一种剖分式双脊矩形喇叭天线结构及制备方法
阅读说明：本技术 一种剖分式双脊矩形喇叭天线结构及制备方法 (Split type double-ridge rectangular horn antenna structure and preparation method ) 是由 张登材 王森 赵志强 黄福清 刘颖 张义萍 于 2020-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种剖分式双脊矩形喇叭天线结构,包括脊盖、脊盒以及馈电座,所述脊盖包括上脊、直波导段腔盖、喇叭段的上半部分,所述脊盒包括下脊、直波导段腔体、喇叭段的下半部分、后盖板和安装法兰,所述脊盖与脊盒连接接触面分别开设有安装孔与自定位结构,所述定位结构用于脊盖与脊盒精准装配,所述馈电座通过第一连接螺钉与安装法兰固定在后盖板上；第二连接螺钉通过安装孔固定脊盖与脊盒形成双脊矩形喇叭天线的主体结构。(The invention provides a split type double-ridge rectangular horn antenna structure which comprises a ridge cover, a ridge box and a feed seat, wherein the ridge cover comprises an upper ridge, a straight waveguide section cavity cover and an upper half part of a horn section, the ridge box comprises a lower ridge, a straight waveguide section cavity, a lower half part of the horn section, a rear cover plate and a mounting flange, mounting holes and self-positioning structures are respectively formed in connection contact surfaces of the ridge cover and the ridge box, the positioning structures are used for accurately assembling the ridge cover and the ridge box, and the feed seat is fixed on the rear cover plate through a first connecting screw and the mounting flange; the second connecting screw fixes the ridge cover and the ridge box through the mounting hole to form a main body structure of the double-ridge rectangular horn antenna.)
技术领域
本发明涉及天线领域，特别涉及一种剖分式双脊矩形喇叭天线结构及制备方法。
背景技术
双脊矩形喇叭天线具有工作频带宽、功率容量大、辐射特性好等优点，目前在通信、雷达、电子战等领域的应用非常广泛。现有文献资料中，针对这种天线电磁设计方面的研究非常多，但对其结构形式的介绍均为简略示意图，缺少详细的结构设计介绍。众所周之，天线是一种典型的机电一体化产品，结构成型方法的选择和各零部件的详细结构设计不仅影响天线的电磁性能与机械强度，而且直接影响到天线的精度、制造周期和成本。
双脊矩形喇叭天线比较常见的结构成型方法有分块焊接、碳纤维复合材料整体成型、整体铸造、散件拼装4种。
分块焊接结构成型是指将喇叭体、安装法兰、波导段、上脊、下脊、后盖板等零件拼装焊接成一个整体(参见文献：角锥喇叭天线制造工艺.谢颖然等.电子工艺技术.2007,28(3)：169～170)。高温焊接引起的变形会导致天线尺寸和形状发生变化，造成天线的电磁性能下降，进而影响系统使用。此外，适用于焊接的铝合金材料一般为中低强度铝材，这种材料焊接成的天线机械强度较低，很难适应航空航天领域的恶劣环境和满足这些领域的高可靠性要求。
碳纤维复合材料整体成型这种方法是采用高模量的预浸树脂碳纤维在模具上铺层，将喇叭体、安装法兰、波导段、上脊、下脊一起真空热压成型(参见文献：碳纤维喇叭天线制造工艺研究.桂涛.电子机械工程.2018,34(4)：47～51)。这种结构形式的天线尺寸精度较低，表面粗糙度差，模具成本高，制造周期长，碳纤维价格高昂，适用于内腔简单、对精度要求不高的航天领域喇叭天线。
整体铸造这种结构成型方法是指通过石膏型熔模精密铸造技术或电铸铜技术将喇叭体、安装法兰、波导段、上脊、下脊、后盖板等零件一起铸造成型(参见文献：北京航空航天大学.一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线及加工方法：200910093482.9[P].2010-03-03)。采用铸造技术的模具成本很高，天线尺寸精度不高，内腔的表面粗糙度较差，适用于内腔形状简单、对精度要求不高的大批量生产喇叭天线。此外，采用电铸铜的喇叭天线由于原材料是铜，因此重量很重，生产周期也很长。
散件拼装结构成型方法是将喇叭段、安装法兰、波导段、上脊、下脊、后盖板等各个零件单独加工，再用螺钉紧固装配成型(参见文献：西安电子科技大学.宽带双脊喇叭天线：201610068745.0[P].2016-06-29)。天线各零部件单独通过机械加工成型，尺寸精度较高、表面粗糙度较好、产品电磁性能较好。这种方法分解的零件较多，装配环节多，累积误差较大，影响天线电磁性能的进一步提高。此外，这种方法要求天线中的上脊和下脊需要有较大的尺寸空间来设置螺钉的安装位置，脊与波导腔及喇叭段内壁的安装贴合达不到严丝合缝，有缝隙，这些缝隙会降低天线的增益(参见文献：西安电子科技大学.宽带双脊喇叭天线：201610068745.0[P].2016-06-29)。
综上所述，现有的结构成型方法中，分块焊接变形大、精度差、强度低；碳纤维复合材料整体成型和整体铸造喇叭内表面粗糙度差、尺寸精度也较低、成本高昂；散件拼装这种方法要求上脊和下脊需要有较大的尺寸空间来设置螺钉安装位置，这些结构成型方法都不能满足某些小尺寸、高精度双脊矩形喇叭天线的要求
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种剖分式双脊矩形喇叭天线结构及制备方法，完全消除脊与波导腔和喇叭段内壁之间的缝隙，通过减少拼装零件的个数来减少累积误差，从而获得低成本、高精度、高电磁性能的双脊矩形喇叭天线。
本发明采用的技术方案如下：一种剖分式双脊矩形喇叭天线结构，包括脊盖、脊盒以及馈电座，所述脊盖包括上脊、直波导段腔盖、喇叭段的上半部分，所述脊盒包括下脊、直波导段腔体、喇叭段的下半部分、后盖板，所述脊盖与脊盒连接接触面分别开设有安装孔与自定位结构，所述定位结构用于脊盖与脊盒精准装配，所述馈电座通过第一连接螺钉与安装法兰固定在后盖板上；第二连接螺钉通过安装孔固定脊盖与脊盒形成双脊矩形喇叭天线的主体结构。
进一步的，所述自定位结构为包括脊盒上的定位销柱以及脊盖上的对应定位销孔，定位销孔和定位销柱之间为小间隙配合。
进一步的，所述安装孔包括开设在脊盖上开设的安装通孔和脊盒上对应开设的安装盲孔，所述安装盲孔为螺纹孔；第二连接螺钉穿过安装通孔与安装盲孔螺纹连接。
进一步的，所述定位销柱顶部与定位小孔的孔口处均设有倒角。
进一步的，所述安装孔为6组
进一步的，所述自定位结构数量为2组。
进一步的，所述天线外形尺寸为71mm×52mm×20mm。
本发明还提供了一种上述的剖分式双脊矩形喇叭天线结构制备方法，包括以下过程：
步骤1、分别设计脊盖、脊盒结构模型，上脊、直波导段腔盖、喇叭段的上半部分集成在一起形成脊盖，下脊、直波导段腔体、喇叭段的下半部分、后盖板集成在一起形成脊盒；
步骤2、通过数控铣削完成脊盖与脊盒的制造；
步骤3、在脊盖上开设定位销孔与安装通孔，在脊盒上开设定位销柱与安装盲孔；
步骤4、将脊盒上的定位销柱对准脊盖上的定位销孔进行装配；
步骤5、采用第二连接螺钉通过安装通孔、安装盲孔固定脊盖与脊盒；
步骤6、通过第一连接螺钉与安装法兰将馈电座固定在后盖板上完成双脊矩形喇叭天线的主体结构的制备。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)天线精度高、电磁性能好。一方面天线主体结构由脊盖和脊盒两个零件构成，完全消除了脊与波导腔和喇叭段内壁之间的缝隙，减少了天线的零件个数进而减少了多个零件装配连接的累积误差；另一方面，脊盖和脊盒上设计的自定位结构既是脊盖与脊盒的加工基准，也是两者的装配基准，加工与装配基准的统一也减少了累积误差；
(2)天线结构简单，各个零件的工艺性好，从而缩短了天线的制造周期，降低了天线的制造成本；
(3)不受产品批量大小的影响，既适用于单件小批试制，也适用于大批量生产；
(4)脊盖和脊盒可以选用高强度铝合金材料，天线的刚强度好；
(5)这种结构形式尤其适用于高频段、高精度、小尺寸的双脊矩形喇叭天线。
附图说明
图1是本发明提出的剖分式双脊矩形喇叭天线轴侧图。
图2是本发明的剖分式双脊矩形喇叭天线分解图。
图3是本发明的剖分式双脊矩形喇叭天线剖分位置示意图。
图4是本发明的剖分式双脊矩形喇叭天线的脊盖结构示意图。
图5是本发明的剖分式双脊矩形喇叭天线的脊盒结构示意图。
图6是本发明的一实施例中剖分式双脊矩形喇叭天线的驻波系数仿真与测试结果对比图。
图7是本发明的一实施例中剖分式双脊矩形喇叭天线的方向图仿真与测试结果对比图。
附图标记：1-脊盒，2-脊盖，3-馈电座，4-第一连接螺钉，5-上脊，6-喇叭段上半部分，7-直波导段腔盖，8-定位销孔，9-安装通孔，10-下脊，11-喇叭段下半部分，12-定位销柱，13-后盖板和安装法兰，14-直波导段腔体，15安装盲孔，16-第二连接螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1、图2所示，一种剖分式双脊矩形喇叭天线结构，包括脊盖2、脊盒1以及馈电座3，所述脊盖包括上脊5、直波导段腔盖7、喇叭段上半部分6，所述脊盒包括下脊10、直波导段腔体14、喇叭段下半部分11、后盖板和安装法兰13，所述脊盖与脊盒连接接触面分别开设有安装孔与自定位结构，所述定位结构用于脊盖与脊盒精准装配，所述馈电座通过第一连接螺钉4与安装法兰固定在后盖板上；第二连接螺钉16通过安装孔固定脊盖与脊盒形成双脊矩形喇叭天线的主体结构。
具体的，所述自定位结构为包括脊盒上的定位销柱12以及脊盖上的对应定位销孔8，该自定位结构是脊盖与脊盒加工和装配的基准，从而保证天线的高精度和高电磁性能。在一个优选实施例中，在脊盖上设计两个定位销孔，如图4所示；在脊盒上设计两个定位销柱，如图5所示。在设计自定位结构时应使销孔和销柱之间为小间隙配合，并使两个定位销孔尽量间隔远，注意确保定位销孔和定位销柱的位置一致，在定位销孔的孔口处和定位销柱的顶部设计倒角，利于装配。
所述安装孔，用于固定脊盖和脊盒，包括开设在脊盖上开设的安装通孔9和脊盒上对应开设的安装盲孔15，所述安装盲孔为螺纹孔；第二连接螺钉穿过安装通孔与安装盲孔螺纹连接。
在一个优选实施例中，所述定位销柱顶部与定位小孔的孔口处均设有倒角。
在一个优选实施例中，所述安装孔为6组。
在一个优选实施例中，所述天线外形尺寸为71mm×52mm×20mm。
针对天线的电磁仿真模型，在天线结构设计时首先从物理形态上将天线的喇叭段、矩形直波导段、安装法兰、上脊、下脊、后盖板按安装位置集成在一起，然后沿直波导段宽面和端面将其剖分为脊盖和脊盒两部分，剖分位置如图3所示。剖分完成后的脊盖如图4所示，包括上脊、直波导段腔盖、喇叭段的上半部分；剖分完成后的脊盒如图5所示，包括下脊、直波导段腔体、喇叭段的下半部分、后盖板和安装法兰。按照这种结构成型方法剖分后的脊盖和脊盒都有非常好的机械加工工艺性，直接采用数控铣削就可完成脊盖与脊盒的制造，并能获得较高的尺寸精度和表面粗糙度。
本发明还提供了一种上述的剖分式双脊矩形喇叭天线结构制备方法，包括以下过程：
步骤1、分别设计脊盖、脊盒结构模型，上脊、直波导段腔盖、喇叭段的上半部分集成在一起形成脊盖，下脊、直波导段腔体、喇叭段的下半部分、后盖板集成在一起形成脊盒；
步骤2、通过数控铣削完成脊盖与脊盒的制造；
步骤3、在脊盖上开设定位销孔与安装通孔，在脊盒上开设定位销柱与安装盲孔；
步骤4、将脊盒上的定位销柱对准脊盖上的定位销孔进行装配；
步骤5、采用第二连接螺钉通过安装通孔、安装盲孔固定脊盖与脊盒；
步骤6、通过第一连接螺钉与安装法兰将馈电座固定在后盖板上完成双脊矩形喇叭天线的主体结构的制备。
按照本发明提出的制备方法得到的某双脊矩形喇叭天线，其驻波系数实物测试结果与仿真结果的对比如图6所示，两者高度吻合，最大值均不超过1.7；典型频点的方向图仿真结果与测试结果的对比如图7所示，在±30°空域范围内两者高度吻合，在±30°空域范围外方向图存在约1dB的差异，这主要是测试环境等因素引起的。测试证明，采用本发明的制备方法能够有效减少误差，提高精度。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。