CN109244677A - 一种斜角同轴波纹喇叭结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜角同轴波纹喇叭结构，包括：斜角波纹，所述斜角波纹的一端连接在第一个同轴波纹的末端，并以所述第一个同轴波纹的末端为轴，向波导口方向旋转弯折形成一定的夹角，斜角波纹的另一端与波导壁的上端面之间形成一环形槽。本发明通过设计斜角的波纹结构，在波纹和波导之间形成了一个具有较大电容负载的环形槽；在电容负载的作用下，斜角环形槽对于波导的电磁能量可以看成一个光滑渐变的过渡段，口径逐渐张开的斜角结构将会降低波导的截止频率，因此会改善低频的反射损耗；同时，斜角波纹在环形槽的容性作用下并不会破坏波纹喇叭所在口径处的电场分布，因此在改善阻抗特性的同时仍具备波纹喇叭辐射方向图旋转对称的特性。

Description

一种斜角同轴波纹喇叭结构

技术领域

本发明涉及波纹喇叭领域，尤其是涉及一种斜角同轴波纹喇叭结构。

背景技术

波纹喇叭是反射面天线的标准馈源形式，具有旋转对称的高斯型远场方向图，且方向图几乎不随频率变化，同时波纹喇叭相位中心恒定且旁瓣和交叉极化水平较低，几乎满足射电望远镜馈源的所有性能要求，因此是工作频率在0.5GHz以上的高灵敏度射电望远镜反射面天线的常用馈源。

波纹喇叭根据结构的不同可以分为小张角喇叭、标量喇叭和同轴波纹喇叭三种形式。在小张角喇叭、标量喇叭和同轴波纹喇叭三种形式的波纹喇叭中，同轴波纹喇叭的波纹由口径面上的一组同心圆环构成，相比于在波导内壁垂直于斜径和轴线刻槽的小张角喇叭和标量喇叭，同轴波纹喇叭更易优化和加工。

Ying提出的同轴波纹喇叭具有很好的电性能，是射电天文反射面最常用的馈源形式，可以在1.7:1的带宽范围内得到近乎恒定的波束宽度，带内反射因子在-20dB以下[1]。事实上，同轴波纹喇叭馈源高频时具有很好的阻抗性能，但是由于高次模的存在，高频方向图变化会比较明显，甚至出现裂瓣；低频时同轴波纹喇叭方向图较为稳定，有很好的照明和旋转对称性,然而频率向下靠近到波导截止频率时，反射因子会急剧增加。因此同轴波纹喇叭的方向图带宽属于高频截止，而阻抗带宽属于低频截止。针对同轴波纹喇叭阻抗带宽和方向图带宽不一致的问题，本发明在Ying氏同轴波纹喇叭的基础上提出一种新型斜角同轴波纹喇叭，可以改善低频的反射水平，有效拓展同轴波纹喇叭的工作带宽至一个倍频程。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种斜角同轴波纹喇叭结构，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种斜角同轴波纹喇叭结构，包括：斜角波纹，所述斜角波纹的一端连接在第一个同轴波纹的末端，并以所述第一个同轴波纹的末端为轴，向波导口方向旋转弯折形成一定的夹角，斜角波纹的另一端与波导壁的上端面之间形成一环形槽。

作为一种进一步的技术方案，所述夹角的角度θ0＝0.6*BW；其中，BW为设计指标要求斜角波纹喇叭-13dB的波束宽度。

作为一种进一步的技术方案，所述环形槽的高度不大于0.1λ；其中，λ为设计频段的最高频率对应的波长。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明通过设置环形槽在波纹和波导之间形成了一个很大的电容负载；在较大电容负载的作用下，斜角环形槽对于波导的电磁能量可以看成一个光滑渐变的过渡段，口径逐渐张开的结构将会降低波导的截止频率，因此会改善低频的反射损耗；同时，斜角波纹在环形槽的容性作用下并不会破坏波纹喇叭所在口径处的电场分布，因此在改善阻抗特性的同时并不会恶化方向图的对称性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的斜角同轴波纹喇叭结构的立体图；

图2为本发明实施例提供的斜角同轴波纹喇叭结构的剖面图；

图3为现有技术中Ying氏同轴喇叭的剖面图；

图4为本发明实施例提供的斜角同轴波纹喇叭结构与Ying氏同轴喇叭反射损耗曲线图；

图5为本发明实施例提供的斜角同轴波纹喇叭结构与Ying氏同轴喇叭输入电抗曲线图；

图6为本实施例提供的斜角同轴波纹喇叭分别在低频、中心频率和高频的远场方向图

图7为本发明实施例提供的斜角同轴波纹喇叭结构在中心频率下的场分布图；

图8为现有技术中的Ying氏同轴喇叭在中心频率下的场分布图；

图9为本发明实施例提供的斜角同轴波纹喇叭结构在低频1.1GHz、中心频率1.5GHz和高频1.8GHz下的中心横截面的场分布图；

图10为现有技术中的Ying氏同轴喇叭在低频1.1GHz、中心频率1.5GHz和高频1.8GHz下的中心横截面的场分布图；

图标：1-斜角波纹；2-第一个同轴波纹；3-波导壁；4-环形槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

结合图1和2所示，本实施例提供一种斜角同轴波纹喇叭结构，包括：斜角波纹1，所述斜角波纹1的一端连接在第一个同轴波纹2的末端，并以所述第一个同轴波纹2的末端为轴，向波导口方向旋转弯折形成一定的夹角，斜角波纹1的另一端与波导壁3的上端面之间形成一环形槽4；环形槽4在波纹和波导之间构了一个很大的电容负载。直观上可以预测，在较大电容负载的作用下，环形槽4对于波导的电磁能量可以看成一个光滑渐变的过渡段，口径逐渐张开的结构将会降低波导的截止频率，因此会改善低频的反射损耗；同时，斜角波纹在环形槽的容性作用下并不会破坏波纹喇叭所在口径处的电场分布，因此在改善阻抗特性的同时并不会恶化方向图的对称性。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，设计中要求波纹喇叭-13dB的波束宽度为113°，所述夹角的角度范围为：65°-70°。更普遍的，若设计指标要求斜角波纹喇叭-13dB的波束宽度为BW，则所述夹角θ₀取值约为θ₀＝0.6*BW。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，假设设计频段的最高频率对应的波长为λ，槽的高度h不大于0.1λ。

结合图4所示，其给出了斜角同轴波纹喇叭与Ying氏同轴波纹喇叭的回波损耗比较图(蓝线对应无斜角结构的Ying氏馈源，红线为斜角同轴馈源的反射因子)，通过比较可以看出，斜角同轴喇叭的阻抗带宽在低频有较大的扩展，从Ying氏馈源-20dB反射损耗的1.25GHz的低频边带拓宽至1.07GHz，高频边带从1.95GHz下降到1.9GHz基本保持不变。相对带宽从44％提高到了56％。

结合图5所示，其给出了斜角同轴波纹喇叭(红色)与未加斜角波纹的Ying氏宽带同轴波纹喇叭(紫色)的输入电抗曲线，可以用于解释斜角同轴波纹喇叭阻抗特性改善的原因。由图可以看到，Ying氏同轴波纹喇叭输入电抗在带内表现为容性，低频时从较大的容性电抗陡峭变为较大的感性电抗，导致反射因子急剧增大；斜角波纹的引入则减小了带内电抗曲线的起伏，并拓宽了容性电抗的带宽范围。

结合图6所示为L波段斜角同轴波纹喇叭在低频1.1GHz、中心频率1.5GHz和高频1.8GHz的E面、H面和对角D面的主极化和交叉极化方向图。可以看到斜角同轴方向图56.5°边缘照明为-13dB的带宽可以达到1.1GHz-1.8GHz。在整个带宽上，同一频点的方向图有较好的旋转对称性，边缘照明在-13.5dB±1dB范围内，前后比小于-24dB，对角面D平面的交叉极化最大值在高低频低于-30dB，中心频率的交叉极化低于-22dB。

结合图7和8所示，二者分别给出了斜角同轴波纹喇叭与Ying氏同轴波纹喇叭的场分布图，左右两幅图分别对应波导口和第一个波纹所在口径处的场分布，中间一幅图为喇叭中心横截面的场分布。图中可以看到，斜角同轴波纹喇叭与Ying氏同轴喇叭的场分布基本一致，波导传播的能量经过一个波纹以后，口径场分布从非旋转对称的TE11模式变成圆对称的HE11平衡混合模式。

结合图9和10所示，二者分别为低频1.1GHz、中心频率1.5GHz和高频1.8GHz的斜角同轴喇叭和Ying氏同轴喇叭的中心横截面的场分布，可以看到在低频1.1GHz时，斜角波纹与波导端之间有较强的场分布，电场通过环形槽耦合到斜角波纹，在第一个波纹末端形成混合模式向外辐射能量。在中心频率和高频条件下，斜角波纹基本对辐射场没有影响。

综上，本发明提供的斜角同轴波纹喇叭结构可以改善低频的反射水平拓展同轴喇叭的工作带宽。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种斜角同轴波纹喇叭结构，其特征在于，包括：斜角波纹，所述斜角波纹的一端连接在第一个同轴波纹的末端，并以所述第一个同轴波纹的末端为轴，向波导口方向旋转弯折形成一定的夹角，斜角波纹的另一端与波导壁的上端面之间形成一环形槽。

2.根据权利要求1所述的斜角同轴波纹喇叭结构，其特征在于，所述夹角的角度θ0＝0.6*BW；其中，BW为设计指标要求斜角波纹喇叭-13dB的波束宽度。

3.根据权利要求1所述的斜角同轴波纹喇叭结构，其特征在于，所述环形槽的高度不大于0.1λ；其中，λ为设计频段的最高频率对应的波长。