CN116885450A - 具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，涉及通信用天线技术领域，包括波导模耦合器，所述波导模耦合器的一端与强电磁脉冲防护器的一端连接，所述强电磁脉冲防护器的另一端与方圆过渡结构的一端连接，所述方圆过渡结构的另一端与圆锥喇叭天线的一端连接，所述圆锥喇叭天线的另一端为敞口设置，所述波导模耦合器、强电磁脉冲防护器、方圆过渡结构以及圆锥喇叭天线相连通，构成电磁传播的通道，通过所述强电磁脉冲防护器对输入的强电磁脉冲进行屏蔽。所述喇叭天线在工作频段内具备良好的双线/双圆极化辐射特性及强电磁脉冲防护能力，且体积较小。

Description

具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线

技术领域

本发明涉及通信用天线技术领域，尤其设计一种具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线。

背景技术

电磁脉冲是一种瞬变电磁现象，其时域波形一般具有陡峭的前沿，且脉冲宽度较窄，且在频域方面覆盖较宽的频带。例如核爆炸瞬间产生的电磁脉冲，其峰值场强极高，上升时间极短，其能量很大，作用范围广，能够对各种军用和民用的电子、电气设备与系统形成严重的威胁。而随着非核电磁脉冲武器如高功率微波武器、电磁脉冲弹等的出现，以及军用电子、电气设备的系统化、集成化，在极大地提高系统性能的同时，也增加了系统对电磁脉冲武器冲击的脆弱性。

电磁脉冲能量可通过多种耦合途径进入电子系统，涉及天线直接耦合；电线、电缆的耦合与传导；电磁脉冲对设备壳体的穿透；对金属壳体上缝、孔、洞的耦合以及金属框架、管道等的结构耦合。其中，天线是众多电子信息系统不可缺少的重要部件，处于电子信息系统的前端，是抵制强电磁脉冲信号的第一道屏障，其性能的优劣将直接关乎系统的安全性。强电磁脉冲对电子信息系统的破坏原理大致如下：首先电磁脉冲由天线、线缆和各种孔缝向内部渗透，其能量变成随时间、空间变化的大电流、大电压；然后把能量传输到内部脆弱的部位，如电子元器件、集成电路等，造成电子元器件、集成电路的损坏。

传统技术中通常在天线口径面上加载天线罩，以此来抵御强电磁脉冲带来的破坏。通过调研，发明人发现当前的技术中所采用的天线罩加载的方式虽然能够一定程度提高天线的抗强电磁脉冲的能力，但该形式显著增加了系统体积，对于系统小型化的发展趋势是不利的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种在工作频段内具备良好的双线/双圆极化辐射特性及强电磁脉冲防护能力，且体积较小的多极化喇叭天线。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，包括波导模耦合器，所述波导模耦合器的一端与强电磁脉冲防护器的一端连接，所述强电磁脉冲防护器的另一端与方圆过渡结构的一端连接，所述方圆过渡结构的另一端与圆锥喇叭天线的一端连接，所述圆锥喇叭天线的另一端为敞口设置，所述波导模耦合器、强电磁脉冲防护器、方圆过渡结构以及圆锥喇叭天线相连通，构成电磁传播的通道，通过所述强电磁脉冲防护器对输入的强电磁脉冲进行屏蔽。

进一步的技术方案在于：所述波导模耦合器包括上下设置的上盖板和下盖板，所述上盖板与所述下盖板固定连接后形成右端具有耦合器第一输入口，上侧面或下侧面上具有耦合器第二输入口，左端具有耦合器输出口的腔体结构，且所述腔体结构内形成有耦合腔，且所述耦合器第一输入口、耦合器第二输入口以及耦合器输出口与所述耦合腔相连通。

进一步的技术方案在于：所述上盖板的右端形成有上输入槽口，上输入槽口与上渐变金属槽的右端连接，所述上渐变金属槽的左端分别与两个上分支槽的一端连接，两个上分支槽的另一端汇合后与上直通槽的一端连接，所述上直通槽的另一端与上输出槽口连接，两个所述上分支槽之间的上盖板上形成有第一凸起结构，所述第一凸起结构的中部形成有向竖直设置的渐变波导，所述渐变波导的外端形成所述耦合器第二输入端口，且所述渐变波导与所述耦合腔相连通，所述上直通槽内形成有与所述第一凸起结构连接的第二凸起结构，所述第二凸起结构的上表面形成有上渐变凸台。

进一步的技术方案在于：所述下盖板的右端形成有下输入槽口，所述上输入槽口与所述下输入槽口构成所述耦合器第一输入口；下输入槽口与下渐变金属槽的右端连接，所述下渐变金属槽的左端分别与两个下分支槽的一端连接，两个下分支槽的另一端汇合后与下直通槽的一端连接，所述下直通槽的另一端与下输出槽口连接，所述上输出槽口与所述下输出槽口构成所述耦合器输出口；两个所述下分支槽之间的下盖板上形成有第三凸起结构，所述第三凸起结构的中部与所述渐变波导对应的位置形成有渐变台阶；所述下直通槽内形成有与所述第三凸起结构连接的第四凸起结构，所述第四凸起结构的上表面形成有下渐变凸台。

进一步的技术方案在于：所述上渐变金属槽以及所述下渐变金属槽的宽度从右到左逐渐增加，所述耦合器第一输入口为长度竖直设置的矩形口，所述耦合器输出口为长度水平设置的矩形口，所述耦合器第二输入口为矩形口。

进一步的技术方案在于：所述强电磁脉冲防护器包括第一传输波导，所述第一传输波导的两端分别连接有第一连接法兰和第二连接法兰，强电磁脉冲防护阵列紧密贴合在所述第一传输波导的内壁上。

进一步的技术方案在于：所述强电磁脉冲防护阵列紧包括若干个呈阵列状排列的强电磁脉冲防护单元；所述强电磁脉冲防护单元包括介质板，所述介质板的上表面形成一个十字开孔贴片，所述介质板的下表面形成有金属镀层，所述十字开孔贴片的十字开孔内设置有十字贴片，所述十字贴片与所述十字开孔贴片之间不直接接触，所述介质板的中心形成有贯穿介质板的金属柱，所述金属柱的上端与所述十字贴片的中心连接，所述金属柱的下端与所述金属镀层连接，所述十字贴片的四个端部与所述十字开孔贴片之间各连接有一个二极管；

当高功率电磁脉冲入射到强电磁脉冲防护单元中时，瞬时产生的感应电压会将二极管导通，此时破坏了强电磁脉冲防护单元的谐振状态，使得该结构处于一种防护状态，电磁波传输受阻，而在安全情况下，入射电磁波功率较低，此时结构中不会产生较强的感应电压，二极管处于关闭状态，此时强电磁脉冲防护单元处于一种透波状态，电磁波可以顺利通过，从而不影响所述多极化喇叭天线的正常工作。

进一步的技术方案在于：所述方圆过渡结构包括第二传输波导，所述第二传输波导的两端分别形成有第三连接法兰和第四连接法兰，所述第二传输波导与所述第一传输波导连接的一端具有方形口，所述第二传输波导与所述圆锥喇叭天线连接的一端具有圆形口。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述多极喇叭天线包括喇叭天线和强电磁脉冲防护器，强电磁脉冲防护器嵌套在喇叭天线的电磁传输路径当中。同时，采用三端口波导模耦合器，赋予天线多极化（水平极化、垂直极化、左旋圆极化、右旋圆极化）工作的能力。基于上述结构的喇叭天线，在工作频段内具备良好的双线/双圆极化辐射特性及强电磁脉冲防护能力，该设计方案相比传统的天线罩方案有着较大的优势。

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多极化喇叭天线的立体结构示意图1；

图2为本发明实施例所述多极化喇叭天线的立体结构示意图2；

图3为本发明实施例所述天线中波导模耦合器的立体结构示意图1；

图4为本发明实施例所述天线中波导模耦合器的立体结构示意图2；

图5为本发明实施例所述天线中波导模耦合器上下盖板的分离示意图；

图6为本发明实施例所述波导模耦合器中上盖板的结构示意图；

图7为本发明实施例中所述波导模耦合器沿中线的剖面图；

图8为本发明实施例中所述强电磁脉冲防护器的结构示意图1；

图9为本发明实施例中所述强电磁脉冲防护器的结构示意图2；

图10为本发明实施例中所述强电磁脉冲防护阵列的结构示意图；

图11为本发明实施例中所述强电磁脉冲防护单元的结构示意图；

图12为本发明实施例中所述强电磁脉冲防护单元的传输系数曲线；

图13为本发明实施例中所述方圆过渡结构的示意图1；

图14为本发明实施例中所述方圆过渡结构的示意图2；

图15为本发明实施例中所述方圆过渡结构的示意图3；

图16为本发明实施例中所述方圆过渡结构的示意图4；

图17为本发明实施例所述多极化喇叭天线沿中线的剖面图1；

图18为本发明实施例所述多极化喇叭天线沿中线的剖面图2。

其中：1、波导模耦合器；101、上盖板；1011、上输入槽口；1012、上渐变金属槽；1013、上分支槽；1014、渐变波导；1015、上渐变凸台；1016、上直通槽；102、下盖板；1021、下输入槽口；1022、下渐变金属槽；1023、下分支槽；1024、渐变台阶；1025、下渐变凸台；1026、下直通槽；103、耦合器第二输入口；104、耦合器第一输入口；105、耦合器输出口；

2、强电磁脉冲防护器；201、强电磁脉冲防护阵列；2011、金属镀层；2012、介质板；2013、十字开孔贴片；2014、十字贴片；2015、金属柱；2016、二极管；202、第一连接法兰；203、第一传输波导；204、第二连接法兰；

3、方圆过渡结构；301、方形口；302、第三连接法兰；303、第二传输波导；304、四连接法兰；305、圆形口；

4、圆锥喇叭天线。

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具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，包括波导模耦合器1、强电磁脉冲防护器2、方圆过渡结构3以及圆锥喇叭天线4等四部分，各部分之间通过法兰连接到一起。详细的，所述波导模耦合器1的一端与强电磁脉冲防护器2的一端连接，所述强电磁脉冲防护器2的另一端与方圆过渡结构3的一端连接，所述方圆过渡结构3的另一端与圆锥喇叭天线4的一端连接，所述圆锥喇叭天线4的另一端为敞口设置，所述波导模耦合器1、强电磁脉冲防护器2、方圆过渡结构3以及圆锥喇叭天线4相连通，构成电磁传播的通道，通过所述强电磁脉冲防护器2对输入的强电磁脉冲进行屏蔽。

进一步的，如图3-图4所示，所述波导模耦合器1包括上下设置的上盖板101和下盖板102，所述上盖板101和下盖板102使用金属材料制作。所述上盖板101与所述下盖板102固定连接后形成右端具有耦合器第一输入口104，上侧面或下侧面上具有耦合器第二输入口103，左端具有耦合器输出口105的腔体结构，且所述腔体结构内形成有耦合腔，且所述耦合器第一输入口104、耦合器第二输入口103以及耦合器输出口105与所述耦合腔相连通。所述耦合器第一输入口104为长度竖直设置的矩形口，所述耦合器输出口105为长度水平设置的矩形口，所述耦合器第二输入口103为矩形口。

天线产生多极化的过程如下：若第二输入口103和第一输入口104单独激励（未激励的输入口连接匹配负载），此时天线将进行水平/垂直线极化辐射。若第二输入口103和第一输入口104同时等幅、±90°相位差激励，此时天线将进行左/右旋圆极化辐射。

进一步的，如图6所示，所述上盖板101的右端形成有上输入槽口1011，上输入槽口1011与上渐变金属槽1012的右端连接，所述上渐变金属槽1012的左端分别与两个上分支槽1013的一端连接，上渐变金属槽1012的宽度从右到左逐渐增大；两个上分支槽1013的另一端汇合后与上直通槽1016的一端连接，所述上直通槽1016的另一端与上输出槽口连接，两个所述上分支槽1013之间的上盖板上形成有第一凸起结构，第一凸起结构的右端与所述上渐变金属槽1012相对的部分形成有第一尖端；所述第一凸起结构的中部形成有向竖直设置的渐变波导1014，所述渐变波导1014的外端形成所述耦合器第二输入端口103，且所述渐变波导1014与所述耦合腔相连通；所述上直通槽1016内形成有与所述第一凸起结构连接的第二凸起结构， 所述第二凸起结构位于所述所述第二凸起结构的上表面形成有上渐变凸台1015。

进一步的，如图5所示，所述下盖板102的右端形成有下输入槽口1021，所述上输入槽口1011与所述下输入槽口1021构成所述耦合器第一输入口104；下输入槽口1021与下渐变金属槽1022的右端连接，所述下渐变金属槽1022的左端分别与两个下分支槽1023的一端连接，下渐变金属槽1022的宽度从右到左逐渐增大；两个下分支槽1023的另一端汇合后与下直通槽1026的一端连接，所述下直通槽1026的另一端与下输出槽口连接，所述上输出槽口与所述下输出槽口构成所述耦合器输出口105；两个所述下分支槽1023之间的下盖板上形成有第三凸起结构，第三凸起结构的右端与所述下渐变金属槽1022相对的部分形成有第二尖端；所述第三凸起结构的中部与所述渐变波导1013对应的位置形成有渐变台阶1024；所述下直通槽1026内形成有与所述第三凸起结构连接的第四凸起结构，所述第四凸起结构的上表面形成有下渐变凸台1025。

本申请的上盖板101以及下盖板102中采用若干渐变结构，用于调节天线的阻抗匹配及极化特性。

图8和图9提供了强电磁脉冲防护器示意图，所述强电磁脉冲防护器2包括第一传输波导203，所述第一传输波导203的两端分别连接有第一连接法兰202和第二连接法兰204，强电磁脉冲防护阵列201紧密贴合在所述第一传输波导203的内壁上。如图10所示，所述强电磁脉冲防护阵列201包括若干个呈阵列状排列的强电磁脉冲防护单元，该结构为5×10的周期性阵列结构，所述强电磁脉冲防护器总共使用了4个5×10的周期性阵列结构。

进一步的，如图11所示，所述强电磁脉冲防护单元包括介质板2012，所述介质板2012的上表面形成一个十字开孔贴片2013，所述介质板2012的下表面形成有金属镀层2011，所述十字开孔贴片2013的十字开孔内设置有十字贴片2014，所述十字贴片2014与所述十字开孔贴片2013之间不直接接触，所述介质板2012的中心形成有贯穿介质板的金属柱2015，所述金属柱2015的上端与所述十字贴片2014的中心连接，所述金属柱2015的下端与所述金属镀层2011连接，所述十字贴片2014的四个端部与所述十字开孔贴片2013之间各连接有一个二极管2016；

图12为本发明所述强电磁脉冲防护结构的传输系数曲线。由图可知该结构在f1~f5频段内可以由透波状态切换为防护状态。强电磁脉冲防护的原理如下：当高功率电磁脉冲入射到强电磁脉冲防护结构中时，瞬时产生的感应电压会将二极管2016导通，此时破坏了强电磁脉冲防护结构的谐振状态，使得该结构处于一种防护状态，电磁波传输受阻，从而对系统起到保护作用。而在安全情况下，入射电磁波功率较低，此时结构中不会产生较强的感应电压，二极管2016处于关闭状态，此时强电磁脉冲防护结构处于一种透波状态，电磁波可以顺利通过，从而不影响所述多极化喇叭天线的正常工作。

图13至图16提供了所述方圆过渡结构的示意图，所述方圆过渡结构3包括第二传输波导303，所述第二传输波导303的两端分别形成有第三连接法兰302和第四连接法兰304，所述第二传输波导303与所述第一传输波导203连接的一端具有方形口301，所述第二传输波导303与所述圆锥喇叭天线4连接的一端具有圆形口305。

为了进一步明确所述一种具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线的内部结构，图17和图18提供了两个方向沿中线的剖面图。第三连接法兰302与第二连接法兰204连接后将所述强电磁脉冲防护器2与所述方圆过渡结构3连接到一起，第四连接法兰304与圆锥喇叭天线4上的法兰连接后将所述方圆过渡结构3与所述圆锥喇叭天线4连接到一起。

本发明所述天线采用波导模耦合器作为馈电端，可以产生多种极化形式的电磁波辐射；喇叭天线采用全金属结构，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广，不存在加工技术难题；电磁防护结构采用微带结构，加工工艺成熟，可靠性高，应用范围广，不存在加工技术难题；将电磁防护结构与天线深入融合，赋予了天线强电磁脉冲防护的能力，同时也有利于系统的小型化。

本发明实施例未提供结构的具体尺寸参数，因为对应不同的应用需求，将有不同的性能指标要求，因此尺寸并不固定。

Claims (10)

1.一种具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：包括波导模耦合器（1），所述波导模耦合器（1）的一端与强电磁脉冲防护器（2）的一端连接，所述强电磁脉冲防护器（2）的另一端与方圆过渡结构（3）的一端连接，所述方圆过渡结构（3）的另一端与圆锥喇叭天线（4）的一端连接，所述圆锥喇叭天线（4）的另一端为敞口设置，所述波导模耦合器（1）、强电磁脉冲防护器（2）、方圆过渡结构（3）以及圆锥喇叭天线（4）相连通，构成电磁传播的通道，通过所述强电磁脉冲防护器（2）对输入的强电磁脉冲进行屏蔽。

2.如权利要求1所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：所述波导模耦合器（1）包括上下设置的上盖板（101）和下盖板（102），所述上盖板（101）与所述下盖板（102）固定连接后形成右端具有耦合器第一输入口（104），上侧面或下侧面上具有耦合器第二输入口（103），左端具有耦合器输出口（105）的腔体结构，且所述腔体结构内形成有耦合腔，且所述耦合器第一输入口（104）、耦合器第二输入口（103）以及耦合器输出口（105）与所述耦合腔相连通。

3.如权利要求2所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：所述上盖板（101）的右端形成有上输入槽口（1011），上输入槽口（1011）与上渐变金属槽（1012）的右端连接，所述上渐变金属槽（1012）的左端分别与两个上分支槽（1013）的一端连接，两个上分支槽（1013）的另一端汇合后与上直通槽（1016）的一端连接，所述上直通槽（1016）的另一端与上输出槽口连接，两个所述上分支槽（1013）之间的上盖板上形成有第一凸起结构，所述第一凸起结构的中部形成有向竖直设置的渐变波导（1014），所述渐变波导（1014）的外端形成所述耦合器第二输入端口（103），且所述渐变波导（1014）与所述耦合腔相连通，所述上直通槽（1016）内形成有与所述第一凸起结构连接的第二凸起结构，所述第二凸起结构的上表面形成有上渐变凸台（1015）。

4.如权利要求3所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：所述下盖板（102）的右端形成有下输入槽口（1021），所述上输入槽口（1011）与所述下输入槽口（1021）构成所述耦合器第一输入口（104）；下输入槽口（1021）与下渐变金属槽（1022）的右端连接，所述下渐变金属槽（1022）的左端分别与两个下分支槽（1023）的一端连接，两个下分支槽（1023）的另一端汇合后与下直通槽（1026）的一端连接，所述下直通槽（1026）的另一端与下输出槽口连接，所述上输出槽口与所述下输出槽口构成所述耦合器输出口（105）；两个所述下分支槽（1023）之间的下盖板上形成有第三凸起结构，所述第三凸起结构的中部与所述渐变波导（1013）对应的位置形成有渐变台阶（1024）；所述下直通槽（1026）内形成有与所述第三凸起结构连接的第四凸起结构，所述第四凸起结构的上表面形成有下渐变凸台（1025）。

5.如权利要求4所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：所述上渐变金属槽（1012）以及所述下渐变金属槽（1022）的宽度从右到左逐渐增加，所述耦合器第一输入口（104）为长度竖直设置的矩形口，所述耦合器输出口（105）为长度水平设置的矩形口，所述耦合器第二输入口（103）为矩形口。

6.如权利要求1所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：所述强电磁脉冲防护器（2）包括第一传输波导（203），所述第一传输波导（203）的两端分别连接有第一连接法兰（202）和第二连接法兰（204），强电磁脉冲防护阵列（201）紧密贴合在所述第一传输波导（203）的内壁上。

7.如权利要求6所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：所述强电磁脉冲防护阵列（201）包括若干个呈阵列状排列的强电磁脉冲防护单元。

8.如权利要求7所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：所述强电磁脉冲防护单元包括介质板（2012），所述介质板（2012）的上表面形成一个十字开孔贴片（2013），所述介质板（2012）的下表面形成有金属镀层（2011），所述十字开孔贴片（2013）的十字开孔内设置有十字贴片（2014），所述十字贴片（2014）与所述十字开孔贴片（2013）之间不直接接触，所述介质板（2012）的中心形成有贯穿介质板的金属柱（2015），所述金属柱（2015）的上端与所述十字贴片（2014）的中心连接，所述金属柱（2015）的下端与所述金属镀层（2011）连接，所述十字贴片（2014）的四个端部与所述十字开孔贴片（2013）之间各连接有一个二极管（2016）；

当高功率电磁脉冲入射到强电磁脉冲防护单元中时，瞬时产生的感应电压会将二极管（2016）导通，此时破坏了强电磁脉冲防护单元的谐振状态，使得该结构处于一种防护状态，电磁波传输受阻，而在安全情况下，入射电磁波功率较低，此时结构中不会产生较强的感应电压，二极管（2016）处于关闭状态，此时强电磁脉冲防护单元处于一种透波状态，电磁波可以顺利通过，从而不影响所述多极化喇叭天线的正常工作。

9.如权利要求6所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：所述方圆过渡结构（3）包括第二传输波导（303），所述第二传输波导（303）的两端分别形成有第三连接法兰（302）和第四连接法兰（304），所述第二传输波导（303）与所述第一传输波导（203）连接的一端具有方形口（301），所述第二传输波导（303）与所述圆锥喇叭天线（4）连接的一端具有圆形口（305）。

10.如权利要求9所述的具备强电磁脉冲防护功能的多极化喇叭天线，其特征在于：第三连接法兰（302）与第二连接法兰（204）连接后将所述强电磁脉冲防护器（2）与所述方圆过渡结构（3）连接到一起，第四连接法兰（304）与圆锥喇叭天线（4）上的法兰连接后将所述方圆过渡结构（3）与所述圆锥喇叭天线（4）连接到一起。