一种基于复合型xp脊的宽频带探头喇叭天线

本发明属于天线，涉及应用于天线远场测试系统的探头喇叭天线，特别涉及一种基于复合型xp脊的宽频带探头喇叭天线。

背景技术：

1、在天线测试系统当中，远场测量技术是出现最早的技术之一。远场测量技术是通过利用一个应用远场的标准探头测试天线放在待测天线距离2d2/λ处，(d为待测天线的辐射口径尺寸，λ为待测天线的工作波长)，直接测量出相应的远场辐射特性。因此，远场测量技术被广泛应用在天线测量领域。

2、探头喇叭天线作为远场测量系统中的重要组成部分，它的性能优劣将直接影响到整个测量系统的效率。期望的探头喇叭天线应该可以提供一个较宽的工作带宽，同时拥有较低的电压驻波比，能够在工作带宽内提供良好的辐射方向图的对称性以及相应的主瓣特性，提升天线测试系统的工作效率。

3、目前，加载脊结构的探头喇叭天线是远场测量系统中常用的形式结构，早在2005年，botello等学者基于指数型曲线结构设计了一款工作在1ghz～14ghz的双脊探头喇叭天线，但是在高频12ghz处辐射方向图出现了马鞍状，出现了严重的裂瓣现象；随后abbas-azimi等人通过对上述脊结构末端进行圆弧结构加载，不仅实现了1ghz～18ghz较宽的工作带宽，同时在高频段也有着较为良好的辐射特性。虽然上述二者的研究对探头喇叭天线的带宽进行了展宽，但是现如今随着无线通信技术的快速发展，对超宽带天线的研究逐渐成为了热点。尤其像雷达探测、电磁兼容测试等领域对探头喇叭天线要求具备更宽的带宽特性。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于复合型xp脊的宽频带探头喇叭天线，主要解决现有探头喇叭天线带宽较窄和高频段辐射特性恶化等问题，从提升探头喇叭天线的整体性能的角度去提升整个远场测试系统的测试性能。所设计的探头喇叭天线的工作频率范围为1ghz～27ghz，电压驻波比在2.5以下，同时实现了稳定的增益，以及良好的辐射方向图的定向性与主瓣特性。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于复合型xp脊的宽频带探头喇叭天线，包括矩形脊波导结构、开放辐射边界结构和复合脊结构，所述矩形脊波导结构为双脊波导，所述开放辐射边界结构为对称的平板，分别连接于矩形脊波导结构的宽壁端面，两个复合脊结构分别设置在开放辐射边界结构的相对面上并与矩形脊波导结构的双脊端面连接；两个复合脊结构对称，复合脊结构所在的面为yoz平面，以矩形脊波导结构的中心点为坐标轴原点，以探头喇叭天线辐射所指方向即辐射方向为z向，建立坐标系，所述两个复合脊结构的相对边定义为脊边，脊边满足数学形式上的连续，使得所述复合脊结构构成复合型xp脊，即脊边靠近矩形脊波导结构的部分为xp曲线，远离矩形脊波导结构的部分为圆弧过渡曲线，其中p为常数，用于调整所述脊边靠近口面处的曲率。

4、在一个实施例中，所述复合脊结构为平板结构，其一侧边与开放辐射边界结构连接，底边与矩形脊波导结构的双脊端面连接，其余边平滑过渡，定义为脊边；所述xp曲线以及圆弧过渡曲线的函数形式如下：

5、

6、式中，y(z)表示xp曲线，以辐射方向z为自变量，y为因变量建立，d表示矩形脊波导结构的脊间距，r1表示两个复合脊结构辐射末端间距的一半，r11是用于调节复合脊结构的口面圆弧过渡连接处的口面脊间距大小的调节参数，l表示xp曲线沿辐射方向z的长度；a为常数，用于调整所述脊边靠近馈电端的曲率；

7、z(y)表示圆弧过渡曲线，以y为自变量，z为因变量建立，r表示复合脊结构中末段圆弧过渡结构的圆半径大小，zr表示复合脊结构中末段圆弧过渡结构的圆心横坐标，yr表示复合脊结构中末段圆弧过渡结构的圆心纵坐标；

8、以复合脊结构的整体结构平面为基准，a、p值越大，复合脊结构中两个起辐射作用的平面脊结构相对边整体结构向开放辐射边界结构方向收缩，使平面双脊结构间的辐射缝隙逐渐变大，进一步调整天线整体的辐射特性，r11越大，复合脊结构的口面圆弧过渡连接处的口面脊间距相对减小，圆弧过渡曲线中其弧度弯曲程度越明显。

9、在一个实施例中，所述复合脊结构由矩形脊波导过渡段xp型脊结构和口面过渡段复合xp型脊结构连接组成，其中矩形脊波导过渡段xp型脊结构连接于矩形脊波导结构的双脊端面。

10、在一个实施例中，所述矩形脊波导结构的内底面短路板处设置反射背腔结构，所述反射背腔结构由贴合矩形脊波导结构窄壁的两个楔体和贴合矩形脊波导结构宽壁的四个直角三角体组成，每个所述直角三角体均与所述矩形脊波导结构短路面有固定的夹角；所述两个楔体关于宽壁中心截面对称，单个楔体关于窄壁中心截面对称；贴合同一宽壁的两个直角三角体关于宽壁中心截面对称，夹持在同一楔体两侧的两个直角三角体关于窄壁中心截面对称；在贴合同一宽壁的两个直角三角体之间分别填充长方体脊，构成所述矩形脊波导结构的双脊，即第一脊结构与第二脊结构。

11、在一个实施例中，所述楔体与所述直角三角体之间以圆角过渡，所述矩形脊波导结构上设置有同轴脊波导转换结构；所述同轴脊波导转换器结构采用sma接头连接，其由同轴电缆馈电接头和调谐孔构成，所述同轴电缆馈电接头的内芯穿过矩形脊波导结构的第一脊结构的通孔，与第二脊结构形成一个单极辐射器结构，所述调谐孔加载于第一脊结构所在侧壁，其高度尺寸与矩形脊波导结构的壁厚度一致，以实现调谐孔对探头喇叭天线整体匹配特性的调整。

12、在一个实施例中，所述内芯与所述通孔满足内外半径比例而实现馈电同轴线具有45ω～55ω相对范围内变化的特性阻抗值，在保证通孔不破坏复合脊结构下，同轴探针内芯与复合脊结构相距0.8mm～1.2mm之间，其可用来改善高频处22ghz～27ghz工作频率范围内的匹配情况。

13、在一个实施例中，所述开放式辐射边界结构的底边长度与矩形脊波导结构宽壁长度一致，以固定张角向上延伸，其长度l2>1/2λmax，且开放式辐射边界结构的顶边宽度与两个复合脊结构之间的最大距离一致，所述开放式辐射边界结构的顶部为圆弧式结构，其中λmax为探头天线工作在最低频率时所对应的波长。

14、在一个实施例中，在两个开放式辐射边界结构的两对面上加载有波纹槽结构，波纹槽结构以等深等间隔的形式嵌入于开放辐射边界结构，并沿着轴向等间距分布，波纹槽结构的轴向长度小于开放辐射边界结构的轴向长度。

15、在一个实施例中，所述波纹槽结构，沿开放辐射边界结构所在平面看，其内侧边缘与复合脊结构边缘重合，其外侧边缘与开放辐射边界结构边缘重合，多个槽沿开放辐射边界结构的轴向呈等间距线性排布，且沿开放辐射边界结构横向看，其每个槽长度之间存在一个差值因子。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、第一，本发明打破常规指数型脊曲线结构，通过采用复合型xp曲线并通过在脊结构口面做圆弧过渡复合处理，降低了探头喇叭天线在口面处电磁波的绕射，经过对脊曲线的赋型使得该设计的探头喇叭天线在1ghz～27ghz工作频带内电压驻波比在2.5以下，实现了宽频带特性。

18、第二，本发明通过对矩形脊波导反射背腔处的结构进行改进，合理调整对称式楔体长度、厚度以及楔体嵌入三角体内的宽度等结构参数，使得探头喇叭天线在18ghz～22ghz的频率范围内增益得到了补偿，使得探头喇叭天线频带内增益为6dbi～21dbi，避免了由于高次模式的激发使得增益出现骤降的缺陷。

19、第三，本发明通过在开放辐射边界表面加载波纹槽结构，使得波纹槽具备高阻抗特性，将高次模式产生的横向辐射电流进行消除，只剩下纵向分量，使得辐射主要集中于双脊结构之间，解决了在高频处出现了辐射方向图裂瓣等现象，从而提升了工作频带内辐射的定向性与稳定性