CN204103045U - 一种用于2.65GHz～2.91GHz频段的四角锥喇叭阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种2.65GHz～2.91GHz频率范围的较高增益四角锥喇叭阵列天线，在单个角锥喇叭天线设计与分析的基础上，设计了一个2×2的角锥喇叭天线阵列，并基于ANSOFT公司HFSS三维仿真软件进行了仿真，仿真结果显示：在2.65GHz～2.91GHz频率范围内，天线增益为20.46dB，最大增益达到了21.15dB，波瓣宽度为11.4度，四个端口的驻波比均小于1.17，满足指标要求。本实用新型结构简单便于实现，便于运输和操作调整，解决了馈电网络的复杂性和难实现性。该天线在发射功率为600KW，馈线网络损耗为0.2dB，天线罩损耗为0.2dB的条件下，距离天线口径面7.5米左右处，场强大于8000V/m，能够满足增益大于18dB的要求，并留有一定余量。

Description

一种用于2.65GHz～2.91GHz频段的四角锥喇叭阵列天线

技术领域

本实用新型涉及的是基本角锥喇叭天线，特别是一种高增益的四角锥喇叭阵列天线。 

背景技术

近年来，随着通信技术和卫星导航的迅速发展，越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行，天线在无线电设备中的应用也越来越广泛，天线一般做发射和接受电磁波的部件。 

目前，在通信领域里，喇叭天线结构研究已成熟。为实现2.65GHz～2.91GHz频率范围内的工作带宽，采用的喇叭天线结构仍是传统的独立单元结构。然而，由于在2.65GHz～2.91GHz范围内，单个喇叭天线增益较低(约13dB左右)，若希望喇叭天线在2.65GHz～2.91GHz范围内达到18dB以上的增益，采用单个喇叭难以满足增益要求，且采用单个喇叭实现时其对应的喇叭口径面较大，人工操作不便，难以满足某些通信系统的需要，因此，单个喇叭一般作为抛物面天线的馈源使用。为了在2.65GHz～2.91GHz范围内达到18dB以上的增益，可采用由角锥喇叭组成的天线阵列；若采用更多的喇叭单元组合阵列，虽然可以提高增益，但将使成本急剧增加，且增加馈电网路复杂性和损耗，从而影响效率，本实用新型采用四个喇叭单元组成阵列天线结构。与圆锥喇叭相比，角锥喇叭常使用矩形波导馈电，矩形波导内传输的主模是TE₁₀模；而圆锥喇叭一般使用圆波导馈电，圆形波导内传输的主模是TE₁₁模，TE₁₀模比TE₁₁模更容易实现，而且圆锥喇叭对于精度的要求相对较高，加工制造成本也相对较高。 

综上分析，在2.65GHz～2.91GHz频率范围内，为满足18dB以上的天线增益要求，本实用新型采用四角锥喇叭阵列天线结构，如图(1)所示。具体内容如下详述。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高增益的四角锥喇叭阵列天线，此天线能够在2.65GHz～2.91GHz频率范围内，使能量集中到所需的方向，同时降低馈电的复杂性。有鉴于此，本实用新型提供一种用于2.65GHz～2.91GHz频段的四角锥喇叭阵列天线： 

一种用于2.65GHz～2.91GHz频段的四角锥喇叭阵列天线，主要由四角锥喇叭组成，其特征在于是由4个角锥喇叭组成，构成2×2布局，喇叭单元间距为g＝9.96～10.04mm，喇叭天线高度为h1＝399.72～400.28mm,波端口高度为h2＝99.72～100.28mm。单元喇叭口径外壁长度为A1＝203.72～204.28mm，口径外壁宽度为B1＝183.72～184.28mm，口径内壁长度为a1＝199.76～200.24mm，口径内壁宽度为b1＝179.76～180.24mm；波导端口外壁长度为A2＝75.86～76.42mm,端口外壁宽度为B2＝37.76～38.32mm,端口内壁长度为a2＝71.9～72.38mm,端口内壁宽度为b2＝33.8～34.28mm。 

我们分析了由微带半波振子组成阵列的情况，要满足电场强度要求，需要很多个振子，天线口面也过大，重量也较大，人工操作十分不便，对于机动性要求较高的本产品来说，有些不太适合。同时因为同轴网络的复杂性，很多能量损失在网络中了，设计不太合理。可采用较少数量的大口径喇叭组成。可以大大降低网络的复杂性、并降低损耗，而场强下降并不明显。经过分析，因为喇叭自身的方向图波束宽度较窄，可以很好地抵消间距大引起的栅板，总共四分喇叭可以比较灵活地组合，针对不同的需求，获得不同的作用区域和场强。单喇 叭单元虽然长度比较长，但喇叭阵列总体重量并不大，可以分开移动，运输过程中可以放在方舱里面，因此最终选择该方案。 

本实用新型由4个四角锥大口径喇叭组成四喇叭阵列天线，构成2×2布局(总馈入口可采用一个大功率容量1分2等比功分器，输出端连接2个中等功率容量1分2等比功分器，以此实现对4个喇叭的等幅馈电)。四角锥喇叭天线组成结构如附图1所示。 

本实用新型的结构尺寸为： 

根据频段要求，我们选用BJ32型波导。根据天线理论的简单分析，可以得到一个近似公式来分析一定距离的电场大小； 

$E_r=\sqrt{\frac{P{Z}_{0}D}{4\mathrm{\π}{r}^2}}$

经过比较公式计算结果，约相当于实际仿真结果最大值的0.707， 可以认为是半功率区域最低要求。从结果可以看出，电场强度与距离成反比，与功率以及天线的方向性系数的1/2次方成正比，经过估算，在发射功率600KW，馈线网络损耗0.2dB,天线罩损耗0.2dB的条件下，距离喇叭口径面r为7.5m处的电场强度E要达到8000V/m，相当于天线的增益达到18dB。 

本实用新型相对于现有技术，具有以下优点 

1、本实用新型提供的四角锥喇叭阵列天线在2.65GHz～2.91GHz频率范围内，获得比同等口径的普通单喇叭天线更高的增益。 

2、本实用新型提供的四角锥喇叭阵列天线与多于四个喇叭单元构成的阵列天线相比，可节省成本，馈电网路易于实现，且能降低馈电损耗。 

3、本实用新型提供的四角锥喇叭阵列天线中的角锥喇叭单元采用矩形波导馈电，与圆锥喇叭单元对应的圆波导馈电相比，矩形波导馈电更容易实现。 

4、本实用新型提供的四角锥喇叭阵列天线结构简单、便于运输和安装。 

附图说明

图1为本实用新型的结构图。 

图2为喇叭阵列天线在中心频率2.78GHz处的方向图。 

图3为四个端口的驻波比(VSWR)。 

图4为S₁₁扫频特性。 

图5为四角锥喇叭阵列天线俯视工艺尺寸图 

图6为四角锥喇叭阵列天线左视工艺尺寸图 

图7为四角锥喇叭阵列天线右视工艺尺寸图 

具体实施方式

在图1中，具体的结构为：利用4个四角锥喇叭天线单元构成2×2布局。电磁波传播方向沿Z轴，极化方向沿Y轴，沿Y轴为theta＝90°(E面)，沿X轴为theta＝0°(H面)。总馈入口采用一个大功率容量1分2等比例功分器，输出端连接2个中等功率容量1分2等比例功分器，以此实现对4个喇叭的等幅同相馈电。按总馈入端口功率600kw计算，除去馈线网络损耗0.2dB、天线罩损耗0.2dB，实际馈入功率为540kw。 

根据上述数据，在HFSS中采用模式驱动求解类型，建立角锥喇叭阵列天线的模型，如图1所示。在设置模型的边界条件时，把喇叭天线的金属外侧表面设置为“aluminum”；由于波导端口与背景相接触，所以激励端口设置为波端口激励。在天线的求解设置中，天线的中心工作频率为2.78GHz，自适应网格的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02；在扫频设置中，扫频范围设为2.6～2.95GH z，扫频类型设为快速扫频，频率步进设0.01GHz。最后经边界条件检查、运算和后处理分析，完成仿真过程。图4为天线在2.65～2.91GHz的频率范围内回波损耗的仿真结果，从分析结果可以看出，2.78GHz时，S₁₁的值约为-24.67dB。图2是天线工作在2.78GHz时的方向图。图中实线和虚线线分别表示天线在Phi＝0deg(H面)和Phi＝90deg(E面)时的增益，由图看出，增益为21.15dB。频率范围为2.65～2.91G H z时的输入电压驻波比如图3所示，可以看到中心频率(f＝2.78GHz)处四个端口的驻波比均小于1.17，满足指标要求。 

Claims (2)

1.一种用于2.65GHz～2.91GHz频段的四角锥喇叭阵列天线，主要由四角锥喇叭组成，其特征在于是由4个角锥喇叭组成，构成2×2布局，喇叭单元间距为g=9.96～10.04 mm，喇叭天线高度为h1=399.72～400.28 mm,波端口高度为h2=99.72～100.28 mm；单元喇叭口径外壁长度为A1=203.72～204.28 mm，口径外壁宽度为B1=183.72～184.28 mm，口径内壁长度为a1=199.76～200.24 mm，口径内壁宽度为b1=179.76～180.24 mm；波导端口外壁长度为A2=75.86～76.42 mm, 端口外壁宽度为B2=37.76～38.32 mm, 端口内壁长度为a2 =71.9～72.38mm, 端口内壁宽度为b2=33.8～34.28 mm。

2.根据权利要求1所述的一种用于2.65GHz～2.91GHz频段的四角锥喇叭阵列天线，其特征在于最佳尺寸，喇叭单元间距为g=10 mm，喇叭天线高度为h1=400 mm,波端口高度为h2=100 mm；单元喇叭口径外壁长度为A1=204 mm，口径外壁宽度为B1=184 mm，口径内壁长度为a1=200 mm，口径内壁宽度为b1=180 mm；波导端口外壁长度为A2=76.14mm, 端口外壁宽度为B2=38.04 mm, 端口内壁长度为a2 =72.14mm, 端口内壁宽度为b2=34.04 mm。