专利名称：八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喇叭天线，尤其涉及八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线。
背景技术：
毫米波成像分为主动成像和被动成像两种。主动成像就是我们常说的毫米波雷达 成像，而被动成像是指依靠毫米波的大气传播窗口，接收(地面或空中)物体及背景的热辐 射能量来探测物体的特性并产生高分辨率图像，这种图像能够产生反映出景物各部分温差 和辐射能力的差异，以用来观察和分析景物的特性。相对于主动成像，被动成像具有三个方面的的优点其一，被动式图像是通过检测 物体辐射的能量得到的，在毫米波段与可见光段的原理是一样的，因而被动毫米波图像与 可见光图像很相近，有利于物体辨认，而主动系统如雷达，其成像要受闪烁效应等影响难以 直接显现物体的自然形状；其二，被动式成像不发射电磁波，因而没有电磁污染，比主动式 更适于隐匿工作。此外，理论分析还表明，各种涂层隐身材料对雷达的隐身性能越好，就越 容易被被动探测系统发现；其三，就探测金属目标而言，金属目标的发射率很低，它仅仅是 反射天空的辐射，而天空温度在一定时空范围内基本不变，因而金属目标的毫米波特征很 稳定，昼夜变化及车辆行止等对被动毫米波系统的成像品质影响都不大。上世纪八十年代以来，随着毫米波集成电路(MMIC)的日趋成熟、高速VISI器件以 及信号处理新方法的不断涌现，被动毫米波成像技术正令人瞩目地由过去的机械扫描成像 朝高性能的多波束成像方向发展。毫米波多波束成像技术目前主要有三种实现途径单孔二维机械扫描成像、合成 孔径成像和焦平面阵列成像。其中，焦平面成像体制已成为被动毫米波成像的主要体制。8mm焦平面成像系统当天线主反射面的口径给定之后，其天线的波束宽度也就确 定了。相邻天线波束中心方向之间的夹角也就是天线的3dB波束宽度。对于大焦径比天 线来说，初级馈源中相邻两个阵列天线对于主反射中心的夹角近似等于天线的3dB波束宽 度。以口径500mm、焦距Im的主反射面天线来说，其天线的3dB波束宽度大约为 1. 2°，对应的初级馈源中相邻两个阵列天线的间距为21mm。根据天线设计原则，初级馈源的IOdB波束宽度应对应主反射面的边缘，为此如果 采用矩圆过度圆锥喇叭天线作为初级馈源，则要求初级馈源天线口径不小于25mm。显然，相邻中心距离21mm内是无法放置口径25mm的两个天线的，所以，常用的矩 圆过度圆锥喇叭天线是不能满足8mm焦平面成像系统的设计要求的，必须设计一种天线， 此天线在较小口径下能够获得高增益(即窄的波束宽度、低副瓣和低输入驻波比)。传统的介质棒加载喇叭天线采用圆波导作为激励，由圆锥喇叭及介质棒两部分组 成，但当接收机是以矩形波导输出到天线时，天线的激励就需要进行矩圆过渡的波形变换。 圆波导激励的介质加载喇叭天线的研究比较成熟，介质加载矩圆过渡喇叭天线的研究在国 内鲜见报道。
这种天线的设计并不是矩圆过渡加介质加载圆锥喇叭天线的简单级联，而是需要 通过分析介质棒参数对驻波比和方向图的影响因素来进行优化，本发明给出了设计方法， 并通过测试结果验证优化方法的正确性。
发明内容
本发明涉及一种八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线，其特征在于该天线由矩形 波导、矩圆过渡喇叭及介质棒三部分组成，所述矩圆过渡喇叭中的矩圆过渡段为平滑过渡， 所述介质棒由渐变圆锥段和均勻圆柱段两部分组成，所述介质棒与所述矩圆过渡喇叭共 轴，所述圆柱段伸入矩圆过渡喇叭口面内部的位置采用数值分析方法确定。本发明中矩形波导的尺寸取为7. 2毫米X3. 4毫米。本发明中采用高频电磁场仿真软件HFSS的有限元法对所述天线的各参数进行优 化设计，其中所述矩圆过渡段总高H为25. 2毫米，所述渐变圆锥段长度Ll为8毫米，所述圆 柱段伸入矩圆过渡喇叭天线口面内部的长度LO为64. 9毫米，所述矩圆过渡喇叭与所述矩 形波导相连的一端为标准波导，矩形波导的另一端变换到圆波导，所述圆波导直径Φ0为 9. 5毫米。本发明中介质棒材料为聚四氟乙烯，且相对介电常数er为2，且介质棒的直径 Φ1为4毫米。本发明中工作频率为33 37GHz，驻波比小于1.25，主瓣宽度压缩比大于等于2。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。图1为介质加载矩圆过渡喇叭天线结构示意图；图2为实施例中天线输入驻波比曲线；图3为实施例中未加载介质前的天线辐射方向图；图4为实施例中介质加载矩圆过渡喇叭天线辐射方向图。
具体实施例方式为了实现矩圆过渡波导中空气填充段到介质填充段的阻抗逐渐变换，介质棒伸入 矩圆过渡喇叭中的部分采用渐变结构。由于矩圆过渡段不同位置对应的波阻抗均在变化， 难用解析方法求解，本专利采用数值分析方法来优化介质棒伸入矩圆过渡喇叭的位置LO 及渐变段的长度Li。依据传输线的基本理论及天线辐射理论，虽然图1中各参数都要影响天线辐射特 性和输入驻波比，但是参数LO和Ll是影响天线输入驻波比的主要因素，介质棒直径Φ 1和 伸出喇叭口面外的介质棒长度L2-L0是影响天线辐射方向图的主要因素。本专利采用HFSS的有限元法(FEM)对图1天线的各参数进行优化设计。得到优 化后天线的设计参数为Φ0 = 9. 5毫米，Φ1 = 4毫米，H = 25. 2毫米，LO = 64. 9毫米， Ll =毫米。图3中示出了按优化设计参数加工出的天线的驻波特性测量结果，该测试在北京 理工大学电波暗室进行。测量结果表明，在33 37吉赫兹频段内，天线的驻波比均小于
41. 25，测量结果表面该天线阻抗匹配特性良好。图4中示出了测试频率为35吉赫兹时，未加载介质棒的矩圆过渡喇叭天线E面和 H面方向图。该测试在北京理工大学电波暗室进行。测试结果表明，天线E面和H面3dB波 束宽度为50. 1度图5中示出了测试频率为35吉赫兹时，加载介质棒的矩圆过渡喇叭天线E面和H 面方向图。该测试在北京理工大学电波暗室进行。测试结果表面，天线E面和H面3dB波 束宽度为19度。图4与图5的测试结果比较说明，该矩圆过渡喇叭内加载介质棒后，天线的波束宽
度明显变窄。8mm介质加载矩圆过渡喇叭天线在较小口径下可以实现窄波束宽度主瓣宽度 压缩比> 2，介质加载后天线方向性增益较未加载提高6dB。且输入驻波比良好在33 37GHz宽频带内天线的驻波比小于1. 25。多波束天线是被动毫米波成像系统的核心部件，8mm介质加载矩圆过渡喇叭天线 的研制成功为大口径主反射面天线的应用提供了技术支撑，从而为高空间分辨率、远距离 探测的被动毫米波成像系统的开发解决了技术瓶颈。应用本专利的8mm介质加载矩圆过渡喇叭天线，可以制成航空航天平台对地侦察 用毫米波辐射像机，用于地球表面遥感、生态环境监测、气象预报和重点军事、经济目标的 探测与定位；可以制成飞机盲降系统、港口监测系统、车船电子眼系统，提高恶劣天气条件 (特别是雾天)的导航能力；可以制成毫米波辐射成像系统，用于对人体内肿瘤或人体衣物 内携带物品的快速无伤害探测，提高公安技侦能力和医疗临床的早期诊断能力。
权利要求
1.一种八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线，其特征在于该天线由矩形波导、矩圆过 渡喇叭及介质棒三部分组成，所述矩圆过渡喇叭中的矩圆过渡段为平滑过渡，所述介质棒 由渐变圆锥段和均勻圆柱段两部分组成，所述介质棒与所述矩圆过渡喇叭共轴，所述圆柱 段伸入矩圆过渡喇叭口面内部的位置采用数值分析方法确定。
2.如权利要求1所述的八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线，其中矩形波导的尺寸取 为7. 2毫米X 3. 4毫米。
3.如权利要求2所述的八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线，其中采用高频电磁场仿 真软件HFSS的有限元法对所述天线的各参数进行优化设计，其中所述矩圆过渡段总高H为 25. 2毫米，所述渐变圆锥段长度Ll为8毫米，所述圆柱段伸入矩圆过渡喇叭天线口面内部 的长度LO为64. 9毫米，所述矩圆过渡喇叭与所述矩形波导相连的一端为标准波导，矩形波 导的另一端变换到圆波导，所述圆波导直径Φ0为9. 5毫米。
4.如权利要求3所述的八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线，其中介质棒材料为聚四 氟乙烯，且相对介电常数ε r为2，且介质棒的直径Φ1为4毫米。
5.如权利要求4所述的八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线，其工作频率为33 37GHz，驻波比小于1. 25，主瓣宽度压缩比大于等于2。
全文摘要
本发明涉及一种八毫米波介质加载矩圆过渡喇叭天线，该天线由矩形波导、矩圆过渡喇叭及介质棒三部分组成，其中矩圆过渡喇叭中的矩圆过渡段为平滑过渡，介质棒由渐变圆锥段和均匀圆柱段两部分组成，且其与矩圆过渡喇叭共轴，介质棒的圆柱段伸入矩圆过渡喇叭口面内部的位置采用数值分析方法；介质棒材料为聚四氟乙烯，且相对介电常数εr为2；本发明采用高频电磁场仿真软件HFSS的有限元法对所述天线的各参数进行优化设计，使得该天线在较小口径下可以实现窄波束宽度，且输入驻波比良好。
文档编号H01Q13/02GK102110889SQ20091024311
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者房丽丽, 王学田 申请人:北京理工大学