一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及紧缩场馈源，特别涉及一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线。

背景技术

紧缩场测量是通过在较小的空间内产生准平面波对待测天线进行测量的一种天线测量方式，它缩小了测试需要的空间且测量的耗时较短。紧缩场测试技术与远场和近场测试技术相比有着尺寸小，对准简单，保密性强，对气候要求低等优势。因此，紧缩场测量被广泛的应用在天线测量领域。

馈源作为紧缩场测量系统的重要组成部分，它的性能优劣将直接影响到整个测量系统的性能。我们希望馈源天线可以在提供一个良好的球面波的同时，拥有低电压驻波比，较对称的辐射方向图，稳定的增益和半功率波瓣宽度以及高交叉极化鉴别度。

目前，轴向波纹喇叭天线是紧缩场馈源的最常见形式，2017年，K.Sambasivarao设计了一款高性能紧缩场馈源，该馈源采用轴向波纹的波纹形式，共有七圈波纹，增益14dBi，在工作频率范围内，增益存在1dBi的波动，半功率波瓣宽度在32°～41°之间，存在9°波动，交叉极化鉴别度优于50dB，此馈源的增益和半功率波瓣宽度在工作频率范围内存在较大波动；MVG公司生产的Ku波段紧缩场馈源同样采用轴向波纹的波纹形式，半功率波瓣宽度为34°～40°，相较于K.Sambasivarao设计的高性能紧缩场馈源具有更稳定的半功率波瓣宽度，但是交叉极化鉴别度只有40dB。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线，主要解决现有紧缩场馈源的增益和半功率波束宽度不够稳定，交叉极化鉴别度低等问题，从改善馈源性能的角度去提升整个紧缩场测试系统的测试性能。所设计的馈源喇叭天线在12GHz～18GHz的频率范围内，实现了稳定的增益，高交叉极化鉴别度，稳定的半功率波瓣宽度以及旋转对称的辐射特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线，包括自下而上依次设置的矩形波导、矩-圆转换结构、圆波导和波纹结构；所述矩形波导上设置有波导同轴转换结构；

所述圆波导的内壁加载有波纹脊结构，所述波纹脊结构由若干轴向的波纹脊组成，每个所述波纹脊上朝向所述圆波导中心的一面均开有横向槽。

在一个实施例中，所述波导同轴转换结构由采用SMA接头连接的同轴电缆馈电接头和调谐孔构成，所述同轴电缆馈电接头的内芯由加粗段和未加粗段两段构成，其中加粗段为内芯的末端，置于矩形波导内，所述调谐孔开设在矩形波导的侧壁，其高度与矩形波导的壁厚度一致，所述未加粗段沿调谐孔向外伸出矩形波导；所述调谐孔用于改善馈源喇叭天线的电匹配。

在一个实施例中，所述内芯的加粗段的长度为I

在一个实施例中，所述矩-圆转换结构为沿轴向的阶梯型形状，自下而上，由N级宽边不变窄边递增的矩形波导构成，用于矩形波导与圆波导之间的连接过渡；所述宽边，是指沿矩形波导的口面的宽边方向，所述窄边，是指沿矩形波导的口面的窄边方向。

在一个实施例中，矩-圆转换结构的阶数N由馈电段的矩形波导和圆波导的特性阻抗以及最大电压驻波比决定，用下式表示：

式中，K是矩形波导与圆波导的阻抗比，ρ

在一个实施例中，所述N＝5，即所述矩-圆转换结构由五级矩形波导构成，自下而上依次为第一级阶梯至第五级阶梯，所述矩-圆转换结构与所述圆波导之间通过矩-圆连接盘结构连接，所述矩圆连接盘结构为开有圆角矩形通孔的圆盘结构，通孔矩形尺寸与第五级阶梯一致，圆角的半径与圆波导内径一致。

在一个实施例中，各级阶梯的宽边长度与矩形波导口面的宽边长度一致，为16.4mm，窄边长度自下而上依次为b

所述矩-圆转换结构中，第一级阶梯到第五级阶梯的轴向长度，即沿z轴的长度，依次为l

在一个实施例中，所述波纹脊的数量为四个，四个波纹脊分别固定在圆波导内壁四周，沿周向等间距分布，波纹脊的轴向长度小于圆波导的轴向长度。

在一个实施例中，所述波纹脊，其沿xoy面的截面由一宽边，一圆弧边和两个尺寸相等的窄边组成，其中波纹脊与圆波导相接触的一边为圆弧边，圆弧半径与圆波导的内径保持一致，圆弧边的对边为宽边，其余两边为两个窄边；xoy面是指圆波导的口面所在平面；

每个所述波纹脊上开有14个横向槽，所述横向槽为圆弧槽，圆弧半径为R

在一个实施例中，所述波纹结构由五圈不共底面的轴向波纹构成；

所述波纹结构，以圆波导的口面所在平面建立坐标系，以圆波导的口面圆心为坐标轴原点，将波纹结构的各圈波纹的顶部进行连线，连线满足以下函数：

在上述公式中，k、g均为常数，常数k决定了波纹结构的张角大小，k值越大，张角越大，k值越小，张角越小；常数g与波纹的位置有关，以圆波导的口面所在平面为基准，g值越大，波纹整体越靠下，g值越小，波纹整体越靠上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本发明通过在辐射口面处加载轴向波纹结构，并对波纹进行曲线赋形，使得馈源喇叭天线获得了一个14dBi的增益，而且在12GHz～18GHz的频率范围内，增益浮动小于0.4dBi，增益稳定性良好。

第二，本发明通过合理调整轴向波纹的波纹槽深度、宽度以及波纹壁厚度等结构参数，使得馈源喇叭天线在12GHz～18GHz的频率范围内的E面的半功率波束宽度为36.3°～41.4°，波动仅为5.1°，H面半功率波束宽度为33.94°～38.68°，波动仅为4.74°。

第三，本发明通过在圆波导内壁四周加载开有横向槽的波纹脊结构，使得波纹脊槽内产生的高次模横向分量相互抵消，只余下纵向分量，因此提高了交叉极化鉴别度，在12GHz～18GHz的频率范围内，馈源喇叭天线的E面交叉极化鉴别度均大于47dB。

附图说明

图1是本发明的3D透视图。

图2是本发明沿轴向的结构剖面。

图3是本发明矩形波导的尺寸标注。

图4是本发明的波导同轴转换结构的剖面图，其中11为同轴电缆馈电接头，111为同轴电缆馈电接头的内芯，12为调谐孔。

图5是本发明的阶梯式矩-圆过渡结构的截面图。

图6是本发明的矩-圆连接盘的截面图。

图7是本发明的波纹脊的结构示意图。

图8是本发明的波纹结构的截面图。

图9是本发明的电压驻波比示意图。

图10是本发明的增益随频率变化的示意图。

图11是本发明的E面和H面的半功率波束宽度随频率变化示意图。

图12是本发明的不同频率下的E面的主极化和交叉极化方向图。

图13是本发明的不同频率下的H面的主极化和交叉极化方向图。

图14是本发明在12GHz，15GHz，18GHz处的E面和H面的极坐标方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

本实施例的基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线，工作在Ku频段。具体地，参考图1和图2，其自下而上主要包括矩形波导2、矩-圆转换结构3、圆波导5和波纹结构7，其中矩形波导2上设置有波导同轴转换结构1。

本发明在圆波导5的内壁加载有波纹脊结构6，波纹脊结构6由若干轴向的波纹脊61组成，图1示出了4个。每个波纹脊61上朝向所述圆波导5中心的一面均开有横向槽。

通过在辐射口面处加载轴向的波纹结构7，使得馈源喇叭天线获得一个稳定的增益，同时，保持良好的辐射特性。通过在圆波导内壁四周加载波纹脊结构6，起到优化馈源喇叭天线的交叉极化鉴别度和旋转对称辐射特性的作用，且对馈源喇叭天线的E面和H面方向图的拟合度也有一定改善。整体上，本发明的紧缩场馈源具有稳定增益，高交叉极化鉴别度以及稳定的半功率波瓣宽度的特点。

参照图2，本发明的一个实施例中，为了使圆波导5可以工作在馈电段的矩形波导2的工作频段，圆波导5的口面的半径R应满足：

式中，a为矩形波导2的宽边长度。本实施例中，取R为10.27mm，圆波导5的长度L

参照图3，本发明的一个实施例中，矩形波导2的口面的宽边a的尺寸主要由截止频率决定，2a>λc，窄边b的尺寸应小于等于宽边a的一半左右，其轴向长度L应为工作频率对应波长的1/4的整数倍。本实施例中，取a为16.4mm，b为7.9mm，L为40mm，矩形波导2内壁的四条直角侧边均设置了圆角结构，圆角半径应大于0.2mm，本实施例中圆角半径取值为0.6mm。

参照图4，本发明的一个实施例中，波导同轴转换结构1由采用SMA接头连接的同轴电缆馈电接头11和调谐孔12构成，同轴电缆馈电接头11的内芯111由加粗段和未加粗段两段构成，其中加粗段为内芯111的末端，置于矩形波导2内，调谐孔12开设在矩形波导2的侧壁，用于改善馈源喇叭天线的电匹配。调谐孔12的直径d

进一步，内芯111的加粗段的直径d介于0.87mm～2.26mm之间，本实施例中取1.49mm，长度为l

矩-圆转换结构3用于矩形波导2与圆波导5之间的连接过渡，参照图5，本实施例中，矩-圆转换结构3为沿轴向的阶梯型形状，自下而上，由N级宽边不变窄边递增的矩形波导构成。此处宽边，是指沿矩形波导2的口面的宽边方向，窄边，是指沿矩形波导2的口面的窄边方向。由于每一级阶梯保持宽边不变，逐渐增大窄边的结构形式，使得矩形波导2和圆波导5之间阻抗能够实现平滑过渡。

其中，阶数N由馈电段的矩形波导2和圆波导5的特性阻抗以及最大电压驻波比决定，可以用下式表示：

式中，K是矩形波导2与圆波导5的阻抗比，ρ

在本实施例中，取N＝5，即所述矩-圆转换结构3由五级矩形波导级联而成，自下而上依次为第一级阶梯至第五级阶梯，矩-圆转换结构3与所述圆波导5之间通过矩-圆连接盘结构4连接，即矩-圆连接盘结构4起到连接第五级阶梯和圆波导5的作用。各级阶梯的宽边长度与馈电段的矩形波导2口面的宽边长度一致，为a，即16.4mm，窄边长度自下而上依次为b

本实施例中，分别取值：第一级b

参照图6，本发明的一个实施例中，矩-圆连接盘结构4为开有圆角矩形通孔的圆盘结构，圆盘半径R

参照图7，本发明的一个实施例中，四个波纹脊61分别固定在圆波导5内壁四周，沿周向等间距分布，波纹脊61的轴向长度L

进一步，为了波纹脊6能够和圆波导5内壁贴合，波纹脊6的沿xoy面的截面由一宽边，一圆弧边和两个窄边围合组成，其中波纹脊61与圆波导5相接触的一边为圆弧边，圆弧半径与圆波导5的内径保持一致，圆弧边的对边为宽边，其余两边为两个窄边。本实施例中，取宽边长e为2.8mm，窄边长f为1.8mm，圆弧边的半径与圆波导5的半径相同，即R为10.27mm。每个波纹脊61上面开有14个横向槽，横向槽的槽型为圆弧槽，圆弧半径为R

参照图8，本发明的一个实施例中，波纹结构7由五圈轴向波纹构成，波纹从内到外依次定义为第一圈到第五圈波纹，每一圈波纹的深度，槽宽各不相同。最外圈波纹壁厚与其余四圈不同。为了使得整个频带内的增益和波束宽度都较为稳定，每一圈波纹的底面位于不同水平面上，即五圈轴向波纹不共底面。

其中，第一圈波纹的波纹槽的深度d

以圆波导5的口面所在平面建立坐标系，以圆波导5的口面圆心为坐标轴原点，将波纹结构7的各圈波纹的顶部进行连线，连线满足以下函数：

在上述公式中，k、g均为常数，常数k决定了波纹结构的张角大小，k值越大，张角越大，k值越小，张角越小；常数g与波纹的位置有关，以圆波导5的口面所在平面为基准，g值越大，波纹整体越靠下，g值越小，波纹整体越靠上。

本实施例中，设计了一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线，工作在Ku频段，具有良好的增益和波束宽度稳定性以及旋转对称辐射特性。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

如图9所示，为本实施例一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线的电压驻波比示意图，在12GHz～18GHz范围内，电压驻波比均小于1.4，具有良好的匹配效果。

如图10所示，为本实施例一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线的增益随频率变化的曲线图，在12GHz～18GHz范围内，增益介于13.6dBi～14.0dBi之间，增益浮动0.4dBi，增益具有良好的稳定性。

如图11所示，为本实施例一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线的E面和H面半功率波束宽度随频率变化的曲线图，在12GHz～18GHz范围内，E面半功率波束宽度介于36.3°～41.4°之间，波动仅为5.1°，H面半功率波束宽度介于33.94°～38.68°之间，波动仅为4.74°，半功率波束宽度在E面和H面都很稳定。

如图12所示，为本实施例一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线的不同频率下的E面的主极化和交叉极化方向图，在12GHz～18GHz范围内，不同频率下的E面主极化方向图一致性良好，且E面的交叉极化鉴别度高于47dB。

如图13所示，为本实施例一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线的不同频率下的H面的主极化和交叉极化方向图，在12GHz～18GHz范围内，不同频率下的H面主极化方向图一致性良好，且H面的交叉极化鉴别度高于40dB。

如图14所示，为本实施例一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线的极坐标方向图，当频率在12GHz，15GHz，18GHz时，馈源喇叭天线的E面和H面辐射方向图具有良好的拟合度。

综上，本发明的馈源喇叭天线，通过同轴波导转换处的调谐孔和对内芯末端的加粗，使得馈源喇叭天线实现了良好的匹配效果；通过矩-圆转换结构对矩形波导与圆波导进行连接，实现了在结构和阻抗两方面的良好过渡；通过在圆波导的内壁四周加载波纹脊结构，实现了对馈源喇叭天线交叉极化鉴别度的提升，并对高频处馈源喇叭天线的E面和H面方向图的拟合度有所改善；通过在辐射口面加载轴向波纹结构，并优化波纹的深度，槽宽和波纹壁厚度等尺寸参数，使馈源喇叭天线在产生一个稳定增益的同时，保持良好的辐射特性。

以上对本发明所提供的一种基于横向槽波纹脊结构的稳定波束馈源喇叭天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。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。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。