CN111883921B - 一种宽带宽波束介质填充喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带宽波束介质填充喇叭天线，包括矩形柱体的喇叭天线，设置在所述喇叭天线下方的馈电体，以及安装固定所述喇叭天线和馈电体的底板座。该宽带宽波束介质填充喇叭天线体积小，结构稳固性强，天线的低仰角增益高以及天线辐射能力强。

Description

一种宽带宽波束介质填充喇叭天线

技术领域

本发明属于喇叭天线领域，特别是涉及一种宽带宽波束介质填充喇叭天线。

背景技术

现有喇叭天线在低仰角的增益较低，天线的波束宽度较小，且在全空域内天线的轴比较差，不利于实现全空域的追踪定位功能；

现有喇叭天线的馈电网络也存在设计不合理，无法有效实现天线的圆极化；

同时喇叭天线还存在体积大、结构稳固性差的问题，这也是喇叭天线设计者需要考虑的问题。

因此，如何使得喇叭天线实现体积小、结构稳固，同时具有较高天线辐射能力和天线低仰角增益是本技术领域的技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种宽带宽波束介质填充喇叭天线，解决现有技术中喇叭天线体积大，结构稳固性差以及低仰角增益和天线辐射能力较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种宽带宽波束介质填充喇叭天线，包括矩形柱体的喇叭天线，设置在所述喇叭天线下方的馈电体，以及安装固定所述喇叭天线和馈电体的底板座。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述喇叭天线包括由四个等边长的周壁合围而成、截面为正方形的中空矩形柱体，在所述中空矩形柱体的内部完全填充聚酰亚胺固体填充物。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述馈电体包括一平板状的介质板，在所述介质板的上表面敷设有微带线构成的馈电网络，所述馈电网络包括T型结以及由所述T型结分出的两个电桥组合体，所述两个电桥组合体均包括两个支臂，所述两个支臂通过电桥耦合，且所述支臂延伸到所述喇叭天线的底面。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述电桥为四分之一波长且形状为方形的矩形耦合四臂电桥。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述T型结设置在所述介质板的一个侧边缘，所述T型结包括一个接口端头，从所述接口端头且平行于所述介质板的侧边延伸有T型结干线，从所述T型结干线又分出两条T型结支线，每条所述T型结支线连接一个所述电桥组合体。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述电桥组合体包括第一电桥组合体和第二电桥组合体，所述T型结支线包括第一T型结支线和第二T型结支线，所述第一电桥组合体包括第一连接线，所述第一连接线从所述第一T型结支线的末端朝着所述介质板的中心延伸，并连接一个所述矩形耦合四臂电桥，从所述矩形耦合四臂电桥分叉出向着所述介质板的中心延伸的第一支臂和第二支臂，所述第一支臂为L形，所述第二支臂呈反L形，所述第一支臂和第二支臂形成未闭合的方形，所述第一支臂向所述介质板中心延伸的末端与所述第二支臂向所述介质板中心延伸的末端之间具有间隔。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述第二电桥组合体包括第二连接线，所述第二连接线从所述第二T型结支线的末端朝着所述介质板的中心延伸，并连接一个所述矩形耦合四臂电桥，从所述矩形耦合四臂电桥分叉出向着所述介质板中心延伸的第三支臂和第四支臂，所述第三支臂为L形，所述第四支臂呈反L形，所述第三支臂和第四支臂形成未闭合的方形，所述第三支臂向所述介质板中心延伸的末端与所述第四支臂向所述介质板中心延伸的末端之间具有间隔。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述喇叭天线的四个侧面的底部开设有供所述第一支臂、第二支臂、第三支臂以及第四支臂穿过的开口，在所述喇叭天线的四个侧面结合位置的底端还设置有用于将所述喇叭天线固定在所述介质板上的固定片。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述底板座上设置有支撑腔体，所述支撑腔体设置在所述喇叭天线的下方，且与所述喇叭天线呈上下位置对应，在所述介质板的下表面且与所述T型结的接口端头呈上下对应的位置设置有天线接头。

在本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线的另一实施例中，所述宽带宽波束介质填充喇叭天线的工作频段为6.3GHz～8.6GHz，所述喇叭天线的边长为25mm，所述中空矩形柱体的壁厚为2mm。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种宽带宽波束介质填充喇叭天线，包括矩形柱体的喇叭天线，设置在所述喇叭天线下方的馈电体，以及安装固定所述喇叭天线和馈电体的底板座。该宽带宽波束介质填充喇叭天线体积小，结构稳固性强，天线的低仰角增益高以及天线辐射能力强。

附图说明

图1是本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线一实施例示意图；

图2是本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线另一实施例的结构分解示意图；

图3是本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线另一实施例中馈电体示意图；

图4是图3所示实施例中A部分局部放大示意图；

图5是图3所示实施例中B部分局部放大示意图；

图6是本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线另一实施例中驻波图；

图7是本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线另一实施例中3D方向图；

图8是本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线另一实施例中Phi＝0°、90°剖面增益方向图；

图9是本发明宽带宽波束介质填充喇叭天线另一实施例中Phi＝0°、90°轴比图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

在附图中，箭头X表示前侧，箭头Y表示右侧，箭头X和Y表示了水平方向，箭头Z表示竖向方向，即高度方向，即竖直方向。

如图1所示，该宽带宽波束介质填充喇叭天线包括矩形柱体的喇叭天线1，设置在所述喇叭天线1下方的馈电体2，以及安装固定所述喇叭天线1和馈电体2的底板座3。底板座3用来将馈电体2和喇叭天线1固定在底板座3上，增强了该宽带宽波束介质填充喇叭天线的整体稳固性，同时也使得该喇叭天线的拆卸和组装变得便捷。

优选的，结合图1和图2，所述喇叭天线1包括由四个等边长的周壁合围而成、截面为正方形的中空矩形柱体11，在所述中空矩形柱体11的内部完全填充聚酰亚胺固体填充物12，介电常数为3.6，损耗角正切为0.006。在中空矩形柱体11内部完全填充聚酰亚胺固体填充物12，即采用在矩形波导内部完全填充介质(本实施例选用聚酰亚胺固体填充物)的形式，增大了天线在低仰角处的增益，拓宽了天线波束，有效提高该天线的辐射能力，同时在全空域内天线的轴比也更为理想，可以实现在全空域的追踪定位功能，还使得该喇叭天线在轴向±70°范围内增益大于-2dBi。

优选的，宽带宽波束介质填充喇叭天线的工作频段为6.3GHz～8.6GHz，喇叭天线的边长为25mm，所述中空矩形柱体的壁厚为2mm。

优选的，结合图1、图2和图3，所述馈电体2包括一平板状的介质板21，在所述介质板21的上表面敷设有微带线构成的馈电网络，所述馈电网络包括T型结22以及由所述T型结22分出的两个电桥组合体，所述两个电桥组合体均包括两个支臂，所述两个支臂通过电桥耦合，且所述支臂延伸到所述喇叭天线1的底面，且与所述聚酰亚胺固体填充物12直接接触，对该天线进行激励，实现对该喇叭天线的耦合馈电。

结合图1、图2、图3和图5，所述T型结22设置在所述介质板21的一个侧边缘，所述T型结22包括一个接口端头221，从所述接口端头221且平行于所述介质板的侧边延伸有T型结干线222，从所述T型结干线222又分出两条T型结支线，每条所述T型结支线连接一个所述电桥组合体，所述T型结支线包括第一T型结支线223和第二T型结支线224，所述T型结干线222为阶梯型微带线，具有从接口端头221开始宽度依次增大的三段不同粗细的微带线，在该实施例中，第一T型结支线223和第二T型结支线224是两条50Ω微带线，这两条微带线并联结合后(电阻变成25Ω)再通过该三段不同粗细的微带线到达接口端头221，而这三段不同粗细的微带线起到了电阻过渡的作用，最终到达接口端头221的微带线又变成了50Ω。

进一步优选的，结合图3和图5，所述T型结干线222包括宽度由细到粗的第一T型结干线2221、第二T型结干线2222和第三T型结干线2223，第一T型结干线2221的长度为9.2mm，宽度为1.22mm；第二T型结干线2222的长度为5.8mm，宽度为1.99mm；第三T型结干线2223的长度为5mm，宽度为3.25mm。

进一步优选的，结合图3和图5，在第一T型结支线223和第二T型结支线224的结合处设置有微带线开口K1，具体的，第三T型结干线2223的末端分叉有所述第一T型结支线223和第二T型结支线224，在该分叉位置开设该微带线开口K1，该微带线开口K1包括两条开口斜边，分别为第一开口斜边K11和第二开口斜边K12，且第一开口斜边K11的长度与第二开口斜边K12的长度相等均为2mm，第一开口斜边K11与第二开口斜边K12组成的夹角为106°，且第一开口斜边K11与第二开口斜边K12的交点位于所述第三T型结干线2223的中心轴线，由于具有该微带线开口K1，对应的该处的微带线会变细，对应的阻抗就越大，可通过调节该微带线开口K1的大小(即第一开口斜边K11与第二开口斜边K12的夹角大小或第一开口斜边K11与第二开口斜边K12的长度)来达到调节该位置处微带线阻抗的作用。

优选的，结合图1、图2和图3，所述底板座3上设置有支撑腔体31，所述支撑腔体31设置在所述喇叭天线1的下方，且与所述喇叭天线1呈上下位置对应，在所述介质板的下表面且与所述T型结的接口端头221呈上下对应的位置设置有天线接头(图中未示)。设置该支撑腔体31一方面可对喇叭天线起到支撑作用，减轻底板座3支撑固定喇叭天线的压力，另一方面该支撑腔体31可将电磁场能量进行存储，进而可提高该喇叭天线的增益。

进一步优选的，支撑腔体31具有向上的开口311，且支撑腔体的竖向高度为四分之一波长，且支撑腔体31的长度和中空矩形柱体11的长度相等(25mm)，支撑腔体31的宽度和中空矩形柱体11的宽度相等(25mm)，支撑腔体31的壁厚和中空矩形柱体11的壁厚相等(2mm)。

优选的，所述支撑腔体31设置在所述底板座3的中心。

优选的，结合图2和图3，在介质板21的下表面设置有固定底板4，所述固定底板4的下表面设置有天线接头，所述天线接头与所述T型结的接口端头221呈上下位置对应，利用螺丝将介质板21和固定底板4固定连接，增强介质板结构牢靠性，使其更加稳固平稳，接地更充分。

进一步优选的，如图2所示，在所述固定底板4上开设有和所述喇叭天线位置相对应的过孔41，穿过该过孔41可让支撑腔体31对喇叭天线起到支撑作用，该过孔41形状与支撑腔体31的水平截面形状相适配。

进一步优选的，如图2所示，底板座3上设置有用于将所述介质板21、固定底板4以及底板座3固定连接在一起的金属柱32，在所述底板座3上还开设有用于露出所述天线接头的接头孔33，所述接头孔33与所述天线接头呈上下位置对应，设置金属柱32，可通过螺丝将介质板21、固定底板4和底板座3一起固定连接，增强该宽带宽波束介质填充喇叭天线的整体牢固性，使其结构稳定可靠。

优选的，所述电桥为四分之一波长且形状为方形的矩形耦合四臂电桥，在本实施例中，矩形耦合四臂电桥为两个，且该两个矩形耦合四臂电桥关于介质板的中心点呈中心对称。

优选的，结合图3和图4，以其中一个矩形耦合四臂电桥为例，该矩形耦合四臂电桥包括四条依次首尾相连的第一电桥微带线D1、第二电桥微带线D2、第三电桥微带线D3和第四电桥微带线D4，其中所述第一电桥微带线D1和第三电桥微带线D3的宽度相同，且阻抗为35Ω，所述第二电桥微带线D2和第四电桥微带线D4的宽度相同，且阻抗为50Ω，所述第一电桥微带线D1的宽度大于所述第二电桥微带线D2的宽度。

优选的，结合图3和图4，所述电桥组合体包括第一电桥组合体23和第二电桥组合体24，所述第一电桥组合体23包括第一连接线231，所述第一连接线231从所述第一T型结支线223的末端朝着所述介质板21的中心延伸，并连接一个矩形耦合四臂电桥，从所述矩形耦合四臂电桥分叉出向着所述介质板21的中心延伸的第一支臂232和第二支臂233，所述第一支臂232为L形，所述第二支臂233呈反L形，所述第一支臂232和第二支臂233形成未闭合的方形，所述第一支臂232向所述介质板21中心延伸的末端2321与所述第二支臂233向所述介质板21中心延伸的末端2331之间具有间隔。

结合图3和图4，以一个矩形耦合四臂电桥为例，该矩形耦合四臂电桥以“井”字型连接着第一T型结支线223、第一支臂232和第二支臂233，具体的，第三电桥微带线D3连接着第一T型结支线223和第二支臂233，与第三电桥微带线D3平行的第一电桥微带线D1的第一端则连接着第一支臂232，相互平行的第二电桥微带线D2和第四电桥微带线D4垂直连接第一电桥微带线D1和第三电桥微带线D3。

进一步优选的，第一电桥微带线D1的第二端连接有调节微带线J1，调节微带线J1垂直于第四电桥微带线D4，设置该调节微带线J1可保证第一支臂232的末端2321与第二支臂233的末端2331幅度的一致性，相当于保证末端2321和末端2331的电场一样。

优选的，如图3所示，第一支臂232向所述介质板21中心延伸的末端2321与介质板中心的连线垂直于第二支臂233向所述介质板21中心延伸的末端2331与介质板中心的连线，即末端2321与末端2331形成了90°相位差，用于形成圆极化。

优选的，介质板21为正方形，边长为105mm，底板座3为正方形，边长为150mm，符合天线小型化要求，体积小。

优选的，第一电桥组合体23和第二电桥组合体24关于介质板21中心点呈中心对称。

优选的，如图3所示，第一连接线231与第一T型结支线223的末端的一段微带线2231形成的夹角为135°。

优选的，如图3所示，所述第二电桥组合体24包括第二连接线241，所述第二连接线241从所述第二T型结支线224的末端朝着所述介质板21的中心延伸，并连接一个所述矩形耦合四臂电桥，从所述矩形耦合四臂电桥分叉出向着所述介质板21中心延伸的第三支臂242和第四支臂243，所述第三支臂242为L形，所述第四支臂243呈反L形，所述第三支臂242和第四支臂243形成未闭合的方形，所述第三支臂242向所述介质板21中心延伸的末端2421与所述第四支臂243向所述介质板21中心延伸的末端2431之间具有间隔。

优选的，如图3所示，第三支臂242向所述介质板21中心延伸的末端2421与介质板中心的连线垂直于第四支臂243向所述介质板21中心延伸的末端2431与介质板中心的连线。即末端2421与末端2431形成了90°相位差，用于形成圆极化。

优选的，如图3所示，第二连接线241与第二T型结支线224的末端的一段微带线2241形成的夹角为135°。

进一步优选的，第一T型结支线223微带线延伸的长度和第二T型结支线224微带线延伸的长度相等，保证了第一连接线231与第一T型结支线223的末端的一段微带线2231连接的交点位置的相位和幅度和第二连接线241与第二T型结支线224的末端的一段微带线2241连接的交点位置的相位和幅度一致。

优选的，结合图3和图4，第一T型结支线223、第二T型结支线224、第一连接线231、第二连接线241、第一支臂232(除去末端2321)、第二支臂233(除去末端2331)、第三支臂242(除去末端2421)、第四支臂243(除去末端2431)、第二电桥微带线D2以及第四电桥微带线D4的微带线宽度均为1.22mm，第一电桥微带线D1和第三电桥微带线D3的微带线宽度为1.99mm，第一支臂232的末端2321、第二支臂233的末端2331、第三支臂242的末端2421以及第四支臂243的末端2431的微带线宽度为1.5mm。

由此可见，通过这四个支臂、支臂之间的耦合的电桥以及支线和T型结在内的整体结构设计，形成由四个方向向中心汇聚的天线结构体，有利于增强天线的汇聚辐射特性，提高天线的方向聚集性和天线的辐射增益。并且，这是本发明的结构设计所决定的电磁辐射特性，是原理结构设计与仿真、实测相结合的多次优化结果。

优选的，结合图1、图2和图3，所述喇叭天线1的四个侧面的底部开设有供所述第一支臂232、第二支臂233、第三支臂242以及第四支臂243穿过的开口Z1，通过开设开口Z1，方便了微带线伸入喇叭天线内部，使得微带线与喇叭天线内部的填充介质接触，完成对该天线的耦合馈电，另一方面开口Z1还能减轻天线的整体重量。

优选的，在所述喇叭天线1的四个侧面结合位置的底端还设置有用于将所述喇叭天线1固定在所述介质板21上的固定片13，设置在喇叭天线底面四个角的固定片13使得喇叭天线1被稳固支撑在介质板上，增强了喇叭天线与介质板的整体牢固性，且还方便了介质板与喇叭天线作为一个整体进行在预定区域的安装和拆卸。

优选的，如图6所示，在6.3～8.6GHz的工作频段，电压驻波比小于2，即该天线具有良好的阻抗带宽特性。

优选的，如图7所示，该天线的增益可以达到8dBi，即该天线具有良好的辐射特性。

优选的，如图8所示，半功率宽度(或者是天线3dB波瓣宽度)为76度，即该喇叭天线的波瓣宽度较宽，接收信号的空域范围更广，利于实现更广空域的追踪定位功能，且在轴向±70°范围内增益大于-2dBi，低仰角的天线增益较高。

优选的，如图9所示，该天线轴向±90°范围内轴比小于3dB，圆极化性能良好，可广泛用于卫星地面通信，利于实现全空域的追踪定位功能。

综上所述，通过在喇叭天线底面开口，然后使用微带一分四馈电网络，其中馈电网络采用T型结和两个3dB电桥的组合机构，实现了四端口的等幅移相馈电，微带线伸到了喇叭天线内部并与填充介质直接接触，对该天线进行耦合馈电。

基于以上实施例，本发明公开了一种宽带宽波束介质填充喇叭天线，包括矩形柱体的喇叭天线，设置在所述喇叭天线下方的馈电体，以及安装固定所述喇叭天线和馈电体的底板座。该宽带宽波束介质填充喇叭天线体积小，结构稳固性强，天线的低仰角增益高以及天线辐射能力强。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种宽带宽波束介质填充喇叭天线，其特征在于，包括矩形柱体的喇叭天线，设置在所述喇叭天线下方的馈电体，以及安装固定所述喇叭天线和馈电体的底板座；所述喇叭天线包括由四个等边长的周壁合围而成、截面为正方形的中空矩形柱体，在所述中空矩形柱体的内部完全填充聚酰亚胺固体填充物；所述馈电体包括一平板状的介质板，在所述介质板的上表面敷设有微带线构成的馈电网络，所述馈电网络包括T型结以及由所述T型结分出的两个电桥组合体，所述两个电桥组合体均包括两个支臂，所述两个支臂通过电桥耦合，且所述支臂延伸到所述喇叭天线的底面。

2.根据权利要求1所述的宽带宽波束介质填充喇叭天线，其特征在于，所述电桥为四分之一波长且形状为方形的矩形耦合四臂电桥。

3.根据权利要求2所述的宽带宽波束介质填充喇叭天线，其特征在于，所述T型结设置在所述介质板的一个侧边缘，所述T型结包括一个接口端头，从所述接口端头且平行于所述介质板的侧边延伸有T型结干线，从所述T型结干线又分出两条T型结支线，每条所述T型结支线连接一个所述电桥组合体。

4.根据权利要求3所述的宽带宽波束介质填充喇叭天线，其特征在于，所述电桥组合体包括第一电桥组合体和第二电桥组合体，所述T型结支线包括第一T型结支线和第二T型结支线，所述第一电桥组合体包括第一连接线，所述第一连接线从所述第一T型结支线的末端朝着所述介质板的中心延伸，并连接一个所述矩形耦合四臂电桥，从所述矩形耦合四臂电桥分叉出向着所述介质板的中心延伸的第一支臂和第二支臂，所述第一支臂为L形，所述第二支臂呈反L形，所述第一支臂和第二支臂形成未闭合的方形，所述第一支臂向所述介质板中心延伸的末端与所述第二支臂向所述介质板中心延伸的末端之间具有间隔。

5.根据权利要求4所述的宽带宽波束介质填充喇叭天线，其特征在于，所述第二电桥组合体包括第二连接线，所述第二连接线从所述第二T型结支线的末端朝着所述介质板的中心延伸，并连接一个所述矩形耦合四臂电桥，从所述矩形耦合四臂电桥分叉出向着所述介质板中心延伸的第三支臂和第四支臂，所述第三支臂为L形，所述第四支臂呈反L形，所述第三支臂和第四支臂形成未闭合的方形，所述第三支臂向所述介质板中心延伸的末端与所述第四支臂向所述介质板中心延伸的末端之间具有间隔。

6.根据权利要求5所述的宽带宽波束介质填充喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线的四个侧面的底部开设有供所述第一支臂、第二支臂、第三支臂以及第四支臂穿过的开口，在所述喇叭天线的四个侧面结合位置的底端还设置有用于将所述喇叭天线固定在所述介质板上的固定片。

7.根据权利要求6所述的宽带宽波束介质填充喇叭天线，其特征在于，所述底板座上设置有支撑腔体，所述支撑腔体设置在所述喇叭天线的下方，且与所述喇叭天线呈上下位置对应，在所述介质板的下表面且与所述T型结的接口端头呈上下对应的位置设置有天线接头。

8.根据权利要求7所述的宽带宽波束介质填充喇叭天线，其特征在于，所述宽带宽波束介质填充喇叭天线的工作频段为6.3GHz～8.6GHz，所述喇叭天线的边长为25mm，所述中空矩形柱体的壁厚为2mm。

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