宽带毫米波四脊喇叭探头

本发明属于天线，具体涉及一种宽带毫米波四脊喇叭探头，可用于在天线测量、电磁兼容性测试、检测系统和通信系统中。

背景技术：

1、随着无线通信技术的发展，射频器件与天线更加紧密结合，射频组件部分对天线有所干扰，比如大规模mimo有源天线，所以需要一体化测量系统来进行精密测量。近场测量经过数十年地长期发展，其近场扫描理论臻于完善，在实际工程应用中也得到了很好地推广。近场测量要求使用特性已知的探头采集近场数据，通过及近远场变换算法精确地计算待测天线aut的远场方向图。探头天线本身具有一定的尺寸及方向性，设备接收到的是与耦合部分叠加后的信号，耦合信号与待测天线的信号极容易混淆。测试天线和探头之间的耦合极大影响了测试的精度，减小探头和测试天线之间的互耦是最关键的因素。

2、传统近场测量中，主要是采用固定待测天线，测试探头旋转来测量，进而测得天线的平面、柱面和球面方向图。双极化主要通过两种方式实现，一是采用单极化探头的机械转动实现，二是直接采用双极化探头实现。目前可以用作毫米波宽带双极化探头天线的通常有四脊喇叭天线和双极化vivaldi天线，二者在本质上的工作原理基本一致，但vivaldi天线的介质损耗对毫米波器件影响较大。

3、开口波导和小喇叭天线辐射方向图较宽，具有易激励、结构简单、增益高的优点，但此类天线带宽窄且为单极化工作，在测试过程中需要根据被测天线的工作频率频繁地更换探头并进行机械调节等，为测试带来了极大的不便。通过在波导或者喇叭中放置正交的脊结构，可以产生电容电感效应，降低了主传输模的截止频率，扩宽工作带宽，可以实现喇叭天线的双极化特性，常用作近场测量中的双极化探头。

4、公开号为cn 108879110 a的专利文献公开了一种“小型宽带双极化四脊喇叭天线”，如图1所示，两对正交布置的指数调制正弦渐变脊4分别插入反射腔中；sma馈电接头11上下错位正交固定于反射腔1相邻金属侧壁的外侧中部，绝缘介质垂直贯穿反射腔金属侧壁和指数调制正弦渐变脊上的通孔并延伸至另一侧指数渐变脊的定位孔内，该天线虽说可实现0.8-18ghz超宽带的特性，但其阻抗匹配较差，驻波系数较大。

5、公开号为cn 111610378 a的专利文献公开了一种“毫米波双极化近场测量探头”，如图2所示，其包括一个沿开口方向口径逐渐变大的渐变圆波导1、位于渐变圆波导起始端向开口方向反向延伸的一段直圆波导2、一个位于直圆波导端部的短路板3以及设置在两段圆波导内呈十字分布的四个脊片4。该天线采用去除部分喇叭壁的形式，减少了开口处的衍射效应，但天线的辐射方向图在高频段产生了裂瓣，增益降低，天线的指向性变差。

6、上述宽带双极化探头虽说缩短了测试时间，使得天线测量系统复杂度和成本大大降低，但不能兼顾宽频带特性及良好的天线方向图，不能精密测量毫米波天线的各项指标。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种宽带毫米波四脊喇叭探头，以避免天线方向图产生裂瓣，改善天线的阻抗匹配，展宽工作频带，进而提高毫米波天线测量的精度，节省测试时间。

2、为实现上述目的，本发明的宽带毫米波四脊喇叭探头，包括：喇叭外壳、四个脊片、波导背腔、两个同轴探针、短路板，脊片通过一段直波导与短路板相接固定在波导背腔中，两个同轴探针分别穿过第一脊片和第二脊片的空气腔，伸入相对位置的第三脊片和第四脊片，形成两个同轴探针的正交错位放置，每个脊的脊曲线均由一段指数曲线和圆弧曲线组成，其特征在于：

3、所述喇叭外壳，其开口面断路处采用方形结构，喇叭壁开有多个相邻间距不等的缝隙，使其呈线性阶梯式变化；

4、所述四个脊片，在其靠近圆弧部分的脊上均开有指数调制的槽，每个脊的末端延伸至馈电口处与直波导相接，且采用棱锥式结构切角，避免脊之间的相互接触。

5、进一步，所述喇叭外壳为采用两对开缝且厚度相同的金属壁相互拼接构成的正方形角锥喇叭结构，每个缝隙的宽度相同，缝隙之间的距离按照线性增大，形成阶梯式变化结构。

6、进一步，所述四个脊片，其底部、中部、顶部采用不同的结构，即底部采用三棱锥结构，并按照指数曲线延伸到馈电处，与一段直波导相接为一体，固定在方形波导内；中部为指数型曲线轮廓；顶部为圆弧状轮廓，且靠近圆弧部分的脊顶端开有指数槽，形成带有凹形缝隙的四脊，以降低低频截止频率，实现天线的小型化。

7、进一步，所述两个同轴探针与k型毫米波接头连接进行馈电，k型毫米波接头固定在第一脊片和第二脊片一侧的波导壁，构成带有正负极的电路结构，以实现探头的水平/垂直极化激励。

8、进一步，所述波导背腔为正方形波导结构，并与喇叭段的末端连接为一体。

9、进一步，所述短路板与两个同轴探针之间设有高度为h的补偿结构，即对第二脊片和第四脊片分别与高度为h的长方体求差，以实现两个同轴探针到短路板距离相同的效果。

10、进一步,喇叭的方形口面边长为50mm-55mm，其口径的大小与方向图的波束宽度有关，一般较小的口径对应更大的波束宽度。

11、进一步,喇叭壁上每个缝隙的宽度相等，取值范围为4mm-5mm,第一个缝隙和第二个缝隙的距离为5mm，每个缝隙之间的间距按1mm—1.5mm线性增大。

12、进一步,指数槽采用与脊片相同的指数曲线，其长度为16mm-20mm,宽度为0.4mm-0.8mm。

13、进一步，脊片的高度z的取值范围均为-l1-l,l的取值范围为59mm-69mm,脊末端距原点的纵向距离l1为6mm-6.5mm，脊间间距d为0.5mm-0.7mm，圆弧曲线在y方向距原点的横向距离y的取值范围为喇叭方形口面的边长w为50mm-56mm，指数曲线末端与喇叭内壁的横向距离w1为8mm-12mm，调制常数c1为0.001-0.02，圆心的横向坐标y0为21mm-24mm，圆心的纵向坐标z0为58mm-62mm。

14、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

15、1.本发明由于在喇叭壁开有多个相邻间距不等的缝隙，使其呈线性阶梯式变化,可在增益达到要求的前提下，更好地减弱高次模，从而改善天线的辐射性能，减轻天线重量。

16、2.本发明由于在每个脊末端采用棱锥结构倒角并指数延伸至馈电口处，与传统的台阶结构相比，在激励端部分更加平滑，减少了高次模的产生，可改善高频处的阻抗匹配，提高天线方向图的稳定性。

17、3.本发明由于在四个脊上开槽形成对称的凹形缝隙且脊片采用指数曲线与圆弧曲线拼接的结构，增大了电流路径，保证了馈电处低阻抗到喇叭口面高阻抗的平滑过渡，减小了喇叭开口壁处的衍射效应，进而扩宽带宽，实现探头的小型化，具有较强的实用性。

18、仿真实验表明，本发明在与现有技术相比，在具有宽带和双极化特性的同时具有较好的匹配特性和稳定的方向图，能提高毫米波天线测量的准确性及测试效率。

技术特征：

1.一种宽带毫米波四脊喇叭探头，包括：喇叭外壳(1)、四个脊片(2)、波导背腔(4)、两个同轴探针(5)、短路板(8)，脊片通过一段直波导与短路板相接固定在波导背腔中，两个同轴探针分别穿过第一脊片(21)和第二脊片(22)的空气腔，伸入相对位置的第三脊片(23)和第四脊片(24)，形成两个同轴探针的正交错位放置，每个脊的脊曲线均由一段指数曲线和圆弧曲线组成，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：喇叭外壳为采用两对开缝且厚度相同的金属壁相互拼接构成的正方形角锥喇叭结构，每个缝隙的宽度相同，缝隙之间的距离按照线性增大，形成阶梯式变化结构。

3.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：所述四个脊片(2)，其底部、中部、顶部采用不同的结构，即底部采用三棱锥结构，并按照指数曲线延伸到馈电处，与一段直波导相接为一体，固定在方形波导内；中部为指数型曲线轮廓；顶部为圆弧状轮廓，且靠近圆弧部分的脊顶端开有指数槽(3)，形成带有凹形缝隙的四脊，以降低低频截止频率，实现天线的小型化。

4.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：两个同轴探针与k型毫米波接头连接进行馈电，k型毫米波接头固定在第一脊片(21)和第二脊片(22)一侧的波导壁，构成带有正负极的电路结构，以实现探头的水平/垂直极化激励。

5.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：波导背腔(4)为正方形波导结构，并与喇叭段的始端连接为一体。

6.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：短路板(8)与两个同轴探针之间设有高度为h的补偿结构(9)，即对第二脊片(22)和第四脊片(24)分别与高度为h的长方体求差，以实现两个同轴探针到短路板距离相同的效果。

7.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：喇叭的方形口面边长与波束宽度成反比关系。

8.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：喇叭壁上每个缝隙的宽度相等，取值范围为4mm-6mm，且第一个缝隙与第二个缝隙之间的距离为4mm-5mm，每个缝隙与在其后缝隙之间的间距按1mm—1.5mm线性增大。

9.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：指数槽(3)采用与脊片相同的指数曲线，其长度为16mm-20mm，宽度为0.4mm-0.8mm。

10.根据权利要求1所述的宽带毫米波四脊喇叭探头，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种宽带毫米波四脊喇叭探头，主要解决现有高频探头带宽窄、方向图对称性差的问题。其包括喇叭外壳(1)、四个脊片(2)、波导背腔(4)、两个同轴探针(5)和短路板(8)，脊片固定在波导背腔中，两个同轴探针分别穿过第一脊片和第二脊片的空气腔，伸入相对应的第三脊片和第四脊片，形成两个同轴探针的正交错位放置，该喇叭外壳的开口面断路处采用方形结构，喇叭壁开有多个相邻间距不等的缝隙(6)；四个脊片在其靠近圆弧部分的脊上均开有指数调制的槽(3)，每个脊的末端延伸至馈电口处与直波导相接，且采用棱锥式结构(7)切角。本发明频带宽、双极化性能良好、交叉极化低、方向图稳定，可用于天线测量、电磁兼容性测试。

技术研发人员：徐影帝,李勇,王卓,田三俊
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13