专利名称：一种介质柱挠动作用的双脊喇叭天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种介质柱双脊喇叭天线，尤其涉及一种脊结构镶嵌介质柱且脊曲线形状不同的双脊喇叭天线，属于射频通信技术领域。
背景技术：
天线是超宽带系统中发射和接收信号的关键部件，随着微波技术的发展，对宽带天线的研究变得日益重要，喇叭天线在射频通信领域得到了充分的应用和发展。而天线的大小和形状十分重要，这些特征决定了天线接收和发射电磁波的能力。双脊喇叭天线是一种由波导终端渐变张开的矩形截面的微波天线，为了展宽其工作频段，根据脊波导具有宽频带的特点，在喇叭的波导部分及喇叭张开部分加入脊形状结构。目前，在考虑仿真计算量的同时，为了降低加工精度要求和加工成本，在设计喇叭天线时使脊形状呈多段线性渐变或指数曲线渐变变化，导致喇叭阻抗变化不连续，使得喇口八天线在超宽带内不能达到优异的性能指标要求。传统的双脊喇叭天线在脊形状设计时，由于脊金属材料对于电磁波起到屏蔽的作用，电磁波在金属表面传播时，一部分能量被局域在物体表面，而在垂直于金属表面的方向上，电磁场强度随距离的增加呈指数衰减，最终抑制了天线的传输。传统的双脊喇叭天线为了获得高的远场增益，其有效辐射口面非常大，使得口径面轴线上波的相位超前同平面的其他位置。为了改善天线的增益性能，传统双脊喇叭天线通过延长过渡段获得大的口面，这样使得双脊喇叭天线体积相对较大。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提出一种镶嵌介质柱脊结构 且脊形状曲线不同的双脊喇叭天线，使得喇叭天线在辐射和接收信号具有良好的保真
性的前提下具有较宽的工作带宽、低驻波比、高增益等性能参数。本发明解决其技术问题采用的技术方案是:一种基于脊结构镶嵌介质柱的双脊喇叭天线。其特征在于:在两脊侧面沿着脊曲线弯曲方向等间距均匀开孔，沿开口方向相邻孔槽之间的间距d为4-7mm，孔的半径r为0.8_2mm。在双脊喇叭天线脊侧面沿着脊曲线的方向设置8-13个孔槽，这种被隔开金属之间的场类似于波导，其相速大于空气中的光速，金属折射率η>ι，利用费马原理，同一光源中相邻两波前之间的任一波束的光程必然相等，可以用等光程原理确定开孔圆心满足双曲线00m=0P+nPFm，其中OOm为喇叭段起始的中心位置O到第m个开槽圆心的距离，η为金属脊的折射率,PFm为第m个圆心Om在y方向上的投影Fm到脊宽的中心位置P的距离；0P为中心位置到脊宽中心的距离，以中心位置为坐标原点，以喇叭天线辐射方向为z轴正向建立直角坐标系。
进一步，在孔槽处加入圆柱状介质材料，圆柱半径为0.7-1.9mm,介质材料的相对介电常数为18-35，使用粘结剂，使介质材料能很好的填充并固定在所有孔槽中。
同时改变原有双脊喇叭天线中脊形状的几何曲线，采用指数项和二次曲线叠加的优化设计方法，脊曲线采用指数项和二次曲线叠加的优化设计方法，脊曲线函数满足Y (z) =Aekz+Cz2 ;A由两脊之间的间距Id1决定，即A=IV2 ;系数k和C由脊曲线的中点和口径面处脊终点的坐标确定；喇叭长度L大于最低工作波长的一半，喇叭口径面高度D由设计中喇叭天线的工作频段和喇叭张角确定，脊曲线终点坐标由喇叭口径面高度D及喇叭的长度L确定；另一个点选脊曲线中点，若把喇叭口面的阻抗看作空气波阻抗，并把它作为喇叭的终端负载，喇叭本身作为馈源与负载之间的阻抗变换器，喇叭中的脊起阻抗匹配作用；另外，天线等效为馈电部分50Ω输入阻抗和负载阻抗天线，所以在喇叭中点的阻抗
近似为，其中‘为喇叭中点的阻抗值，代入脊波导理论中阻抗满足公式ζ _ (
士 —⑷:，令公式中Z=Zy2,确定脊波导的截止波长λ。；其中Z 为频率无限大时脊波
导特性阻抗，λ为自由空间波长，λ。为脊波导的截止波长，Z为脊波导的特性阻抗；而这里入。与脊中间处喇叭的截面，即喇叭的中点坐标有关；这里取脊中间处喇叭的截面，建立和脊波导截面相同的双脊波导模型，通过双脊波导奇模截止波长谐振方程，确定单位长度的总电容，运用LC振荡电路理论，求得其截止波长λ。；进而确定喇叭的中点坐标；结合两点坐标确定脊曲线。在接近喇叭口径处通过微调脊曲线曲率半径，使得光滑段和直线段衔接处的斜率相等。
本发明的优点是:当电磁波信号传输至介质圆柱时，圆柱与金属脊之间的缝隙就构成了一个腔，电磁波在腔内表面上发生多次反射。当在腔体内填充介质材料的介电常数为18-35时，透射系数增强。这种透射系数的增强情况可以理解为是由于当小孔中填充了折射率高的介质以后受到的影响范围变大，因而在孔中填充高折射率的介质是可以提高电磁波的透射能力。一般从馈源出射的电磁波认为是球面波，而要求电磁波在双脊喇叭天线的传输并不是喇叭方向。为了对馈源的出射波束进行聚焦，利用介质柱将波束聚焦转换，获得平面波出射场，因而介质柱位置的挠动作用可以起到紧缩电磁场的作用。所述双脊喇叭天线脊曲线变化缓慢，使得喇叭天线口径处的结构缓慢变化，减小了天线口径处的反射。脊形状曲线函数的渐变与将脊口径处的突变改为光滑渐变，光滑段和直线段衔接处的斜率相等，达到和空气的阻抗完美匹配的效果。
图1为本发明的介质柱双脊喇叭天线的波导底部示意图。图2为本发明的双脊喇叭天线的脊曲线示意图。图3为本发明的双脊喇叭天线的喇叭口面视图。图4为本发明的双脊喇叭天线的脊侧视图。图5为传统的双脊喇叭天线和介质柱双脊喇叭天线在2.3-23GHZ的驻波比对比图。图6为传统的双脊喇叭天线和介质柱双脊喇叭天线在2.3—23GHz的增益对比图。
具体实施例方式首先根据喇叭天线的工作频段要求，确定波导段脊波导的尺寸，其截面示意图如图1所示。实际上电磁波的截止状态是一个渐变的过程，脊波导的有用工作带宽一般小于理论工作带宽。因而在设计波导尺寸时尽量考虑实际喇叭天线的工作频段。选取脊波导的长度a，宽度b，双脊宽度ai，双脊间距Iv由传输线特性阻抗可知，极板间距和极板宽度之比决定了平行板的阻抗。根据双脊波导奇模截止波长谐振方程确定波导段的尺寸分别为a=20.4mm，65mm，b=12.9mm，Id1=0.86mm。根据喇叭长度大于最低工作波长的一半(2.3GHz对应的工作波长约为130.4mm)和喇叭中点的阻抗为两端阻抗的平均值要求，选取喇叭长度L=70mm。脊曲线示意图如图2所示，通过确定的双脊间距，可以确定脊形状曲线中的系数A。系数k和C由两个点的坐标来确定。这里，双脊喇叭天线经过上述方法确定脊曲线方程为 y=0.43Xe°-05491z+0.002117z2。喇叭口径截面如图3所示，这里双脊喇叭天线喇叭口径选取角锥喇叭天线，即保持矩形波导窄边和宽边尺寸同时张开，使得窄边和宽边的相位都近似的按照平方规律变化。结合角锥喇叭天线的结构尺寸与增益系数和工作波长的关系得到喇叭口径面的高度D和宽度W分别为60.9mm和86.9mm。如图4所示，根据等光程原理确定开孔圆心满足双曲线2方程OOm = 0P+nPFm,选取金属铝的折射率n=l.48，在两脊侧面沿着脊曲线3弯曲方向等间距均匀开孔1，沿开口方向相邻孔槽之间的间距X = 5mm,孔的半径r为1.2mm。其特征在于:在双脊喇叭天线脊侧面沿着脊曲线的方向设置12个孔槽，确定孔圆心坐标为(4，2.37) ;(9，2.68) ;(14，3.14)；(19,3.78) ； (24,4.63) ； (29,5.69) ； (34,7.03) ； (39 ； ,8.68) ； (44,10.72) ； (49,13.22)；(54，16.31) ；(59,20.15)。在孔槽处加入圆柱状介质材料，圆柱半径为Imm,介质材料的相对介电常数为20,使用粘结剂，让介质材料能很好的填充并固定在所有孔槽中。如图5，图6所示，与传统双脊喇叭天线性能对比，本发明提供的介质柱双脊喇叭天线，其工作频率为2.3-23GHZ。整个频段的驻波比在1.4附近，增益在13dB附近，天线的性能得到了提高。
权利要求
1.一种介质柱挠动作用的双脊喇叭天线，其特征在于:在两脊侧面沿着脊曲线弯曲方向等间距均匀开孔，沿开口方向相邻孔槽之间的间距d为4-7mm，孔的半径r为0.8_2mm ;在双脊喇叭天线脊侧面沿着脊曲线的方向设置8-13个孔槽； 用等光程原理确定开孔圆心满足双曲线OOm = 0P+nPFm，其中OOm为喇叭段起始的中心位置O到第m个开槽圆心的距离,η为金属脊的折射率,PFm为第m个圆心Om在y方向上的投影Fm到脊宽的中心位置P的距离；0P为中心位置到脊宽中心的距离，以中心位置为坐标原点，以喇叭天线辐射方向为z轴正向建立直角坐标系。
2.根据权利要求1所述的介质柱挠动作用的双脊喇叭天线，其特征在于:在孔槽处加入圆柱状介质材料，圆柱半径为0.7-1.9mm,介质材料的相对介电常数为18-35。
3.根据权利要求1所述的介质柱挠动作用的双脊喇叭天线，其特征在于:脊曲线采用指数项和二次曲线叠加的优化设计方法，脊曲线函数满足y(Z)=Aekz+Cz2 ；A由两脊之间的间距匕决定，即A = b,/2 ;系数k和C由脊曲线的中点和口径面处脊终点的坐标确定；喇叭长度L大于最低工作波长的一半，喇叭口径面高度D由设计中喇叭天线的工作频段和喇叭张角确定，脊曲线终点坐标由喇叭口径面高度D及喇叭的长度L确定；另一个点选脊曲线中点，若把喇叭口面的阻抗看作空气波阻抗，并把它作为喇叭的终端负载，喇叭本身作为馈源与负载之间的阻抗变换器，喇叭中的脊起阻抗匹配作用；另外，天线等效为馈电部分50Ω输入阻抗和负载阻抗天线，所以在喇叭中点的阻抗近似为/ =^ψ^Ω，其中Zy2为喇叭中点的阻抗值，代入脊波导理论中阻抗满足公式，令公式中Z=Zy2,确定V`脊波导的截止波长λ。；其中Z00为频率无限大时脊波导特性阻抗，λ为自由空间波长，入。为脊波导的截止波长，Z为脊波导的特性阻抗；而这里λ。与脊中间处喇叭的截面，即喇叭的中点坐标有关；这里取脊中间处喇叭的截面，建立和脊波导截面相同的双脊波导模型，通过双脊波导奇模截止波长谐振方程，确定单位长度的总电容，运用LC振荡电路理论，求得其截止波长λ。；进而确定喇叭的中点坐标；结合两点坐标确定脊曲线。
全文摘要
本发明涉及介质柱挠动作用的双脊喇叭天线。其特征在于在两脊侧面沿着脊曲线弯曲方向等间距均匀开孔，沿开口方向相邻孔槽之间的间距d为4-7mm，孔的半径r为0.8-2mm。在双脊喇叭天线脊侧面沿着脊曲线的方向设置8-13个孔槽。并在孔槽处加入圆柱状介质材料，圆柱半径为0.7-1.9mm，介质材料的相对介电常数为18-35，使用粘结剂将介质材料固定在孔槽内；同时，脊曲线采用指数项和二次曲线叠加的优化设计方法，在喇叭口径处通过微调脊曲线曲率半径，使得光滑段和直线段衔接处的斜率相等。所获得的介质柱双脊喇叭天线，其工作频率为2.3-23GHz。整个频段的驻波比在1.4附近，增益在13dB附近，天线的性能得到了提高。
文档编号H01Q13/02GK103107423SQ201310042779
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月3日 优先权日2013年2月3日
发明者王群, 吴禄军, 刘占杰, 唐章宏 申请人:北京工业大学