CN111129724B - 小型化加载慢波结构的h面喇叭天线、雷达、通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线、雷达、通信***，包括：波导、H面喇叭结构和慢波结构；其中在矩形金属波导宽壁上下内表面设置有一列两个对称方形金属柱；所述慢波结构设置在H面喇叭本体的张角区域宽面上下内表面，所述慢波结构由多排对称金属柱组成，每个金属柱子之间的距离相等。本发明在工作频段上与同口径常规H面喇叭天线相比纵向尺寸小，具有较宽的带宽和较高的增益，实现了喇叭天线小型化。本发明通过一体化的慢波结构使电磁波在输出端口面相位分布均匀提高远场增益，该设计整体尺寸小、馈电简单、设计方便、成本低且装配简便，具有小型化、集成化的优点。

Description

小型化加载慢波结构的H面喇叭天线、雷达、通信***
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线、雷达、通信***。
背景技术
目前，最接近的现有技术：在现代通信***及雷达***中，天线是必不可少的器件。其中喇叭天线是最广泛使用的天线之一，它的优点是结构简单、制造方便、馈电简便及功率容量大。随着毫米波器件和***的不断发展，人们对器件和***的小型化尤为关注，而天线作为无线电接收和发射***中的重要组成部分，其性能的改善和尺寸的减小有着重要意义。例如，要求喇叭天线在其远场增益不变的前提下减小尺寸。但喇叭纵向尺寸的减小会导致口面相位误差增大，使得喇叭天线远场增益减小。因此，额外的相位校正装置成为喇叭天线小型化研究的关键技术。透镜(lens)是最早也是最广泛使用的喇叭天线小型化技术。该技术通过在喇叭口面上装配介质透镜(Dielectric lens)或是近年来新兴的超材料(metamaterials)作透镜可以把从喇叭内传来的柱面波调整为平面波，使喇叭天线在缩小尺寸的同时提高增益。然而，透镜的实际装配过程会引入装配误差，对天线的辐射性能产生不可避免的影响，而且电磁波穿过介质时会在介质内部引起能量损耗。另外，超材料通常结构复杂，需要很高的加工精度，制造成本较高。并且由于超材料是在同一介质基板上刻蚀的金属化单元。毫米波频段在超材料表面激起的表面波辐射以及单元间的耦合也会对天线的辐射性能造成一定的影响。
综上所述，现有技术存在的问题是：因此，需要一种新的方法可以在减小天线尺寸的同时直接利用自身结构调整相位，避免装配误差，减小能量损耗及降低制造成本。
解决上述技术问题的难度：加载慢波结构是一种合适的实现喇叭天线小型化的方法。然而如果直接在喇叭内表面刻蚀同样高度的周期性结构很容易使能量储存到近场区不容易辐射且带宽变窄或者口面相位得不到调整，导致天线的增益变差。因此，解决上述技术问题的难度在于，如何调整慢波结构形状及高度使不影响喇叭天线带宽的同时提高增益。解决上述技术问题的意义：通过在喇叭宽壁内表面刻蚀周期性金属柱构成慢波结构，避开了透镜实际装配过程带来的误差问题以及电磁波穿过介质时产生的介质损耗问题。通过调整金属柱的高度使得这种结构在减小天线纵向尺寸的同时提高了天线增益，实现了天线和相位校正装置一体化，提供了一种新的无需装配的喇叭天线小型化技术。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线、雷达、通信***。与同口径的最优喇叭天线相比，本发明纵向尺寸缩减了33.3％。相比于介质透镜的加载方法，本发明利用周期性刻蚀金属柱构成慢波结构加载的方法没有介质损耗，因此天线效率更高。
本发明是这样实现的，一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线，所述小型化加载慢波结构的H面喇叭天线包括一段短路的馈电波导、两端矩形开口的扁锥形喇叭结构和慢波结构；
馈电波导与扁锥形喇叭结构开口较小一端尺寸一致且无缝连接，其功能为使同轴内线穿过波导宽壁的圆孔，通过波导向喇叭张开部分耦合馈电；
所述慢波结构为设置在扁锥形喇叭结构宽面金属内壁上的多排沿y轴上下对称金属柱，每个金属柱之间的距离相等，其功能为使喇叭内传输的柱形波在到达口面上时调整为平面波；
进一步，馈电波导靠近扁锥形喇叭结构的一侧宽面上下内壁设有沿y轴上下对称的一列两个方形金属柱，两个方形金属柱高度分别为0.4mm，1mm，其功能为改善天线的阻抗匹配；。
进一步，所述慢波结构的金属柱在靠近波导与喇叭张开区域的过渡处采用一对沿y轴上下对称的等腰三角形金属柱，其功能为扩展天线的阻抗带宽
进一步，所述慢波结构的多排沿y轴上下对称金属柱在靠近H面喇叭窄壁时采用等腰直角三角形金属柱，其功能为降低加工精度，减小制造成本；
进一步，所述慢波结构的多排金属柱自波导到喇叭张开区域逐排个数增加2个，且单排不超过3个柱子时高度相等；单排超过3个柱子时高度由外向里逐渐减小，其功能为使喇叭内电磁波相速减小的同时避免电场能量过度向中间集中；
进一步，最靠近口径的一排方形金属柱最中间的柱高度最高为3.3mm，其功能为使喇叭中央区域的电磁波相速减小，从而使电磁波到达口面时相位趋于一致；
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的雷达。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的通信***。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的无线电接收和发射***。
本发明的另一目的在于提供一种集成有所述无线电接收和发射***的高频电子线路。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用同轴探针从波导宽壁向喇叭馈电，在喇叭张开部分的宽壁内表面刻蚀相同周期不同高度的金属柱实现一体化的慢波结构，使电磁波在输出端口面相位分布均匀提高远场增益。本发明纵向尺寸28mm，相比于同口径的最优喇叭天线纵向尺寸42mm，纵向尺寸缩减了33.3％；相比于没有加慢波结构的缩小长度的喇叭天线，平均增益提高了1.8dBi。该设计整体尺寸小、馈电简单、设计方便、成本低且装配简便，实现了喇叭天线的小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的整体结构示意图；
图3是本发明实施例的具体实物照片；
图4是本发明实施例提供的回波损耗曲线图；
图5是本发明实施例提供的增益曲线图；
图6是本发明实施例提供的E面和H面的辐射方向图；
图中：1、馈电波导；2、扁锥形喇叭结构；3、喇叭宽面金属壁；4、喇叭窄面金属壁；5、方形金属柱；6、慢波结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线、雷达、通信***，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的小型化加载慢波结构的H面喇叭天线包括：馈电波导1、扁锥形喇叭结构2、喇叭宽面金属壁3、喇叭窄面金属壁4、方形金属柱5、慢波结构6。
一端短路的馈电波导1、两端矩形开口的扁锥形喇叭结构2和慢波结构6，其中馈电波导1与扁锥形喇叭结构2开口较小一端尺寸一致且无缝连接，馈电波导1靠近扁锥形喇叭结构2的一侧宽面上下内壁3设有沿y轴上下对称的一列两个方形金属柱5；所述慢波结构6为设置在扁锥形喇叭结构宽面金属内壁3上的多排沿y轴上下对称金属柱，每个金属柱之间的距离相等，为1.5mm。本发明包括的所有正方形金属柱边长均为3.5mm。
本发明使用的馈电波导长19.8mm,宽15mm，高9.53mm。波导内的两个方形金属柱高度分别为0.4mm，1mm。扁锥形喇叭结构窄边长15mm，斜边长28mm，宽边长50mm，高9.53mm。慢波结构6的金属柱在靠近波导1与喇叭2张开区域的过渡处采用一对沿y轴上下对称的等腰三角形金属柱，等腰三角形底边长3.5mm,腰长3.9mm，柱高2mm。慢波结构6的多排金属柱沿y轴在喇叭上下两宽壁对称分布，每排金属柱沿z轴左右对称分布。金属柱在靠近H面喇叭窄壁4时采用等腰直角三角形金属柱，两直角边长均为3.5mm，柱高2.3mm。但该情况不包括最靠近口径的单排柱。慢波结构6的多排金属柱自波导1到喇叭2张开区域逐排个数增加2个，且单排不超过3个柱子时高度相等均为2.3mm；单排超过3个柱子时高度由外向里逐渐减小：一排五个时沿z轴左右对称分布的四个柱子高度相等均为2.3mm，中间柱子高1.6mm；一排七个时同样外沿四个柱子高等相等均为2.3mm，靠里的两个沿z轴对称分布的柱子高度为1.9mm，最中间柱子高0.4mm。但该情况不包括最靠近口径的单排柱。慢波结构6最靠近口径的一排方形金属柱最中间的柱高度最高为3.3mm，向两侧延伸的三个金属柱高度分别为1.6mm，1.9mm和1.6mm，同一排沿z轴对称的两金属柱高度相等。
如图3所示，为一种实际加工的小型化加载慢波结构的H面喇叭天线实物图。如图4所示，为一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的反射系数特性曲线图，由图可知，该天线中心频率12.5GHz，-10dB带宽为4GHz。如图5所示，为一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的增益曲线。从图5可以看出，相比于纵向尺寸缩小后未加载慢波结构的喇叭天线，该天线带内平均增益提高了1.8dBi。另外，该天线纵向尺寸28mm,相比于同口径最优喇叭天线纵向尺寸42mm，纵向长度上减小了33.3％。如图6所示，为一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线在12.5GHz频点处的辐射方向图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种小型化加载慢波结构的H面喇叭天线，其特征在于，所述小型化加载慢波结构的H面喇叭天线包括一段短路的馈电波导、两端矩形开口的扁锥形喇叭结构和慢波结构；
馈电波导与扁锥形喇叭结构开口较小一端尺寸一致且无缝连接，馈电波导靠近扁锥形喇叭结构的一侧宽面上下内壁设有上下对称的一列两个方形金属柱；
所述慢波结构为设置在扁锥形喇叭结构宽面金属内壁上的多排上下对称金属柱，每个金属柱之间的距离相等；
馈电波导内的靠近扁锥形喇叭结构的方形金属柱高度为0.4mm，远离扁锥形喇叭结构的方形金属柱高度为1mm；
所述慢波结构的金属柱在靠近波导与喇叭张开区域的过渡处采用一对上下对称的等腰三角形金属柱；
所述慢波结构的多排上下对称金属柱在靠近H面喇叭窄壁时采用直角三角形状柱，最靠近口径的单排柱为方形；
所述慢波结构的多排金属柱沿y轴在喇叭上下两宽壁对称分布自波导到喇叭张开区域逐排个数增加2个，且单排不超过3个柱子时高度相等，最靠近扁锥形喇叭结构口径的单排金属柱与次靠近扁锥形喇叭结构口径的单排金属柱个数相同；单排超过3个柱子时高度由外向里逐渐减小，一排五个时沿z轴左右对称分布的四个柱子高度相等均为2.3mm，中间柱子高1.6mm；一排七个时同样外沿四个柱子高度相等均为2.3mm，靠里的两个沿z轴对称分布的柱子高度为1.9mm，最中间柱子高0.4mm；慢波结构最靠近口径的一排方形金属柱最中间的柱高度最高为3.3mm，向两侧延伸的三个金属柱高度分别为1.6mm，1.9mm和1.6mm，同一排沿z轴对称的两金属柱高度相等。
2.一种安装有权利要求1所述小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的雷达。
3.一种安装有权利要求1所述小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的通信***。
4.一种安装有权利要求1所述小型化加载慢波结构的H面喇叭天线的无线电接收和发射***。
5.一种集成有权利要求4所述无线电接收和发射***的高频电子线路。
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