具有间隔；两个所述第三耦合隔片沿所述喇叭壳体的前后方向设置，且两者之间具有间隔；第一耦合隔片与第二耦合隔片之间构成第一滤波腔，第二耦合隔片与第三耦合隔片之间构成第二滤波腔，第三耦合隔片与透镜组之间构成第三滤波腔。
进一步的技术方案在于：所述第二耦合隔片的上设置有第二耦合隔片调谐孔，所述第二耦合隔片的上设置有第二耦合隔片调谐孔。
进一步的技术方案在于：所述透镜组包括外围透镜组、中间透镜组和中心透镜组，所述外围透镜组包括若干个外围透镜单元，外围透镜单元之间整体排列成方形环状，所述中间透镜组位于所述外围透镜组与中心透镜组之间，所述中间透镜组包括若干个中间透镜单元，所述中间透镜单元之间整体排列成方形环状，所述中心透镜组位于所述中间透镜组的中间，所述中心透镜组包括若干个中心透镜单元，中心透镜单元之间排列成矩形结构。
进一步的技术方案在于：所述外围透镜单元包括第一介质板和第二介质板，所述第一介质板位于所述第二介质板的上侧，所述第一介质板的上表面形成有第一金属贴片，所述第一介质板与所述第二介质板之间形成有第二金属贴片，所述第一介质板与第二介质板的可以是相同的介电材料，也可以是不同的介电材料；所述第一金属贴片与所述第二金属贴片的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
进一步的技术方案在于：所述中间透镜单元包括第三介质板和第四介质板，所述第三介质板位于所述第四介质板的上侧，所述第三介质板的上表面形成有第三金属贴片，所述第三介质板与所述第四介质板之间形成有第四金属贴片，所述第三介质板与第四介质板可以是相同的介电材料，也可以是不同的介电材料；所述第三金属贴片与所述第四金属贴片的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
进一步的技术方案在于：所述中心透镜单元包括第五介质板和第六介质板，所述第五介质板位于所述第六介质板的上侧，所述第五介质板的上表面形成有第五金属贴片，所述第五介质板与所述第六介质板之间形成有第六金属贴片，所述第五介质板与第六介质板可以是相同的介电材料，也可以是不同的介电材料；所述第五金属贴片与所述第六金属贴片的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述天线在喇叭壳体内集成滤波腔结构，可以赋予天线在特定频段内良好的抗干扰能力。相比于传统的在天线末端级联滤波器的方式，天线与滤波器的一体化设计，可以减小级联损耗，同时还能够减小系统体积；相比传统喇叭天线，本发明所述天线形成圆极化的机制更为简单，加工便捷；本发明中的透镜组，具备极化转换和增益提升两种功能；本发明所述透镜两侧与空气的交界面均能够和自由空间良好匹配，有利于天线带宽的展宽；本发明结构紧凑，设计过程简单；本发明的天线由金属喇叭结构与微带结构组成，加工工艺十分成熟，可靠性高，应用范围广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所述高增益滤波喇叭天线的三维视图；
图2为本发明实施例所述高增益滤波喇叭天线的侧视图；
图3为本发明实施例不包含透镜组的喇叭天线的结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的圆极化阻抗匹配超材料透镜结构示意图；
图5a为本发明实施例所述天线中外围透镜组的结构示意图；
图5b为本发明实施例所述天线中外围透镜单元的结构示意图；
图6a为本发明实施例所述天线中中间透镜组的结构示意图；
图6b为本发明实施例所述天线中中间透镜单元的结构示意图；
图7a为本发明实施例所述天线中中心透镜组的结构示意图；
图7b为本发明实施例所述天线中中心透镜单元的结构示意图；
图8为本发明实施例所述天线中滤波腔的滤波特性曲线；
图9为本发明实施例所述高增益滤波喇叭天线的驻波特性曲线；
图10为本发明实施例所述高增益滤波喇叭天线的增益特性曲线；
图11为本发明实施例所述高增益滤波喇叭天线的轴比特性曲线；
其中：1、同轴馈电结构； 101、同轴馈电金属柱；102、第一阻抗匹配台阶；103、第二阻抗匹配台阶；104、第三阻抗匹配台阶；105、同轴波导壳体；
2、喇叭壳体；201、第一耦合隔片；202、第二耦合隔片；203、第三耦合隔片；204、第一滤波腔；205、第二滤波腔；206、第三滤波腔；202-1、第二耦合隔片调谐孔；203-1、第三耦合隔片调谐孔；
3、透镜组；301、外围透镜单元；301-1、第二介质板；301-2、第一介质板；301-3、第二金属贴片；301-4、第一金属贴片；302、中间透镜单元；302-1、第四介质板；302-2、第三介质板；302-3、第四金属贴片；302-4、第三金属贴片；303、中心透镜单元；303-1、第六介质板；303-2、第五介质板；303-3、第六金属贴片；303-4、第五金属贴片。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-图2所示，本发明实施例公开了一种高增益滤波喇叭天线，包括同轴馈电结构1、喇叭壳体2以及透镜组3，所述同轴馈电结构1位于所述喇叭壳体2的尾端，所述透镜组3位于所述喇叭壳体2的首端开口内。所述同轴馈电结构1内设置有若干个阻抗匹配台阶，用于调节阻抗匹配，沿所述喇叭壳体2的轴向间隔的设置有若干个耦合隔片，所述透镜组3包括若干组透镜，信号从同轴馈电结构1进入喇叭壳体2内，依次穿过多个滤波腔，再透过透镜组3向空间辐射。
进一步的，如图2所示，所述同轴馈电结构1包括同轴波导壳体105，所述同轴波导壳体105的尾端通过固定板进行封闭，所述固定板上形成有通孔，同轴馈电金属柱101插入到所述通孔内，且其内端延伸到所述同轴波导壳体105内，所述同轴波导壳体105的上下侧内壁上对称的设置有第一阻抗匹配台阶102、第二阻抗匹配台阶103以及第三阻抗匹配台阶104，所述第一阻抗匹配台阶102、第二阻抗匹配台阶103以及第三阻抗匹配台阶104从外向内设置，且所述第一阻抗匹配台阶102、第二阻抗匹配台阶103以及第三阻抗匹配台阶104的高度逐渐降低。优选的，所述第三阻抗匹配台阶104延伸到所述同轴波导壳体105的中间。
第一阻抗匹配台阶102、第二阻抗匹配台阶103和第三阻抗匹配台阶104用于调节阻抗匹配，使得从同轴馈电金属柱101末端馈入的信号能够匹配到同轴波导壳体105内。需要说明的是，本申请中匹配台阶的具体个数并不局限于第一阻抗匹配台阶102、第二阻抗匹配台阶103和第三阻抗匹配台阶104，为了增强匹配效果，可以设计更多级台阶结构。
如图2-图3所示，所述喇叭壳体2呈现梯形筒状结构，其内部从左到右设置有两块第一耦合隔片201、两块第二耦合隔片202以及两块第三耦合隔片203，两个所述第一耦合隔片201沿所述喇叭壳体2的前后方向设置，且两者之间具有间隔；两个所述第二耦合隔片202沿所述喇叭壳体2的前后方向设置，且两者之间具有间隔；两个所述第三耦合隔片203沿所述喇叭壳体2的前后方向设置，且两者之间具有间隔；第一耦合隔片201与第二耦合隔片202之间构成第一滤波腔204，第二耦合隔片202与第三耦合隔片203之间构成第二滤波腔205，第三耦合隔片203与透镜组3之间构成第三滤波腔206。所述第二耦合隔片202的上设置有第二耦合隔片调谐孔202-1，所述第三耦合隔片203的上设置有第三耦合隔片调谐孔203-1。
需要说明的是，所述耦合隔片的具体个数并不局限于所述第一耦合隔片201、第二耦合隔片202以及第三耦合隔片203，为了增强滤波效果，可以设计更多隔片结构。进一步的，所述第二耦合隔片调谐孔202-1以及第三耦合隔片调谐孔203-1可以是单孔，也可以是多孔，可以是圆形，还可以是方形、三角形等。
进一步的，如图4所示，所述透镜组3包括外围透镜组、中间透镜组和中心透镜组，所述外围透镜组包括若干个外围透镜单元301，外围透镜单元301之间整体排列成方形环状，所述中间透镜组位于所述外围透镜组与中心透镜组之间，所述中间透镜组包括若干个中间透镜单元302，所述中间透镜单元302之间整体排列成方形环状，所述中心透镜组位于所述中间透镜组的中间，所述中心透镜组包括若干个中心透镜单元303，中心透镜单元之间排列成矩形结构。需要说明的是，所述透镜组3不限于外围透镜组、中间透镜组和中心透镜组三种，根据应用需求，还可以适当增减透镜种类。
进一步的，如图5a-5b所示，所述外围透镜单元301包括第一介质板301-2和第二介质板301-1，所述第一介质板301-2位于所述第二介质板301-1的上侧，所述第一介质板301-2的上表面形成有第一金属贴片301-4，所述第一介质板301-2与所述第二介质板301-1之间形成有第二金属贴片301-3，所述第一介质板301-2与第二介质板301-1可以采用相同的介电材料，也可以采用不同的介电材料；所述第一金属贴片301-4与所述第二金属贴片301-3的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
进一步的，如图6a-6b所示，所述中间透镜单元302包括第三介质板302-2和第四介质板302-1，所述第三介质板302-2位于所述第四介质板302-1的上侧，所述第三介质板302-2的上表面形成有第三金属贴片302-4，所述第三介质板302-2与所述第四介质板302-1之间形成有第四金属贴片302-3，所述第三介质板302-2与第四介质板302-1可以使用相同的介电材料，也可以使用不同的介电材料；所述第三金属贴片302-4与所述第四金属贴片302-3的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
进一步的，如图7a-7b所示，所述中心透镜单元303包括第五介质板303-2和第六介质板303-1，所述第五介质板303-2位于所述第六介质板303-1的上侧，所述第五介质板303-2的上表面形成有第五金属贴片303-4，所述第五介质板303-2与所述第六介质板303-1之间形成有第六金属贴片303-3，所述第五介质板303-2与第六介质板303-1使用相同的介电材料或使用不同的介电材料；所述第五金属贴片303-4与所述第六金属贴片303-3的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
需要说明的是，所述外围透镜单元301、中间透镜单元302以及中心透镜单元303中介质板不限于两层，也可以是多层。
图8给出了，本发明所述滤波腔的滤波特性曲线。该结构可以实现在6.5GHz频段内的带阻滤波特性。
图9为本发明实施例所提供的一种高增益滤波喇叭天线的驻波特性曲线，该天线被设计工作在3.1GHz-10.6GHz的UWB频段内，并且在6.5GHz附近呈现一个阻带效果。
图10为本发明实施例所提供的一种高增益滤波喇叭天线的增益特性曲线，相较于普通喇叭天线，本发明所述天线在工作频段内具备较高的增益特性，同时在阻带内具备一定的增益抑制能力。
图11为本发明实施例所提供的一种高增益滤波喇叭天线的轴比特性曲线，在3.1GHz-10.6GHz的UWB频段内，该天线呈现良好的圆极化性能。此处需要注意的是，轴比不受滤波的影响，因此，在整个UWB频段内，轴比性能稳定。
本发明所述天线工作时，信号从同轴馈电结构进入喇叭壳体内，依次穿过多个滤波腔，再透过圆极化阻抗匹配超材料透镜组向空间辐射。该圆极化阻抗匹配超材料透镜由多种双层微带单元构成，各种单元采用不同介电常数的介质材料以及不同尺寸的金属贴片结构，该设计可以使超材料透镜从中心向外形成既定的折射率分布，以满足透镜两侧与空气的交界面均能够和自由空间良好匹配，减小能量反射。同时，前端喇叭天线的相位中心与该透镜的焦点重合，喇叭辐射出的发散的电磁波经过透镜之后可以变得较为集中，从而提高天线增益。此外，该透镜组具备极化转换的功能，可以将喇叭天线的线极化波转换为圆极化波。
本发明具有如下优点：
高增益：本发明所述天线中的透镜对发散的电磁波具有汇聚作用，当喇叭天线的相位中心位于透镜焦点的时候。由喇叭天线辐射的发散电磁波，穿过透镜之后可以得到一定程度的聚集，因此天线的增益得到加强。
圆极化：本发明所述天线的透镜组中，采用了金属贴片切角设计。当电磁波到达透镜时，线极化电磁波被分解为两个正交分量。通过改变切角尺寸、透镜厚度等，可以调节两个正交分量的幅度和相位。当两个正交分量达到幅度相等、相位相差90°时，即可产生圆极化辐射。
滤波：本发明所述天线中包含多个滤波腔，相邻腔体之间能够通过隔片之间的缝隙以及隔片调谐孔来进行耦合，通过调节隔片之间的缝隙宽度以及隔片调谐孔的尺寸可以使相邻腔体之间的耦合系数达到既定值，从而在特定频段形成阻带抑制，对特定频段电磁波具有过滤的能力。

Claims (9)

1.一种高增益滤波喇叭天线，其特征在于：包括同轴馈电结构（1）、喇叭壳体（2）以及透镜组（3），所述同轴馈电结构（1）位于所述喇叭壳体（2）的尾端，所述透镜组（3）位于所述喇叭壳体（2）的首端开口内，所述同轴馈电结构（1）内设置有若干个阻抗匹配台阶，用于调节阻抗匹配，沿所述喇叭壳体（2）的轴向间隔的设置有若干个耦合隔片，所述透镜组（3）包括若干组透镜，信号从同轴馈电结构（1）进入喇叭壳体（2）内，依次穿过多个滤波腔，再透过透镜组（3）向空间辐射；
所述透镜组（3）包括外围透镜组、中间透镜组和中心透镜组，所述外围透镜组包括若干个外围透镜单元（301），外围透镜单元（301）之间整体排列成方形环状，所述中间透镜组位于所述外围透镜组与中心透镜组之间，所述中间透镜组包括若干个中间透镜单元（302），所述中间透镜单元（302）之间整体排列成方形环状，所述中心透镜组位于所述中间透镜组的中间，所述中心透镜组包括若干个中心透镜单元（303），中心透镜单元之间排列成矩形结构。
2.如权利要求1所述的高增益滤波喇叭天线，其特征在于：所述同轴馈电结构（1）包括同轴波导壳体（105），所述同轴波导壳体（105）的尾端通过固定板进行封闭，所述固定板上形成有通孔，同轴馈电金属柱（101）插入到所述通孔内，且其内端延伸到所述同轴波导壳体（105）内，所述同轴波导壳体（105）的上下侧内壁上对称的设置有第一阻抗匹配台阶（102）、第二阻抗匹配台阶（103）以及第三阻抗匹配台阶（104），所述第一阻抗匹配台阶（102）、第二阻抗匹配台阶（103）以及第三阻抗匹配台阶（104）从外向内设置，且所述第一阻抗匹配台阶（102）、第二阻抗匹配台阶（103）以及第三阻抗匹配台阶（104）的高度逐渐降低。
3.如权利要求2所述的高增益滤波喇叭天线，其特征在于：所述第三阻抗匹配台阶（104）延伸到所述同轴波导壳体（105）的中间。
4.如权利要求1所述的高增益滤波喇叭天线，其特征在于：所述喇叭壳体（2）呈现梯形筒状结构，其内部从左到右设置有两块第一耦合隔片（201）、两块第二耦合隔片（202）以及两块第三耦合隔片（203），两个所述第一耦合隔片（201）沿所述喇叭壳体（2）的前后方向设置，且两者之间具有间隔；两个所述第二耦合隔片（202）沿所述喇叭壳体（2）的前后方向设置，且两者之间具有间隔；两个所述第三耦合隔片（203）沿所述喇叭壳体（2）的前后方向设置，且两者之间具有间隔；第一耦合隔片（201）与第二耦合隔片（202）之间构成第一滤波腔（204），第二耦合隔片（202）与第三耦合隔片（203）之间构成第二滤波腔（205），第三耦合隔片（203）与透镜组（3）之间构成第三滤波腔（206）。
5.如权利要求4所述的高增益滤波喇叭天线，其特征在于：所述第二耦合隔片（202）的上设置有第二耦合隔片调谐孔（202-1），所述第三耦合隔片（203）的上设置有第三耦合隔片调谐孔（203-1）。
6.如权利要求1所述的高增益滤波喇叭天线，其特征在于：所述外围透镜单元（301）包括第一介质板（301-2）和第二介质板（301-1），所述第一介质板（301-2）位于所述第二介质板（301-1）的上侧，所述第一介质板（301-2）的上表面形成有第一金属贴片（301-4），所述第一介质板（301-2）与所述第二介质板（301-1）之间形成有第二金属贴片（301-3），所述第一介质板（301-2）与第二介质板（301-1）可以采用相同的介电材料或采用不同的介电材料；所述第一金属贴片（301-4）与所述第二金属贴片（301-3）的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
7.如权利要求1所述的高增益滤波喇叭天线，其特征在于：所述中间透镜单元（302）包括第三介质板（302-2）和第四介质板（302-1），所述第三介质板（302-2）位于所述第四介质板（302-1）的上侧，所述第三介质板（302-2）的上表面形成有第三金属贴片（302-4），所述第三介质板（302-2）与所述第四介质板（302-1）之间形成有第四金属贴片（302-3），所述第三介质板（302-2）与第四介质板（302-1）使用相同的介电材料或使用不同的介电材料；所述第三金属贴片（302-4）与所述第四金属贴片（302-3）的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
8.如权利要求1所述的高增益滤波喇叭天线，其特征在于：所述中心透镜单元（303）包括第五介质板（303-2）和第六介质板（303-1），所述第五介质板（303-2）位于所述第六介质板（303-1）的上侧，所述第五介质板（303-2）的上表面形成有第五金属贴片（303-4），所述第五介质板（303-2）与所述第六介质板（303-1）之间形成有第六金属贴片（303-3），所述第五介质板（303-2）与第六介质板（303-1）使用相同的介电材料或使用不同的介电材料；所述第五金属贴片（303-4）与所述第六金属贴片（303-3）的形状相同或者不同，外形可以为多边形结构。
9.如权利要求1所述的高增益滤波喇叭天线，其特征在于：所述天线工作在3.1GHz-10.6GHz的UWB频段内，并且在6.5GHz附近呈现一个阻带。
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