CN114447616A - 一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，包括多段张开型侧壁的喇叭天线、渐变的反向四脊、矩形块和同轴馈电同轴线；喇叭天线包括波导段和喇叭段，矩形块固定在波导段内的底板上，渐变的反向四脊固定在矩形块上方，并与同轴馈电同轴线连接；渐变的反向四脊为呈十字结构的带线性修正项的指数函数型脊线的金属板，每个脊板以对接中心由外到内厚度逐渐减小，每个脊板由上到下宽度逐渐增大；通过脊板的厚度和宽度渐变改变喇叭天线的特性阻抗，实现从同轴线的特性阻抗到自由空间波阻抗的平稳过渡。该天线具有超宽带、高增益、高隔离度和高交叉极化辨识度等特性。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，是一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，可作为天线测量的探头。
背景技术
天线测量是指采用特性已知的探头天线在待测天线的辐射远场区或近场区内直接或间接地测量其辐射特性。作为***的重要组成部分，探头天线的性能好坏对测量的精度具有关键影响。为保证测量结果的精确性，天线测量通常使用线极化的喇叭天线作为探头天线以测量待测天线的辐射远场特性。喇叭天线的相关设计理论成熟且加工制造简单，具有结构简单、工作频带宽、功率容量大、增益高、定向性强和方向图副瓣低等优点，因此得到了广泛的应用。
但传统的喇叭天线存在许多不足，影响天线测量的精度和效率。其一，传统喇叭天线的工作带宽一般较窄，在测量中需要频繁地进行更换，导致测量的效率较低；其二，在天线测量中需要测量水平和垂直两个极化分量，为保证较高的测量精度对极化纯度也有较高要求；其三，采用单一线极化的喇叭天线在测量时需要机械旋转90度，导致测量的时间成本高且可能造成误差等；其四，喇叭天线的增益较低也会导致待测天线方向图测量的精度较低等。为解决这些问题，通常可在喇叭天线内加载金属四脊结构。四脊喇叭天线具有宽带和双极化的特性，可以极大地提高天线测量效率。
如瑜明和周永刚在2014年发表的《8mm双线极化四脊棱锥喇叭天线设计》中提出了一种双线极化的喇叭天线，通过在角锥喇叭内加载两对渐变的脊板，实现在34GHz-36GHz的工作频带即5.7％的相对带宽内两端口驻波比小于1.5，两极化端口隔离度大于20dB。上述设计虽实现了喇叭天线的双极化工作，但仍存在工作带宽窄，增益、端口隔离度和交叉极化辨识度低的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，目的在于实现具有超宽带、高增益、高隔离度和高交叉极化辨识度等特性的双极化探头天线，以提升天线测量精度和效率。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，包括多段张开型侧壁的喇叭天线、渐变的反向四脊、矩形块和同轴馈电同轴线；
所述喇叭天线包括波导段和喇叭段，矩形块固定在波导段内的底板上，渐变的反向四脊固定在矩形块上方，并与同轴馈电同轴线连接；渐变的反向四脊由呈十字结构的带线性修正项的指数函数型脊线的四个完全相同的金属板对接得到，每个脊板以对接中心由外到内厚度逐渐减小，每个脊板由上到下宽度逐渐增大；通过脊板的厚度和宽度渐变改变脊板的特性阻抗，实现从同轴线的特性阻抗到自由空间波阻抗的平稳过渡，改善喇叭天线在整个工作频带特别是低频带内的匹配和阻抗特性。
作为优选，所述波导段从上到下包括一段直圆波导和一段半径渐小的圆波导。
作为优选，所述直圆波导呈圆柱状，两端开口。
作为优选，所述半径渐小的圆波导截面积较小的底部一端封闭，截面积较大的上部一端开口与直圆波导连接。半径渐小的圆波导改善喇叭天线的性能。
作为优选，所述喇叭段从下到上由5段以不同斜率呈线性关系半径逐渐增大的圆波导构成。5段半径渐变的喇叭段提高喇叭天线的增益。
作为优选，所述渐变的反向四脊的每个脊板底端的两侧外角均为相同角度的倒角。对每个脊板底端的两侧外角做相同角度的倒角改善高频带内的阻抗和辐射特性。
作为优选，所述矩形块为相同的四个矩形块构成的十字形结构，与十字形渐变反向四脊的底部中心对齐相连接。十字形矩形块展宽工作带宽并改善高频带内的辐射特性。
作为优选，馈电同轴线外导体与喇叭天线波导段侧壁相连，内芯作为探针，穿过波导段的外壁上的通孔与渐变的反向四脊的靠近底部的侧面短路连接。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.本发明由于采用了反向四脊结构，引入电容效应以降低主模的截止频率并提高相邻高次模的截止频率，实现了工作带宽的展宽并避免了传统脊结构加工和组装时的随机误差。
2.本发明由于采用了多段张开型的喇叭侧壁，抑制了内部高次模的激励和传播，提高了喇叭的口径效率，同时缩短了轴向长度，实现了天线增益的提高。
3.本发明由于采用了两组分别对两极化馈电的同轴线和呈中心对称的整体结构，增大了两极化馈电之间的距离，使同轴馈线的辐射泄漏和耦合相互抵消，抑制内部高次模的激励，实现了端口隔离度和交叉极化辨识度的提高。
本发明基于多段张开型喇叭侧壁、渐变的反向四脊结构和其他部分结构的设计，实现了超宽带、高增益、高端口隔离度和高交叉极化辨识度的双极化喇叭天线，工作带宽达到5倍频程，带内驻波比小于2，端口隔离度大于45dB且宽带双极化喇叭天线在2GHz-10GHz频带范围内的交叉极化辨识度大于40dB，除10GHz附近带内的交叉极化辨识度大于50dB，满足了天线测量的要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明多段张开型侧壁的喇叭天线的纵向剖面的结构示意图；
图3是本发明渐变的反向四脊和矩形块的结构示意图；
图4是本发明渐变的反向四脊底部横向剖面的结构示意图；
图5是本发明渐变的反向四脊一个脊板的xoz面视图；
图6是本发明实施例1的x极化激励时的驻波比曲线仿真结果图；
图7是本发明实施例1的x极化激励时的增益随频率变化曲线仿真结果图；
图8是本发明实施例1的输入端口隔离度随频率变化曲线仿真结果图；
图9是本发明本发明实施例1的x极化激励时的交叉极化辨识度随频率变化曲线仿真结果图。
图中：1、喇叭天线；2、反向四脊；3、矩形块；4、同轴馈电同轴线；11、波导段；12、喇叭段；111、直圆波导；112、半径渐变圆波导；121、第一阶喇叭段；122、第二阶喇叭段；123、第三阶喇叭段；124、第四阶喇叭段；125、第五阶喇叭段。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例1以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参考图1，本发明实施例1提供的基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，包括多段张开型侧壁的喇叭天线1，渐变的反向四脊2，矩形块3和同轴馈电同轴线4。
参考图2，喇叭天线1包括波导段11和喇叭段12。波导段11从上到下由一段直圆波导111和一段半径逐渐减小的圆波导112组成。直圆波导111呈圆柱状，两端均开口，一端与喇叭段12截面积较小的一端连接；半径呈线性关系逐渐减小的圆波导112呈圆台状，截面积较小的一端封闭，截面积较大的一端开口与直圆波导111另一端连接。波导段11和喇叭段12可以共同改善天线的阻抗和辐射特性。
喇叭段12由5段以不同斜率呈线性关系半径逐渐增大的圆波导第一、第二、第三、第四和第五阶喇叭段121、122、123、124、125构成，每段呈圆台状，两端均开口，第一阶喇叭段121截面积较小的一端与波导段11的开口端半径相等并连接，截面积较大的一端与第二阶喇叭段122截面积较小的一端半径相等并连接，5段喇叭段121、122、123、124、125依次首尾连接得到多段张开型侧壁的喇叭段12。
如图3、图4和图5所示，渐变的反向四脊2由完全相同的四个脊板以中心对称相对接构成一个呈十字形的整体结构，每个脊板包括一段带线性修正项的指数函数型脊线的金属板，每个脊板的厚度呈线性关系，以对接中心由外到内厚度逐渐减小，较小处脊厚度为t2，较大处脊厚度为t1，每个脊板由上到下宽度逐渐增大，每个脊板底部宽度为w1/2，构成一个呈锥形的十字形板。每个脊板底端的两侧外角均做相同角度的切削，呈倒梯形。
脊板的厚度和宽度渐变可以改变喇叭天线的特性阻抗，通过带线性修正项的指数函数型脊线的脊块的渐变以实现从同轴线的特性阻抗到自由空间波阻抗的平稳过渡，在指数函数型脊线方程后加上线性修正项可显著改善喇叭天线在低频带内的阻抗特性。每个脊板下端两侧外角均做相同角度的切削呈倒梯形，较小处脊厚度为t3，较大处脊厚度为t1，可改善高频带内的阻抗匹配。
矩形块3为相同的四个矩形块构成十字形结构，与十字形渐变反向四脊2的底部中心对齐相连接成一个整体，结构简单易于加工。
馈电同轴线4包括四根50Ω的同轴线，馈电同轴线4外导体与喇叭天线波导段11侧壁相连接，内芯作为探针，穿过波导段11的外壁上的通孔与渐变的反向四脊2的靠近底部的侧面短路连接，相对方向的两根为一组，每组控制喇叭天线的一种极化。
在实施例1中，喇叭天线1波导段11的直圆波导111的口面半径为r1＝36.01mm，高度为h1＝3.05mm；半径逐渐减小的圆波导112的高度为h2＝4.55mm，口面半径较小的一端为r2＝31.21mm，口面半径较大的一端为r1＝36.01mm。
喇叭天线1中多段张开型侧壁的喇叭段12从底部到顶部，第一阶喇叭段口面半径较小的一端为r1＝36.01mm，口面半径较大的一端为r3＝36.51mm；第二阶喇叭段口面半径较小的一端为r3＝36.51mm，口面半径较大的一端为r4＝38.55mm，第三阶喇叭段口面半径较小的一端为r4＝38.55mm，口面半径较大的一端为r5＝42.13mm，第四阶喇叭段口面半径较小的一端为r5＝42.13mm，口面半径较大的一端为r6＝47.25mm，喇叭段125口面半径较小的一端为r6＝47.25mm，口面半径较大的一端为r7＝53.91mm，高度均为h3＝36.15mm。，多段张开型侧壁的喇叭段可以提高喇叭天线的口径效率，进而提高喇叭天线的定向性。
参考图3、图4和图5，渐变的反向四脊，单个脊板底部的宽度为w1/2＝35.31mm，高度为h4＝234.8mm。带线性修正项的指数函数型脊线的金属板的坐标方程为：
其中，B为线性修正系数，B≥0,x表示曲线上的点到z轴的距离，z表示曲线上的点到x轴的距离，本实施例中B＝0.13。脊板的厚度呈线性关系过渡，外侧厚度为t1＝4.31mm，内侧厚度为t2＝3.43mm。每个脊板下端两外角均做相同角度的切削呈倒梯形，较小处脊厚度为t3＝0.94mm，较大处脊厚度为t1＝4.31mm。
其中，矩形块3的整体宽度为w2＝45.2mm，高度为h5＝5.91mm，厚度为t2＝3.43mm。
馈电同轴线4为特性阻抗为50欧姆的四根同轴线。相对方向为一组，同组馈电线的输出幅度相等，相位相差180°。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1.仿真条件和内容：
仿真使用商业仿真软件HFSS_19.0；
仿真1，对本发明实施例1的双极化的驻波比参数曲线进行仿真，其结果如图6所示。
仿真2，对本发明实施例1的x极化的增益随频率变化曲线进行仿真，其结果如图7所示。
仿真3，对本发明实施例1的输入端口隔离度随频率变化曲线进行仿真，其结果如图8所示。
仿真4，对本发明实施例1的x极化的交叉极化辨识度随频率变化曲线进行仿真，其结果如图9所示。
2.仿真结果分析：
参照图6，实施例1中本发明的工作频段为2GHz-10GHz，带内驻波比均小于2，除个别频段外大部分带内驻波比小于1.7。通过反向四脊结构的加载和指数型脊曲线的设计，改善了从馈电端口到喇叭口面的阻抗过渡，展宽了喇叭天线的工作带宽，达到了5倍频程。
参照图7，实施例1中本发明在2GHz-10GHz频段内的增益在8dBi-20dBi。通过多段张开型喇叭侧壁的改进，提高了喇叭的口径效率，提高了工作频带内的增益。
参照图8，实施例1中本发明在2GHz-10GHz频段内的输入端口隔离度大于45dB。通过采用两组同轴线分别对两极化馈电，增大了两极化馈电之间的距离，提高了端口隔离度。
参照图9，实施例1中本发明在2GHz-10GHz频段内的交叉极化辨识度大于40dB，除10GHz附近大部分带内的交叉极化辨识度大于50dB。通过采用两组分别对两极化馈电的同轴线和呈中心对称的整体结构，提高了交叉极化辨识度。
以上仿真结果说明，本发明实现了超宽带、高增益、高端口隔离度和高交叉极化辨识度特性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，包括多段张开型侧壁的喇叭天线、渐变的反向四脊、矩形块和同轴馈电同轴线；
所述喇叭天线包括波导段和喇叭段，矩形块固定在波导段内的底板上，渐变的反向四脊固定在矩形块上方，并与同轴馈电同轴线连接；
渐变的反向四脊为呈十字结构的带线性修正项的指数函数型脊线的金属板，每个脊板以对接中心由外到内厚度逐渐减小，每个脊板由上到下宽度逐渐增大；
通过脊板的厚度和宽度渐变改变喇叭天线的特性阻抗，实现从同轴线的特性阻抗到自由空间波阻抗的平稳过渡。
2.根据权利要求1所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述波导段包括从上到下的一段直圆波导和一段半径渐小的圆波导。
3.根据权利要求2所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述直圆波导呈圆柱状，两端开口。
4.根据权利要求2所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述半径渐小的圆波导底部的一端封闭，上部开口与直圆波导连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述喇叭段由5段以不同斜率呈线性半径逐渐增大的圆波导构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述渐变的反向四脊每个脊板底端的两侧外角均为相同角度的倒角。
7.根据权利要求1所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述带线性修正项的指数函数型脊线的金属板的xoz面的坐标方程为：
其中，w1/2为单个脊板底部的宽度，r1为喇叭天线波导段的直圆波导的口面半径，h4为脊板的高度，B为线性修正系数，B≥0。
8.根据权利要求1所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，所述矩形块为相同的四个矩形块构成十字形结构，与十字形渐变反向四脊的底部中心对齐相连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，馈电同轴线外导体与喇叭天线波导段侧壁相连，内芯作为探针，穿过波导段的外壁上的通孔与渐变的反向四脊的靠近底部的侧面短路连接。
10.根据权利要求1所述的一种基于多段张开型侧壁的宽带双极化喇叭天线，其特征在于，宽带双极化喇叭天线在2GHz-10GHz频段内的交叉极化辨识度大于40dB，除10GHz附近带内的交叉极化辨识度大于50dB。
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