CN203589217U - 喇叭天线及具有该喇叭天线的平板卫星天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种喇叭天线及具有该喇叭天线的平板卫星天线，喇叭天线应用于平板卫星天线，该喇叭天线包括张角段和与张角段相连的波导过渡段，并且，张角段的张角为3～15度。本实用新型提供的喇叭天线，采用张角为3～15度的张角段，能够扩大喇叭天线的照射角度，提高了喇叭天线的口面效率，能够有效克服超材料卫星平板天线的反射面板利用率低的技术问题。

Description

喇叭天线及具有该喇叭天线的平板卫星天线

技术领域

本实用新型涉及卫星天线领域，特别地，涉及一种喇叭天线。此外，本实用新型还涉及一种具有上述喇叭天线的平板卫星天线。 

背景技术

现有的喇叭天线，由于其照射角度不够，当应用在超材料卫星平板天线上时，会导致超材料卫星平板天线的反射面板利用率不高，从而限制了天线的口面效率。 

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种喇叭天线及具有该喇叭天线的平板卫星天线，以解决现有喇叭天线应用到超材料平板卫星天线上之后导致反射面板利用率低的技术问题。 

为实现上述目的，根据本实用新型的另一个方面，提供了一种喇叭天线，应用于平板卫星天线，包括张角段和与张角段相连的波导过渡段，张角段的张角为3～15度。 

进一步地，张角段的长度为65～100mm。 

进一步地，张角段的扩张端内径为29～60mm，张角段的收缩端内径为15～22mm。 

进一步地，张角段的扩张端内径为31mm，张角段的收缩端内径为20mm，张角段的长度为90mm。 

进一步地，波导过渡段的内径与张角段的收缩端内径相等。 

进一步地，波导过渡段的长度为30～50mm。 

进一步地，张角段与波导过渡段的壁厚相等。 

进一步地，喇叭天线的工作频段为X波段、Ku波段、或Ka波段。 

根据本实用新型的另一个方面，还提供了一种平板卫星天线，具有馈源，该馈源为上述喇叭天线。 

进一步地，平板卫星天线为超材料平板卫星天线，包括片状的基材、设置在基材中或基材上的多个导电几何结构、以及位于基材下表面的反射层。 

本实用新型具有以下有益效果： 

本实用新型提供了一种喇叭天线及具有该喇叭天线的平板卫星天线，喇叭天线应用于平板卫星天线，该喇叭天线包括张角段和与张角段相连的波导过渡段，并且，张角段的张角为 3～15度。本发明提供的喇叭天线，采用张角为3～15度的张角段，使喇叭天线的10dB角的照射角度由60°至70°增至100°以上，能够显著地扩大喇叭天线的照射角度，提高了喇叭天线的口面效率，能够有效克服超材料卫星平板天线的反射面板利用率低的技术问题。 

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。 

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中： 

图1是本实用新型优选实施例的喇叭天线轴向剖面结构示意图； 

图2是本实用新型优选实施例的平板卫星天线的立体结构示意图； 

图3是本实用新型优选实施例的平板卫星天线的剖面结构示意图； 

图4是本实用新型的示例性人造微结构结构； 

图5是本实用新型优选实施例的喇叭天线轴的驻波比仿真结果示意图； 

图6是本实用新型优选实施例的喇叭天线轴在12GHz工作频段工作时的方向图；以及 

图7是本实用新型优选实施例的喇叭天线轴在14GHz工作频段工作时的方向图； 

其中，在图6中，增益值Phi为90，工作频率为12.25，主瓣幅度为11.9dB，主瓣方向为0.0deg，角度宽度为85.2de，旁瓣电平为-24.6dB；在图7中，增益值Phi为90，工作频率为14，主瓣幅度为12.9dB，主瓣方向为0.0deg，角度宽度68.6deg，旁瓣电平为-20dB。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。 

本实用新型提供了一种喇叭天线，该喇叭天线可以应用于平板卫星天线，图1是本实用新型优选实施例的喇叭天线轴向剖面结构示意图，如图1所示，喇叭天线包括两部分，分别为张角段10以及与该张角段10相连接的波导过渡段30，其中，张角段10的形成的张角为3度至15度。由于平板卫星天线具有高效率的传播特性，市场上对平板卫星天线的需求越来越多。原有的适用于抛物面天线的喇叭天线，由于照射角度的限制，导致平板卫星天线的反射面板利用率较低，从而限制了平板卫星天线的口面效率。 

本实用新型中，将喇叭天线的张角段10的张角设计成3度至15度，与现有技术中的喇叭天线的30°左右的张角相比，张角的度数变小，将张角减小到此范围内之后，喇叭天线的照射角的大小变化会在一个波长内呈线性变化。 

经过仿真分析可知，张角为3°的喇叭天线的10dB角的照射角度可以达到120°，张角 为15°的喇叭天线的10dB角的照射角度可以达到80°。张角为3°至15°之间的喇叭天线的10dB角的照射角度在120°至80°之间呈线性变化。 

本实用新型能够有效地扩大喇叭天线的照射角度，增大喇叭天线的照射面积，从而提高采用喇叭天线作为馈源的平板卫星天线的反射面板的利用效率，提高平板卫星天线的口面效率。 

为了使喇叭天线的张角段10形成3度至15度的张角，本实用新型设计的喇叭天线的张角段10的张角段长度L1为65mm至100mm。该张角段长度L1为张角段10的扩张端11的横断面的中心点沿张角段10的中心线到收缩端12的横断面的中心点的距离，实际上，张角段10通常为横截面呈圆形或矩形的喇叭状，扩张端11的横断面的中心点与收缩端12的横断面的中心点都位于张角段10的中心线上，该中心线也是张角段10延伸的轴线，图1中，经过张角段10和波导过渡段30的虚线即为喇叭天线的中心线。 

相应地，为了得到上述3度至15度的张角，还需要对张角段10的其他尺寸参数进行重新设计，为此，本实用新型提供的喇叭天线的张角段10的扩张端11的内径，即扩张端内径D1设计为29mm至60mm。相应地，张角段10的收缩端12的内径，即收缩端内径D2为15mm至22mm。张角段10的横截面呈圆形时，内径即指的内直径，当张角段10的横截面呈矩形（例如正方形）时，内径是指边长。 

作为一种具体的实施方式，扩张端内径D1可以设计为31mm，收缩端内径D2可以设计为20mm。 

喇叭天线的工作频段受到收缩端12的内径的影响，也可以说，收缩端12的内径决定了喇叭天线的工作频段。具体的影响原则是：收缩端12的内径变小，则喇叭天线的工作频段上升，反之，收缩端12的内径变大，则喇叭天线的工作频段下降。 

从图1中可以看出。上述扩张端内径D1是指张角段10的扩张端11的内壁的横断面的直径，同样，收缩端内径D2是指张角段10的收缩端12的内壁的横断面的直径。这也说明，本实用新型设计的喇叭天线的张角段10的横断面呈圆形，即该喇叭天线为圆形喇叭天线。 

张角段10的扩张端11的内径可以是29mm至60mm中的任何长度，同样，收缩端12的内径可以是15mm至22mm中的任何长度，并且，张角段10的长度可以为65mm至100mm中的任何长度。 

作为一种具体的实施方式，并且，为了达到最好的扩大喇叭天线的照射角度的效果，张角段10的扩张端内径D1优选为31mm，张角段10的收缩端内径D2优选为20mm，相应地，张角段10的张角段长度L1优选为90mm。 

喇叭天线除了具有张角段10之外，还具有与张角段10的收缩端12相连的波导过渡段30。喇叭天线对电磁波的处理和辐射主要是通过张角段10来实现的，从波导过渡段30传递过来电磁波到达张角段10之后，与自由空间匹配，然后被辐射出去。波导过渡段30的与波导接触的内壁应该尽量地保持平滑，以减少波导的反射。 

波导过渡段30对波导起到匹配的作用，波导过渡段30的内径与张角段10的收缩端12 的内径相等，即波导过渡段30的内径就是收缩端内径D2。 

在对张角段10的扩张端11的内径、收缩端12的内径以及张角段10的长度进行了设计之后，还需要对波导过渡段30的长度进行相适应的设计，波导过渡段30的长度虽然对喇叭天线的电性能影响不大，但在设计时要综合考虑喇叭的尺寸、成本以及实际的应用需求。为此，本实用新型设计的波导过渡段30的长度，从图1中看，就是波导过渡段长度L2为30mm至50mm。 

具体地，波导过渡段30的长度，即波导过渡段长度L2为43.75mm。 

另外，张角段10与波导过渡段30的壁厚优选为相等的。 

张角段10的壁厚和波导过渡段30的壁厚优选为4mm。壁厚虽然对喇叭天线的电性能影响不大，但在设计时要综合考虑喇叭的尺寸、成本以及实际的应用需求。 

为了降低平板卫星天线的重量，提高平板卫星天线在航空航天领域的适应性，本实用新型提供的喇叭天线优选采用轻质材料制作而成，尤其是轻质的金属材料制作而成，例如，可以采用金属铝作为制作喇叭天线的材料。 

本实用新型提供的喇叭天线的可以适用于多种工作频段，具体地，本实用新型提供的喇叭天线可以在X波段工作，可以在Ku波段工作，还可以在Ka波段工作。 

另外，根据本实用新型的另一个方面，还提供了一种平板卫星天线，图2是本实用新型优选实施例的平板卫星天线的立体结构示意图，如图2所示，该平板卫星天线50的一侧设置有支撑杆60，支撑杆60的上端设置馈源70，支撑60能够将馈源70支撑在空中并具有一定的高度。馈源70用于将高频电流能量转换成电磁波辐射能量，该馈源70为上述的喇叭天线。 

本实用新型提供的平板卫星天线为超材料平板卫星天线，该超材料平板卫星天线包括片状的基材、设置在基材中或基材上的多个导电几何结构、以及位于基材下表面的反射层。导电几何结构为由金属或非金属的导电材料构成的人造微结构，人造微结构是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。制作导电几何结构的金属可以为金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金；制作导电几何结构的非金属导电材料可以为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。 

图3是构成本实用新型优选实施例的平板卫星天线的剖面结构示意图，如图3所示，该超材料平板包括片状的基材101、设置在基材101中的多个人造微结构104、以及位于基材101下方的反射层102。人造微结构104会对入射的电磁波产生电场响应和磁场响应，从而影响入射的电磁波的性质。因此，可以通过在基材101中设置阵列排布的多个人造微结构104，以使得整个超材料平板对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。 

图4示出了根据本实用新型的示例性人造微结构，如图4所示，在本实用新型中，人造微结构104可为金属微结构，例如铜线或银线等金属线。人造微结构104可具有各种各样的形状，诸如雪花状（如图4中所示）、十字形、工字形、或其它规则或不规则形状。人造微结构104可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。人造微结构104可以嵌入在基材101中，例如通过两片基板 夹合的方式将人造微结构夹设在两基板中，从而形成图3所示的基板整体；也可设置在基材101表面上（例如，在基材101远离反射层102的表面上），为了保护人造微结构，可以在人造微结构所在的表面涂上一层保护膜。根据本实用新型的一个实施例，超材料平板可包括多层基材101以及设置在每一层基材101中或基材101上的多个人造微结构104，以达成期望的电场和/或磁场响应。 

反射层102优选为具有光滑表面的金属反射层，例如抛光的铜板、铝板或铁板等，或者是金属涂层。基材101和反射层102可以通过胶水粘接、通过销钉、螺钉、或螺栓等固定，也可通过在基材101下表面上喷涂、电镀金属涂层等来形成反射层102。电磁波通过折射率非均匀的介质材料（例如，本实用新型中所描述的设有人造微结构104的基材101）时，会向折射率大的方向偏折。因此，通过设计人造微结构104的形状及其在基材101中的分布，该平板卫星天线可具有以某个点为圆心按照折射率分布的多个环状区域，随着半径的增大折射率逐渐减小，使得本实用新型的超材料平板卫星天线对电磁波具有汇聚作用。从卫星上发射来的电磁波首先通过设有人造微结构104的基材101进行汇聚，再经过反射层102反射，就可以汇聚到该平板卫星天线上方的馈源（例如本实用新型的喇叭天线）上，这样本实用新型的平板卫星天线可以用作接收卫星信号的卫星通信天线或卫星电视天线。反过来，从馈源（点源）处发出的球面波经过设有人造微结构104的基材101和反射层102后能够发出平面波，本实用新型的平板卫星天线因此可以用作发射天线，与卫星进行通信。 

在一些实施例中，超材料平板的基材101可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、FR-4复合材料等。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长的优点。 

图5是本实用新型优选实施例的喇叭天线的驻波比仿真结果示意图。驻波比是反映经过喇叭天线的电磁波在传输过程中遇到障碍被反射而无法继续传递的情况的物理量。也就是说，电磁波经过喇叭天线的过程中，如果遇到障碍，就会被发生反射，被反射回来的电磁波就无法再继续传输到喇叭天线的张角段10的扩张端11，这就造成了电磁波的损耗，驻波比就是反映电磁波在传输过程中是损耗的一个物理量。驻波比通常用反射波电场值与入射波电场值的比值来表示，根据上述解释可以知道，驻波比越小、越趋于1就越好，说明电磁波的损耗越小，也说明从喇叭天线辐射出去的电磁波与进入到喇叭天线的入射电磁波的差别更小，从而说明喇叭天线对电磁波的传输的损耗越小，喇叭天线的传输效率越高。 

在图5中，横坐标表示喇叭天线工作的频段范围，可以看出，该喇叭天线工作在12GHz到14GHz的频段内；纵坐标表示该喇叭天线的驻波比，可以看出，图中曲线的最高点处于驻波比为1.1到1.12的区间内，这可以说明，该喇叭天线在12GHz到14GHz的工作频段内的驻波比小于1.12，这与现有的喇叭天线的驻波比通常在1.5以下的比值相比，驻波比明显地降低了许多，说明该喇叭天线的传播效率明显得到改善。 

图6是本实用新型优选实施例的喇叭天线在12GHz工作频段工作时的方向图；方向图是指在距离天线一定距离外，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形。图6为本实用新型提供的喇叭天线在12GHz工作频段上的方向图。从图6中可以看出，反映喇叭天线 的最大辐射方向的主瓣幅度为11.9dB，主瓣方向是垂直面的方向；10dB角的宽度为85.2°（即喇叭天线的照射角度），旁瓣电平为-24.6dB，其中，主瓣幅度是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比，通常以分贝为单位；旁瓣电平是指距离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平，一般以分贝表示。 

图7是本实用新型优选实施例的喇叭天线轴在14GHz工作频段工作时的方向图。图7是本实用新型提供的喇叭天线在14GHz工作频段上的方向图。从图7中可以看出，此时喇叭天线工作在14GHz的频段上，并且，主瓣幅度为12.9dB，主瓣方向为垂直面方向，10dB角的宽度为68.6°，旁瓣电平为-20dB。 

经过试验可以知道，本实用新型提供的喇叭天线的照射角度能够从原来的60°至70°增加到80°至120°。 

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种喇叭天线，其特征在于，应用于平板卫星天线，包括张角段和与所述张角段相连的波导过渡段，所述张角段的张角为3～15度。

2.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述张角段的长度为65～100mm。

3.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述张角段的扩张端内径为29～60mm，所述张角段的收缩端内径为15～22mm。

4.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述张角段的扩张端内径为31mm，所述张角段的收缩端内径为20mm，所述张角段的长度为90mm。

5.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述波导过渡段的内径与所述张角段的收缩端内径相等。

6.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述波导过渡段的长度为30～50mm。

7.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述张角段与所述波导过渡段的壁厚相等。

8.根据权利要求1～7任一项所述的喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线的工作频段为X波段、Ku波段、或Ka波段。

9.一种平板卫星天线，具有馈源，其特征在于，所述馈源为权利要求1至8任一项所述的喇叭天线。

10.根据权利要求9所述的平板卫星天线，其特征在于，所述平板卫星天线为超材料平板卫星天线，包括片状的基材、设置在基材中或基材上的多个导电几何结构、以及位于所述基材下表面的反射层。

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