CN207602794U - 一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，在保证双脊喇叭天线工作频带内的匹配特性的同时，提升天线的增益辐射特性。天线包括两个相对设置的异形脊板、喇叭外壳、背腔和两个馈电同轴线；所述异形脊板，包括背腔匹配段和异形渐变段，其中异形渐变段的脊线由两段指数曲线和三段圆弧线平滑连接而成；所述喇叭外壳，采用由一对曲面金属壁和一对平面金属壁相互拼接形成的矩形喇叭结构；两个异形脊板各自加载在不同的曲面金属壁上；所述背腔，采用带腔的长方体薄壁结构；所述馈电同轴线的屏蔽层与背腔连接，内芯穿过背腔的封闭端与背腔匹配段连接；本实用新型具有超宽工作频带，可应用于通信、遥感以及天线测量等领域。

Description

一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，涉及一种双脊喇叭天线，具体涉及一种基于异形脊结构的超宽带双脊喇叭天线，可应用于通信、遥感以及天线测量等领域。

背景技术

随着近代无线通信技术的迅速发展，许多通信设备均需具备能在较宽频带内工作的特性，而所有无线通信系统都依靠天线作为无线电波的收发装置。超宽带天线以它优越的宽带特性，己在卫星通信、卫星导航、遥感、多普勒及雷达等领域得到了广泛的应用。

用微波设备来探测、接收被测物体在微波波段的电磁辐射和散射特性，以识别远距离物体的技术被称为微波遥感。与可见光、红外遥感相比，微波遥感不受或很少受云、雨、雾的影响，不需要光照条件，可全天候、全天时地取得图像和数据。地球资源应用中常用的微波遥感频段为L，C，X波段，其中频段越低，穿透性越强，分辨率越低；反之，频段越高，穿透性越弱，分辨率越高。喇叭天线作为常用的收发天线形式，被广泛用作馈源天线或作为探头在微波暗室中用于测量校准其他微波遥感天线。

喇叭天线是一种广泛使用的微波天线，其辐射结构由逐渐张开的波导构成，它具有结构简单、功率容量大、增益高等优点，在微波测量系统中被大量的用作标准测量天线。随着宽带射频技术的发展，要求天线覆盖频带范围要达到更高的倍频程，例如要覆盖微波遥感常用波段，就需要实现10个倍频程以上的工作带宽。由于普通喇叭天线相对频带较窄，因此根据宽带脊波导理论，超宽带的加脊喇叭天线应运而生。

双脊喇叭天线与普通喇叭天线在结构上的主要区别在于渐变张开的波导壁之间加入了双脊结构。由于其脊间电容效应的作用，其主模TE₁₀模式的截止频率比普通喇叭天线的TE₁₀模式的截止频率降低很多，而其第一阶高次模TE₂₀模式的截止频率也会略微升高，所以其单模相对工作带宽可展宽至数个倍频程。同时，由于加脊的效应会降低其特性阻抗，因而双脊喇叭天线通过调整脊间距后可以更好地与50欧姆的同轴馈线进行匹配连接。

传统双脊喇叭天线的脊线通常直接采用的是带线性分量的指数曲线形式，通过控制线性分量的权重，可以控制双脊渐变张开的急缓程度。若双脊张开过急会导致引入较多高次模而引起高频方向图畸变，从而使可用频段变窄；若双脊张开过缓，由于口径大小固定，在口面附近势必急速张开从而导致阻抗匹配特性较差。

2016年，E.H.Criollo等人在英文期刊《IEEE Latin America Transactions》的第14卷第三期上发表了题为“Improved Broadband Double Ridged Horn Antenna WithoutSplit Radiation Pattern”的论文，公开了一种新型双脊喇叭天线，主要针对双脊喇叭天线在高频工作段容易发生方向图裂瓣的问题，重点对双脊结构进行了改进，其脊线采用一段圆弧、指数曲线和直线平滑连接的形式。该双脊结构的指数渐变部分与传统形式相比，张开地更加平缓，能够引入更强的脊间等效电容，使得主模截止频率降低并拓宽工作带宽。由于双脊喇叭天线在高频段工作在vivaldi模式，辐射主要通过双脊结构实现，因而通过对其进行改进可以优化频段内的模式分布并解决方向图裂瓣的问题。但是，由于其口面处的过渡依然过于生硬，因而其各频段易产生一些增益下陷点。

就现有的技术来说，双脊喇叭天线在增益辐射特性方面依然有提升空间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出了一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，在保证双脊喇叭天线工作频带内的匹配特性的同时，提升天线的增益辐射特性。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，包括两个相对设置的异形脊板1、喇叭外壳2、背腔3和两个馈电同轴线4；所述异形脊板1包括背腔匹配段11和异形渐变段12，其中，异形渐变段12的脊线由第一指数曲线121、第一圆弧123、第二圆弧124、第三圆弧125和第二指数曲线122平滑连接而成；所述喇叭外壳2，采用由一对曲面金属壁21和一对平面金属壁22相互拼接形成的矩形喇叭结构，其中，所述曲面金属壁21与第二指数曲线122的弯曲度相同；所述背腔3，采用带腔的长方体薄壁结构；所述背腔3的开口端与喇叭外壳2的底端连接，两个异形脊板1各自加载在不同的曲面金属壁21上，所述馈电同轴线4的屏蔽层与背腔3连接，内芯穿过背腔3的封闭端与背腔匹配段11连接。

上述一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，所述两个相对设置的异形脊板1，分别加载在各自对应的曲面金属壁21的中心轴线上。

上述一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，所述两个相对设置的异形脊板1，两个脊板之间的距离为d，1mm≤d≤3mm。

上述一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，所述异形脊板1，其厚度沿背腔匹配段11到异形渐变段12方向，尺寸由t₁渐变到t₂，1mm≤t₁≤4mm，5mm≤t₂≤50mm。

上述一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，所述第一指数曲线121，为一条带有线性分量的指数函数曲线，其位于yoz面内第一象限和第二象限的函数表达式分别为：

其中，h₁表示第一指数曲线渐变曲率控制变量，80mm≤h₁≤120mm，z表示曲线上的点到y轴的距离，y表示曲线上的点到z轴的距离。

上述一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，所述第一圆弧123，其圆心控制点坐标为(y₁,z₁)，半径为r₁，所述第二圆弧124，其圆心控制点坐标为(y₂,z₂)，半径为r₂，所述第三圆弧124，其圆心控制点坐标为(y₃,z₃)，半径为r₃，其中65mm≤z₁≤96mm，72mm≤z₂≤107mm，80mm≤z₃≤112mm，27.1mm≤y₁≤42.3mm，31.4mm≤y₂≤45mm，25mm≤y₃≤39.8mm，11mm≤r₁≤16mm，2mm≤r₂≤7mm，3mm≤r₃≤15mm。

上述一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，所述第二指数曲线122，为一条纯指数函数曲线，其位于yoz面第一象限和第二象限的函数表达式分别为：

其中，h₂表示第二指数曲线渐变曲率控制变量，75mm≤h₂≤95mm，z表示曲线上的点到y轴的距离，y表示曲线上的点到z轴的距离。

上述一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，所述平面金属壁22，其xoz截面曲线为一条直线段，其位于xoz面内第一象限和第二象限的函数表达式表达式分别为：

x＝0.5z+20，x＝-0.5z-20

其中，z表示曲线上的点到x轴的距离，x表示曲线上的点到z轴的距离。

上述一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，所述馈电同轴线4，其特性阻抗为50欧姆。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

1、本实用新型中的异形渐变段的脊线包含有三个圆弧，第二段圆弧起到平滑连接第一段圆弧和第三段圆弧的作用，第三段圆弧对应的双脊结构可以抑制喇叭辐射口面边缘的绕射效应，与参考天线只有一段圆弧的双脊脊线相比，从而减少背向辐射并提高主辐射方向增益。

2、本实用新型中的异形渐变段的脊线由三段圆弧以及两段指数曲线平滑连接而成，其中三段圆弧和两段指数曲线的平滑连接结构对从馈电端到自由空间的阻抗变换具有平稳过渡的作用，与参考天线只有一段过渡圆弧的双脊脊线相比，阻抗变换过渡更加平滑，具有更好的阻抗匹配特性。

附图说明

图1是参考天线的整体结构示意图；

图2是本实用新型的整体结构示意图；

图3(a)是本实用新型两个相对设置的异形脊板的yoz面截面图，图3(b)是本实用新型一个异形脊板侧视图；

图4(a)是本实用新型喇叭外壳2以及背腔3的yoz面截面图，图4(b)是本实用新型喇叭外壳2以及背腔3的xoz面截面图；

图5是本实用新型实施例1与参考天线的S11参数曲线仿真对比图；

图6是本实用新型实施例1与参考天线的可实现增益随频率变化曲线仿真对比图；

图7是本实用新型实施例1与参考天线在1.3GHz频点处的增益方向图仿真对比图；

图8是本实用新型实施例1与参考天线在5.8GHz频点处的增益方向图仿真对比图；

图9是本实用新型实施例1于参考天线在12.4GHz频点处的增益方向图仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步描述：

实施例1：

参照图2，一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，包括两个相对设置的异形脊板1、喇叭外壳2、背腔3和馈电同轴线4，所述异形脊板1包括背腔匹配段11和异形渐变段12；所述异形渐变段12的脊线由两段指数曲线、三段圆弧平滑连接而成；所述喇叭外壳2，采用由一对曲面金属壁21和一对平面金属壁22相互拼接形成的矩形喇叭结构，其中，所述曲面金属壁21与第二指数曲线122的弯曲度相同；所述背腔3，采用带腔的薄壁结构，其腔体空间为尺寸为40mm×40mm×13mm的长方体结构；所述背腔3的开口端与喇叭外壳2的底端连接，两个异形脊板1各自加载在不同的曲面金属壁21上，所述馈电同轴线4的屏蔽层与背腔3连接，内芯穿过背腔3的封闭端与背腔匹配段11连接。

异形脊板1的yoz面截面图如图3(a)所示，在第一象限中，第一指数曲线段121与第一圆弧段123平滑相切连接，随后与第二圆弧段124以及第三圆弧段125依次平滑相切连接并最终与第二指数曲线段122相连接，其中第一指数曲线段121的表达式为h₁＝110mm，h₁表示第一指数曲线渐变曲率控制变量，第二指数曲线段122的表达式为h₂＝90mm，其中h₂表示第二指数曲线渐变曲率控制变量，第一圆弧段123对应的圆心控制点坐标的(y₁,z₁)为(33.4mm，80.9mm)，其半径为r₁＝14.7mm，第二圆弧段124对应的圆心控制点坐标的(y₂,z₂)为(39mm，91mm)，其半径为r₂＝6mm，第三圆弧段125对应的圆心控制点坐标的(y₃,z₃)为(32mm，105.6mm)，其半径为r₃＝10mm，两个脊板之间距离为d＝1.5mm，所述背腔匹配段11，其由关于双脊喇叭天线xoy面对称的倒扣的一对C字形结构构成，起到调控阻抗匹配的作用。

异形脊板1的侧视图如图3(b)所示，其中所述背腔匹配段11的厚度为t₁＝3mm，所述异形渐变段12的厚度沿背腔匹配段到异形渐变段方向尺寸由t₁＝3mm均匀渐变到t₂＝12mm。

喇叭外壳2和背腔3的yoz面截图如图4(a)所示，其左右两条曲线为两条指数曲线，与各自对应的第二指数曲线122相同。

喇叭外壳2和背腔3的xoz面截图如图4(b)所示，其左右两条直线为两条斜线，位于第一象限和第二象限的函数表达式分别为：x＝0.5z+20，x＝-0.5z-20

实施例2：

本实施例的结构与实施例1相同，仅对两个相对设置的异形脊板1的两个脊板之间距离d、异形渐变段12的厚度t₁及t₂、第一指数曲线121渐变曲率控制变量h₁、第二指数曲线122渐变曲率控制变量h₂和三段圆弧线的参数作了调整：

异形脊板1的双脊间距d＝1mm；异形渐变段12的厚度从下到上由t₁＝1mm均匀渐变到t₂＝5mm；其第一指数曲线表达式为h₁＝80mm，第二指数曲线表达式为h₂＝75mm，第一圆弧段123对应的圆心控制点坐标的(y₁,z₁)为(27.1mm，65mm)，其半径为r₁＝11mm，第二圆弧段124对应的圆心控制点坐标的(y₂,z₂)为(31.4mm，72mm)，其半径为r₂＝2mm，第三圆弧段125对应的圆心控制点坐标的(y₃,z₃)为(25mm，80mm)，其半径为r₃＝3mm。

实施例3：

本实施例的结构与实施例1相同，仅对两个相对设置的异形脊板1的双个脊板之间距离d、异形渐变段12的厚度t₁及t₂、第一指数曲线121渐变曲率控制变量h₁、第二指数曲线122渐变曲率控制变量h₂和三段圆弧线的参数作了调整：

异形脊板1的双脊间距d＝3mm；异形渐变段12的厚度从下到上由t₁＝4mm均匀渐变到t₂＝50mm；其第一指数曲线表达式为h₁＝120mm，第二指数曲线表达式为h₂＝95mm；第一圆弧段123对应的圆心控制点坐标的(y₁,z₁)为(42.3mm，96mm)，其半径为r₁＝16mm，第二圆弧段124对应的圆心控制点坐标的(y₂,z₂)为(45mm，107mm)，其半径为r₂＝7mm，第三圆弧段125对应的圆心控制点坐标的(y₃,z₃)为(39.8mm，112mm)，其半径为r₃＝15mm。

以下通过仿真实验，对本实用新型的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

仿真利用商业仿真软件HFSS_15.0；

仿真使用的参考天线的结构如图1所示，由于双脊喇叭天线的高频增益辐射特性主要由喇叭天线的双脊结构决定，其他结构对其增益辐射特性的影响较小，所以为了方便对比进行控制变量，参考天线采用的喇叭外壳、背腔、馈电同轴线以及馈电方式与本实用新型一致，并将现有技术中的双脊喇叭天线中的双脊形式应用于参考天线中与本实用新型进行对比。

仿真1，对本实用新型实施例1与参考天线的S11参数曲线进行仿真对比，其结果如图5所示；

仿真2，对本实用新型实施例1与参考天线的可实现增益随频率变化曲线进行仿真对比，其结果如图6所示；

仿真3，对本实用新型实施例1与参考天线在1.3GHz的增益方向图进行仿真对比，其结果如图7所示；

仿真4，对本实用新型实施例1与参考天线在5.8GHz的增益方向图进行仿真对比，其结果如图8所示；

仿真5，对本实用新型实施例1与参考天线在12.4GHz的增益方向图进行仿真对比，其结果如图9所示；

2、仿真结果分析：

参照图5，以S11≤-10dB为标准，实施例1中本实用新型的工作频段为1.2GHz-15GHz，达12.5个倍频程以上，且相较于参考天线，其带内匹配特性有所改善。

参照图6，实施例1中本实用新型在1.2GHz-13GHz频段内的可实现增益波动较小，相比于参考天线，可实现增益在高频段有所提高。

参照图7，实施例1中本实用新型与参考天线在低频1.2GHz处的方向图表现出稳定无裂瓣的特性，增益特性差别较小。

参照图8，实施例1中本实用新型与参考天线在低频5.8GHz处的方向图表现出稳定无裂瓣的特性，在最大辐射方向本实用新型的增益比参考天线高0.8dB。

参考图9，实施例1中本实用新型与参考天线在低频12.4GHz处的方向图表现出稳定无裂瓣的特性，在最大辐射方向本实用新型的增益比参考天线高2.3dB。

以上仿真结果说明，本实用新型提出的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线在大于10个倍频程的工作带宽内的表现出了良好的带内匹配特性以及辐射特性。相较于参考天线，其带内匹配特性更佳、高频段的增益更高。

以上描述仅是本实用新型的三个实施例，不构成对本实用新型的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本实用新型内容和原理后，都可能在不背离本实用新型原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本实用新型思想的修正和改变仍在本实用新型的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，包括两个相对设置的异形脊板(1)、喇叭外壳(2)、背腔(3)和两根馈电同轴线(4)；所述异形脊板(1)包括背腔匹配段(11)和异形渐变段(12)，其中，异形渐变段(12)的脊线由第一指数曲线(121)、第一圆弧(123)、第二圆弧(124)、第三圆弧(125)和第二指数曲线(122)平滑连接而成；所述喇叭外壳(2)，采用由一对曲面金属壁(21)和一对平面金属壁(22)相互拼接形成的矩形喇叭结构，其中，所述曲面金属壁(21)与第二指数曲线(122)的弯曲度相同；所述背腔(3)，采用带腔的长方体薄壁结构；所述背腔(3)的开口端与喇叭外壳(2)的底端连接，两个异形脊板(1)各自加载在不同的曲面金属壁(21)上，所述馈电同轴线(4)的屏蔽层与背腔(3)连接，内芯穿过背腔(3)的封闭端与背腔匹配段(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，所述两个相对设置的异形脊板(1)，各自加载在不同的曲面金属壁(21)上的中心轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，所述两个相对设置的异形脊板(1)，两个脊板之间的距离为d，1mm≤d≤3mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，所述异形脊板(1)，其厚度沿背腔匹配段(11)到异形渐变段(12)方向，尺寸由t₁渐变到t₂，1mm≤t₁≤4mm，5mm≤t₂≤50mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，所述第一指数曲线(121)，为一条带有线性分量的指数函数曲线，其位于yoz面内第一象限和第二象限的函数表达式分别为：

其中，h₁表示第一指数曲线渐变曲率控制变量，80mm≤h₁≤120mm，z表示曲线上的点到y轴的距离，y表示曲线上的点到z轴的距离。

6.根据权利要求1所述的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，所述第一圆弧(123)，其圆心控制点坐标为(y₁,z₁)，半径为r₁，所述第二圆弧(124)，其圆心控制点坐标为(y₂,z₂)，半径为r₂，所述第三圆弧(125)，其圆心控制点坐标为(y₃,z₃)，半径为r₃，其中65mm≤z₁≤96mm，72mm≤z₂≤107mm，80mm≤z₃≤112mm，27.1mm≤y₁≤42.3mm，31.4mm≤y₂≤45mm，25mm≤y₃≤39.8mm，11mm≤r₁≤16mm，2mm≤r₂≤7mm，3mm≤r₃≤15mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，所述第二指数曲线(122)，为一条纯指数函数曲线，其位于yoz面内第一象限和第二象限的函数表达式分别为：

其中，h₂表示第二指数曲线渐变曲率控制变量，75mm≤h₂≤95mm，z表示曲线上的点到y轴的距离，y表示曲线上的点到z轴的距离。

8.根据权利要求1所述的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，所述平面金属壁(22)，其xoz截面曲线为一条直线段，其位于xoz面内第一象限和第二象限的函数表达式表达式分别为：

x＝0.5z+20，x＝-0.5z-20

其中，z表示曲线上的点到x轴的距离，x表示曲线上的点到z轴的距离。

9.根据权利要求1所述的一种基于异形脊加载的双脊喇叭天线，其特征在于，所述馈电同轴线(4)，其特性阻抗为50欧姆。