[发明专利]一种介质柱挠动作用的双脊喇叭天线

说明书

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，使得喇叭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n>1，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OO_m=OP+nPF_m，其中OO_m为喇叭段起始的中心位置O到第m个开槽圆心的距离，n为金属脊的折射率，PFm为第m个圆心O_m在y方向上的投影Fm到脊宽的中心位置P的距离；OP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)=Ae^kz+Cz²；A由两脊之间的间距b₁决定，即A=b₁/2；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其中Z_L/2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=Z_L/2，确定脊波导的截止波长λ_c；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_c为脊波导的截止波长，z为脊波导的特性阻抗；而这里λ_c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_c；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：