一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线

摘要

本发明公开了一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线，属于天线领域。该喇叭天线包括外围天线部分和中心天线部分，中心天线部分嵌套于外围天线部分之中，两者天线轴向重合；所述的外围天线部分包括外围天线壁和四副外围双脊天线；所述的中心天线部分包括中心天线壁和两副中心双脊天线。本发明具有更大的工作带宽3～39GHz；中心天线部分设计位于外围天线部分之中，并与外围天线部分具有相同的天线轴向，结构紧凑；具有灵活多样的工作方式，中心天线部分、外围天线部分可同时工作也可单独工作。

说明书

技术领域

本发明属于天线领域，涉及一种加脊喇叭天线。

背景技术

宽带天线是重要的天线技术发展方向，而双极化天线比单极化天线适用范围更广。根据宽频带波导理论设计的加脊喇叭天线已经成为一项成熟技术，目前应用较广的有双脊喇叭天线和四脊喇叭天线，双脊喇叭天线可以产生一种极化方式的辐射，四脊喇叭天线可以产生水平、垂直两种极化方式的辐射。但由于加脊喇叭天线脊宽和短路后腔等结构的限制，现有加脊喇叭天线的性能在应用上依然具有一定的局限性，包括：

1)现有的加脊喇叭天线工作带宽有限，不能同时覆盖C、X、Ku、K、Ka频段，为工作带宽要求较高的电子信息系统设计工作带来不便。例如在电子对抗领域，现有的雷达干扰设备为了同时覆盖上述工作频段，至少分2个工作频段设计干扰天线及配套馈电设备、伺服设备等，造成设备规模和成本增加。

2)多个加脊喇叭天线组合使用时，无法做到共天线轴向，并难以保证高集成度。例如两个加脊喇叭天线只有前后放置才能做到共天线轴向，但会带来严重的遮挡问题，且两个天线并排放置时必须保证两者之间具有一定间距，否则会存在电磁互扰问题。

发明内容

为了解决雷达、通信、电子对抗、仿真测试系统等应用中，对射频天线的共天线轴向、宽频段、多极化、高集成度要求等技术问题，本发明提出了一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线，包括外围天线部分和中心天线部分，中心天线部分嵌套于外围天线部分之中，并且两个天线轴向重合；

所述的外围天线部分包括外围天线壁、四副外围双脊天线、外围天线短路腔和四个外围天线同轴连接器；每副外围双脊天线底端连接一个外围天线短路腔；每副外围双脊天线包括外脊和内脊，外脊与外围天线壁垂直连接，内脊与中心天线部分连接；水平方向的两副外围双脊天线构成水平极化，垂直方向的两副外围双脊天线构成垂直极化；同一极化方向上的两副外围双脊天线的底部均连接一个外围天线同轴连接器，其中，一个外围天线同轴连接器的外导体固定在外围天线短路腔的外表面，外围天线同轴连接器的内导体垂直穿过外围天线短路腔波导壁、外围双脊天线的外脊，与外围双脊天线的内脊连接；为了保持相同的馈电相位，另一个外围天线同轴连接器的外导体固定在外围天线短路腔的外表面，外围天线同轴连接器的内导体垂直穿过外围天线短路腔的波导壁、外围双脊天线的内脊后，与外围双脊天线的外脊连接。

所述的中心天线部分包括中心天线壁、两副中心双脊天线、中心天线短路腔和中心天线同轴连接器；中心天线壁固定在四副外围双脊天线的内脊上，两副中心双脊天线正交置于中心天线壁内，水平方向的中心双脊天线构成水平极化，垂直方向的中心双脊天线构成垂直极化；每副中心双脊天线的一对脊与中心天线壁垂直连接，延伸出中心天线壁的部分与外围双脊天线的内脊连接为一体，每副中心双脊天线的一对脊的底端连接一个中心天线同轴连接器，所述的中心天线同轴连接器的外导体固定在中心天线短路腔外表面，中心天线同轴连接器的内导体与中心双脊天线的极化方向保持一致，垂直穿过中心双脊天线的一个脊的根部后，并与另一个脊连接。

进一步的，外围双脊天线的内脊厚度通过倒角方式逐渐减小至中心双脊天线的脊的厚度，延伸出中心天线壁的部分与中心双脊天线的脊匹配连接。

进一步的，外围双脊天线的内脊延伸出中心天线壁的部分与中心双脊天线的一个脊匹配连接的交界处采用样条插值方法进行平滑处理。

进一步的，所述的外围双脊天线的外脊与内脊的根部间距为外围天线短路腔宽度的0.02～0.12倍，外脊与内脊的宽度为外围天线短路腔长度的0.23～0.42倍。

进一步的，每副中心双脊天线的一对脊的根部间距为中心天线短路腔底部直径的0.02～0.09倍，脊宽为中心天线短路腔底部直径的0.15～0.2倍。

进一步的，所述的外围天线短路腔为长方体结构。

进一步的，所述的中心天线短路腔为圆锥形腔体。

进一步的，所述的外围天线壁为方口径喇叭。

进一步的，所述的中心天线壁为圆口径喇叭。

进一步的，所述的外围双脊天线同轴连接器采用SMA规范，中心天线同轴连接器采用2.92mm规范。

发明所达到的有益效果：

1、本发明采用了嵌套式结构，中心天线部分嵌入于外围天线部分之中，以多个频段拼接方式获取更大的工作带宽。中心天线部分工作频段为9～39GHz，外围天线部分工作频段为3～9GHz，两者同时馈电可获得3～39GHz的大带宽。并且本发明仍可继续嵌入至频段更低的外围天线之中以获取更大的工作带宽。

2、本发明将中心天线部分设计位于外围天线部分之中，并与外围天线部分具有相同的天线轴向，外围双脊天线内脊与中心双脊天线的脊一体设计，从而使整个天线具有较高的集成度。

3、本发明具有灵活多样的工作方式，工作带宽、极化方式可根据需要进行选择。中心天线部分、外围天线部分同时工作时，整个天线工作带宽为3～39GHz，具有水平、垂直两种极化方式；中心天线部分单独工作时，工作带宽为9～39GHz，具有水平、垂直两种工作方式；外围天线部分单独工作时，工作带宽为3～9GHz，具有水平、垂直两种工作方式。

附图说明

图1为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的正视图；

图2为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的正前方下斜15度视图；

图3为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的正前方左斜10度视图；

图4为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的后视图；

图5为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的正后方右斜45度视图；

图6为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的正侧方透视图；

图7为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的水平剖视图与局部放大示意图；

图8为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的垂直剖视图与局部放大示意图；

图9为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的外围双脊天线外脊曲线方程坐标系示意图；

图10为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的外围双脊天线内脊曲线方程坐标系示意图；

图11为本发明多频段宽带双极化加脊喇叭天线的中心双脊天线脊曲线方程坐标系示意图；

图12为本发明优选实施例的中心天线部分两种极化方式的驻波比示意图；

图13为本发明优选实施例的外围天线部分两种极化方式的驻波比示意图；

图14为本发明优选实施例的中心天线部分工作在36.9GHz下的H面方向图；

图15为本发明优选实施例的外围天线部分工作在8.3GHz下的H面方向图。

图1至图8中：1为外围天线壁；2为外围双脊天线；3为短路腔；4为外围天线同轴连接器；5为中心天线壁；6为中心双脊天线；7为短路腔；8为中心天线同轴连接器；21为外脊；22为内脊。

具体实施例方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供的一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线是一种复合型喇叭天线，包括外围天线部分和中心天线部分，中心天线部分嵌套于外围天线部分之中，两个天线轴向重合。

如图1～图3所示，所述的外围天线部分包括外围天线壁1、四副外围双脊天线2、外围天线短路腔3和四个外围天线同轴连接器4；每副外围双脊天线2底端连接一个外围天线短路腔3；每副外围双脊天线2包括外脊21和内脊22，外脊21与外围天线壁1垂直连接，内脊22与中心天线部分连接；水平方向的两副外围双脊天线构成水平极化，垂直方向的两副外围双脊天线构成垂直极化；同一极化方向上的两副外围双脊天线的底部均连接一个外围天线同轴连接器4，其中，一个外围天线同轴连接器4的外导体固定在外围天线短路腔3的外表面，外围天线同轴连接器4的内导体垂直穿过外围天线短路腔3波导壁、外围双脊天线的外脊21，与外围双脊天线的内脊22连接；为了保持相同的馈电相位，另一个外围天线同轴连接器4的外导体固定在外围天线短路腔3的外表面，外围天线同轴连接器4的内导体垂直穿过外围天线短路腔3的波导壁、外围双脊天线2的内脊22后，与外围双脊天线2的外脊21连接。

所述的外围天线壁1为方口径喇叭。

所述的外脊21与内脊22均包括线性段和非线性段，外脊21与内脊22根部间距为外围天线短路腔3宽度的0.02～0.12倍，外脊21与内脊22的宽度为外围天线短路腔3长度的0.23～0.42倍。

所述的外围天线短路腔3为长方体形腔体，作为外围双脊天线的匹配负载，用于改善外围双脊天线的辐射效率。

如图4、图5所示，所述的外围双脊天线同轴连接器4采用SMA规范，水平方向2个，垂直方向2个，是四副外围双脊天线的馈电信号输入接口。

如图1～图3、图7、图8所示，所述的中心天线部分包括中心天线壁5、两副中心双脊天线6、中心天线短路腔7和中心天线同轴连接器8；中心天线壁5固定在四副外围双脊天线2的内脊22上，两副中心双脊天线6正交置于中心天线壁5内，水平方向的中心双脊天线构成水平极化，垂直方向的中心双脊天线构成垂直极化；每副中心双脊天线6的一对脊与中心天线壁5垂直连接，延伸出中心天线壁5的部分与外围双脊天线2的内脊22连接为一体；每副中心双脊天线6的一对脊的底端连接一个中心天线同轴连接器8，所述的中心天线同轴连接器8的外导体固定在中心天线短路腔7外表面，中心天线同轴连接器8的内导体与中心双脊天线的极化方向保持一致，垂直穿过中心双脊天线的一个脊的根部后，与另一个脊连接。

如图6所示，所述的中心天线壁5为圆口径喇叭，中心天线壁5固定在4副外围双脊天线2的内脊22上。

参照图7和图8的局部放大图所示，所述的中心天线短路腔7为圆锥形腔体，作为中心天线部分的匹配负载，用于改善中心天线部分的辐射效率。

参照图7和图8所示，所述的中心天线同轴连接器8采用2.92mm规范，数量为2个，是2副中心双脊天线的馈电信号输入接口；水平极化方向的同轴连接器位于垂直极化方向的同轴连接器后方。

所述的中心双脊天线6的脊包括线性段和非线性段，所述的每副中心双脊天线6的一对脊的根部间距为中心天线短路腔7底部直径的0.02～0.09倍，脊宽为中心天线短路腔7底部直径的0.15～0.2倍。

外围双脊天线2的内脊22与中心双脊天线6的一个脊的连接方式：外围双脊天线2的内脊22通过倒角方式逐渐减小至中心双脊天线6的脊的厚度，延伸出中心天线壁5的部分与中心双脊天线6的脊匹配连接。外围双脊天线2的内脊22延伸出中心天线壁5的部分与中心双脊天线6的脊匹配连接的交界处，采用样条插值方法进行平滑处理。

在多频段宽带双极化加脊喇叭天线的纵切面上，以中心天线部分根部为坐标原点建立y-z坐标系。

图9示出了外围双脊天线内脊曲线，外围双脊天线外脊线性段曲线方程：

约束条件：B₁＜z＜L₁

式中：

B₁——外脊线性段初始端点z轴坐标；

H₁——外脊线性段末端点与外围双脊天线轴的距离；

D₁——外脊线性段初始端点与外围双脊天线轴的距；

L₁——外脊线性段末端点z轴坐标；

W——外围天线部分二元阵的阵元间距；

外围双脊天线外脊非线性段曲线方程：

约束条件：L₁＜z＜P₁

式中：

α₁——外脊非线性段方程指数系数；

P₁——外脊非线性段末端点z轴坐标；

K₁——外脊非线性段中一次曲线系数。

图10示出了外围双脊天线内脊曲线，外围双脊天线内脊线性段曲线方程：

约束条件：B₂＜z＜L₂

式中：

B₂——内脊线性段初始端点z轴坐标；

H₂——内脊线性段末端点与外围双脊天线轴的距离；

D₂——内脊线性段初始端点与外围双脊天线轴的距离；

L₂——内脊线性段末端点z轴坐标；

W——外围天线部分二元阵的阵元间距。

4)外围双脊天线内脊非线性段方程：

外围双脊天线内脊非线性段由指数曲线与一次曲线叠加得到，方程如下：

约束条件L₂＜z＜P₂

式中：

α₂——内脊非线性段方程指数系数；

P₂——内脊非线性段末端点z轴坐标；

K₂——内脊非线性段中一次曲线系数。

图11示出了中心双脊天线脊曲线，中心双脊天线脊线性段曲线方程：

约束条件0＜z＜L

式中：

H——中心双脊天线脊线性段末端点与z轴的距离；

D——中心双脊天线脊线性段初始端点与z轴的距离；

L——中心双脊天线脊线性段末端点z轴坐标；

6)中心双脊天线脊非线性段曲线方程：

约束条件L＜z＜P

式中：

α——中心双脊天线脊非线性段方程指数系数；

P——中心双脊天线脊非线性段末端点z轴坐标。

本发明提出的一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线的工作原理如下：

本发明提供的一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线具有多个工作频段和大的工作带宽，可以根据频段需求单独使用外围天线部分，或单独使用中心天线部分，或两者同时使用。外围天线部分工作频段为3～9GHz，中心天线部分工作频段为9～39GHz，两者同时使用工作频段可达到3～39GHz。

本发明提供的一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线具有水平、垂直两种极化方式：可根据极化需求单独使用水平极化，或单独使用垂直极化，或两者同时使用。四副外围双脊天线中，水平方向排列的两副为水平极化，垂直方向排列的两副为垂直极化；两副中心双脊天线中，一副为水平极化，一副为垂直极化。外围天线部分水平极化工作时，应对水平方向排列的2副外围天线同轴连接器同时馈电，馈电幅度和相位相同；外围天线垂直极化工作时，对应垂直方向排列的2副外围天线同轴连接器同时馈电，馈电幅度和相位相同；中心天线部分水平极化工作时，对水平极化中心双脊天线对应的同轴连接器馈电；中心天线部分垂直极化工作时，对垂直极化双脊天线对应的同轴连接器馈电。

本发明提供的一种多频段宽带双极化加脊喇叭天线各频段的天线轴向重合：外围天线部分为阵列天线，包括一个水平方向二元阵和一个垂直方向二元阵，水平方向二元阵由水平方向排列的两副外围双脊天线构成，垂直方向二元阵由垂直方向排列两副外围双脊天线构成，水平方向二元阵的电轴和垂直方向二元阵的电轴重合；中心天线部分包括两副中心双脊天线，相当于一个四脊喇叭天线，其电轴与外围天线部分水平方向二元阵、垂直方向二元阵的电轴重合。

在本发明的一个优选实施例中，外围天线壁1的底部尺寸为147mm(长)×147mm(宽)×220mm(高)；外围天线短路腔3为长方体结构，尺寸为30mm(长)×22mm(宽)×15mm(深)；外围天线同轴连接器4为SMA规范，数量为4个。中心天线壁5的底部半径17.5mm，高100mm；中心天线短路腔7为圆锥形腔体，圆锥高度为5.2mm，底部半径为5.2mm；中心天线同轴连接器8为2.92mm规范，数量为2个。

外围双脊天线设计：

外围双脊天线外脊参数：外围双脊天线的外脊线性段初始端点z轴坐标取-59mm，外脊线性段末端点与外围双脊天线轴的距离取2mm，外脊线性段初始端点与外围双脊天线轴的距离取0.85mm，外脊线性段末端点z轴坐标取16mm，外围天线部分二元阵的阵元间距取60mm，按照外围双脊天线外脊线性段曲线方程设计外围双脊天线外脊线性段曲线方程；同时外脊非线性段方程指数系数取0.02，外脊非线性段末端点z轴坐标取142mm，外脊非线性段中一次曲线系数取0.005，按照外围双脊天线外脊非线性段曲线方程设计外围双脊天线外脊非线性段。

外围双脊天线内脊参数：外围双脊天线内脊线性段初始端点z轴坐标取-59mm，内脊线性段末端点与外围双脊天线轴的距离取2mm，内脊线性段初始端点与外围双脊天线轴的距离取0.85mm，内脊线性段末端点z轴坐标取22mm，外围天线部分二元阵的阵元间距取60mm，按照外围双脊天线内脊线性段曲线方程设计外围双脊天线内脊线性段；内脊非线性段方程指数系数取0.014，内脊非线性段末端点z轴坐标取108mm，内脊非线性段中一次曲线系数取0.005，按照外围双脊天线内脊非线性段方程设计外围双脊天线内脊非线性段。

外围双脊天线2的外脊21与内脊22的根部间距2mm，外脊厚度为10mm，外围双脊天线2的内脊22厚度为10mm。

中心双脊天线部分设计：

中心双脊天线脊线性段参数：

中心双脊天线脊线性段末端点与z轴的距离取2mm；中心双脊天线脊线性段初始端点与z轴的距离取0.25mm，中心双脊天线脊线性段末端点z轴坐标取72mm，按照中心双脊天线脊线性段曲线方程设计中心双脊天线脊线性段。

中心双脊天线脊非线性段参数：

中心双脊天线脊线性段末端点与z轴的距离取2mm，中心双脊天线脊线性段初始端点与z轴的距离取0.25mm，中心双脊天线脊线性段末端点z轴坐标取72mm，按照中心双脊天线脊线性段曲线方程设计中心双脊天线脊线性段。

中心双脊天线6的双脊根部间距0.25mm，脊厚度1.6mm。

图12是本发明优选实施例的中心天线部分9-39Ghz下天线驻波比示意图，横坐标表示中心天线部分的端口馈电频率，纵坐标表示中心天线部分的端口驻波比，实线表示水平极化端口驻波比，虚线表示垂直端口驻波比。由图可知，在本实施例配置下，本发明天线整体具有良好的驻波比带宽，可以在9GHz～39GHz下使天线与自由空间良好匹配。

图13是本发明优选实施例的外围天线部分工作在3GHz～9GHz下驻波比示意图，横坐标表示外围天线部分的端口馈电频率，纵坐标表示外围天线部分的端口驻波比。由图可知，在本实施例配置下，本发明天线整体低频段外围天线部分具有良好的驻波比带宽，可以在3GHz～9GHz下使天线与自由空间良好匹配。

图14是本发明优选实施例的中心天线部分工作在36.9GHz下的H面方向图，横坐标表示中心天线部分H面上的远场角度坐标，纵坐标表示中心天线部分的增益。由图可知，在本实施例配置下，高频段中心天线部分增益达到16.2dB，3dB波束宽度达到18.8度，旁瓣电平为-22dB，本发明天线整体具有良好的辐射特性。

图15是本发明优选实施例的外围天线部分工作在8.3GHz下的H面方向图，横坐标表示外围天线部分H面上的远场角度坐标，纵坐标表示外围天线部分的增益。由图可知，在本实施例配置下，外围天线部分的辐射方向图未受中心天线部分的影响，未发生严重的波瓣分裂，增益达到18.7dB，3dB波束宽度达到17.3度，旁瓣电平为-15dB，本发明天线整体具有良好的辐射特性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。综上所述，本说明书内容不能理解为对本发明的限制。