CN110034405A - 一种c波段宽波束角锥喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种C波段宽波束角锥喇叭天线，其由角锥喇叭、梯形脊波导和SMA接头组成；梯形脊波导设置于角锥喇叭下方，并与SMA接头相连。调整波导中梯形脊与脊之间的的间距和改变SMA接头到梯形波导脊的间距，利于阻抗匹配，并且可通过减小喇叭口径宽度来实现天线的宽波束。本发明能满足宽波束的要求，在近一倍频程的频带范围内，输入驻波比VSWR小于1.5，同时天线增益达到7.5dB以上，在全频段内天线方向图一致性好，具有实际工程应用与研究价值。

Description

一种C波段宽波束角锥喇叭天线
技术领域
本发明属于雷达、通信领域，具体涉及一种C波段宽波束角锥喇叭天线。
背景技术
目前宽波束天线的种类比较多，如微带天线、旋转天线、振子反射器天线等，但以上几种天线存在一定的局限性，通常表现为：带宽较窄、增益较低。
角锥喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，它既可以作为反射面天线或透镜天线的馈源、阵列天线的辐射单元，也可以做微波中继站或卫星上的独立天线。
角锥喇叭天线同时具有较高的增益，较宽的工作频带宽、功率容量大、重量轻和易于实际加工等优点，但此类天线波束宽度较窄。
加脊喇叭天线由于在喇叭中加脊，改变了横截面上场的分布，有利于天线阻抗匹配，从而拓展了带宽。
本发明所提出的天线馈电结构简单，有一定的方向性和增益、利于定向辐射等优点，可用在雷达工程及电磁测试等领域。
发明内容
本发明针对现有技术中角锥喇叭天线波束较窄的不足，提供一种C波段宽波束角锥喇叭天线。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种C波段宽波束角锥喇叭天线，其特征在于，包括：角锥喇叭、梯形脊波导、SMA接头；所述角锥喇叭由矩形波导E面和H面的两臂张开而形成，所述梯形脊波导设置于角锥喇叭下方并与SMA接头相连，角锥喇叭的下端与梯形脊波导固定连接，角锥喇叭的下端口径尺寸大小与梯形脊波导的脊波导口相同。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述梯形脊波导由矩形波导和两个梯形脊片构成，所述SMA接头穿过其中一个梯形脊片并到达另一个梯形脊片，SMA接头的内芯与另一个梯形脊片相连。
进一步地，两个梯形脊片相对地安装在梯形脊波导的宽边侧，梯形脊片的底端相对处设计成阶梯形状。
进一步地，所述角锥喇叭的长度大于最低工作波长的一半。
进一步地，角锥喇叭天线的各参数满足以下各式：
角锥喇叭天线的增益为：
式中，G为增益，λ为自由空间波长，DH和DE分别为角锥喇叭上端口径在H面和E面的边长，εap为矩形喇叭的口径效率，在最佳增益设计时，该值为0.5；
根据喇叭长度、口径宽度和天线增益之间的关系可得：
式中，RH和RE分别为角锥喇叭顶点到上端口径面在H面和E面的高度；
对于实际制成喇叭，满足LE＝LH和RE＝RH，LH和LE为角锥喇叭上下两个口径面之间在H面和E面的距离，可以得出：
根据三角形的相似关系可得：
式中，a和b分别为梯形脊波导口径在H面和E面的边长；
由以上公式推导出：
角锥喇叭天线的波束宽度为基于口径尺寸的公式：
式中，BW10h表示H面的10dB波束宽度，BW10e表示E面的10dB波束宽度。
进一步地，DE＝0.9DH。
由上述公式可知，增益G与波束宽度BW均与天线口径尺寸有关，此设计的关键在于设定喇叭口径的合适尺寸，平衡增益G与波束宽度BW两者的结果。
本发明的有益效果是：提出的C波段宽波束角锥喇叭天线既能实现宽带、增益最佳匹配又能满足波束宽度要求，在近一个倍频程的频带范围内，输入驻波小于1.5，同时天线增益达到7.5dBi以上，在全频段内天线E面和H面方向图一致性好。
附图说明
图1为角锥喇叭天线结构示意图。
图2为角锥喇叭天线横截面示意图。
图3为角锥喇叭天线俯视图。
图4为梯形脊波导的横截面示意图。
图5为角锥喇叭天线的E面示意图。
图6为角锥喇叭天线的H面示意图。
图7为角锥喇叭天线仿真VSWR曲线图。
图8为角锥喇叭天线仿真Gain曲线图。
图9为角锥喇叭天线4.5GHz仿真E面和H面仿真方向图。
图10为角锥喇叭天线6GHz仿真E面和H面仿真方向图。
图11为角锥喇叭天线8GHz仿真E面和H面仿真方向图。
图12为梯形脊波导TE20波截止时的等效电路图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1、2、3所示的一种C波段宽波束角锥喇叭天线，由角锥喇叭1、梯形脊波导2、SMA接头3组成。角锥喇叭1位于最上方，角锥喇叭1下端口径与梯形脊波导3固定连接，喇叭天线的长度应大于最低工作波长的一半，这样能保证阻抗转换过程中不激起高次模，喇叭口径的大小由天线的增益及口径效率决定。
梯形脊波导2结构由矩形波导与两个梯形脊片4构成，SMA接头3穿过其中一个梯形脊片4到达另一个脊片，内芯与之相连。图4是梯形脊波导2的横截面示意图，图12是梯形脊波导TE20波截止时的等效电路图。梯形脊波导2宽边长度为a，窄边长度为b，在波导的宽边加梯形脊片4形成梯形脊波导，其可看做宽边弯折的矩形波导，且传输与矩形波导相似的模式，脊的棱边周围，电磁场分布由于边缘效应而受到扰乱。与相同尺寸的矩形波导相比，具有较长的截止波长，当有相同的工作波长时，可以减小波导尺寸，易于低阻抗的微带线及同轴线匹配。调整波导中梯形脊与脊之间的间距和改变SMA接头3到梯形脊片4的间距利于阻抗匹配。波导中脊片底端设计成阶梯形状，获得最佳的阻抗匹配。
如图5、6所示，角锥喇叭天线是由矩形波导E面和H面的两臂张开而形成的，其辐射特性基本上是E(窄)面和H(宽)面扇形喇叭的结合，角锥喇叭天线的增益为：
式中，G为增益，λ为自由空间波长，DH和DE分别为角锥喇叭上端口径在H面和E面的边长，εap为矩形喇叭的口径效率，在最佳增益设计时，该值为0.5。
可通过减小此款喇叭天线E/H面口径宽度DE/DH，使E/H面的波束宽度变宽。
根据喇叭长度、口径宽度和天线增益之间的关系可得：
式中，RH和RE分别为角锥喇叭顶点到上端口径面在H面和E面的高度(0’0)。
对于实际制成喇叭，满足LE＝LH和RE＝RH，LH和LE为角锥喇叭上下两个口径面之间在H面和E面的距离，可以得出：
根据三角形的相似关系可得：
式中，a和b分别为梯形脊波导口径在H面和E面的边长。
由以上公式可以推导出：
在设计最佳增益的角锥喇叭天线时，已知参数之间的数学关系，便可计算出每个尺寸变量所对应的值。
上式中，设DE＝qDH，减小H面口径宽度DE，随着DE减小(q值降低)，H面的波束宽度变宽，随着DE增大(q值增加)，天线增益逐渐增大，在q值取0.9时，增益及波束宽度均满足指标要求。
根据累计实验数据，计算波束宽度的公式简化为只基于口径尺寸的简单公式：
式中，BW10h表示H面的10dB波束宽度，BW10e表示E面的10dB波束宽度。改变角锥喇叭口径尺寸大小在确保增益满足指标要求下获得更宽的波束宽度。
通过不断优化角锥喇叭天线各项结构参数，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，天线增益达到7.5dBi以上，同时方向图能够满足天线扫描需要，如图7、8所示。
根据技术要求，辐射单元的波束宽度应大于55°，通过角锥喇叭优化设计，仿真方向图如图9、10、11所示，完全满足技术要求，E面和H面方向图一致性高，适用于反射面天线馈源。
经过工程计算结合仿真优化：喇叭口面40mm×36mm，波导段底面38mm×22mm，波导段长55mm，喇叭轴向长度60mm。此款角锥喇叭结构简单易加工，对于宽频带、宽波束的应用场景，具有良好的实际应用价值。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种C波段宽波束角锥喇叭天线，其特征在于，包括：角锥喇叭(1)、梯形脊波导(2)、SMA接头(3)；所述角锥喇叭(1)由矩形波导E面和H面的两臂张开而形成，所述梯形脊波导(2)设置于角锥喇叭(1)下方并与SMA接头(3)相连，角锥喇叭(1)的下端与梯形脊波导(2)固定连接，角锥喇叭(1)的下端口径尺寸大小与梯形脊波导(2)的脊波导口相同。
2.如权利要求1所述的一种C波段宽波束角锥喇叭天线，其特征在于：所述梯形脊波导(2)由矩形波导和两个梯形脊片(4)构成，所述SMA接头(3)穿过其中一个梯形脊片(4)并到达另一个梯形脊片(4)，SMA接头(3)的内芯与另一个梯形脊片(4)相连。
3.如权利要求2所述的一种C波段宽波束角锥喇叭天线，其特征在于：两个梯形脊片(4)相对地安装在梯形脊波导(2)的宽边侧，梯形脊片(4)的底端相对处设计成阶梯形状。
4.如权利要求1所述的一种C波段宽波束角锥喇叭天线，其特征在于：所述角锥喇叭(1)的长度大于最低工作波长的一半。
5.如权利要求1所述的一种C波段宽波束角锥喇叭天线，其特征在于：角锥喇叭天线的各参数满足以下各式：
角锥喇叭天线的增益为：
式中，G为增益，λ为自由空间波长，DH和DE分别为角锥喇叭上端口径在H面和E面的边长，εap为矩形喇叭的口径效率，在最佳增益设计时，该值为0.5；
根据喇叭长度、口径宽度和天线增益之间的关系可得：
式中，RH和RE分别为角锥喇叭顶点到上端口径面在H面和E面的高度；
对于实际制成喇叭，满足LE＝LH和RE＝RH，LH和LE为角锥喇叭上下两个口径面之间在H面和E面的距离，可以得出：
根据三角形的相似关系可得：
式中，a和b分别为梯形脊波导口径在H面和E面的边长；
由以上公式推导出：
角锥喇叭天线的波束宽度为基于口径尺寸的公式：
式中，BW10h表示H面的10dB波束宽度，BW10e表示E面的10dB波束宽度。
6.如权利要求5所述的一种C波段宽波束角锥喇叭天线，其特征在于：DE＝0.9DH。
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