CN115528434A - 一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，由矩形开口脊波导、对称双脊结构、末端环形封闭圈、封闭圈支撑件和同轴馈电结构等组成。所述的矩形开口脊波导的第一端封闭、第二端具有开口；所述对称双脊结构的外脊线为直线、内脊线由两种函数曲线构成；所述对称双脊结构的具有脊端加载；所述末端环形封闭圈在脊的末端构造了环形结构，作为喇叭天线的最外侧开口；所述的封闭圈支撑件呈开口支撑杆形状，安装在开口波导上支撑末端环形封闭圈；所述的同轴馈电结构通过开口波导侧壁上的通孔与双脊结构电连接。本申请改善了超宽带双脊喇叭天线因高频方向图开裂导致的增益骤降问题，提升了天线的增益平稳性，同时解决了低频电压驻波比高的问题。

Description

一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线。

背景技术

随着信息技术的迅速发展，各种各样的信息传输技术应运而生，给社会的进步、人们的生活产生深远的影响。在整个通信系统中，无线通信系统凭借其成本低、可移动等优点占据了重要的地位。随着用户数量的增加，信息量急剧上升，对无线通信的资源分配有了更高的要求。为了避免由信道拥塞造成的通信干扰，系统宽带化称为无线通信发展中最为急切的问题，只有能够实现了系统级的宽带化，才能有效地、准确地提高数据的传输速率，才能大范围地实现无线通信业务的融合，才能在真正意义上达到现代无线通信的要求。为此，技术人员研究出各种对应的业务，超宽带(Ultra-Wide Band)技术从定义上就规定了宽带化，并且以其超大的空间容量、超高的传输效率以及超低的功率损耗等显著特点，在无线局域网(WLAN)、无线个人网(WPAN)等多种短距离的高速无线通信系统中快速发展。军事通信的发展更倾向于宽带化、集成化、数字化、智能化，所以超宽带通信技术在军事通信中的应用前景是可观的，发展至今，超宽带技术同样也已经深入民用的研究，在雷达、无线的通信系统、精确定位、电子对抗等领域都应用甚广。

超宽带技术主要朝窄脉冲、高定向性、高峰值功率和高重复频率的方向发展。传统意义上，将超宽带天线定义为：天线的阻抗特性和方向特性能够在一个很宽的工作频带内保持不变或这稍有变化，这个工作频带的最高工作频率与最低工作频率之比是10：1，也可能更大。近年来，超宽带天线已广泛应用于电磁兼容性(EMC)测试、探地雷达、扩频和宽带通信以及脉冲雷达等领域，同时超宽带技术也涉及到了医学方面，比如用于检测人体癌细胞、靶向医学机器人等，这些应用都具有非常实际的、迫切需求的意义。于此同时，超宽带天线依然存在许多待解决的问题，包括天线的结构设计、频带展宽、损耗等问题，其中，双脊喇叭天线作为超宽带通信系统的最前端，需满足较高的指标，即需要保证大带宽和高效率。

常规双脊喇叭的脊曲线一般为指数函数曲线，这一类双脊喇叭在高频即12GHz及以上频点会出现因方向图主瓣开裂导致的增益骤降问题以及低频电压驻波比出现较高尖峰的问题。为了满足双脊喇叭天线适应宽频带的要求，就必须消除其在高频段因方向图主瓣开裂导致的增益骤降问题以及低频电压驻波比出现较高尖峰的问题。

发明内容

本申请所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术中的不足，提供了一种具有脊端加载的双脊喇叭天线，旨在提升天线带宽，避免高频段因方向图主瓣开裂导致的增益骤降问题以及低频电压驻波比出现较高尖峰的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出的具有脊端加载的双脊喇叭曲线包括矩形开口脊波导、对称双脊结构、末端环形封闭圈、封闭圈支撑件、同轴馈电结构。所述矩形开口脊波导整体呈长方体，其第一端封闭，第二端具有开口；矩形开口脊波导的中间有两条对称的脊，矩形开口脊波导的安装脊的侧壁以及对应的脊上开有一具有阶梯的通孔，通孔的第一阶的直径大于通孔的第二阶的直径。所述对称双脊结构包括两片对称的脊板，每片脊板的外脊线为直线，内脊线由两种函数曲线构成，即内脊线上下两段分别由指数函数曲线和椭圆函数曲线构成。所述对称双脊结构的两片对称脊板上均有一段脊端加载，脊端加载的形状由三阶贝塞尔函数曲线决定。所述末端环形封闭圈在脊的末端构造了环形结构，作为喇叭天线的最外侧开口。所述封闭圈支撑件呈开口撑杆形状，安装在矩形开口脊波导上支撑末端环形封闭圈。所述同轴馈电结构通过矩形开口脊波导侧壁上通孔与另一片脊板进行电学连接。

上述具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线在矩形脊波导天线的基础上整合了对称双脊结构、脊端加载、末端环形封闭圈、同轴馈电结构，避免了由于高频方向图主瓣开裂导致的增益骤降问题，从而提升了天线工作频带内的增益平稳性，同时避免了低频电压驻波比出现较高尖峰，从而提升天线的工作带宽了。其中矩形脊波导可以有效降低波导的主模截止频率，从而实现比同尺寸的波导更长的工作带宽。对称双脊结构内脊线由两种函数曲线构成：靠近矩形开口脊波导的一段采用传统的带有线性项的指数函数曲线，与环形封闭圈连接的一段采用椭圆函数曲线。这样的脊曲线一方面具有传统采用指数函数脊曲线提升双脊喇叭天线的带宽的优点，另一方面与环形封闭圈连接的椭圆函数曲线具有变化平缓且曲线最高点高出双脊喇叭的口面的特点，使得阻抗匹配效果比指数函数曲线更优，从而避免了由于高频方向图主瓣开裂导致的增益骤降问题，从而提升了带内增益的平稳性。对称双脊结构的两片对称脊板均有一段脊端加载，其形状由三阶贝塞尔函数决定，脊端加载能有效地避免低频电压驻波出现尖峰的问题，从而降低低频的电压驻波比。利用一片脊板上的阶梯状通孔作为同轴馈电结构的外壁进行馈电，使得天线与50欧姆同轴线之间又增加了一段阻抗变换段，有助于提升双脊喇叭天线的低频电性能。

进一步地，矩形开口脊波导中的脊在垂直方向上呈阶梯状，脊靠近矩形开口波导第一端的宽度小于脊靠近第二端的宽度。这有利提升双脊喇叭天线得低频的典型能，同时为同轴馈电结构的芯线与脊板的焊接留出了操作空间。

进一步地，矩形开口脊波导安装脊的侧壁的长度大于没有安装脊的侧壁的长度。这能够防止对称双脊结构之间的距离过大，影响天线的高频性能。

进一步地，对称双脊结构的内脊线靠近矩形开口波导的一段的在YOZ面的函数表达式如下：

其中，z为脊线上点的z轴坐标，取值范围为

其中h₁为矩形开口脊波导的高度、h₂为矩形开口脊波导开口端至喇叭开口端的垂直距离，K₁、K₂、K₃为确定该段脊线形状的参数，此为带线性项的指数函数，在与阻抗变换段连接的部分使用此函数曲线，有利保持传统双脊喇叭天线大带宽的优点。

进一步地，对称双脊的内脊线靠近末端环形封闭圈的一段在YOZ面的函数表达式如下：

其中φ为该段内脊线在YOZ面内扫过的角度，范围为外脊线与Y轴夹角φ₁至180°，参数a由下式定义：

其中

参数b由下式定义：

其中φ₁为外脊线与Y轴的夹角。通过调节φ的值可以调整该段脊曲线的形状，使得脊曲线在双脊喇叭天线开口处的变化更加平缓，从而避免了由于高频方向图主瓣开裂导致的增益骤降问题，提升带内增益的平稳性。

进一步地，对称双脊结构的两片脊板上均具有一段脊端加载，其形状由三阶贝塞尔函数曲线决定，该曲线在YOZ面的函数表达式为：

y＝(1-α)³×y₁+3×α×(1-α)²×y₂+3×α²×(1-t)×y₃+α³×y₄

z＝(1-α)³×z₁+3×α×(1-α)²×z₂+3×α²×(1-t)×z₃+α³×z₄

其中，参数α的取值范围为0<α<1，内脊线起点为A点，坐标为(z₁,y₁)；内脊线的终点为D点，坐标为(z₄,y₄)；在内脊线上选取两点B和C，B点坐标为(z₂,y₂)，C点坐标为(z₃,y₃)，通过调节B点和C点的位置参数来调节脊端加载曲线的形状，脊端加载能有效地避免低频电压驻波出现尖峰的问题，从而降低低频的电压驻波比。

进一步地，对称双脊结构的顶端高于末端环形封闭圈。这可以增长脊曲线的长度，使得双脊喇叭天线开口处的阻抗变化更加平缓，改善了双脊喇叭天线的阻抗匹配。

进一步地，封闭圈支撑件呈开口支撑杆形状，安装在矩形开口脊波导的上端支撑末端环形封闭圈。这样可以抑制双脊喇叭天线的高次模，提升其高频电性能。

进一步地，矩形开口脊波导侧壁与脊上的通孔作为同轴馈电结构的外壁，同轴馈电结构的芯线由射频接头延伸出的金属针构成。脊与矩形开口脊波导侧壁连接等于接地，金属针接入另一片脊进行馈电。

进一步地，同轴馈电结构靠近射频接头的一段的特性阻抗为50欧姆，靠近另一脊板的一段则为阻抗变换段，其特性阻抗不是50欧姆。在同轴馈电段增加一段阻抗变换段可以改善天线的阻抗匹配，提升天线的低频电性能。

本申请取得的技术成果体现在下面几个方面：

第一，对称双脊结构的内脊线由两种函数曲线构成，即与矩形开口脊波导连接的一段采用传统的带有线性项的指数函数，与环形封闭圈连接的一段采用椭圆函数，通过关联调整两个函数的参数改变内脊线的形状，使得天线的阻抗变换更加的平滑，从而避免由高频方向图主瓣开裂导致的增益骤降问题，提升了带内增益的平稳性。

第二，对称双脊结构的两片脊板上均具有一段脊端加载，其形状由三阶贝塞尔函数曲线决定，通过调节三阶贝塞尔函数曲线的参数使得低频的阻抗变换更加的平缓，能有效避免低频电压驻波比出现尖峰的问题，从而降低天线低频的电压驻波比。

第三，对称双脊结构的顶端高于末端封闭环，可以增长脊曲线的长度，从而使得双脊喇叭天线开口处的阻抗变换更加平缓，改善了双脊喇叭天线的阻抗匹配。

第四，封闭圈支撑件呈开口支撑杆形状，这样可以抑制双脊喇叭天线高次模的产生，提升了高频的阻抗匹配。

第五，同轴馈电结构靠近射频接头的一段的特性阻抗为50欧姆，靠近另一脊板的一段为阻抗变换段，其特性阻抗不是50欧姆。在同轴馈电段增加一段阻抗变换段可以改善天线的阻抗匹配，提升天线的低频电性能。

仿真结果表明，本申请提供的双脊喇叭天线在0.8～16GHz频段的电压驻波比小于2，增益在4～18dBi之间，避免了高频方向图主瓣开裂导致的增益骤降问题，提升了带内增益的稳定性，同时通过增加脊端加载能有效避免低频电压驻波比出现尖峰的问题，降低了低频的电压驻波比。

附图说明

图1为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的结构示意图；

图1a为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线在YOZ面的平面图；

图2为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的矩形开口脊波导单独结构示意图；

图3a为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的对称双脊结构示意图；

图3b为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的单片脊板的结构示意图；

图4为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的末端封闭圈及支撑件结构示意图；

图5为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的同轴馈电结构示意图；

图6为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的电压驻波比曲线与无脊端加载的喇叭天线的电压驻波比曲线；

图7为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的频率增益曲线；

图8a为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的E面典型方向图。

图8b为本实用新型的具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线的H面典型方向图。

图中附图标记说明：1为矩形开口脊波导；2为对称双脊结构；3为末端环形封闭圈；4为封闭圈支撑件；5为同轴馈电结构；1-1为矩形开口脊波导的第一端；1-2为矩形开口脊波导的第二端；1-3为矩形开口脊波导的第一片脊；1-4为矩形开口脊波导的第二片脊；2-1为对称双脊结构的第一片脊；2-2为对称双脊结构的第二片脊；2-3为对称双脊结构第一片脊上的脊端加载；2-4为对称双脊结构第二片脊上的脊端加载；2-1-1为对称双脊结构的第一片脊的外脊线；2-1-2为对称双脊结构的第一片脊上的内脊线；2-2-1为对称双脊结构的第二片脊的外脊线；2-2-2为对称双脊结构的第二片脊的内脊线；2-1-2-1为曲线变换段上由指数函数定义的部分；2-1-2-2为曲线变换段上由椭圆函数定义的部分；4-1为封闭圈支撑件的第一根支撑杆；4-2为封闭圈支撑件的第二根支撑杆；4-3为封闭圈支撑件的第三根支撑杆；4-4为封闭圈支撑件的第四根支撑杆；5-1为同轴馈电结构的芯线；5-2为同轴馈电结构的腔体；5-2-1为同轴馈电结构的50Ω段；5-2-2为同轴馈电结构的阻抗变换段。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图5，本申请提供的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线包括矩形开口脊波导1、对称双脊结构2、末端环形封闭圈3、封闭圈支撑件4以及同轴馈电结构5。

所述矩形开口脊波导1整体呈矩形波导结构，其第一端1-1封闭，其第二端1-2具有开口，如图2所示。矩形开口脊波导1的长侧壁上装有两条对称的脊1-3和1-4，两条脊在垂直方向上呈阶梯状，其靠近矩形开口波导1第一端1-1小于其靠近第二端1-2的宽度，如图5所示。在本实施例中，矩形开口脊波导1的腔体高度h₁为38mm，腔体横截面的长度为68mm，宽度为51mm，侧壁厚度为2mm，阶梯状脊1-3和1-4的厚度为6.8mm，靠近第一端1-1的一段高度为14.5mm，宽度为17.2mm，靠近第二端1-2的一段高度为22.6mm，宽度为22.8mm。

请参阅图3a和图3b，所述对称双脊结构2包括两片对称的脊板2-1和2-2，以其中的一片脊板2-1为例，其包含外脊线2-1-1和内脊线2-1-2，如图3a所示。内脊线2-1-2由2-1-2-1、2-1-2-2两段组成，其中2-1-2-1段由指数函数定义，2-1-2-2段由椭圆函数定义。2-3为脊端加载，其形状由三阶贝塞尔函数定义。

进一步地，内脊线靠近矩形开口脊波导1的一段2-1-2-1在YOZ面的函数表达式为：

其中，z为内脊线2-1-2上点的z轴坐标，取值范围为

h₂为矩形开口脊波导开口端至喇叭开口端的垂直距离，K₁、K₂、K₃为确定该段脊线形状的参数。在本实施例中，h₂为160mm，l₁为25mm，K₁为0.75，K₂为0.0011，K₃为1*exp(-6)。

进一步地，内脊线靠近末端环形封闭圈4的一段2-1-2-2在YOZ面的函数表达式为：

其中为该段曲线在YOZ面内扫过的角度，范围为外脊线2-2-1与Y轴夹角φ₁至180°，参数a由下式定义：

其中

参数b由下式定义：

在本实施例中，φ₁为76°，通过调节φ值可以调整该段脊曲线的形状，使得脊曲线在双脊喇叭天线开口处的变化更加平缓，从而避免了因高频方向图开裂导致的增益骤降问题。

进一步地，对称双脊结构的两片脊板上均具有一段脊端加载2-3、2-4，其形状由三阶贝塞尔函数曲线决定，其在YOZ面的函数表达式为：

y＝(1-α)³×y₁+3×α×(1-α)²×y₂+3×α²×(1-t)×y₃+α³×y₄

z＝(1-α)³×z₁+3×α×(1-α)²×z₂+3×α²×(1-t)×z₃+α³×z₄

其中，参数α的取值范围为0<α<1，内脊线起点为A点，坐标为(y₁,z₁)；内脊线的终点为D点，坐标为(y₄,z₄)；在内脊线上选取两点B和C，B点坐标为(y₂,z₂)，C点坐标为(y₃,z₃)。在本实施例中，A点坐标为(0，0.68)，B点坐标为(10，20)，C点坐标为(45，166)，D点坐标为(66.7，155.5)，同时脊端的厚度为3mm，如图3b所示。脊端加载可使天线低频的阻抗变换更加平缓，从而避免了低频电压驻波比出现较高尖峰的问题，降低了低频的电压驻波比。

进一步地，请参阅图1a，对称双脊结构2的顶端高于末端封闭圈3，这可以增长脊曲线的长度，使得双脊喇叭天线开口处的阻抗变化更加平缓，改善了双脊喇叭天线的阻抗匹配。

进一步地，请参阅图4，封闭圈支撑件4呈开口支撑杆形状，由四根开口支撑杆4-1、4-2、4-3、4-4组成，安装在矩形开口脊波导1的上端支撑末端环形封闭圈，可以抑制双脊喇叭天线的高次模，提升其高频电性能。

进一步地，请参阅图5，矩形开口脊波导1的侧壁与脊1-3上的阶梯状通孔5-2为同轴馈电结构5的外壁，5-1为同轴馈电结构5的芯线。同轴馈电结构5靠近射频接头的一段为50Ω段5-2-1，靠近另一脊板的一段为阻抗变换段5-2-2，增加阻抗变换段5-2-2可以改善天线的阻抗匹配，提升天线的低频电性能。

请参阅图6，此为双脊喇叭天线的电压驻波比曲线。本申请实施例的工作频段为0.8GHz至16GHz，在此频段内天线的电压驻波比＜2，天线的相对工作带宽为1：20，具有脊端加载的天线与无脊端加载的天线对比，低频0.8-1.5GHz的电压驻波比有明显改善。

请参阅图7，此为双脊喇叭天线的频率-增益曲线。本申请实施例的工作频段为0.8GHz至16GHz，在此频段内天线的最小增益为4dBi，天线的最大增益为18dBi，增益在整个频段内变化平缓，无因高频方向图开裂导致的增益骤降问题。

请参阅图8a，此为双脊喇叭天线的E面典型方向图。此为本申请实施例在0.8GHz、8GHz和16GHz频点的E面方向图，方向图无开裂。

请参阅图8b，此为双脊喇叭天线的H面典型方向图。此为本申请实施例在0.8GHz、8GHz和16GHz频点的H面方向图，方向图无开裂。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征是，包括矩形开口脊波导、对称双脊结构、末端环形封闭圈、封闭圈支撑件和同轴馈电结构；

所述矩形开口脊波导整体呈长方体，其第一端封闭，第二端具有开口；矩形开口脊波导的中间有两条对称的脊，矩形开口脊波导的安装脊的侧壁以及对应的脊上开有一具有阶梯的通孔，通孔的第一阶的直径大于通孔的第二阶的直径；

所述对称双脊结构包括两片对称的脊板，每片脊板的外脊线为直线，内脊线为由两种函数构成的脊曲线，下段脊曲线为指数函数曲线，上段脊曲线为椭圆函数曲线；

所述对称双脊结构的两片对称脊板上均有一段脊端加载，脊端加载的形状由三阶贝塞尔函数曲线决定；

所述末端环形封闭圈在脊的末端构造了环形结构，作为喇叭天线的最外侧开口；

所述封闭圈支撑件呈开口撑杆形状，安装在矩形开口脊波导上支撑末端环形封闭圈；

所述同轴馈电结构通过矩形开口脊波导侧壁上的阶梯状通孔与另一片脊板进行电学连接。

2.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征是：矩形开口脊波导中的脊在垂直方向上呈阶梯状，脊靠近矩形开口波导第一端的宽度小于脊靠近第二端的宽度。

3.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征为：矩形开口脊波导安装脊的侧壁的长度大于没有安装脊的侧壁的长度。

4.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征为：对称双脊的内脊线的曲线变化段靠近矩形开口波导的一段为指数函数曲线，其在YOZ面的函数表达式为：

其中，z为脊线上点的z轴坐标，取值范围为

其中h₁为矩形开口脊波导的高度、h₂为矩形开口脊波导开口端至喇叭开口端的垂直距离，K₁、K₂、K₃为确定该段脊线形状的参数。

5.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征为：对称双脊的内脊线的曲线变化段靠近末端环形封闭圈的一段为椭圆函数曲线，其在YOZ面的函数表达式为：

其中φ为该段内脊线在YOZ面内扫过的角度，范围为外脊线与Y轴夹角至180°，参数a由下式定义：

其中

参数b由下式定义：

其中φ₁为外脊线与Y轴的夹角。

6.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征为：

对称双脊结构的两片脊板上均具有一段脊端加载，其形状由三阶贝塞尔函数决定，该曲线在YOZ面的函数表达式为：

y＝(1-α)³×y₁+3×α×(1-α)²×y₂+3×α²×(1-t)×y₃+α³×y₄

z＝(1-α)³×z₁+3×α×(1-α)²×z₂+3×α²×(1-t)×z₃+α³×z₄

其中，参数α的取值范围为0<α<1，内脊线的曲线变化段起点为A点，坐标为(y₁,z₁)；内脊线的终点为D点，坐标为(y₄,z₄)；然后再YOZ平面内选取两点B和C，B点坐标为(y₂,z₂)，C点坐标为(y₃,z₃)，通过调节B点和C点的位置参数来调节脊端加载的形状。

7.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征为：对称双脊结构的顶端高于末端环形封闭圈。

8.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征为：封闭圈支撑件呈开口支撑杆形状，安装在矩形开口脊波导的上端支撑末端环形封闭圈。

9.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征为：矩形开口脊波导侧壁与脊上的通孔作为同轴馈电结构的外壁，同轴馈电线的芯线由射频接头延伸出的金属针构成。

10.权利要求1所述的一种具有脊端加载的超宽带双脊喇叭天线，其特征为：所述同轴馈电结构靠近射频接头的一段的特性阻抗为50欧姆，靠近另一脊板的一段则为阻抗变换段，其特性阻抗不是50欧姆。

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