CN104332712A - 一种端馈宽带宽波束脊喇叭 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端馈宽带宽波束脊喇叭，包括矩形喇叭外壳（1）、梯形波导脊（2）和同轴连接器（3），梯形波导脊（2）设置于矩形喇叭外壳（1）的内壁上且与矩形喇叭外壳（1）、同轴连接器（3）固定连接，矩形喇叭外壳（1）与梯形波导脊（2）共同组成脊波导结构。利用脊波导结构尺寸较小的特点，调整波导的口径，改变梯形波导脊与矩形喇叭外壳的内壁间距，调整梯形波导脊与同轴连接器间距，利用端面输出脊形变换式波导-同轴转换来实现同轴线输入端阻抗50Ω与输出端自由空间波阻抗377Ω间的匹配。本发明既能实现宽带最佳匹配又能满足宽角覆盖要求，在近一个倍频程的频带范围内，输入驻波VSWR小于1.5，方向图能够满足天线扫描需要。

Description

一种端馈宽带宽波束脊喇叭

技术领域

本发明涉及一种雷达天线结构，特别是涉及一种端馈宽带宽波束脊喇叭。

背景技术

二维相控阵体制雷达中的辐射单元波束宽，结构尺寸小，匹配困难，其性能的优劣会直接对雷达天线的性能产生影响。辐射单元的宽带宽角匹配为实现雷达低副瓣和较小的扫描增益损失创造了条件。

根据天线阵列对辐射单元的电讯性能和结构尺寸的要求，即喇叭的口径E面小于56mm，H面小于68mm。此口径下的常规标准波导尺寸无法满足要求。

现有的宽带喇叭天线包括标准波导喇叭和宽带脊喇叭形式，标准波导喇叭通常可满足宽带匹配，但其结构尺寸的限制，无法将其波导宽边压缩，因此标准波导喇叭无法满足使用要求。宽带脊喇叭通常在宽带超宽带领域使用，其宽波束特性无法满足使用要求。

因此现有技术无法满足既保证结构尺寸小，波束宽度又宽的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种既能实现宽带最佳匹配又能满足宽角覆盖要求的端馈宽带宽波束脊喇叭，在近一个倍频程的频带范围内，输入驻波VSWR小于1.5，方向图能够满足天线扫描需要。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种端馈宽带宽波束脊喇叭，包括矩形喇叭外壳、梯形波导脊和同轴连接器，梯形波导脊设置于矩形喇叭外壳的内壁上且与矩形喇叭外壳、同轴连接器固定连接，矩形喇叭外壳与梯形波导脊共同组成脊波导结构。

所述矩形喇叭外壳的波导宽边长度为a，波导窄边长度为b，梯形波导脊与矩形喇叭外壳的内壁间距为c，梯形波导脊与同轴连接器的间距为d，梯形波导脊的宽度为e；

脊波导的横截面及其TE10波截止时的等效电路中，C为不连续电容，取决于b’，不连续性将产生高次模；假定有两副平行线，其电长度为θ₁、θ₂，特性阻抗为Z₀₁、Z₀₂；

取等效网络输入电压为U_in，输入电流为I_in，有等效电路可知：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{in}}\\ I_{\mathrm{in}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& j{Z}_{01}\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \frac{j\sin {\mathrm{\θ}}_1}{Z_{01}}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \mathrm{j\β}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& j{Z}_{02}\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \frac{j\sin {\mathrm{\θ}}_2}{Z_{02}}& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right];$

截止条件为： $Z_{\mathrm{in}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{I_{\mathrm{in}}}\→\∞;$

此时可得： $1-\frac{Z_{02}}{Z_{01}}\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_1\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\β}{Z}_{02}\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_2=0;$

通过Matlab程序解该关于λc的超越方程解出λc；

矩形波导的等效阻抗为： $Z_e=\frac{b}{a}{Z}_w=\frac{b}{a}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\ϵ}}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}};$

其中λc＝2a，将脊波导看作宽边皱缩的矩形波导，脊波导的等效阻抗就可写成类似的形式： $Z_{e1}=\frac{b}{a_1}{Z}_w=\frac{b}{a_1}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\ϵ}}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}};$

a₁是脊波导的等效宽边，λc＝2a₁＞2a是脊波导的截止波长，由上式可以看出，脊波导的有效阻抗比规则波导相对降低，有利于与同轴进行匹配。

本发明的有益效果是：既能实现宽带最佳匹配又能满足宽角覆盖要求，通过理论计算及优化仿真，宽带宽波束脊喇叭性能优异，在近一个倍频程的频带范围内，输入驻波VSWR小于1.5，方向图能够满足天线扫描需要。

附图说明

图1为端馈宽带宽波束脊喇叭结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为端馈宽带宽波束脊喇叭仿真S参数图；

图4为端馈宽带宽波束脊喇叭仿真E面方向图；

图5为端馈宽带宽波束脊喇叭仿真H面方向图；

图6为单脊波导的横截面示意图；

图7为单脊波导TE10波截止时的等效电路图；

图中，1-矩形喇叭外壳，2-梯形波导脊，3-同轴连接器。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

利用脊波导结构尺寸较小的特点，调整波导的口径，并改变梯形波导脊与矩形喇叭外壳的内壁间距为c，就可使波导尺寸满足结构要求的同时，谐振在所需的工作频率；再调整梯形波导脊与同轴连接器3的间距为d，即可调配喇叭在谐振时的电抗分量，以实现喇叭在工作频带内的阻抗匹配；最后利用端面输出脊形变换式波导-同轴转换来实现同轴线输入端阻抗50Ω与输出端自由空间波阻抗377Ω间的匹配。在仿真计算时，采用协同匹配方法来兼顾脊波导谐振，降低电抗成分及波导同轴变换。

如图1和图2所示，一种端馈宽带宽波束脊喇叭，包括矩形喇叭外壳1、梯形波导脊2和同轴连接器3，梯形波导脊2设置于矩形喇叭外壳1的内壁上且与矩形喇叭外壳1、同轴连接器3固定连接，矩形喇叭外壳1与梯形波导脊2共同组成脊波导结构。

矩形喇叭外壳1的波导宽边长度为a，波导窄边长度为b，梯形波导脊2与矩形喇叭外壳1的内壁间距为c，梯形波导脊2与同轴连接器3的间距为d，梯形波导脊2的宽度为e；这些参数采用协同匹配方法进行优化，可得到理想的结果。

通过不断优化脊喇叭各项结构参数，最终得到了非常理想的性能参数。在接近一个倍频程的频带范围内输入驻波VSWR小于1.5，如图3所示，单元方向图能够满足天线扫描需要。

根据技术要求，辐射单元的波束宽度应满足E面波束宽度大于90°，H面波束宽度大于70°，通过端馈宽带宽波束脊喇叭优化设计，仿真方向图如图4、5所示，E面波束宽度约112.5°，H面波束宽度约75°，完全满足技术要求。

根据技术要求，辐射单元结构尺寸应满足宽度小于56mm，高度小于68mm，经过工程计算结合仿真优化，脊喇叭结构尺寸为宽度48mm、高度66mm、深度46mm，采用冲压形式进行批量加工和制造，阻抗变换部分采用机械加工方式，通过精心设计可实现成本低、体积小、重量轻、一致性好等特点。

脊波导传输特性理论分析如下所述：

技术要求需要在水平宽度尺寸(即E面)小于56mm，而垂直高度尺寸(即H面)小于68mm，通过计算规则矩形波导E面尺寸可满足要求，但H面尺寸完全不能实现(若a边尺寸较小则非常难于阻抗匹配，且H面波束宽度也会较窄)，故只能采用异性波导即脊波导形式才可满足电性能和结构尺寸要求。现对脊波导分析如下：

脊波导又称为脊形波导，它是矩形波导的一种变化形式，分为单脊波导和双脊波导两种结构形式。与规则矩形波导相比，具有低主模截止频率、宽频带、尺寸小和低阻抗特性等特点，适合作为宽频带天线的馈电波导。

脊波导与规则矩形波导的情形相似，也可以传输TE波和TM波，而且它的主模也是TE10波。此外，双脊波导可以看成是由单脊波导及其镜像构成，所以它对于TEm0波具有相同的截止频率和截止波长。在图6、图7中显示了单脊波导的横截面及其TE10波截止时的等效电路。图中，C为不连续电容，取决于b’，不连续性将产生高次模。假定有两副平行线，其电长度为θ₁、θ₂，特性阻抗为Z₀₁、Z₀₂。

取等效网络输入电压为U_in，输入电流为I_in，有等效电路可知：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{in}}\\ I_{\mathrm{in}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& j{Z}_{01}\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \frac{j\sin {\mathrm{\θ}}_1}{Z_{01}}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \mathrm{j\β}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& j{Z}_{02}\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \frac{j\sin {\mathrm{\θ}}_2}{Z_{02}}& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right];$

截止条件为： $Z_{\mathrm{in}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{I_{\mathrm{in}}}\→\∞;$

此时可得： $1-\frac{Z_{02}}{Z_{01}}\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_1\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\β}{Z}_{02}\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_2=0;$

通过Matlab程序解该关于λc的超越方程解出λc；

矩形波导的等效阻抗为： $Z_e=\frac{b}{a}{Z}_w=\frac{b}{a}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\ϵ}}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}};$

其中λc＝2a，将脊波导看作宽边皱缩的矩形波导，脊波导的等效阻抗就可写成类似的形式： $Z_{e1}=\frac{b}{a_1}{Z}_w=\frac{b}{a_1}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\ϵ}}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}};$

a₁是脊波导的等效宽边，λc＝2a₁＞2a是脊波导的截止波长，由上式可以看出，脊波导的有效阻抗比规则波导相对降低，有利于与同轴进行匹配。

在脊喇叭中主要采用标准同轴波导变换结构，经过阻抗匹配可实现由同轴线到脊喇叭进行良好传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种端馈宽带宽波束脊喇叭，其特征在于：包括矩形喇叭外壳(1)、梯形波导脊(2)和同轴连接器(3)，梯形波导脊(2)设置于矩形喇叭外壳(1)的内壁上且与矩形喇叭外壳(1)、同轴连接器(3)固定连接，矩形喇叭外壳(1)与梯形波导脊(2)共同组成脊波导结构。

2.根据权利要求1所述的一种端馈宽带宽波束脊喇叭，其特征在于：所述矩形喇叭外壳(1)的波导宽边长度为a，波导窄边长度为b，梯形波导脊(2)与矩形喇叭外壳(1)的内壁间距为c，梯形波导脊(2)与同轴连接器(3)的间距为d，梯形波导脊(2)的宽度为e；

脊波导的横截面及其TE10波截止时的等效电路中，C为不连续电容，取决于b’，不连续性将产生高次模；假定有两副平行线，其电长度为θ₁、θ₂，特性阻抗为Z₀₁、Z₀₂；

取等效网络输入电压为U_in，输入电流为I_in，有等效电路可知：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{in}}\\ I_{\mathrm{in}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_1& {\mathrm{jZ}}_{01}{\sin \mathrm{\θ}}_1\\ \frac{j\sin {\mathrm{\θ}}_1}{Z_{01}}& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \mathrm{j\β}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& j{Z}_{02}\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \frac{j\sin {\mathrm{\θ}}_2}{Z_{02}}& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right];$

截止条件为： $Z_{\mathrm{in}}=\frac{U_{\mathrm{in}}}{I_{\mathrm{in}}}\→\∞;$

此时可得： $1-\frac{Z_{02}}{Z_{01}}\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_1\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\βZ}}_{02}\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_2=0;$

通过Matlab程序解该关于λc的超越方程解出λc；

矩形波导的等效阻抗为： $Z_e=\frac{b}{a}{Z}_w=\frac{b}{a}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\ϵ}}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}};$

其中λc＝2a，将脊波导看作宽边皱缩的矩形波导，脊波导的等效阻抗就可写成类似的形式： $Z_{e1}=\frac{b}{a_1}{Z}_w=\frac{b}{a_1}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\ϵ}}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}};$

a₁是脊波导的等效宽边，λc＝2a₁＞2a是脊波导的截止波长，由上式可以看出，脊波导的有效阻抗比规则波导相对降低，有利于与同轴进行匹配。