CN113161750A - 一种宽带双模多阶梯喇叭天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种宽带双模多阶梯喇叭天线，所述天线包括一个多阶梯的圆形喇叭和圆波导‑矩形波导转换结构；所述圆形喇叭包括波导段、6级阶梯、辐射段；所述波导转换结构包括三级空腔；所述波导转换结构的外形为圆角正方形，所述波导段为圆柱形，且圆柱形的底面为所述圆角正方形的内切圆；所述波导段与第一空腔连接；波导转换结构的第三空腔***设置FBP220法兰结构来连接馈电的矩形波导转换结构，本发明在17‑25GHz内获得了高增益低副瓣，相对带宽约为38％，远大于传统多模喇叭的工作带宽，接近一般波纹喇叭的工作带宽；在和波纹喇叭的性能相同的情况下，结构更简单，制造难度和造价更低。
Description
技术领域
本发明属于馈源天线技术领域，具体地，涉及一种宽带双模多阶梯喇叭天线。
背景技术
喇叭天线是一种应用广泛的天线，具有结构简单、频带宽、功率容量大、调整使用方便等优点。然而，喇叭天线的副瓣电平通常很高。一般来说，对于有低副瓣电平要求的馈源来说，多采用波纹喇叭的形式，例如卫星天线馈源，反射面型天线馈源。但波纹的长度和深度直接取决于工作频率，随着工作频率的增加，所需的波纹尺寸变得非常小。因此，高频波纹喇叭的制造变得越来越困难和昂贵。
和波纹喇叭的诞生的相同时期，Potter提出了一种双模喇叭。此种喇叭具有类似波纹喇叭的许多优良性能，并且与波纹喇叭相比，它结构简单，更容易制造。但是此种喇叭的工作带宽非常狭窄，所以只能在带宽要求不高的情况下，可以采用双模喇叭替代波纹喇叭。
发明内容
本发明在保证双模喇叭性能优良的同时，扩展了工作带宽，扩展了应用范围，提出了一种宽带双模多阶梯喇叭天线。
本发明是通过以下方案实现的：
一种宽带双模多阶梯喇叭天线，所述天线包括一个多阶梯的圆形喇叭和圆波导-矩形波导转换结构；
所述多阶梯的圆形喇叭包括波导段1、第一阶梯2、第二阶梯3、第三阶梯4、第四阶梯5、第五阶梯6、第六阶梯7和辐射段8；所述波导段1、与第一阶梯2相连接，第一阶梯2与第二阶梯3相连接，第二阶梯3与第三阶梯4相连接，第三阶梯4与第四阶梯5相连接，第四阶梯5与第五阶梯6相连接，第五阶梯6与第六阶梯7相连接，第六阶梯7与辐射段8相连接；
所述圆波导-矩形波导转换结构包括第一空腔9、第二空腔10和第三空腔11；所述第一空腔9为正方形，面积与波导段1的口面面积相等，且与波导段1相连接；所述第二空腔为矩形，边长为第一空腔9、第三空腔11短边长和的平均值；所述第三空腔11为矩形，空腔内尺寸与WR42波导相同。
进一步地，所述圆形喇叭的第一阶梯2、第二阶梯3、第三阶梯4、第四阶梯5、第五阶梯6和第六阶梯7阶梯宽度逐级增加，内部的圆柱形空腔半径逐级增加；所述第六阶梯7与辐射段8末端大小相同。
进一步地，所述波导转换结构的第一空腔(9)、第二空腔(10)、第三空腔(11)均为圆角结构，以提高匹配效果。
进一步地，所述波导转换结构的外形为圆角正方形，所述波导段1为圆柱形，且圆柱形的底面为所述圆角正方形的内切圆；所述波导段(1)与所述第一空腔(9)连接；所述波导转换结构的第三空腔(11)***设置FBP220法兰结构，所述法兰结构用来连接馈电的矩形波导转换结构。
本发明有益效果
(1)本发明的通过多阶梯形突变结构，可以更加细致的调节喇叭内部的各模式的能量比和相位关系，并扩展其工作带宽；
(2)本发明通过突变结构的引入可以在喇叭内部激发出高次模TM11模，此高次模与圆形喇叭的主模TE11模在一定的能量比和相位关系进行混合，可以在喇叭的口面获得均匀的口面场，进而获得低副瓣等化的方向图，此能量比和相位关系可以通过调节突变结构的尺寸来改变；
(3)本发明的天线等化水平高，在XOZ和YOZ两个面的3dB波束宽度和10dB波束宽度都几乎相等；
(4)本发明在17-25GHz内获得了高增益低副瓣，相对带宽约为38％，远大于传统多模喇叭的工作带宽，接近一般波纹喇叭的工作带宽；在和波纹喇叭的性能相同的情况下，结构更简单，制造难度和造价更低。
附图说明
图1为本发明的双模多阶梯圆形喇叭的喇叭段剖面图；
图2为本发明的双模圆极化圆形喇叭波导转换段俯视图；
图3为本发明的双模多阶梯圆形喇叭波导转换段剖面图；
图4为本发明的双模多阶梯圆形喇叭的S11参数；
图5为本发明的双模多阶梯圆形喇叭的增益；
图6为本发明的双模多阶梯圆形喇叭的副瓣电平；
图7为本发明的双模多阶梯圆形喇叭的远场方向图，其中(1)为频率17GHZ情况下的方向图、(2)为频率19GHZ情况下的方向图、(3)为频率21GHZ情况下的方向图、(4)为频率23GHZ情况下的方向图、(5)为频率25GHZ情况下的方向图；
图8为本发明的替换结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
一种宽带双模多阶梯喇叭天线，所述天线包括一个多阶梯的圆形喇叭和圆波导-矩形波导转换结构；
所述多阶梯的圆形喇叭包括波导段1、第一阶梯2、第二阶梯3、第三阶梯4、第四阶梯5、第五阶梯6、第六阶梯7和辐射段8；所述波导段1、与第一阶梯2相连接，第一阶梯2与第二阶梯3相连接，第二阶梯3与第三阶梯4相连接，第三阶梯4与第四阶梯5相连接，第四阶梯5与第五阶梯6相连接，第五阶梯6与第六阶梯7相连接，第六阶梯7与辐射段8相连接；
所述圆波导-矩形波导转换结构包括第一空腔9、第二空腔10和第三空腔11；所述第一空腔9为正方形，面积与波导段1的口面面积相等，且与波导段1相连接；所述第二空腔为矩形，边长为第一空腔9、第三空腔11短边长和的平均值；所述第三空腔11为矩形，空腔内尺寸与WR42波导相同。
所述圆形喇叭的第一阶梯2、第二阶梯3、第三阶梯4、第四阶梯5、第五阶梯6和第六阶梯7阶梯宽度逐级增加，内部的圆柱形空腔半径逐级增加；所述第六阶梯7与辐射段8末端大小相同。
通过突变结构的引入可以在喇叭内部激发出高次模TM11模，此高次模与圆形喇叭的主模TE11模在一定的能量比和相位关系进行混合，可以在喇叭的口面获得均匀的口面场，进而获得低副瓣等化的方向图；并且此能量比和相位关系可以通过调节突变结构的尺寸来改变。
可以通过引入更多的阶梯形突变结构可以更加细致的调节喇叭内部的各模式的能量比和相位关系，并扩展其工作带宽。
所述波导转换结构的第一空腔(9)、第二空腔(10)、第三空腔(11)均为圆角结构，以提高匹配效果。
所述波导转换结构的外形为圆角正方形，所述波导段1为圆柱形，且圆柱形的底面为所述圆角正方形的内切圆；所述波导段(1)与所述第一空腔(9)连接；所述波导转换结构的第三空腔(11)***设置FBP220法兰结构，所述法兰结构用来连接馈电的矩形波导转换结构，如图2和图3。
本发明选取的工作频带为17-25GHz，在此频带内此天线的S11参数几乎全部低于-15dB，相对阻抗带宽约为38％。
如图4，增益在17-25GHz内均高于17dB；
如图5，在整个工作频带内均实现了高增益，其副瓣电平在17-25GHz内均低于-25dB；
如图6，在整个工作频带内均实现了低副瓣；
如图7，给出了此天线在17GHz，19GHz，21GHz，23GHz，25GHz共5个频点的远场方向图，从图中可以看出，此天线的等化水平非常好，在XOZ和YOZ两个面的3dB波束宽度和10dB波束宽度都几乎相等。
本发明在17-25GHz内获得了高增益低副瓣并且等化的方向图，相对带宽约为38％，远大于传统多模喇叭的工作带宽，接近一般波纹喇叭的工作带宽，在和波纹喇叭的性能相同的情况下，结构更简单，制造难度和造价更低。
本发明的关键部位为激励高次模的阶梯结构，但不一定局限于金属外壁引入的金属阶梯，此处采用介质加载喇叭的思想可以将金属阶梯替换为介质阶梯；如图8所示，12即为介质阶梯，对于此结构进行仿真可以获得相同的性能。
以上对本发明所提出的一种宽带双模多阶梯喇叭天线，进行了详细介绍，本文中应用了数值模拟算例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种宽带双模多阶梯喇叭天线，其特征在于，所述天线包括一个多阶梯的圆形喇叭和圆波导-矩形波导转换结构；
所述多阶梯的圆形喇叭包括波导段(1)、第一阶梯(2)、第二阶梯(3)、第三阶梯(4)、第四阶梯(5)、第五阶梯(6)、第六阶梯(7)和辐射段(8)；所述波导段(1)、与第一阶梯(2)相连接，第一阶梯(2)与第二阶梯(3)相连接，第二阶梯(3)与第三阶梯(4)相连接，第三阶梯(4)与第四阶梯(5)相连接，第四阶梯(5)与第五阶梯(6)相连接，第五阶梯(6)与第六阶梯(7)相连接，第六阶梯(7)与辐射段(8)相连接；
所述圆波导-矩形波导转换结构包括第一空腔(9)、第二空腔(10)和第三空腔(11)；所述第一空腔(9)为正方形，面积与波导段(1)的口面面积相等，且与波导段(1)相连接；所述第二空腔为矩形，边长为第一空腔(9)、第三空腔(11)短边长和的平均值；所述第三空腔(11)为矩形，空腔内尺寸与WR42波导相同。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述圆形喇叭的第一阶梯(2)、第二阶梯(3)、第三阶梯(4)、第四阶梯(5)、第五阶梯(6)和第六阶梯(7)阶梯宽度逐级增加，内部的圆柱形空腔半径逐级增加；所述第六阶梯(7)与辐射段(8)末端大小相同。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述波导转换结构的第一空腔(9)、第二空腔(10)、第三空腔(11)均为圆角结构，以提高匹配效果。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述波导转换结构的外形为圆角正方形，所述波导段(1)为圆柱形，且圆柱形的底面为所述圆角正方形的内切圆；所述波导段(1)与所述第一空腔(9)连接；所述波导转换结构的第三空腔(11)***设置FBP220法兰结构，所述法兰结构用来连接馈电的矩形波导转换结构。
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