CN109149116A - 一种新型双极化喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明一种新型双极化喇叭天线，包括矩形喇叭辐射腔、耦合缝隙、耦合辐射腔、波导匹配段、正交模耦合器、矩形波导同轴转换关节。矩形喇叭辐射腔的宽边和窄边可以根据沿窄边方向极化的E面和H面方向图锥削电平的需要确定初步尺寸；耦合缝隙对称的分布于矩形喇叭的窄边壁上，且缝隙的长边平行于喇叭的窄边方向；一组对称的耦合辐射腔通过耦合缝隙与矩形喇叭辐射腔相连；波导匹配段与矩形喇叭辐射腔下端相连实现矩形端口到方形端口过渡，同时改善双极化喇叭的阻抗匹配性能；正交模耦合器的双极化公共端口连接波导匹配段的方形端口，用于实现极化分离；两个矩形波导同轴转换关节分别连接正交模耦合器侧壁和底端的两个独立极化端口。

Description

一种新型双极化喇叭天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种新型双极化喇叭天线。

背景技术

在雷达SAR成像中，随着需求的越来越高，双极化和多极化工作模式作为提高成像性能的方式之一受到越来越多的关注。为了保证SAR***能实现双极化和多极化工作模式，需要其发射或接收模块天线具有双极化特性，且一般要求其双极化性能一致，传统的喇叭天线为了保证其双极化性能一致，一般采用圆锥/方形喇叭天线配合正交模耦合器同时实现双极化或采用两副矩形喇叭天线分别实现一种极化，以保证性能的一致性。然而随着现有***的集成度越来越高，可用空间越来越小，采用两副喇叭天线共同实现双极化的方式受到越来越多的限制。另外，圆锥及方形喇叭天线在组阵设计中受到其轮廓的制约，设计裕度有限；同时在以圆锥喇叭作为馈源照射反射面时，其低口径效率及固定的波束形式难以满足越来越多应用场景的需求。

为了适应苛刻应用环境和高性能指标需求的需要，常要求双极化喇叭天线在电性能方面，具有耐大功率、高效率、一致性的双极化特性、灵活的两正交切面波束设计；而在物理尺寸方面，具有小尺寸、组阵设计方便等特性，现有双极化喇叭天线因其实现原理难以完全满足应用要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种新型双极化喇叭天线，该喇叭天线是通过在传统矩形喇叭天线窄边壁上增加耦合缝隙，并通过耦合缝隙连接一组对称的耦合辐射腔，然后在矩形喇叭输入端配合波导匹配段、正交模耦合器及矩形波导同轴转换关节设计实现。该设计能显著改善矩形喇叭固有的两个正交极化的两正交切面对应波束不等化的现象，从而保证矩形喇叭天线两个正交极化两正交切面对应方向图的一致性，该种新型双极化喇叭在多极化成像SAR等***中具有广泛的应用价值。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种新型双极化喇叭天线，矩形喇叭辐射腔、耦合辐射腔、波导匹配段、正交模耦合器以及矩形波导同轴转换关节；一组对称的耦合辐射腔与矩形喇叭辐射腔相连；波导匹配段与矩形喇叭辐射腔输入端相连实现矩形端口到方形端口过渡，同时改善双极化矩形喇叭辐射腔因引入耦合辐射腔而导致的阻抗失配特性；正交模耦合器的双极化公共端口连接波导匹配段下端的方形端口，用于实现两正交极化分离；两个矩形波导同轴转换关节分别连接正交模耦合器侧壁和底端的两个独立极化端口，便于馈电连接实现。

耦合缝隙对称的分布于矩形喇叭辐射腔的窄边壁上；一组对称的耦合辐射腔通过耦合缝隙与矩形喇叭辐射腔相连。

所述矩形喇叭辐射腔的宽边和窄边的尺寸根据矩形喇叭沿窄边方向极化的E面和H面方向图锥削电平要求设计。

所述矩形喇叭辐射腔的窄边方向的尺寸不低于1/2波长。

所述耦合缝隙为矩形，且耦合缝隙的长边与矩形喇叭辐射腔的窄边平行；耦合缝隙距离矩形喇叭辐射腔辐射口面的距离根据沿宽边极化方向两正交切面波束锥削电平的需要调整。

所述耦合缝隙距离矩形喇叭辐射腔辐射口面的距离在1/25～1/10波长之间。

耦合辐射腔对称分布于矩形喇叭辐射腔窄边两侧，且通过耦合缝隙与矩形喇叭辐射腔相连。

所述耦合辐射腔的口面为矩形，辐射腔的深度在1/3～1/2波长之间。

矩形喇叭辐射腔下端的矩形输入口接至波导匹配段；所述波导匹配段为多级阶梯式，两端口分别为矩形和方形。

所述矩形波导同轴转换关节采用TNC接头设计，正交模耦合器采用T型节耦合槽型。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用在矩形口径喇叭窄边增加耦合辐射腔的方式实现两个正交极化两正交切面对应波束等化，设计巧妙、易加工实现。为双极化切面波束等化的双极化喇叭天线提供了一种新颖的设计途径。另外，该双极化喇叭天线还可以根据实际应用需要调节沿宽边方向极化的切面波束锥削，调节范围大。对于某些对天线双极化性能有差异性要求的天线***，该双极化喇叭天线亦能满足要求。

(2)本发明中利用外轮廓为矩形的喇叭实现两正交极化两正交切面对应波束等化，且对于任意极化，两个正交切面波束锥削设计自由，不受彼此约束，显著区别于传统的圆锥喇叭及其他的实现途径，在设计中具有更大设计自由度和口径效率，在紧凑型双极化喇叭天线和双极化天线阵列及馈电***中具有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明的双极化喇叭外部结构示意图；

图2为本发明的双极化喇叭剖面示意图；

图3(a)为本发明的双极化矩形喇叭水平极化工作原理示意图；

图3(b)为本发明的双极化矩形喇叭垂直极化工作原理示意图。

具体实施方式

本发明一种新型双极化喇叭天线，包括矩形喇叭辐射腔、耦合缝隙、耦合辐射腔、波导匹配段、正交模耦合器以及矩形波导同轴转换关节，见图1。其中，矩形喇叭辐射腔作为喇叭天线的主辐射体，可根据沿窄边方向极化的两个正交切面方向图锥削要求初步确定矩形喇叭辐射腔的宽边和窄边尺寸。为了调整沿宽边方向极化的切面方向图锥削，采用了在矩形喇叭辐射腔两侧窄边开缝，并通过耦合缝隙将矩形喇叭辐射腔与增加的耦合辐射腔连在一起。通过调整耦合缝隙位于窄边壁上的位置，以及耦合辐射腔的腔深，实现调节沿矩形喇叭宽边方向极化的切面波束锥削的目的，进而实现两正交极化两正交切面对应波束等化。

在矩形喇叭辐射腔的窄边引入耦合缝隙及耦合辐射腔的同时，为了保证沿矩形喇叭辐射腔宽边方向极化的阻抗匹配，在矩形喇叭辐射腔的输入端连接波导匹配段，见图2。该波导匹配段采用阶梯波导的形式，在改善矩形喇叭辐射腔沿宽边方向极化的阻抗匹配的同时，实现矩形喇叭辐射腔矩形输入口到方形输入口的过渡。

波导匹配段输入端为方形口，便于与正交模耦合器的双极化公共端口匹配连接。正交模耦合器采用T型节耦合槽型，见图2，正交模耦合器的侧壁端口和底端端口分别实现沿窄边方向和宽边方向的极化输入或输出。最后，为了便于馈电连接与实现，在正交模耦合器的两个单极化输入输出端口增加矩形波导同轴转换关节，同轴接口采用TNC形式，以满足一定功率需要。

在此结合图3对本发明的双极化喇叭的工作原理作简要说明。当喇叭工作于水平极化时，该极化波可以在对称耦合辐射腔中传播，此时耦合辐射腔与矩形喇叭辐射腔共同作用，喇叭口面沿宽边方向的等效口径如图3(a)所示。当喇叭工作于垂直极化时，窄边一组对称的耦合辐射腔处于截止状态，该极化波无法传播，此时矩形喇叭辐射腔的沿长宽方向的口面电场分布近似于余弦分布，该极化下沿宽边方向的等效口径如图3(b)所示。此时通过适当的调整优化耦合缝隙高度、耦合缝隙到短路反射点距离以及耦合缝隙宽度，就能实现两种极化下，沿宽边方向的等效口径相等，从而实现两种极化下对应切面的波束等化。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

如图1给出了发明的新型双极化喇叭天线。该双极化喇叭天线包括矩形喇叭辐射腔1、耦合缝隙2、耦合辐射腔3、波导匹配段4、正交模耦合器5、波导同轴转换关节6。

矩形喇叭辐射腔1采用铝合金材料，采用铝材加工，矩形喇叭辐射腔1的外包络为长方体状，如图1所示，一方面，为了保证某一频率沿矩形喇叭宽边和窄边的两个正交极化波不截止，矩形喇叭辐射腔1的窄边长度应大于半波长；另一方面，宽边的长度可根据沿窄边方向极化的切面方向图锥削电平初步确定。矩形喇叭辐射腔1的两侧窄边壁上开有一组对称的耦合缝隙2，且一组对称的耦合辐射腔3通过耦合缝隙2与矩形喇叭辐射腔1相连。耦合缝隙2的截面为矩形，其宽边尺寸与矩形喇叭窄边尺寸一致，其窄边尺寸约为1/20波长，耦合缝隙2距离喇叭辐射腔口面的尺寸约为1/20波长。

一组对称的耦合辐射腔3通过耦合缝隙2与矩形喇叭辐射1腔相连。耦合辐射腔3的横截面为矩形，其宽边尺寸与矩形喇叭窄边尺寸一致，其窄边尺寸为1/10波长，耦合辐射腔3的深度约为1/3波长。耦合辐射腔3的口面与矩形喇叭辐射腔1的口面平行。整个矩形喇叭辐射腔1和耦合辐射腔3采用一体化加工的方式形成。

矩形喇叭辐射腔1的输入端连接波导匹配段4，波导匹配段4采用多级阶梯式。其功能在于：一方面，显著改善因矩形喇叭辐射腔1加载耦合辐射腔3导致的沿宽边方向极化波传输阻抗失配的现象；另一方面，完成矩形喇叭辐射腔1输入端矩形端口到正交模耦合器5方向双极化公共端口的过渡。

正交模耦合器5采用一般T型节耦合槽型，双极化公共端口为方形，侧壁的端口和底部的端口为矩形。矩形波导同轴转换关节6采用TNC接头，在实现50欧姆阻抗匹配的同时，便于喇叭工作于大功率状态。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：包括矩形喇叭辐射腔(1)、耦合辐射腔(3)、波导匹配段(4)、正交模耦合器(5)以及矩形波导同轴转换关节(6)；一组对称的耦合辐射腔(3)与矩形喇叭辐射腔(1)相连；波导匹配段(4)与矩形喇叭辐射腔(1)输入端相连实现矩形端口到方形端口过渡，同时改善双极化矩形喇叭辐射腔(1)因引入耦合辐射腔(3)而导致的阻抗失配特性；正交模耦合器(5)的双极化公共端口连接波导匹配段(4)下端的方形端口，用于实现两正交极化分离；两个矩形波导同轴转换关节(6)分别连接正交模耦合器(5)侧壁和底端的两个独立极化端口，便于馈电连接实现。

2.根据权利要求1所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：耦合缝隙(2)对称的分布于矩形喇叭辐射腔(1)的窄边壁上；一组对称的耦合辐射腔(3)通过耦合缝隙(2)与矩形喇叭辐射腔(1)相连。

3.根据权利要求1所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：所述矩形喇叭辐射腔(1)的宽边和窄边的尺寸根据矩形喇叭沿窄边方向极化的E面和H面方向图锥削电平要求设计。

4.根据权利要求2所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：所述矩形喇叭辐射腔(1)的窄边方向的尺寸不低于1/2波长。

5.根据权利要求2所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：所述耦合缝隙(2)为矩形，且耦合缝隙(2)的长边与矩形喇叭辐射腔(1)的窄边平行；耦合缝隙(2)距离矩形喇叭辐射腔(1)辐射口面的距离根据沿宽边极化方向两正交切面波束锥削电平的需要调整。

6.根据权利要求5所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：所述耦合缝隙(2)距离矩形喇叭辐射腔(1)辐射口面的距离在1/25～1/10波长之间。

7.根据权利要求2所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：耦合辐射腔(3)对称分布于矩形喇叭辐射腔(1)窄边两侧，且通过耦合缝隙(2)与矩形喇叭辐射腔(1)相连。

8.根据权利要求1所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：所述耦合辐射腔(3)的口面为矩形，辐射腔的深度在1/3～1/2波长之间。

9.根据权利要求1所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：矩形喇叭辐射腔(1)下端的矩形输入口接至波导匹配段(4)；所述波导匹配段(4)为多级阶梯式，两端口分别为矩形和方形。

10.根据权利要求1所述的一种新型双极化喇叭天线，其特征在于：所述矩形波导同轴转换关节(6)采用TNC接头设计，正交模耦合器(5)采用T型节耦合槽型。