阅读说明：本技术 一种基于e面***波导的双工喇叭天线 (Duplex horn antenna based on E-plane split waveguide ) 是由 傅继承 谢泽明 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于E面分裂波导的双工喇叭天线,包括E面喇叭、E面分裂波导、上金属波导腔、下金属波导腔；E面分裂波导一端与E面喇叭小口径一端相连,另一端与上金属波导腔和下金属波导腔连接,上金属波导腔的另一端通过信号输入端口与限流器相连,下金属波导腔的另一端通过波导拐弯头与第二信号输入端口相连。本发明提出的双工喇叭天线具有以下优点,能够同时接受和发射信号,端口隔离度高,高选择性,增益平坦；结构简单可靠；易于集成；适用于VSAT卫星通信天线；可用作抛物面天线的馈源,并能起到抛物面天线的自支撑作用。(The invention discloses a duplex horn antenna based on an E-plane splitting waveguide, which comprises an E-plane horn, an E-plane splitting waveguide, an upper metal waveguide cavity and a lower metal waveguide cavity, wherein the E-plane horn is connected with the upper metal waveguide cavity; one end of the E-surface splitting waveguide is connected with the small-caliber end of the E-surface horn, the other end of the E-surface splitting waveguide is connected with the upper metal waveguide cavity and the lower metal waveguide cavity, the other end of the upper metal waveguide cavity is connected with the current limiter through the signal input port, and the other end of the lower metal waveguide cavity is connected with the second signal input port through the waveguide elbow. The duplex horn antenna provided by the invention has the advantages that the duplex horn antenna can receive and transmit signals at the same time, the port isolation degree is high, the selectivity is high, and the gain is flat; the structure is simple and reliable; the integration is easy; the antenna is suitable for a VSAT satellite communication antenna; the feed can be used as a feed source of the parabolic antenna and can play a self-supporting role of the parabolic antenna.)

一种基于E面***波导的双工喇叭天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于E面***波导的双工喇叭天线。

背景技术

天线和微波滤波器是无线通信系统、卫星通信系统、现代微波中继通信等系统中不可缺少的关键组成部分。天线本身具有可逆性，即同一副天线用作发射和接收电磁信号。微波滤波器的主要作用是选择所需要的信号过滤掉不需要的信号，在某一有用频率范围内，以低损耗通过该频段的有用信号，而将其他频率范围内的频率分量衰减到极低的水平。因此，天线的微波滤波器作为无线通信系统的重要部分，其性能的优势很大程度上决定了系统的优劣，同时，其尺寸大小也直接影响整个系统的尺寸大小和便携性。

随着现代无线通信需求的快速发展，用户对高性能便携式终端设备的需求越来越广泛，因此小型化与集成化逐渐成为了新的发展趋势。这里的双工天线将天线与微波滤波器联合进行设计，能够使得射频前端系统的结构更加紧凑，并且能够减少不必要的损耗，这样使得现代无线通信系统的小型化和集成化更加容易的实现。而在以往典型的通信系统中，人们常常将天线和滤波器作为两个独立的子系统来分开进行设计，然而由于器件之间的相互影响和端口间的匹配失调，这样容易使得级联后的系统总体性能恶化，增加系统的损耗。为了消除这种影响，二者之间需要再额外增加一个匹配网络，这就容易使得系统更加的复杂。尺寸也更大，不利于小型化的实现。为此，将天线和滤波器直接一体化设计，就能够省去额外需要加入的匹配网络，这样不仅可以减少系统的尺寸和重量，而且可以降低损耗，使得系统的整个性能得到改善。

双工滤波天线用一个部件能够同时实现无线电磁波的发射和接收、滤波、收发分离及抗干扰的功能，可实现一体化无线设备的高效率、低成本和轻量化，能广泛应用于无线通信系统、卫星通信系统、现代微波中继通信等系统中。目前的微带双工天线总体来说存在端口隔离度不高，天线收发频率间隔较大，带宽较窄，天线的增益不高的缺点，因此还有待进一步的研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，即波导喇叭天线难以同时具备滤波特性和双工特性的缺陷，提供一种基于E面***波导的双工喇叭天线，使其具有结构简单，易于调谐、频率选择性好，增益平坦等优点。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于E面***波导的双工喇叭天线，所述的双工滤波喇叭天线包括：E面喇叭、E面***波导、上金属波导腔、下金属波导腔；E面***波导一端与E面喇叭小口径一端相连，另一端与上金属波导腔和下金属波导腔连接，上金属波导腔的另一端通过信号输入端口与限流器相连，下金属波导腔的另一端通过波导拐弯头与第二信号输入端口相连。

进一步的，所述上金属波导腔和下金属波导腔之间存在间距。

进一步的，所述E面喇叭E面(宽边)张开，H面(窄边)不变，用于提高滤波天线的辐射增益和定向性，同时起到降低副瓣的作用。

进一步的，所述上金属波导腔由第一对电感膜片、第二对电感膜片、第三对电感膜片以及第四对电感膜片依次分隔为上通道第一谐振腔、上通道第二谐振腔和上通道第三谐振腔；所述电容性膜片、限流器和信号输入端口构成第四谐振腔；

所述的下金属波导腔由第五对电感膜片、第六对电感膜片、第七对电感膜片以及第八对电感膜片依次分隔为下通道第一谐振腔、下通道第二谐振腔和下通道第三谐振腔。

进一步的，所述上金属波导腔和下金属波导腔均为矩形波导腔。

进一步的，所述第一对电感膜片、第二对电感膜片、第三对电感膜片以及第四对电感膜片分别作为四个阻抗倒置变换器，构成一个三阶的切比雪夫滤波器。

进一步的，所述第五对电感膜片、第六对电感膜片、第七对电感膜片以及第八对电感膜片分别作为四个阻抗倒置变换器，构成一个三阶的切比雪夫滤波器。

进一步的，所述上通道第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、电容性膜片、限流器和信号输入端口构成第四谐振腔，第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔的工作主模均为TE101模。

进一步的，下通道第一谐振腔、下通道第二谐振腔和下通道第三谐振腔三个谐振腔工作主模均为TE101模。

进一步的，所述限流器为腔体凹陷结构，等效为一个电感，用于增加一个传输零点，起到改善端口的隔离度的作用；同时引入一个电容性膜片，用于抵消限流器的作用。

进一步的，第一信号输入端口和第二信号输入端口为了安装与测试都旋转90度，其中第一信号输入端口与限流器相连，第二信号输入端口与波导拐弯头相连。

本发明通过一个E面喇叭、一个E面***波导、加载在E面***波导上下两侧的发射通道电感膜片型3阶切比雪夫滤波器和接收通道电感膜片型3阶切比雪夫滤波器、发射通道限流器、接收通道波导拐弯头、发射端口、接收端口。该天线同时具有滤波特性和辐射特性，其中滤波特性具有双工特性，由***波导上下两个通道滤波器产生，辐射特性由E面喇叭产生。通过调整电感膜片窗的宽度、相邻电感膜片的距离，可以控制相邻谐振腔之间的耦合强度、滤波器的外部品质因数和天线的辐射品质因数。通过引入限流器，提高两个端口的隔离度；通过引入E面喇叭，可以提高天线的辐射增益和定向性，降低副瓣。本发明提出的双工喇叭天线具有以下优点，能够同时接受和发射信号，端口隔离度高，高选择性，增益平坦；结构简单可靠；易于集成；适用于VSAT卫星通信天线；可用作抛物面天线的馈源，并能起到抛物面天线的自支撑作用。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明提出的一种基于E面***波导双工喇叭天线，它同时具有滤波特性、双工特性和辐射特性,其中滤波特性由上下两个通道构成的两个滤波器产生,双工特性由E面***波导及其两个通道构成的滤波器产生，辐射特性由E面喇叭产生。

2、通过调整电感膜片窗的宽度,可以控制相邻谐振腔之间的耦合强度、滤波器的外部品质因数和天线的辐射品质因数，通过调整相邻电感膜片窗的距离，可以控制滤波特性，通过调整上通道滤波器中限流器的高度和长度、电容性膜片的高度和与输入端口的距离，可以作为滤波器的第四阶，同时提高两个端口的隔离度。

3、当E面喇叭、E面***波导、上下两个通道滤波器和信号输入端口连接匹配好，可以构成E面***波导双工喇叭天线，同时具有滤波特性、双工特性和辐射特性，并且能够提高天线的辐射增益和定向性,降低副瓣。

4、本发明提出的双工滤波天线具有以下优点：***损耗小；具有良好的通带驻波特性和较高的带外衰减；增益平坦；高选择性；低副瓣；低交叉极化；结构简单可靠；易于集成；易于加工；适用于多种通信系统。

附图说明

图1为本实施例基于E面***波导双工喇叭天线的立体结构图；

图2为本实施例基于E面***波导双工喇叭天线的正视图；

图3为本实施例基于E面***波导双工喇叭天线的俯视图；

图4为本实施例基于E面***波导双工喇叭天线的上通道信号输入端口的立体结构图；

图5为本实施例基于E面***波导双工喇叭天线的下通道信号输入端口的立体结构图；

图6为本实施例基于E面***波导双工喇叭天线的仿真S参数曲线图；

图7为本实施例天线的仿真增益随频率变化曲线；

图8为本实施例发射端口频率为11.5GHz激励的yoz面仿真方向图；

图9为本实施例发射端口频率为11.5GHz激励的xoz面仿真方向图；

图10为本实施例发射端口频率为14.5GHz激励的yoz面仿真方向图；

图11为本实施例发射端口频率为14.5GHz激励的xoz面仿真方向图；

其中：1-E面喇叭，2-E面***波导，3-上层金属波导腔，4-下层金属波导腔，5-第一对电感膜片，6-第二对电感膜片，7-第三对电感膜片，8-第四对电感膜片，9-第五对电感膜片，10-第六对电感膜片，11-第七对电感膜片,12-第八对电感膜片,13-电容性膜片,14-限流器,15-波导拐弯头-,16-第一信号输入端口,17-第二信号输入端口,18-上通道第一谐振腔,19-上通道第二谐振腔,20-上通道第三谐振腔,21-第四谐振腔,22-下通道第一谐振腔,23-下通道第二谐振腔,24-下通道第三谐振腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本新型实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本新型实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的一种基于E面***波导的双工喇叭天线，该基于E面***波导双工喇叭天线包括：E面喇叭1、E面***波导2、上金属波导腔3、下金属波导腔4；E面***波导2一端与E面喇叭1小口径一端相连，另一端与上金属波导腔3和下金属波导腔4连接，用于分离接受和发送信号。上金属波导腔3的另一端通过信号输入端口16与限流器14相连，下金属波导腔4的另一端通过波导拐弯头15与第二信号输入端口17相连。

所述上金属波导腔3由第一对电感膜片5、第二对电感膜片6、第三对电感膜片7以及第四对电感膜片8依次分隔为上通道第一谐振腔18、上通道第二谐振腔19和上通道第三谐振腔20，同时，电容性膜片13与限流器14，信号输入端口16构成第四谐振腔21；

所述的下金属波导腔4由第五对电感膜片9、第六对电感膜片10、第七对电感膜片11以及第八对电感膜片13依次分隔为下通道第一谐振腔22、下通道第二谐振腔23和下通道第三谐振腔24。

如图2和图3所示，E面***波导双工喇叭天线结构是对称的。图2为图1的正视图，其中：所有膜片的厚度均为1mm，E面喇叭1的大口径一端的宽度A＝19.05mm，喇叭高度H＝25mm，上金属波导腔3和下金属波导腔4上下两个通道之间的距离dH＝1mm，通道的长度为LL＝LH＝70.3mm，上通道之间各膜片之间的距离分别为L₁₀＝8mm，L₁₁＝14.42mm，L₁₂＝15.5mm，L₁₃＝13mm，下通道之间各膜片之间的距离分别为L₂₀＝9.38mm，L₂₁＝9.3mm，L₂₂＝11.766mm，L₂₃＝10.76mm，通道的高度为W₁＝4.65mm，电容性膜片13高度为a＝3.65mm，与信号输入端口16距离X₃＝10mm，信号输入端口16宽度W₂＝9.525mm，限流器14长度b＝3.5mm，高度c＝1mm，信号输入端口17宽度W₂＝9.525mm，波导拐弯头15倾角α＝45°，X₁＝0.5*W₁，X₂＝0.5*W₂。

图3是图1的俯视图，其中波导宽度与喇叭大口径一端宽度相等，均为A＝19.05mm，上金属波导腔3中第一对电感膜片5、第二对电感膜片6、第三对电感膜片7以及第四对电感膜片8之间的距离分别为S₁₁＝13.3mm，S₁₂＝8.7mm，S₁₃＝8.4mm，S₁₄＝12.9mm；下金属波导腔4中第五对电感膜片9、第六对电感膜片10、第七对电感膜片11以及第八对电感膜片13之间的距离分别为S₂₁＝10.66mm，S₂₂＝6.1mm，S₂₃＝6.1mm，S₂₄＝9mm。

所述的E面喇叭1E面张开，H面不变，用于一稿滤波天线的辐射增益和定向性，同时起到降低副瓣的作用。

所述上金属波导腔3和下金属波导腔4均为矩形波导。

所述第一对电感膜片5、第二对电感膜片6、第三对电感膜片7以及第四对电感膜片8分别作为四个阻抗倒置变换器，构成一个三阶的切比雪夫滤波器。

所述第五对电感膜片9、第六对电感膜片10、第七对电感膜片11以及第八对电感膜片12分别作为四个阻抗倒置变换器构成一个三阶的切比雪夫滤波器。

所述上通道第一谐振腔18、第二谐振腔19、第三谐振腔20、第四谐振腔21工作主模均为TE101模。

所述的下通道第一谐振腔22、第二谐振腔23和第三谐振腔24工作主模均为TE101模。

如图4和图5所示，所述的限流器14为腔体凹陷结构，是改进端口隔离度的限流器，可等效为一个电感，用于增加一个传输零点，起到改善端口的隔离度的作用；同时引入一个电容性膜片13，用于抵消限流器14的作用。图中，通道宽度为A＝19.05mm，高度W₁＝4.65mm，电容性膜片13高度为a＝3.65mm，与信号输入端口16距离X₃＝10mm，信号输入端口16宽度W₂＝9.525mm，限流器14长度b＝3.5mm，高度c＝1mm。

第一信号输入端口16和第二信号输入端口17为了安装与测试都旋转90度，其中第一信号输入端口与限流器14相连，第二信号输入端口17与波导拐弯头15相连。

图5是下端口信号输入端口，具体标号标注、尺寸标注如图所示。图中，通道宽度为A＝19.05mm，高度W₁＝4.65mm，信号输入端口17宽度W₂＝9.525mm，波导拐弯头15倾角α＝45°，X₁＝0.5*W₁，X₂＝0.5*W₂。

当要求中心频率f_发＝11.5GHz，f_收＝14.5GHz时，信号输入端口和输出端口采用标准矩形波导BJ120，所有膜片厚度均为ΔS＝1mm。采用三维仿真软件HFSS对该结构进行仿真与优化。

当发射时，信号从发射端口即第一信号输入端口16送入，经过上层金属波导腔3、电容性膜片13、上层金属波导腔3的膜片第四对电感膜片8、第三对电感膜片7、第二对电感膜片6、第一对电感膜片5将信号传递给E面喇叭1，由E面喇叭1辐射出去。

当接收时，接收信号从E面喇叭1接收，E面喇叭1将接收到的信号经过下层金属波导腔4腔内的第五对电感膜片9、第六对电感膜片10、第七对电感膜片11、第八对电感膜片12，最后经波导拐弯头15，从接收端口即第二信号输入端口17输出。

该天线的信号输入端口16工作在中心频率11.5GHz的频带；接收端口17工作在中心频率14.5GHz的频带。

图6显示了实施例双工滤波天线的仿真S曲线图。横轴表示输入信号的频率，范围从10GHz到16GHz，纵轴表示S参数的对数幅度dB，该天线发射端口1612.6dB反射损耗范围为10.91GHz到12.24GHz，相对带宽11.5％，接收端口1712.4dB反射损耗范围为13.98GHz到15GHz，相对带宽7％。在两个频带内，两个端口的隔离度均大于47dB。

图7显示实施例双工滤波天线的增益仿真结果。横轴表示输入信号的频率，范围从10GHz到16GHz，纵轴表示增益大小(dB)，天线工作频率范围内低频通道增益为8.4dB左右，高频通道增益在9.4dB左右。由图可见，天线具有增益平坦、高选择性、高带外抑制等优点。

图8和图9分别是实施例滤波天线中心频率11.5GHz处的E面方向图(yoz平面)和H面方向图(xoz平面)仿真结果，由图可见E交叉极化均小于-35dB,H面交叉极化均小于-40dB。

图10和图11分别是实施例滤波天线中心频率14.5GHz处的E面方向图(yoz平面)和H面方向图(xoz平面)仿真结果,由图可见E面交叉极化均小于-30dB,H面交叉极化均小于-40dB。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。