CN115441194A - 一种宽带宽波束双脊喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带宽波束双脊喇叭天线，能够同时满足宽带、宽波束和低电压驻波比的要求，包括喇叭段，波导段，上脊波导，下脊波导，短路波导和射频同轴连接器；喇叭段的非脊壁采用金属条结构，在喇叭段始端，非脊壁和脊壁均开半椭圆形槽，上脊波导采用指数和三角混合渐变结构。本发明采用指数和三角混合曲线作为脊的渐变曲线，有利于获得良好的匹配特性；同时在喇叭段的始端，非脊壁和脊壁均开半椭圆型槽，非脊壁采用金属条结构，对于拓宽天线的E、H面的3dB波束宽带起着十分重要的作用，设计的天线在2‑6GHz带宽范围内具有稳定的方向图和低电压驻波比，在整个频带范围内E、H面的3dB波束宽带均＞60°，在宽带和宽波束领域具有十分广泛的应用场景。

Description

一种宽带宽波束双脊喇叭天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是一种宽带宽波束双脊喇叭天线。

背景技术

喇叭天线是一种面天线，由波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线。随着卫星导航、定位以及移动通信技术的飞速发展，为了满足特定用户需求，宽频带、宽波束天线成为了人们研究的热点之一。

虽然目前宽波束天线的种类比较多，如微带天线、旋转天线、振子反射器天线等，但以上几种天线存在一定的局限性，通常表现为带宽较窄、增益低。喇叭天线结构简单，功能多样，良好的辐射性能等优点被广泛应用在不同的军事、民用的电子系统中。在展宽喇叭天线工作频带的方法中，引入脊结构是最常用的方法。脊喇叭天线的馈电通常采用同轴脊波导转换结构，同轴线的外导体连接在波导边上，同轴线的内导体延伸并深入到相对脊波导内远离波导壁的位置，这样能够实现很好的阻抗匹配。从理论上来分析，喇叭天线的增益取决于喇叭的口径面大小，即喇叭的口径面越大，天线的增益越大，天线的波束会越窄。通常实际的工程应用中，天线的尺寸会受到一定限制，因此如何在保证口径面不变的情况下提高天线增益，即提高喇叭天线口径利用效率成为了一个难点。在喇叭天线中，其增益与波束宽度是一对矛盾，往往只能从中去一个折中，以符合特定的应用场景。但是，在一些应用场景下，要求其天线具有较宽的波束宽度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种在喇叭段开半椭圆槽、采用指数和三角混合脊曲线的宽带宽波束双脊喇叭天线，实现了不改变喇叭口径面的情况下有效的展宽了E面的波束宽度，保持了输入阻抗基本不变，驻波比 (VSWR)基本保持不变，实现了良好的匹配效果。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种宽带宽波束双脊喇叭天线，包括喇叭段，波导段，上脊波导，下脊波导，短波导，射频同轴连接器。

所述喇叭段为角锥喇叭结构，沿E面和H面线性展开，其末端和波导段相连接，两者结构为一体结构。所述喇叭段的非脊壁采用一个金属条结构，金属条结构上端与喇叭段口径面平齐，在脊壁和非脊壁均开半椭圆形的槽，所述上脊波导背面与所述喇叭段内侧相连接，为一体结构，其末端与下脊波导的上表面相连接，形成一体结构，脊的渐变由所述上脊波导和所述下脊波导的交界面开始，先以指数函数曲线延伸到A点，再从A点用三角函数曲线延伸到所述喇叭段的口径处。所述下脊波导背面与所述波导段内侧相连，为一体结构，其下表面与所述短波导上表面相连形成一体结构，所述下脊波导为长方体。所述短波导背面和底面均与所述波导段内测相连接，形成一体结构，所述短波导为长方体。所述上脊波导、下脊波导和短波导均沿着双脊中轴线对称的。所述的射频同轴连接器外导体通过螺钉与所述波导段的外壁短接，内导体一次穿过波导段、下脊波导的通孔与下脊波导的对称结构短接。所述波导段的横截面为矩形结构。

进一步的，所述的喇叭段为角锥喇叭结构，沿E面和H面线性展开，喇叭口径面的尺寸为73mm*48mm，非脊壁采用一个金属条结构，金属条结构上端与喇叭口径面平行E面的边重合，下端平行于上端。为了有效的拓宽喇叭天线E、 H面的波束宽度，在喇叭段的始端(喇叭口径面处)有脊壁面和非脊壁面均开半椭圆型槽。

进一步的，所述的上脊波导为对称结构，采用了新的喇叭脊形式，改善了天线的低频VSWR，有效的拓展了天线整体带宽。脊的曲线采用改进型指数与三角的混合曲线。指数曲线在HFSS(High Frequency Structure Simulator)HFSS中的参数方程如下：

三角曲线在HFSS中的参数方程如下：

式中：k1＝0.75，k2＝0.011，k3＝0.000001，length＝12mm，L1＝0.25*L，L＝54mm，w＝2.87mm。

所述下脊波导关于双脊喇叭天线的中心轴线对称设置。其结构为长方体结构，上端与所述波导段的上端平齐，与上脊波导一起组合成为喇叭天线的辐射臂。

进一步的，所述短波导关于双脊喇叭天线的中心轴线对称设置。为长方体结构。其作用主要是通过有效的滤除了波导内的TE20模，从而展宽喇叭天线的整体带宽。

进一步的，所述宽带宽波束双脊喇叭天线波导段的横截面为矩形。

进一步的，所述的射频同轴连接器包括SMA连接器和馈电探针。所述馈电探针包括金属内导体和包裹在金属内导体外的介质层，所述下脊波导和波导段上开有便于与所述馈电探针连接的圆孔，所述圆孔与所述馈电探针的介质层直径相同。所述同轴射频连接器采用SMA规范，特性阻抗为50Ω，外导体和波导段的外壁进行短接，其内芯穿过预留通孔和下脊波导短接，SMA接头内芯直径为 0.65mm，波导段与上脊波导的通孔直径为2.3mm，通孔中填充空气介质。

所述上脊波导、下脊波导和短路波导的厚度均为脊厚w＝2.87mm。

所述下脊波导和短路波导均为长方体结构，各自长宽高尺寸为： 8.90mm*2.87mm*6.53mm，6.2mm*2.87mm*5.22mm。

所述波导段的横截面是一个矩形，波导段的长宽高尺寸为： 24.48mm*18.28mm*12mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出一种喇叭段开半椭圆槽和指数与三角混合脊曲线的宽带宽波束双脊喇叭天线，改进型脊曲线(指数与三角混合曲线)对于改善低频电压驻波比，拓展整个天线的工作带宽是非常有效的。通过在喇叭段的始端开半椭圆型槽，可以显著的提高E、H面的3dB波束带宽，使E、H面在整个工作频段内的3dB波束宽度都＞60°

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种宽带宽波束双脊喇叭天线的三维图；

图2为本发明一种宽带宽波束双脊喇叭天线的主视图；

图3为本发明一种宽带宽波束双脊喇叭天线的俯视图；

图4为本发明一种宽带宽波束双脊喇叭天线的整个工作频段的VSWR图；

图5为本发明一种宽带宽波束双脊喇叭天线的2GHz的E、H面方向图；

图6为本发明一种宽带宽波束双脊喇叭天线的4GHz的E、H面方向图；

图7为本发明一种宽带宽波束双脊喇叭天线的6GHz的E、H面方向图。

具体实施方式

下面将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。

下面逐一对各步骤进行详细说明。

本发明提供一种宽带宽波束的双脊喇叭天线(简称天线，如图1、图2)，该天线包括喇叭段1，波导段2，上脊波导3，下脊波导4，短波导5，射频同轴连接器6。喇叭段1为角锥喇叭结构，沿E面和H面线性展开，喇叭段1的总高度为L＝54mm，如图1所示口径面的窄边平行于E面，宽边平行于H面，喇叭口径面的尺寸为73mm*48mm，非脊壁采用一个金属条结构，金属条结构上端与喇叭口径面窄边重合，下端平行于上端，下端的长度为38mm。有脊壁面开一个半椭圆形的槽，其椭圆圆心和短轴位于口径面宽边上，短轴长度为6.8mm,短轴与长轴之比为0.375；在非脊壁面同样开一个半椭圆形的槽，其椭圆圆心和短轴位于口径面窄边上，短轴长度为5.2mm,短轴于长轴之比为0.225，整个喇叭段1 的壁厚为1mm。在喇叭段1的始端采用开半椭圆槽和非脊壁采用一个金属条的形式有效的拓宽了喇叭天线E、H面的波束宽度，使天线在整个频段内E、H面的3dB波束宽度均＞60°。

在天线中，如图1和图2中的喇叭段1，波导段2，上脊波导3，下脊波导4，短路波导5都是沿着双脊中轴线对称的。天线的单边辐射臂是由图2中3和4 共同组成的，辐射壁的厚度为w＝2.87mm，图2所示的4是一个长方体，其长宽高尺寸是8.90mm*2.87mm*6.53mm，图2中上脊波导3的脊曲线是由指数与三角混合而成的，其中指数曲线在HFSS中的参数方程如下：

三角曲线在HFSS中的参数方程如下：

式中：k1＝0.75，k2＝0.011，k3＝0.000001，length＝12mm，L1＝0.25*L，L＝54mm，w＝2.87mm。

所述上脊波导3采用这种改进型曲线，有效的改善了天线的低频VSWR，对于拓展低频带宽起到了非常重要的作用，通过使用改进型曲线后可以去除传统双脊喇叭天线中的短路背板结构，在传统双脊喇叭天线中短路背板结构一般与图 2所示的短波导5形成后腔，通过调节射频同轴连接器6与短路板之间的距离和半路板的高度来拓展带宽，但是短路板在实际加工装配时时非常麻烦且费时的，因此使用上脊波导3采用这种改进型曲线可以是实际装配变得更加简单。

如图2中所示的短波导5其结构为长方体，长宽高尺寸为6.2mm*2.87mm*5.22mm。短波导有效的滤除了波导内的TE20模，对展宽带宽起了很大的作用。

图3是整个天线的俯视图，从图3中可以看出波导段2的横截面是一个矩形，波导段2的长宽高尺寸为：24.48mm*18.28mm*12mm。

图3中所示的6为射频同轴连接器，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0.65mm，波导段2与上脊波导3的通孔直径为2.3mm，通孔中填充空气介质。

图1所示实施例提供的一种宽带宽波束双脊喇叭天线，可工作于fL～fH频段(其中fL和fH分别表示最低和最高工作频率，且fH/fL＝3)，在宽带工作频段内，97％的频段驻波比小于2，剩余频段驻波比小于2.2；天线在整个频段内E、H面的3dB波束宽度均＞60°，方向图稳定，主瓣波束没有明显分裂。

参照图4，为图1结构的电压驻波比的仿真曲线图。可以看到在2-6GHz这个品频段内97％的频带电压驻波比小于2，仅低频在3％频带内电压驻波比小于 2.2。说明本发明在2-6GHz频段内具有良好的阻抗特性。

参照图5、图6和图7，为图1结构的2GHz、4GHz、6GHz的E、H面仿真方向图。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。

本发明采用指数和三角混合曲线作为脊的渐变曲线，有利于获得良好的匹配特性；同时在喇叭段的始端，非脊壁和脊壁均开半椭圆型槽，非脊壁采用金属条结构，对于拓宽天线的E、H面的3dB波束宽带起着十分重要的作用，所设计的天线在2-6GHz带宽范围内具有稳定的方向和低电压驻波比，在整个频带范围内 E、H面的3dB波束宽带均＞60°，在宽带和宽波束领域具有十分广泛的应用场景。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种宽带宽波束双脊喇叭天线，其特征在于：包括喇叭段，波导段，上脊波导，下脊波导，短路波导和射频同轴连接器；所述喇叭段为角锥喇叭结构，沿E面和H面线性展开，底端与波导段连接，所述上脊波导的背面与喇叭段内侧连接形成一个整体，底端与下脊波导上端短接，上脊波导的脊曲线采用指数和三角混合曲线，所述下脊波导底端与短路波导的上端短接，下脊波导背面与波导段内侧连接，短路波导的背面和底面均与波导段相连接，所述波导段的横截面为矩形，所述射频同轴连接器包括SMA连接器和馈电探针，所述馈电探针包括金属内导体和包裹在金属内导体外的介质层，所述下脊波导和波导段上开设有便于与所述馈电探针连接的圆孔，所述圆孔与所述馈电探针的介质层直径相同。

2.根据权利要求1所述的一种宽带宽波束双脊喇叭天线，其特征在于：所述喇叭段的非脊壁采用金属条结构，与射频同轴连接器的探针方向平行，金属条结构上端与喇叭口径面窄边重合，所述喇叭段始端的有脊壁面和非脊壁面均开有半椭圆形槽。

3.根据权利要求2所述的一种宽带宽波束双脊喇叭天线，其特征在于：所述上脊波导为对称结构，采用了新的喇叭脊形式，脊曲线是由指数与三角混合而成的，其中指数曲线在HFSS中的参数方程如下：

三角曲线在HFSS中的参数方程如下：

式中：k1＝0.75，k2＝0.011，k3＝0.000001，length＝12mm，L1＝0.25*L，L＝54mm，w＝2.87mm。

4.根据权利要求1所述的一种宽带宽波束双脊喇叭天线，其特征在于：所述上脊波导、下脊波导和短路波导的厚度均为脊厚w＝2.87mm。

5.根据权利要求1所述的一种宽带宽波束双脊喇叭天线，其特征在于：所述下脊波导和短路波导均为长方体结构，所述下脊波导和短路波导关于双脊喇叭天线的中心轴线对称设置。

6.根据权利要求1所述的一种宽带宽波束双脊喇叭天线，其特征在于：所述波导段的横截面是一个矩形，波导段的长宽高尺寸为：24.48mm*18.28mm*12mm。

7.根据权利要求1所述的一种宽带宽波束双脊喇叭天线，其特征在于：所述同轴射频连接器采用SMA规范，特性阻抗为50Ω，外导体和波导段的外壁进行短接，其内芯穿过预留通孔和下脊波导短接，SMA接头内芯直径为0.65mm，波导段与上脊波导的通孔直径为2.3mm，通孔中填充空气介质。

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