阅读说明：本技术 一种用于1-40GHz频段的超宽带双脊喇叭天线 (Ultra-wideband double-ridge horn antenna for 1-40GHz frequency band ) 是由 林澍 刘首岚 聂秋月 张仲麟 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：一种用于1-40GHz频段的超宽带双脊喇叭天线,属于天线技术领域。本发明解决了现有的双脊喇叭天线低频段匹配性能差、高频段方向图主瓣分裂及增益下降的问题。它包括加脊喇叭和馈电结构,所述加脊喇叭包括壳体、上脊和下脊,所述壳体呈矩形锥体结构,且其左、右两个侧壁均为金属栅格,上脊和下脊分别固设在壳体的上、下两侧壁内侧,且上脊和下脊上下对称设置,上脊的脊线和下脊的脊线均为曲线；所述馈电结构包括同轴线、金属地板及波导段,所述金属地板竖向设置,所述同轴线水平设置且同轴线与加脊喇叭之间通过金属地板和波导段连接。(An ultra wide band double-ridge horn antenna for a 1-40GHz frequency band belongs to the technical field of antennas. The invention solves the problems of poor low-frequency band matching performance, high-frequency band directional diagram main lobe splitting and gain reduction of the existing double-ridged horn antenna. The horn comprises a ridge adding horn and a feed structure, wherein the ridge adding horn comprises a shell, an upper ridge and a lower ridge, the shell is of a rectangular cone structure, the left side wall and the right side wall of the shell are both metal grids, the upper ridge and the lower ridge are respectively and fixedly arranged on the inner sides of the upper side wall and the lower side wall of the shell, the upper ridge and the lower ridge are arranged in an up-and-down symmetrical mode, and ridge lines of the upper ridge and ridge lines of the lower ridge are both curves; the feed structure comprises a coaxial line, a metal floor and a waveguide section, wherein the metal floor is vertically arranged, and the coaxial line is horizontally arranged and is connected with the ridged loudspeaker through the metal floor and the waveguide section.)

一种用于1-40GHz频段的超宽带双脊喇叭天线

技术领域

本发明涉及一种用于1-40GHz频段的超宽带双脊喇叭天线，属于天线技术领域。

背景技术

加脊喇叭天线是一种典型的超宽带天线形式，它具有增益高和辐射口径位置稳定等喇叭天线的优点，并且它还具备极宽的工作频带和相对小的体积。因此，在微波测量和电磁兼容测试中加脊喇叭天线得到了大量应用。

现有的超宽带双脊喇叭天线存在的主要问题有：高频处方向图***增益下降、低频处匹配性能差，且馈电结构复杂。

申请号为201610068745.0的发明专利申请公开了一种宽带双脊喇叭天线，根据其说明书的记载，该天线在2-18GHz范围内方向图稳定，高频段增益稳定，但在1-40GHz范围内，同样存在高频处方向图***、增益下降、低频处匹配性能差的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的双脊喇叭天线低频段匹配性能差、高频段方向图主瓣***及增益下降的问题，进而提供了一种用于1-40GHz频段的超宽带双脊喇叭天线。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于1-40GHz频段的超宽带双脊喇叭天线，它包括加脊喇叭和馈电结构，所述加脊喇叭包括壳体、上脊和下脊，所述壳体呈矩形锥体结构，且其左、右两个侧壁均为金属栅格，上脊和下脊分别固设在壳体的上、下两侧壁内侧，且上脊和下脊上下对称设置，上脊的脊线和下脊的脊线均为曲线；

所述馈电结构包括同轴线、金属地板及波导段，所述金属地板竖向设置，所述同轴线水平设置且同轴线与加脊喇叭之间通过金属地板和波导段连接。

进一步地，同轴线插设在金属地板上，所述波导段包括上金属横板、下金属横板、第一立板及第二立板，壳体的上侧壁与金属地板之间通过上金属横板连接，壳体的下侧壁与金属地板之间通过下金属横板连接，同轴线的内导体与上脊之间通过第一立板连接，下脊与金属地板之间通过第二立板连接。

进一步地，所述第一立板的顶面为斜面，且该斜面的最高点位于靠近上脊的一侧，最低点位于靠近同轴线的一侧。

进一步地，第一立板上与同轴线的内导体相连接的一侧面高度为2.2mm，第一立板上与上脊相连接的另一侧面高度为18-20mm。

进一步地，脊线采用指数函数与一次函数之和的形式，具体公式如下：

y＝a×e^kz+bz+y_t，z∈[0,L₀]

其中L₀为加脊喇叭的长度，z表示脊线沿加脊喇叭轴向的直线距离，y表示脊线至加脊喇叭中心轴线的垂直距离，a、b、k、y_t均是用于调节两脊间距离的参数。

进一步地，所述金属栅格包括若干沿加脊喇叭长度方向依次布置的矩形金属带条。

进一步地，两个金属栅格关于加脊喇叭的中心轴线对称设置。

进一步地，每个矩形金属带条的宽度均为2-3mm，厚度均为0.1-0.3mm，位于同侧的每相临两个矩形金属带条之间的间距为18-20mm，每个金属栅格中矩形金属带条的数量为十个。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请采用金属栅格代替现有技术中的左右两侧壁，能够有效地改善喇叭在低频段的匹配性能，使喇叭在最低截止频率降低到1GHz。壳体左右两侧的金属栅格相当于在壳体上下两侧壁之间引入电感，与上下两侧壁之间存在的电容在低频段谐振拓宽了天线在低频段的带宽；同时，采用金属栅格相当于引入额外的辐射体，能够抑制方向图凹陷并且提高天线增益。

本申请的超宽带双脊喇叭天线在1-40GHz频率范围内驻波比小于2，整个频段内方向图定向辐射且主瓣不发生***，增益从1GHz时的3.49dBi逐渐增加到40GHz时的16.3dBi。

附图说明

图1为本申请的立体结构示意图；

图2为本申请的正视示意图；

图3为本申请的后视示意图；

图4为本申请的侧视示意图；

图5为本申请的剖视示意图；

图6为馈电结构示意图；

图7为本申请的俯视示意图；

图8为本申请在1-40GHz电压驻波比仿真曲线；

图9为本申请在1-40GHz的增益仿真曲线；

图10为本申请在1GHz时的E/H面仿真方向图；

图11为本申请在18GHz时的E/H面仿真方向图；

图12为本申请在26.5GHz时的E/H面仿真方向图；

图13为本申请在40GHz时的E/H面仿真方向图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～7说明本实施方式，一种用于1-40GHz频段的超宽带双脊喇叭天线，它包括加脊喇叭和馈电结构，所述加脊喇叭包括壳体1、上脊2和下脊3，所述壳体1呈矩形锥体结构，且其左、右两个侧壁均为金属栅格11，上脊2和下脊3分别固设在壳体1的上、下两侧壁内侧，且上脊2和下脊3上下对称设置，上脊2的脊线和下脊3的脊线均为曲线；

所述馈电结构包括同轴线4、金属地板5及波导段6，所述金属地板5竖向设置，所述同轴线4水平设置且同轴线4与加脊喇叭之间通过金属地板5和波导段6连接。

波导段6位于加脊喇叭的末端，除同轴线4以外，各部分均采用轻质金属材料，同轴馈线特性阻抗为50Ω，内导体41与外导体42之间填充介质的相对介电常数为1。

本申请的馈电结构采用同轴馈电向波导转换的形式，同轴线4通过金属地板5及波导段6与加脊喇叭相连，本申请具有极宽的阻抗带宽(40:1)和辐射方向图带宽，采用平行式的馈电方法(馈电同轴线4所在轴线方向与喇叭口面的法线方向相平行)，简化了加脊喇叭的馈电结构，易加工，质量轻。

本申请采用金属栅格11代替现有技术中的左右两侧壁，能够有效地改善喇叭在低频段的匹配性能，使喇叭在最低截止频率降低到1GHz。壳体1左右两侧的金属栅格11相当于在壳体1上下两侧壁之间引入电感，与上下两侧壁之间存在的电容在低频段谐振拓宽了天线在低频段的带宽；同时，采用金属栅格11相当于引入额外的辐射体，能够抑制方向图凹陷并且提高天线增益。

本申请的超宽带双脊喇叭天线在1-40GHz频率范围内驻波比小于2，整个频段内方向图定向辐射且主瓣不发生***，增益从1GHz时的3.49dBi逐渐增加到40GHz时的16.3dBi。

同轴线4插设在金属地板5上，所述波导段6包括上金属横板61、下金属横板62、第一立板63及第二立板64，壳体1的上侧壁与金属地板5之间通过上金属横板61连接，壳体1的下侧壁与金属地板5之间通过下金属横板62连接，同轴线4的内导体41与上脊2之间通过第一立板63连接，下脊3与金属地板5之间通过第二立板64连接。同轴线4的内导体41与上脊2之间通过第一立板63连接，同轴线4的外导体42与金属地板5连接，同轴线4的外导体42与壳体1的上侧壁之间通过金属地板5及上金属横板61连接，同轴线4的外导体42与壳体1的下侧壁之间通过金属地板5及下金属横板62连接，同轴线4的外导体42与下脊3之间通过金属地板5及第二立板64连接。

同轴线4的内导体41与第一立板63之间为搭接，上金属横板61与金属底板之间、上金属横板61与上侧壁之间、下金属横板62与金属底板之间、下金属横板62与下侧壁之间、第一立板63与上脊2之间、第二立板64与下脊3之间以及第二立板64与金属地板5之间均为固定连接。

与现有技术相比，本申请的波导段6结构更简单，更易加工。

所述第一立板63的顶面为斜面，且该斜面的最高点位于靠近上脊2的一侧，最低点位于靠近同轴线4的一侧。如此设计，渐变的波导段有利于阻抗匹配，能够实现超宽的阻抗带宽。

第一立板63上与同轴线4的内导体41相连接的一侧面高度为2.2mm，第一立板63上与上脊2相连接的另一侧面高度为18-20mm。

脊线采用指数函数与一次函数之和的形式，具体公式如下：

y＝a×e^kz+bz+y_t，z∈[0,L₀]

其中L₀为加脊喇叭的长度，z表示脊线沿加脊喇叭轴向的直线距离，y表示脊线至加脊喇叭中心轴线的垂直距离，a、b、k、y_t均是用于调节两脊间距离的参数。e为自然指数。本申请采用指数形式的脊结构，可以很好地实现从馈电端口到自由空间的阻抗变换，进一步避免了高频时方向图***和增益下降问题。

所述金属栅格11包括若干沿加脊喇叭长度方向依次布置的矩形金属带条11-1。

两个金属栅格11关于加脊喇叭的中心轴线对称设置。如此设计，金属栅格能够改善天线在低频段的匹配特性，拓宽天线的阻抗带宽，同时金属栅格的引入相当于引入了额外的辐射体，金属栅格的辐射抑制了方向图主瓣在高频段的***，提高了天线在整个频段内的增益。

每个矩形金属带条11-1的宽度均为2-3mm，厚度均为0.1-0.3mm，位于同侧的每相临两个矩形金属带条11-1之间的间距为18-20mm，每个金属栅格11中矩形金属带条11-1的数量为十个。

具体实施方式二：结合图1～13说明本实施方式，金属地板5、波导段6及加脊喇叭均采用铝材料，壳体1上靠近波导段6的一端为小端，其宽度a₁与金属地板的宽度相同，其中a₁取值为44-46mm，壳体1上远离波导段6的另一端为大端，其宽度Dx为140mm，上金属横板61、下金属横板62、壳体1的上侧壁以及壳体1的下侧壁厚度均相同，其厚度h₁为1.2-1.5mm，壳体1的上、下侧壁的张角大小由脊线和壳体1的长度L₀决定，其中L₀为205mm。

脊宽度w为4.0-5.0mm，脊靠近波导段6的一端高度h₃为18-20mm，脊线采用指数函数与一次函数之和的形式，具体公式如下：

y＝a×e^kz+bz+y_t，z∈[0,205]

其中z表示脊线沿加脊喇叭轴向的直线距离，y表示脊线至加脊喇叭中心轴线的垂直距离，a、b、y_t均是用于调节两脊间距离的参数，a＝0.5，b＝0.002，k＝0.022，y_t＝0.1，上、下两脊在靠近馈电端的间距为2×(a+y_t)。

金属栅格11包括若干沿加脊喇叭长度方向依次布置的矩形金属带条11-1。两个金属栅格11关于加脊喇叭的中心轴线对称设置。每个矩形金属带条11-1的宽度均为2-3mm，厚度均为0.1-0.3mm，位于同侧的每相临两个矩形金属带条11-1之间的间距为18-20mm，每个金属栅格11中矩形金属带条11-1的数量为十个。

第一立板63靠近同轴线4的一侧面为边长2.2mm的正方形，该正方形的中心与内导体41的圆心重合；内导体41伸出金属地板5的长度(即位于金属地板5与第一立板63之间的内导体41长度)L₂为0.8-1.2mm；金属地板的中心位置与内导体的中心轴线之间的垂直距离为1mm。

金属地板5的宽度D₁为62-64mm，高度D₂为60mm，厚度w₁为3mm；

第一立板63与第二立板64的长度L₁相同，L₁取值31-33mm，第一立板63及第二立板64的宽度与脊宽w相同，第一立板63上靠近壳体1一端的高度、第二立板64的高度均与脊靠近波导段6的一端高度h₃相同；

仿真内容：

利用仿真软件CST对上述实施例所述的天线结构进行建模仿真。

仿真结果：

参照图8本发明实施例在1-40GHz的电压驻波比仿真曲线。可以看出在1-40GHz频率范围内，天线的电压驻波比小于2。说明本发明具有良好的阻抗带宽特性。

参照图9本发明实施例在1-40GHz的增益仿真曲线。可以看出高频时增益基本稳定，没有出现明显下降。

参照图10-13本发明实施例分别在1GHz、18GHz、26.5GHz和40GHz时的E/H面仿真方向图。可以看出天线在1-40GHz频率范围内方向图稳定，主瓣基本没有出现明显的***现象。

其它组成与连接关系与具体实施方式一相同。