CN114665274A - 一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，包括喇叭外壳、波导段、上脊、下脊、同轴馈线以及介质透镜，喇叭外壳的底端与波导段的开口端连接，上脊和下脊分别固定在喇叭外壳两个相对侧壁上，两个脊结构相同，其脊线包括直线段和曲线段，曲线段采用三次贝济埃曲线，该曲线末端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值，同轴馈线穿过波导段的顶端，分别与上脊和下脊相连接，所述介质透镜设置在喇叭外壳顶端开口处，所述波导段为立方体结构，内部设置有一体成型制作而成的楔形结构腔体；所述介质透镜为凸面‑平面透镜，凸面一侧朝向喇叭外壳的内腔。本申请通过对天线形式和结构进行独特的设计，解决了天线频率带宽和方向图带宽问题。

Description

一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线
技术领域
本申请涉及通信天线技术领域，尤其涉及超宽带天线技术领域，更具体的说涉及一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线。
背景技术
超宽带天线技术，是当今国内外天线研究的一个热点。军事领域应用当中，主要在雷达监测、反隐身技术以及电子对抗，而民用领域应用当中，主要在宽带通信、扩频通信、探地雷达、场的监测以及电磁兼容。超宽带天线一般指最高频率与最低频率的比值达到10:1以上的天线。在实际应用中，为了正常的工作于超宽带***中，不仅需要保证天线的阻抗带宽达到足够的宽度，还需要兼顾诸如增益、效率、辐射方向图等其他的性能指标。因此，如何保证天线的多个性能指标在较宽的频率范围内均满足一定的标准，成为超宽带天线设计中的一大关键点。
目前，常见的超宽带天线，按照其形状大致可以分为双锥和盘锥天线、领结型天线等小单元天线；螺旋天线、对数周期天线等频率无关天线；以及加脊喇叭天线、vivaldi天线等喇叭天线的变形演进等。作为超宽带天线的一种典型形式，加脊喇叭天线由于具有宽频带、体积小、定向性好以及副瓣低等优点，常被用作电磁兼容测试和其他电磁测试***中的标准天线、反射面天线的馈源以及宽带阵元等。
传统的喇叭天线工作带宽相对较窄，面对实际应用中越来越宽的工作频带要求显得捉襟见肘，采取加脊的方式是被研究较为深入、取得效果最好的方法之一。加脊喇叭天线是建立在脊波导理论基础之上逐渐发展起来的一种天线结构形式，采用加脊的方式之后，波导中主模的截止频率被降低，而从波导的工作带宽得以扩展，而且加脊之后波导的特性阻抗会明显降低。伴随着脊波导理论的建立以及逐步完善，通过对脊线的形式加以改进优化，在指数型曲线基础上修正加入一个线性型，例如John L.Kree(Kee J.Short axiallength broad-band horns[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,1973,21(5):710-714)设计出应用于电磁干扰测量的加脊喇叭天线，该天线在整个1-12GHz工作频段内电压驻波比(VSWR)均处于2以下。又例如Daniel(Oloumi D.A Modified TEM HornAntenna Customized for oil well monitoring Applications)将脊曲线的形式修改为三段形式不同的连续曲线，并改变喇叭天线口径出匹配结构的形式，设计了一款用于油井监测背景下工作在1.4-11GHzTEM喇叭天线，天线的优势在于避免了高频裂瓣现象的产生，但是其结构相对复杂，工作频段也相对有限。
1-18GHz的超宽带双脊喇叭天线由于自身结构和电尺寸的限制，在全频段内难以满足高增益的要求，限制了天线的应用范围，采用介质透镜加载的技术可以解决天线增益较低的问题。透镜作为聚焦器件被广泛应用于聚焦领域，因为其具有校正发散的入射能量，防止向其它方向传播的特性。通过几何光学的射线分析原理，恰当地改变透镜的几何形状，并选择合适折射率的材料，可将不同形式的发散的能量汇聚，转换为平面波。所以，可利用透镜光学的这一特性，汇聚透镜加载的双脊喇叭天线的辐射能量，从而提高双脊天线在全频段内的增益。2013年，哈尔滨工业大学的特尼格尔在其毕业论文中设计了一种以介质加载为主的复合加载双脊喇叭天线，通过加载具有双曲柱面边界的介质透镜的方法，降低了天线的口径相位差，改善了天线辐射方向图，并提高了天线的增益，同时也减小了天线尺寸。但是天线带宽仅有12.5:1，无法满足电磁兼容应用对天线18:1工作带宽的要求。
又例如公开号为CN104466415A，公开日为2014年12月08日，发明名称为“透镜加载的高增益超宽带波纹双脊喇叭天线”的发明专利，首先上述现有技术过于依靠精细的波纹表面改善2-18GHz天线的方向图，使得天线结构变得复杂，增加了天线仿真设计难度，同时也增加了加工复杂度；其次，上述天线的波导段和喇叭段均不满足大功率容量要求；最后，介质加载透镜采用平面-凸面透镜，增加了天线的纵向长度，并且也未提出透镜加载的工程实现方式。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本申请提出了一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，通过对天线形式和结构进行独特的设计，解决了天线频率带宽和方向图带宽问题，天线增益也大大提升，同时利用介质透镜加载的方式，不仅有助于改善天线方向图还能提高天线增益，并且结构相对简单，易于工程实现和使用。
为了实现上述发明目的，本申请的技术方案具体如下：
一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，包括喇叭外壳、波导段、上脊、下脊、同轴馈线以及介质透镜，所述喇叭外壳的底端与波导段的开口端连接，所述上脊和下脊分别固定在喇叭外壳两个相对侧壁的内壁上，上脊和下脊采用相同的结构，其脊线包括直线段和曲线段，曲线段采用三次贝济埃曲线，该曲线末端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值，所述同轴馈线穿过波导段的顶端，其内外导体分别与上脊和下脊相连接，所述介质透镜设置在喇叭外壳顶端开口处，所述波导段为立方体结构，内部设置有一体成型制作而成的楔形结构腔体；所述介质透镜为凸面-平面透镜，凸面一侧朝向喇叭外壳的内腔，介质透镜的双曲线方程如下
Figure BDA0003600392360000021
其中，
Figure BDA0003600392360000031
εr为折射率；f为焦距。
进一步地，所述喇叭外壳(1)为矩形椎体结构，由四个侧壁围合而成，设置有上脊和下脊的两个侧壁为金属板，剩下的两个侧壁则由沿喇叭外壳高度方向依次排列的多个支撑杆构成，支撑杆的两端分别与两侧的金属板固定连接。
进一步地，所述波导段长边尺寸EK＝86mm，宽边尺寸EI＝66mm，高度ED＝20.3mm，楔形结构腔体的下端面长边尺寸EJ＝15mm，下端面宽边尺寸EG＝48mm。
进一步地，所述三次贝济埃曲线的参数方程表达式如下：
Figure BDA0003600392360000032
其中：
bezier_start_x＝0.5，bezier_tangent_to_start_x＝0.5；
bezier_tangent_to_end_x＝68；bezier_end_x＝68；
bezier_start_z＝3；bezier_tangent_to_start_z＝205；
bezier_tangent_to_end_z＝175.5；bezier_end_z＝175.5。
进一步地，所述介质透镜采用聚四氟乙烯制作而成，相对介电常数为εr＝2.1，厚度EF为11mm，介质透镜通过泡沫板固定在喇叭外壳顶端开口处。
进一步地，所述支撑杆沿喇叭外壳高度方向等间距排列。
进一步地，所述喇叭外壳的高度EC＝68mm，喇叭口面长度EA＝242mm，喇叭口面宽度EB＝136mm。
本申请的有益效果：
(1)本申请通过对天线形式和结构进行独特的设计，解决了天线频率带宽和方向图带宽问题，天线增益也大大提升，并且结构相对简单，易于工程实现和使用。
(2)本申请的喇叭外壳结构，未设置有脊部件的侧壁采用多个支撑杆代替原有的金属板侧壁，不仅保证了天线的结构强度，同时还能保证天线质量和抗风能力，有效的提升了天线的工程应用前景。
(3)本申请在设计加载透镜时采用轻薄型凸面-平面透镜来改善改善喇叭口E面电场相差，不仅大大提升了加载的增益改善效率，还使得天线整体纵向尺寸不受加载介质厚度的影响，避免了加载带来的天线尺寸过大难以工程实现等问题。
(4)本申请优化了波段段中的楔形结构，在提升天线阻抗带宽的同时也增加了天线的功率容量，扩宽了天线在宽带高功率场景的应用前景。
附图说明
图1为本申请喇叭天线内部结构示意图；
图2为本申请喇叭天线俯视图；
图3为本申请波导段结构示意图；
图4为本申请喇叭天线增益图；
图5为本申请喇叭天线方向图。
附图中：
1、喇叭外壳；2、波导段；3、上脊；4、下脊；5、同轴馈线；6、介质透镜；7、楔形结构腔体；8、金属板；9、支撑杆；10、喇叭腔壁结构；11、喇叭转换结构。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本申请发明目的的技术方案，需要说明的是，本申请要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
众所周知，一般的1-18GHz双脊波导喇叭天线在12GHz以上会出现方向图裂变。在这些工作频点上，天线方向图不是一个主瓣，而是***为4个波瓣。这是由于随着工作频率的升高，高次模逐渐被激发出来，使得波导腔体内的场分布变得复杂，从而使得天线口面处的场分布变得复杂，不仅会导致天线的交叉极化增大，还会造成主极化方向上的方向图出现裂变，从而导致方向图带宽降低、天线增益降低。
基于此，本实施例提出了一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，通过对波导部分、喇叭部分进行独特的结构设计，不仅成功实现了喇叭天线工作在1-18GHz，而且在整个工作频段内天线方向图并没有出现***，同时相对于传统的双脊喇叭天线，本申请的喇叭天线具有更高的增益，主瓣更加集中，3dB和6dB波束宽度更小，这也让本申请的喇叭天线更适用于实际的需求应用。
本实施例的喇叭天线结构参照说明书附图1-图3所示，附图1-图3分别给出了喇叭天线的正视图、侧视图以及波导段的细节图，该天线结构主要包含三部分，分别为天线波导段、天线喇叭段、天线脊以及天线介质透镜加载部分，其中，天线脊包括上脊3和下脊4，喇叭段包括一个喇叭外壳1，喇叭外壳1的末端与波导段2顶端的开口端连接，所述上脊3和下脊4分别固定在喇叭外壳1两个相对的内侧壁上，上脊3和下脊4两者结构相同，其脊线均包括一个直线段和一个曲线段；进一步地，波导段2上设置有同轴馈线5，同轴馈线5穿过波导段2的顶端，同轴馈线5的内外导体分别与上脊3和下脊4相连接；进一步地，所述波导段2为一个带腔体的立方体结构，其腔体为一体成型制作而成的楔形结构腔体7，也就是说波导段2在加工时，其内部的腔体结构是通过加工一次成型的，楔形结构腔体的侧壁分别为一对结构完全相同的喇叭腔壁结构，和一对结构完全相同的喇叭转换结构。具体来讲，整个波导段的尺寸结构具体如下，波导段2长边尺寸EK＝86mm，宽边尺寸EI＝66mm，高度ED＝20.3mm，楔形结构腔体7下端面的宽边尺寸EJ＝15mm，下端面的长边尺寸EG＝48mm，楔形结构腔体上端面的长边尺寸和宽边尺寸裕整个波导段的长边尺寸和宽边尺寸相同。
波导段作为电磁波模式转换结构，将同轴馈线馈入的TEM波转换为TE10模式，加脊波导可以将波导截止波长加大，同时将高次模的波长减小，从而实现天线工作频段的拓宽。
本实施例的天线波导段结构相较于现有的传统双脊波导加反射板的结构形式，成功的降低了天线激励部分的复杂度，同时减少了复杂结构之间的缝隙，这样不仅降低了加工精度，而且避免了缝隙对天线增益和驻波的影响。
双脊喇叭天线的天线脊结构作为喇叭天线电磁波波传到部分和辐射部分的转换部分，设计的关键在于完成将输入端口50欧姆阻抗到377欧姆自由空间阻抗匹配，传统工程中采用一段直线部分和一段指数渐变型曲线部分，通过改变靠近喇叭口面处的脊曲线形式，可以实现更好的匹配以保证天线工作带宽。而本实施例则采用三次贝济埃曲线作为喇叭天线双脊曲线段的基准脊曲线，然后采用脊宽锥削渐变进行调制，从而优化天线阻抗带宽的同时将天线增益有效的提升，三次贝济埃曲线方程具体如下：
Figure BDA0003600392360000051
其中：
bezier_start_x＝0.5，bezier_tangent_to_start_x＝0.5；
bezier_tangent_to_end_x＝68；bezier_end_x＝68；
bezier_start_z＝3；bezier_tangent_to_start_z＝205；
bezier_tangent_to_end_z＝175.5；bezier_end_z＝175.5；
该曲线末端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值。
本实施例中，介质透镜6采用Teflon(聚四氟乙烯)制作而成，其相对介电常数为εr＝2.1，厚度EF＝11mm，通过泡沫板固定在喇叭外壳1顶端开口处。透镜采用凸面-平面透镜，透镜凸面一侧朝向喇叭外壳1的内腔，介质透镜6的双曲线方程如下
Figure BDA0003600392360000061
其中，
Figure BDA0003600392360000062
εr为折射率；f为焦距。
通过上述两个方程，其中Z方向为喇叭轴线方向，x方向为实现双脊喇叭天线的脊部分的设计。
天线喇叭段包括一个矩形椎体结构的喇叭外壳1，主要四个侧壁围合而成，整个喇叭外壳1的高度EC＝68mm，设置有上脊3和下脊4的两个侧壁为金属板8结构，而剩下的两个侧壁则由沿喇叭外壳1高度方向依次等间距排列的多个支撑杆9构成，支撑杆9的两端分别与两侧的金属板8固定连接，这样不仅能保证天线的结构强度，同时还能保证天线质量和抗风能力，有效的提升了天线的工程应用前景。最终，整个喇叭口面长度EA＝242mm，喇叭口面宽度EB＝136mm。
针对以上提出的透镜介质加载双脊喇叭天线，本申请对其最终的电性能进行简单的说明。如图4所示，天线的工作带宽完全能覆盖1-18GHz。同时天线的增益相比传统双脊喇叭天线增益平均有4-5dB以上的提升。同时在1-18GHz频段内未出现波束***，图5给出了在13GHz时
Figure BDA0003600392360000063
的方向图，对比现有技术，本申请的天线克服了波束***的问题。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式上的限制，凡是依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本申请的保护范内。

Claims (7)

1.一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，包括喇叭外壳(1)、波导段(2)、上脊(3)、下脊(4)、同轴馈线(5)以及介质透镜(6)，所述喇叭外壳(1)的底端与波导段(2)的开口端连接，所述上脊(3)和下脊(4)分别固定在喇叭外壳(1)两个相对侧壁的内壁上，上脊(3)和下脊(4)采用相同的结构，其脊线包括直线段和曲线段，曲线段采用三次贝济埃曲线，该曲线末端点控制点的坐标值大于末端端点的坐标值，所述同轴馈线(5)穿过波导段(2)的顶端，其内外导体分别与上脊(3)和下脊(4)相连接，所述介质透镜(6)设置在喇叭外壳(1)顶端开口处，其特征在于：所述波导段(2)为立方体结构，内部设置有一体成型制作而成的楔形结构腔体(7)；所述介质透镜(6)为凸面-平面透镜，凸面一侧朝向喇叭外壳(1)的内腔，介质透镜(6)的双曲线方程如下
Figure FDA0003600392350000011
其中，
Figure FDA0003600392350000012
εr为折射率；f为焦距。
2.根据权利要求1所述的一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，其特征在于：所述喇叭外壳(1)为矩形椎体结构，由四个侧壁围合而成，设置有上脊(3)和下脊(4)的两个侧壁为金属板(8)，剩下的两个侧壁则由沿喇叭外壳(1)高度方向依次排列的多个支撑杆(9)构成，支撑杆(9)的两端分别与两侧的金属板(8)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，其特征在于：所述波导段(2)长边尺寸EK＝86mm，宽边尺寸EI＝66mm，高度ED＝20.3mm，楔形结构腔体(7)的下端面长边尺寸EJ＝15mm，下端面宽边尺寸EG＝48mm。
4.根据权利要求1所述的一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，其特征在于：所述三次贝济埃曲线的参数方程表达式如下：
Figure FDA0003600392350000013
其中：
bezier_start_x＝0.5，bezier_tangent_to_start_x＝0.5；
bezier_tangent_to_end_x＝68；bezier_end_x＝68；
bezier_start_z＝3；bezier_tangent_to_start_z＝205；
bezier_tangent_to_end_z＝175.5；bezier_end_z＝175.5。
5.根据权利要求1所述的一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，其特征在于：所述介质透镜(6)采用聚四氟乙烯制作而成，相对介电常数为εr＝2.1，厚度EF为11mm，介质透镜(6)通过泡沫板固定在喇叭外壳(1)顶端开口处。
6.根据权利要求2所述的一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，其特征在于：所述支撑杆(9)沿喇叭外壳(1)高度方向等间距排列。
7.根据权利要求1所述的一种介质透镜加载的宽带高增益双脊喇叭天线，其特征在于：所述喇叭外壳(1)的高度EC＝68mm，喇叭口面长度EA＝242mm，喇叭口面宽度EB＝136mm。
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