基于阶梯式四脊的宽带喇叭天线的制作方法

本申请涉及一种宽带喇叭天线，可作为探头天线用于近场天线测量。

背景技术：

天线测量技术分为远场（farfield）测量、近场（nearfield）测量和紧缩场（compactantennatestrange）测量。其中，近场测量是用一个特性已知的探头（probe，也称探头天线，probeantenna）测量出被测天线在近场辐射的幅度与相位，再通过近远场变换得到被测天线的远场辐射特性。这种方法克服了场地大小的限制，同时提高了测量的精度，因而受到了广泛的关注。

喇叭天线（hornantenna）因其结构简单、易于加工且增益高、辐射方向图对称性好，常用作探头天线。近场天线测量中常用的角锥喇叭天线，其具有结构简单、增益较高、辐射方向图对称的优点；不足之处则是带宽不够宽导致测量宽带天线时需要频繁地更换探头，且单一极化特性不利于双极化天线的测量。

探头相对方向图、探头极化比率、探头与被测天线间的耦合、探头位置误差等因素与最终天线的测量质量密切相关。测量双极化天线时，相比单极化探头，双极化的探头可以避免旋转操作，消除了为满足不同极化要求移动或改变位置所带来的误差，可以极大地提高测量效率。影响双极化探头的主要因素包括工作带宽、交叉极化隔离度、端口隔离度等。

2018年5月6日在2018年全国微波毫米波会议上由瑜明和周永刚发表的《8mm双线极化四脊棱锥喇叭天线设计》会议论文中，公开一种双线极化的喇叭天线，喇叭采用指数形式脊曲线的四脊结构，通过两根同轴线分别馈电实现双极化输出，可以工作于34ghz至36ghz，带宽与普通圆锥喇叭相近，双端口带内驻波比小于1.5，端口隔离度大于20db。作为双极化喇叭天线，其带内驻波比较小，但是带宽较窄，端口隔离度较差，容易在测量中引入更多误差。因此在工作带宽和端口隔离度等方面还存在提高空间。

技术实现要素：

本申请所要解决的技术问题是克服上述现有技术中的不足，提出一种基于阶梯式四脊的超宽带双极化喇叭天线，使用阶梯式过渡的四脊结构实现更好的阻抗匹配效果，极大地增大了喇叭天线的带宽，并在此基础上使用差分馈电实现双极化特性且具有较高的端口隔离度和较高的交叉极化隔离度，在近场测量中作为双极化探头天线使用能够提高天线的近场测量效率。其中，圆锥喇叭天线的横截面为圆形，支持双极化输出。

为解决上述技术问题，本申请提出的基于阶梯式四脊的宽带喇叭天线包括圆锥喇叭、阶梯式四脊、底部支撑块和馈电同轴线。所述圆锥喇叭包括直波导段和喇叭段，直波导段呈圆柱状，一端封闭，另一端开口；喇叭段大致呈圆台状，两端均开口，截面积较小的一端的口面形状为圆形与直波导段的开口端连接，截面积较大的一端的口面形状为圆形与两个相互正交的圆柱体相交所得的四段椭圆弧段相连；喇叭段靠近截面积较大的一端的侧壁上开有四个依次间隔90°的通孔一。所述阶梯式四脊结构包括四个脊板，相对的两个脊板在同一个平面上，相邻的脊板之间为垂直关系，整个阶梯式四脊呈十字结构；每个脊板包括多段高度相同、宽度依次递减的金属板依次相连呈阶梯状，还包括一段外脊线呈曲线的金属板与所述阶梯状的多段金属板中宽度最小的金属板相连。所述每个脊板的阶梯状的多段金属板中宽度最小的金属板上开有通孔二。所述底部支撑块为四个相同的矩形块，相互正交组成十字结构，阶梯式四脊通过底部支撑块与所述圆锥喇叭直波导段的封闭端连接。所述馈电同轴线有四根，穿过圆锥喇叭上的四个依次间隔90°的通孔三，用于电性连接阶梯式四脊的四个脊板；相对的两根馈电同轴线为一组，同组馈电同轴线的输入幅度相等、相位相差180°。上述宽带喇叭天线在圆锥喇叭天线的基础上集成了阶梯式四脊和差分馈电结构，增大了圆锥喇叭天线的带宽，同时具有双极化特性、高交叉极化隔离度和高端口隔离度。其中，对喇叭段截面积较大的一端的口面形状进行改变并在侧壁上开有通孔一可以改变喇叭天线口面附近的场分布，减小口面边缘绕射对辐射特性的影响，以实现主要辐射方向增益的增大和天线定向性的提高。阶梯式四脊可以降低喇叭的主模截止频率，因此相同尺寸下加脊喇叭的工作带宽更宽。阶梯式四脊的阶梯变化段与曲线变化段的组合可以更好地实现阻抗匹配效果，使加脊喇叭天线更容易与阻抗较低的同轴线匹配连接。阶梯变化段包括多段金属板形成的阶梯结构，是为更好地实现由同轴线的特性阻抗到自由空间波阻抗的匹配。曲线变化段的外脊线采用光滑曲线，能够减少口径面对入射波的反射，实现好的阻抗匹配效果。在每个脊板阶梯状的金属板上开设通孔二，通过调节脊板上的电流分布，可以减小反射以改善天线的驻波比。应用差分馈电，四个脊板对应四个馈电点，相对的一组馈电同轴线上的电流等幅反相，其辐射泄露和耦合相互抵消，抑制了高次模的产生，从而提高了交叉极化隔离度和端口隔离度。

进一步地，所述直波导段的侧壁靠近开口端的位置呈中心对称地开设有四个通孔三，或者所述直波导段的封闭端底面上呈中心对称地开设有四个通孔三，用于四根馈电同轴线穿过。这是通孔位置的示例性说明。

进一步地，所述外脊线呈曲线的金属板的外脊线为三次贝塞尔曲线形状。这使得脊板的曲线变化段与阶梯变化段中宽度最小的一段的外侧脊线相切并连接，能减小传输电磁波的反射，实现较好的阻抗匹配效果。

进一步地，所述阶梯状的多段金属板中宽度最大的金属板在喇叭段的截面积较小的一端，所述阶梯状的多段金属板中宽度最小的金属板和外脊线呈曲线的金属板突出在喇叭段的截面积较大的一端之外。因此能够通过调节阶梯变化段各部分的宽度来调节改善阻抗的过渡效果。

进一步地，所述阶梯式四脊的各部分与圆锥喇叭的侧壁均不接触。本申请是反向固定四脊结构，从喇叭中加载脊结构的形式以及传输电磁波模式的不同，与传统的从喇叭的内壁向内突出四脊结构的四脊天线具有明显的区别。

进一步地，每个脊板的厚度由外到内呈三次贝塞尔曲线形式减小。这表明每个脊板的最外侧厚度最大，最内侧厚度最小，能够提高加脊喇叭天线的带内匹配效果。

进一步地，所述底部支撑块的宽度小于所述阶梯状的多段金属板中宽度最大的金属板的宽度，四个底部支撑块构成的十字结构中心与阶梯型四脊的十字结构中心对齐。这是为保证结构对称，避免因不规则的结构产生不良影响。

进一步地，所述底部支撑块与圆锥喇叭直波导段的侧壁和封闭端的底板形成背腔。背腔结构可以有效减少后向辐射对前向辐射的干扰，有利于改善高频的驻波比。

进一步地，所述馈电同轴线为四根特性阻抗为50ω的同轴线，分别电性连接四个脊板的所述阶梯状的多段金属板中宽度最大的金属板的下部侧面。这是馈电连接方式的一种示例。

进一步地，所述馈电同轴线的外部屏蔽层与圆锥喇叭的侧壁或底面相接，内芯穿过圆锥喇叭上的通孔三。馈电同轴线的外部屏蔽层用于接地，内芯接每个脊板阶梯状的多段金属板中宽度最大的金属板进行馈电。

本申请取得的技术效果体现在如下几个方面。

第一，在圆锥喇叭天线内反向固定四脊结构，四脊结构的外脊线采用阶梯形式从输入端到输出端过渡，通过调整阶梯变化段的阶梯尺寸和曲线变化段的外脊线参数以改变四脊喇叭天线的特性阻抗，实现喇叭天线与馈电同轴线输入端口的阻抗匹配。同时，通过在每个脊板的阶梯状的金属板上开设通孔二，调节脊板上的电流分布，可以减小反射以改善天线的驻波比。

第二，阶梯式四脊结构的每个脊板厚度也采取由外向内呈三次贝塞尔曲线形式的渐变处理，可以改变加脊喇叭的特性阻抗，用于提升带内的匹配特性。

第三，改变圆锥喇叭的喇叭段截面积较大的一端的口面形状为四段椭圆弧段相连，并在靠近喇叭段截面积较大的一端的侧壁上开有四个通孔一，通过调整口面的形状和通孔一的尺寸可以改变喇叭口面附近的场分布，减小口面边缘绕射对辐射特性的影响，实现喇叭天线辐射方向图定向性的提高。

第四，阶梯式四脊结构的馈电端采用差分馈电，四个馈电点分别分布在四个脊板的侧面的末端，相对的一组同轴线的电流等幅反相，其辐射泄露和耦合相互抵消，从而抑制高次模的产生；在一组馈电点工作时，与其方向正交的那对脊未被激励，因此对天线性能的影响很小，所以天线同时具有双极化特性、高交叉极化隔离度和高端口隔离度。

附图说明

图1是本申请提供的基于阶梯式四脊的宽带喇叭天线的整体结构示意图。

图2是图1中的阶梯式四脊从上向下观察的结构示意图。

图3是图1中的阶梯式四脊的单独一个脊板的结构示意图。

图4是图1所示喇叭天线的双极化激励时电压驻波比随频率变化的曲线仿真结果示意图。

图5是图1所示喇叭天线的x极化激励时交叉极化隔离度随频率变化的曲线仿真结果示意图。

图6是图1所示喇叭天线的输入端口隔离度随频率变化曲线的仿真结果示意图。

图中附图标记说明：1为圆锥喇叭、11为直波导段、12为喇叭段、120为通孔一、2为阶梯式四脊、21为脊板、21a为脊板第一部分、21b为脊板第二部分、21c为脊板第三部分、21d为脊板第四部分、21e为脊板第五部分、21f为脊板第六部分、210为通孔二、3为底部支撑块、4为馈电同轴线。

具体实施方式

请参阅图1至图3，本申请提供的基于阶梯式四脊的宽带喇叭天线包括圆锥喇叭1、阶梯式四脊2、底部支撑块3和馈电同轴线4。为了更好地展示本申请的喇叭天线的内部结构，图1采用了透视画法。

所述圆锥喇叭1包括直波导段11和喇叭段12。直波导段11呈圆柱形状，一端封闭，另一端开口。直波导段11的口面半径为r1。喇叭段12初始呈圆台形状，高为h3，两端均开口，横截面为半径线性增加的圆形。喇叭段12的截面积较小的一端的口面形状是半径为r1的圆形，连接直波导段11的开口端。将喇叭段12的截面积较大的一端的口面形状由半径为r3的圆形改为半径为r3的圆形与两个中心轴线相互正交的半径均为r2的圆柱体相交所得的四段椭圆弧段相连。其中一个圆柱体的中心轴线与一对脊板21在一个平面上，另一个圆柱体的中心轴线与另一对脊板21在一个平面上。r2与r3相同或相近，两个圆柱体中心轴线的高度与初始圆台截面积较大的一端基本平齐。喇叭段12靠近截面积较大的一端的侧壁上呈中心对称的开有四个依次间隔90°、高度为h1、宽度为w0的矩形通孔一120。四个矩形通孔一120的上下边的中点分别对准四个脊板21。矩形通孔一120的形状也可改为梯形、椭圆形等，此时每个通孔一的中轴线均对准一个脊板21。通过改变喇叭段12的口面半径较大的一端的口面形状并在喇叭段12靠近截面积较大的一端的侧壁上开通孔一120，改变了喇叭口面附近的场分布，减小了喇叭口面边缘绕射对天线辐射特性的影响，使能量更集中，从而增大了主要辐射方向的增益，提高了天线的定向性。优选地，r1=11.5mm，r2=25.5mm，r3=25.5mm，h1=10.8mm，h3=108mm，w0=7mm。

所述阶梯式四脊2为四个相同的脊板（也称脊片）21，相对的两个脊板21在同一个平面上，相邻的脊板21之间为垂直关系，整个阶梯式四脊2构成一个十字结构。请同时参阅图2，每个脊板21的厚度由外到内逐渐减小。脊板21在最远离十字结构中心的最外侧的厚度为w1，脊板21在最接近十字结构中心的最内侧的厚度为w2，脊板21的整体厚度从最外侧到最内侧呈三次贝塞尔曲线（béziercurve，也称贝济埃曲线）形式变化。请同时参阅图3，每个脊板21包括六个部分，其中脊板第一部分21a至脊板第五部分21e是五段高度相同为h、宽度（外边缘至十字结构中心的距离）依次递减的金属板依次相连呈阶梯形式，脊板第六部分21f是一段呈三次贝塞尔曲线形状脊线、高度为h4的金属板与脊板第五部分21e相连。在脊板第五部分21e上开有高度为h2、宽度为w4的矩形通孔二210。矩形通孔二210的上边与脊板第五部分21e的上边对齐，高度h2不应大于脊板第五部分21e的高度h。矩形通孔二210的形状也可改为较细长的梯形、椭圆形等，此时每个通孔二的上边沿都与脊板第五部分21e的上边对齐，且高度不大于脊板第五部分21e的高度h。通过改变矩形通孔二210的高度h2和宽度w4可以调整脊板21上的电流分布以减小反射，从而改善天线低频的阻抗匹配效果。脊板第一部分21a位于圆锥喇叭1内部，并且在喇叭段12的截面积较小的一端。脊板第五部分21e和第六部分21f位于圆锥喇叭1内部，并且突出在喇叭段12的截面积较大的一端之外。整个阶梯式四脊2均与圆锥喇叭1的侧壁不接触。例如，脊板第一部分21a至脊板第五部分21e的宽度分别为l1至l5，l1＞l2＞l3＞l4＞l5，高度均为h。每个脊板21的厚度呈三次贝塞尔曲线形式渐变、宽度呈阶梯形式渐变且仅顶端呈三次贝塞尔曲线渐变，这种特殊的形状设计可以改变脊板21的特性阻抗；通过多个宽度呈阶梯式渐变的金属板21a至21e的特性阻抗的过渡来实现由同轴线的阻抗向自由空间波阻抗的匹配；通过顶部金属板21f的三次贝塞尔曲线形状脊线能减小传输电磁波的反射，实现较好的阻抗匹配效果。优选地，w1=1.3mm，w2=1mm，l1=10mm，l2=9.81mm，l3=9.21mm，l4=8.62mm，l5=8mm，h=20mm，h2=9mm，h4=8mm，w4=0.9mm。

优选地，脊板第六部分21f的金属板的三次贝塞尔曲线形状脊线的坐标参数方程如下所示。x＝(1－t)³×x5＋3×t×(1－t)²×x6＋3×t²×(1－t)×x7＋t³×x8。z＝(1－t)³×z5＋3×t×(1－t)²×z6＋3×t²×(1－t)×z7＋t³×z8。其中，t为参数，0≤t≤1；（x5,z5）、（x6,z6）、（x7,z7）、（x8,z8）分别为起始端点坐标、起始端控制点坐标、终止端控制点坐标、终止端点坐标。x表示曲线上的点到z轴的距离，z表示曲线上的点到x轴的距离。优选地，以底部支撑块3的十字结构底面中心为坐标原点，xoz平面上的（x5,z5）、（x6,z6）、（x7,z7）、（x8,z8）分别为（-8mm，108mm），（-7mm，116mm），（-0.11mm，116mm），（0mm，116mm）。

脊板的厚度呈三次贝塞尔曲线关系过渡，表达式如下所示。x＝(1－t)³×x1＋3×t×(1－t)²×x2＋3×t²×(1－t)×x3＋t³×x4。y＝(1－t)³×y1＋3×t×(1－t)²×y2＋3×t²×(1－t)×y3＋t³×y4。其中，t为参数，0≤t≤1；（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3）、（x4,y4）分别为起始端点坐标、起始端控制点坐标、终止端控制点坐标、终止端点坐标。x表示曲线上的点到y轴的距离，y表示曲线上的点到x轴的距离。优选地，以底部支撑块3的十字结构底面中心为坐标原点，xoy平面上的（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3）、（x4,y4）分别为（0.5mm，0.5mm）、（29mm，0.4mm）、（29.5mm，4.38mm）、（30mm，4.5mm）。

所述底部支撑块3为四个相同的矩形块，相互正交固定构成一个十字结构，与阶梯型四脊2的底部相连接。每个矩形块的整体宽度（外边缘至十字结构中心的距离）为l0，高度为h0，厚度为w3。底部支撑块3的宽度小于脊板第一部分21a的宽度，四个底部支撑块3构成的十字结构中心与阶梯型四脊2的十字结构中心对齐。底部支撑块3作为支撑体将阶梯型四脊2与圆锥喇叭1连接成一个整体，结构简单且易于加工。具体来说，阶梯型四脊2通过底部支撑块3与直波导段11的封闭端相连接。优选地，l0=4mm,h0=7mm,w3=1mm。

所述馈电同轴线4为四根特性阻抗为50ω的同轴线，馈电同轴线4的外导体（外部屏蔽层）与圆锥喇叭1的直波导段11的侧壁相连。馈电同轴线4的内芯作为探针穿过圆锥喇叭1的直波导段11靠近开口端侧壁上的四个依次间隔90°的通孔三，用于电性连接阶梯式四脊2的四个脊板21的下部侧面。例如，四根馈电同轴线4的内芯分别电性连接四个脊板第一部分21a的侧面。相对方向的两根馈电同轴线为一组，同组馈电同轴线的输出幅度相等、相位相差180°，每组馈电线控制喇叭天线的一种极化。或者，所述直波导段11的封闭端底面上呈中心对称地开设有四个通孔三，馈电同轴线4的外导体与直波导段11的封闭端底面相连，馈电同轴线4的内芯作为探针穿过直波导段11的封闭端底面的四个依次间隔90°的通孔三分别电性连接四个脊板的底面。

需要特别说明，图1所示的基于阶梯式四脊的宽带喇叭天线中，每个脊板21包括五段高度相同、宽度依次递减的金属板以及第六部分呈三次贝塞尔曲线形状外脊线的金属板，这是一种实施示例。在其他的实施例中，每个脊板21可以包括多段宽度依次递减、高度相同的金属板以及另一段呈三次贝塞尔曲线形状脊线的金属板。

通过仿真软件对本申请提供的基于阶梯式四脊的宽带喇叭天线进行仿真实验，得到的仿真结果如图4至图6所示。

请参阅图4，这是双极化的电压驻波比（vswr，voltagestandingwaveration）随频率变化的曲线。本申请的宽带喇叭天线的工作频段为5ghz至22ghz，带内驻波比小于2.3，除个别频段外大部分带内驻波比小于2，与现有的四脊喇叭天线相比具有更宽的频带宽度。

请参阅图5，这是x极化的交叉极化隔离度随频率变化的曲线。本申请在5ghz至22ghz频段内的交叉极化隔离度大于25db，除22ghz附近大部分带内的交叉极化隔离度大于30db。与现有的四脊喇叭天线20db最小交叉极化隔离度相比具有更高的交叉极化隔离度。

请参阅图6，这是输入端口隔离度随频率变化的曲线。本申请在5ghz至22ghz频段内的输入端口隔离度大于45db，优于现有的四脊喇叭天线20db最小端口隔离度指标。

以上仿真结果说明，本申请提供的基于阶梯式四脊的宽带喇叭天线实现了5ghz至22ghz频段的超宽带、高交叉极化隔离度以及高端口隔离度特性，工作带宽达到了4.4倍频程，带内驻波比基本小于2，同时交叉极化隔离度基本大于30db，端口隔离度大于45db，满足近场测量的要求。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。