一种超宽带多模喇叭及设计方法与流程

本发明涉及电磁场与微波技术领域，特别是涉及一种超宽带多模喇叭及设计方法。

背景技术：

现代测控通信、天文观测以及遥感等行业对微波天线提出了越来越宽的工作频带要求，尤其射电天文观测天线，采用宽频带馈源设计可以使系统设计更加紧凑，馈源数量和后端的设备大为减少。现有的常规多模喇叭以及波纹喇叭，在宽频带内方向图等化性能及交叉极化性能并不理想。

技术实现要素：

为了解决现有喇叭在宽频带内方向图不等化及交叉极化性能不理想的问题，本发明提出一种超宽带多模喇叭及设计方法，从圆波导阶梯不连续入手，应用模式匹配法结合优化算法及仿真过程，利用不连续产生的高次模，使喇叭口在超宽频带内产生合适的模比，从而使方向图在超宽频带内实现良好等化，同时喇叭输入口有较小的反射系数。

本发明的技术方案为：

所述一种超宽带多模喇叭，其特征在于，包括输入圆波导，喇叭输入波导口径与喇叭输出口径间的不连续结构，以及向空间辐射的直波导部分；

所述输入圆波导是一段自由长度的直波导，根据超宽带多模喇叭所需频带及传输模式确定输入口径；

所述不连续结构由若干个圆波导台阶组成，利用台阶的不连续性，能够产成不同的传输模式；

所述向空间辐射的直波导部分是一段自由长度的直波导，根据照射电平要求选择输出口径。

进一步的优选方案，所述一种超宽带多模喇叭，其特征在于，所述不连续结构由225个圆波导台阶组成，相邻台阶间口径相差2mm。

一种超宽带多模喇叭的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据照射电平的要求，确定输出口径的范围，并在范围内任取一值，建立向空间辐射的直波导部分的仿真模型，并得到直波导与自由空间不连续处的广义散射矩阵；同时根据超宽带多模喇叭的设计频带及传输模式确定输入口径；

步骤2：将选取的输出口径与确定的输入口径之间用225个台阶划分，并选择固定的台阶口径差值，用模式匹配法计算得到每个台阶不连续处的广义散射矩阵；

步骤3：根据步骤1得到的直波导与自由空间不连续处的广义散射矩阵和步骤2得到的每个台阶不连续处的广义散射矩阵，以回波损耗、方向图等化、低交叉极化为目标构建目标函数，对台阶长度进行优化，得到满足要求的225个台阶长度，确定超宽带多模喇叭的最终全部尺寸。

一种超宽带多模喇叭的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据照射电平的要求，确定输出口径范围，并在此范围内按照设定步长进行划分，得到若干输出口径值，取其中一个输出口径值，按照该口径值建立向空间辐射的直波导部分的仿真模型，并得到直波导与自由空间不连续处的广义散射矩阵；同时根据超宽带多模喇叭的设计频带和传输模式确定输入口径；

步骤2：根据确定的输入口径和选取的输出口径，计算两者的口径差；并根据预先设定的相邻台阶口径差初始值，将输入口径和输出口径的口径差用若干个台阶划分，再采用模式匹配法计算得到每个台阶不连续处的广义散射矩阵；

步骤3：根据步骤1得到的直波导与自由空间不连续处的广义散射矩阵和步骤2得到的每个台阶不连续处的广义散射矩阵，以回波损耗、方向图等化、低交叉极化为目标构建目标函数，以相邻台阶口径差为优化变量，以输入口径与输出口径的口径差为台阶口径差的整数倍为边界条件，通过优化算法寻找目标函数的最小值，对相邻台阶口径差进行优化；

步骤4：在输出口径范围中重新选取输出口径值，重复步骤1～步骤3，得到每个输出口径值对应的最优目标函数值，取所有最优目标函数值中的最小值所对应的输出口径值为最终确定的输出口径，并得到对应的相邻台阶口径差；

步骤5：根据步骤4得到的输出口径，以及对应的相邻台阶口径差，以每个台阶的轴向长度为优化变量，以超宽带多模喇叭的设计轴向长度为边界条件，以回波损耗、方向图等化、低交叉极化为目标构建目标函数，通过优化算法寻找目标函数的最小值，对台阶长度进行优化，从而确定超宽带多模喇叭的最终全部尺寸。

有益效果

本发明提出的一种超宽带多模喇叭及设计方法，采用模式匹配法结合优化算法及仿真，解决了在超宽频带内方向图不等化及交叉极化性能不理想的问题，实现了方向图在超宽频带内幅度相位的良好等化，同时喇叭输入口有较小的反射系数。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：超宽带多模喇叭的结构图；

图2：超宽带多模喇叭的内腔轮廓；

图3：超宽带多模喇叭的cst仿真图；

图4：4ghz的方向图(实线、虚线和“xx”分别表示e面、h面和交叉极化方向图)；

图5：6ghz的方向图(实线、虚线和“xx”分别表示e面、h面和交叉极化方向图)；

图6：8ghz的方向图(实线、虚线和“xx”分别表示e面、h面和交叉极化方向图)；

图7：10ghz的方向图(实线、虚线和“xx”分别表示e面、h面和交叉极化方向图)；

图8：12ghz的方向图(实线、虚线和“xx”分别表示e面、h面和交叉极化方向图)；

图9：回波损耗图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中是我国某地大口径天线的多模馈源，设计目标为：工作频段4～12ghz，照射角11度，照射电平≤-10db，回波损耗≥25db，在设计带宽内喇叭方向图的幅度等化优于1db。

该超宽带多模喇叭包括输入圆波导，喇叭输入波导口径与喇叭输出口径间的不连续结构，以及向空间辐射的直波导部分，所述输入圆波导是一段自由长度的直波导，根据超宽带多模喇叭所需频带及传输模式确定输入口径；所述不连续结构由若干个圆波导台阶组成，利用台阶的不连续性，能够产成不同的传输模式；所述向空间辐射的直波导部分是一段自由长度的直波导，根据照射电平要求选择输出口径。

具体尺寸的设计方法为：

步骤1：根据照射电平的要求，确定输出口径范围，并在此范围内按照设定步长进行划分，得到若干输出口径值，取其中一个输出口径值，按照该口径值建立向空间辐射的直波导部分的仿真模型，并得到直波导与自由空间不连续处的广义散射矩阵；同时根据超宽带多模喇叭的设计频带和传输模式确定输入口径；

步骤2：根据确定的输入口径和选取的输出口径，计算两者的口径差；并根据预先设定的相邻台阶口径差初始值，将输入口径和输出口径的口径差用若干个台阶划分，再采用模式匹配法计算得到每个台阶不连续处的广义散射矩阵；

步骤3：根据步骤1得到的直波导与自由空间不连续处的广义散射矩阵和步骤2得到的每个台阶不连续处的广义散射矩阵，以回波损耗、方向图等化、低交叉极化为目标构建目标函数，以相邻台阶口径差为优化变量，以输入口径与输出口径的口径差为台阶口径差的整数倍为边界条件，通过优化算法寻找目标函数的最小值，对相邻台阶口径差进行优化；

步骤4：在输出口径范围中重新选取输出口径值，重复步骤1～步骤3，得到每个输出口径值对应的最优目标函数值，取所有最优目标函数值中的最小值所对应的输出口径值为最终确定的输出口径，并得到对应的相邻台阶口径差；

步骤5：根据步骤4得到的输出口径，以及对应的相邻台阶口径差，以每个台阶的轴向长度为优化变量，以超宽带多模喇叭的设计轴向长度为边界条件，以回波损耗、方向图等化、低交叉极化为目标构建目标函数，通过优化算法寻找目标函数的最小值，对台阶长度进行优化，从而确定超宽带多模喇叭的最终全部尺寸。

本实施例中回波损耗、方向图等化、低交叉极化为目标构建的目标函数为

式中第一部分代表喇叭的反射系数，r表示反射系数的最大值，第二部分代表e面和h面的等化程度，第三部分代表交叉极化的大小，q表示交叉极化的最大值，σ代表各部分的权重，n代表台阶个数，m代表频点个数，p代表不同角度。用优化方法对目标函数fcost求最小值，就得到满足要求的喇叭尺寸。

如图1～图4所示，本实施例得到的超宽带多模喇叭输入口径为50mm，输出口径为500mm，不连续结构由225个圆波导台阶组成，相邻台阶间口径相差2mm，喇叭长度共1205mm。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。