一种改进的双频馈源喇叭

摘要

本发明公开了一种改进的双频馈源喇叭，包括第一频段馈源喇叭、第二频段圆波导、起阻抗匹配作用的金属环，第一频段比第二频段低，第二频段圆波导同轴设置在第一频段馈源喇叭的空腔内，第一频段的信号通过第二频段圆波导的外表面与第一频段馈源喇叭的空腔侧壁之间形成的第一腔体传输，第二频段的信号通过第二频段圆波导的内腔体传输；金属环同轴设置在传输第一频段信号的第一腔体内。该发明的优点在于：由于馈源喇叭有不同的指标要求，同轴馈源技术方案中第一腔体实现第一频段的电磁波有效辐射，第二频段圆波导实现第二频段的电磁波有效辐射，在第一腔体内创新性的加载金属环实现了良好的阻抗匹配，从而满足馈源喇叭的不同指标要求。

权利要求

1.一种改进的双频馈源喇叭，其特征在于，包括第一频段馈源喇叭、第二频段圆波导(7)、起阻抗匹配作用的金属环(4)，第一频段比第二频段低，所述第二频段圆波导(7)同轴设置在第一频段馈源喇叭的空腔内，第一频段的信号通过第二频段圆波导(7)的外表面与第一频段馈源喇叭的空腔侧壁之间形成的第一腔体(11)传输，第二频段的信号通过第二频段圆波导(7)的内腔体传输；所述金属环(4)同轴设置在传输第一频段信号的第一腔体(11)内；

双频馈源喇叭还包括第二频段正交模(9)，所述第一频段馈源喇叭包括作为张角段的第一频段变径段(3)、第一频段波导过渡段(5)，作为辐射段的第一频段竖波纹喇叭(2)、第一频段变径段(3)、第一频段波导过渡段(5)依次设置，所述第一频段波导过渡段(5)上还设置有激励结构(6)，所述第二频段正交模(9)与第二频段圆波导(7)另一端同轴连接且伸出第一频段馈源喇叭；

所述第一频段馈源喇叭还包括激励结构(6)，所述第一频段馈源喇叭上开设有将第一腔体(11)内的信号传输出去的信号传输槽，所述激励结构(6)包括第一矩形支节(611)、第二矩形支节(612)、第一矩形波导结构(613)、第二矩形波导结构(614)、第一频段合成网络(615)；第一频段合成网络(615)为H面波导T型缝隙耦合器，包括垂直连接的水平部分(6151)和竖直部分(6152)；

所述第一矩形支节(611)的一端面和第二矩形支节(612)的一端面分别插入到同一高度上设置的两个相对的信号传输槽内；

第一矩形支节(611)另一侧面、第一矩形波导结构(613)、水平部分(6151)、第二矩形波导结构(614)、第二矩形支节(612)的另一端面依次连接形成矩形环柱状结构，竖直部分(6152)远离水平部分(6151)且与水平部分(6151)长度方向平行的端面C为第一频段合成网络(615)的输出端口，且两个信号传输槽分别设置在第一频段波导过渡段(5)的圆形横截面上的相隔180度位置。

2.根据权利要求1所述的一种改进的双频馈源喇叭，其特征在于，所述金属环(4)包括间隔设置的第一金属环(41)和第二金属环(42)，所述第一金属环(41)的内径与第二频段圆波导(7)的外表面固定连接，所述第二金属环(42)的外径与第一频段馈源喇叭的内腔的侧壁固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种改进的双频馈源喇叭，其特征在于，所述矩形环柱状结构的中轴线与第一频段馈源喇叭的中轴线构成的平面作为对称面，所述激励结构(6)分别与第一频段馈源喇叭构成的对称面两两垂直。

4.根据权利要求3所述的一种改进的双频馈源喇叭，其特征在于，第一矩形支节(611)和第二矩形支节(612)形状相同且关于对称面对称，第一矩形波导结构(613)和第二矩形波导结构(614)形状相同也关于对称面对称设置。

5.根据权利要求1或3所述的一种改进的双频馈源喇叭，其特征在于，所述激励结构(6)包括第一激励结构(61)和第二激励结构(62)，第一激励结构(61)的第一频段合成网络(615)的输出端口C1与第二激励结构(62)的第一频段合成网络(615)的输出端口C2在双频馈源喇叭中轴线方向的距离为半个第一频段波长的整数倍。

6.根据权利要求1所述的一种改进的双频馈源喇叭，其特征在于，所述第二频段正交模(9)采用波导结构，包括两个相互垂直且与第二圆波导中轴线垂直的波导输出接口，所述波导输出接口为矩形，所述两个波导输出接口中心距离为半个第二频段波导波长的整数倍。

7.根据权利要求1所述的一种改进的双频馈源喇叭，其特征在于，所述第一频段馈源喇叭包括第一频段竖波纹喇叭(2)，所述第二频段圆波导(7)位于第一频段竖波纹喇叭(2)内的一端同轴设置有第二频段介质棒(8)。

8.根据权利要求7所述的一种改进的双频馈源喇叭，其特征在于，第一频段竖波纹喇叭(2)上套设有起到保护介质棒的天线罩(10)。

说明书

一种改进的双频馈源喇叭

[0001] 本发明为分案申请，原申请的申请日为2017年12月05日，申请号为201711270269.1，名称为一种包括金属环的双频馈源喇叭。

技术领域

[0002] 本发明雷达天线技术领域，尤其是一种改进的双频馈源喇叭。

背景技术

[0003] 双波段双偏振雷达有助于进一步了解天气系统从晴空大气→云和降水→降水的精细化物理结构和演变特征，提高我们对天气系统发生发展的物理机制的认识。通过对非
降水、弱降水云及层状、对流(雷暴)降水、雾、霾等多种天气现象的全天候、全天空、高时空
分辨率、多参数连续观测，获取云及降水等气象目标的宏微观物理参数的时空分布。不仅促
进中小尺度天气系统、雷暴闪电和相关模式等研究的深入开展，还将对局地暴雨、冰雹、龙
卷和下击暴流等强烈天气的监测跟踪与短临预报提供帮助。随着毫米波技术水平的进步，
毫米波测云雷达技术也得到了快速发展。实践证明，各波段的雷达对目标的探测各有优缺
点，因此有必要将两种、或多种波长的雷达同时使用，可以更加全面的掌握云、雨的状态。

[0004] 早期进行双波长探测采用双雷达，即两部不同波段的雷达同时开机，对同一目标进行探测。这种方法最大的问题是难以保证两部雷达探测的是同一目标，且设备量大，运行
维护要求高。因此研制共口径高增益天线合适的阻抗匹配的双波长雷达，是解决上述问题
的有效方法。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术的不足，为此，本发明提供一种改进的双频馈源喇叭。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种改进的双频馈源喇叭，包括第一频段馈源喇叭、第二频段圆波导、起阻抗匹配作用的金属环，第一频段比第二频段低，所述第二频段圆波导同轴设置在第一频段馈源喇
叭的空腔内，第一频段的信号通过第二频段圆波导的外表面与第一频段馈源喇叭的空腔侧
壁之间形成的第一腔体传输，第二频段的信号通过第二频段圆波导的内腔体传输；所述金
属环同轴设置在传输第一频段信号的第一腔体内。

[0008] 优化的，所述金属环包括间隔设置的第一金属环和第二金属环，所述第一金属环的内径与第二频段圆波导的外表面固定连接，所述第二金属环的外径与第一频段馈源喇叭
的内腔的侧壁固定连接。

[0009] 优化的，所述第一频段馈源喇叭还包括激励结构，所述第一频段馈源喇叭上开设有将第一腔体内的信号传输出去的信号传输槽，所述激励结构包括第一矩形支节、第二矩
形支节、第一矩形波导结构、第二矩形波导结构、第一频段合成网络；第一频段合成网络为H
面波导T型缝隙耦合器，包括垂直连接的水平部分和竖直部分；

[0010] 所述第一矩形支节的一端面和第二矩形支节的一端面分别插入到同一高度上设置的两个相对的信号传输槽内；

[0011] 第一矩形支节另一侧面、第一矩形波导结构、水平部分、第二矩形波导结构、第二矩形支节的另一端面依次连接形成矩形环柱状结构，竖直部分远离水平部分且与水平部分
长度方向平行的端面C为第一频段合成网络的输出端口。

[0012] 优化的，所述第一频段馈源喇叭包括激励结构，所述矩形环柱状结构的中轴线与第一频段馈源喇叭的中轴线构成的平面作为对称面，所述激励结构分别与第一频段馈源喇
叭构成的对称面两两垂直。

[0013] 优化的，第一矩形支节和第二矩形支节形状相同且关于对称面对称，第一矩形波导结构和第二矩形波导结构形状相同也关于对称面对称设置。

[0014] 优化的，所述激励结构包括第一激励结构和第二激励结构，第一激励结构的第一频段合成网络的输出端口C1与第二激励结构的第一频段合成网络的输出端口C2在双频馈
源喇叭中轴线方向的距离为半个第一频段波长的整数倍。

[0015] 优化的，双频馈源喇叭还包括第二频段正交模，所述第一频段馈源喇叭包括作为张角段的第一频段变径段、第一频段波导过渡段，作为辐射段的第一频段竖波纹喇叭、第一
频段变径段、第一频段波导过渡段依次设置，所述第一频段波导过渡段上还设置有激励结
构，所述第二频段正交模与第二频段圆波导另一端同轴连接且伸出第一频段馈源喇叭。

[0016] 优化的，所述第二频段正交模采用波导结构，包括两个相互垂直且与第二圆波导中轴线垂直的波导输出接口，所述波导输出接口为矩形，所述两个波导输出接口中心距离
为半个第二频段波导波长的整数倍。

[0017] 优化的，所述第一频段馈源喇叭包括第一频段竖波纹喇叭，所述第二频段圆波导位于第一频段竖波纹喇叭内的一端同轴设置有第二频段介质棒。

[0018] 优化的，第一频段竖波纹喇叭上套设有起到保护介质棒的天线罩。

[0019] 本发明的优点在于：

[0020] (1)由于馈源喇叭有不同的指标要求，同轴馈源技术方案中第一腔体实现第一频段的电磁波有效辐射，第二频段圆波导实现第二频段的电磁波有效辐射，在第一腔体内创
新性的加载金属环实现了良好的阻抗匹配，从而满足馈源喇叭的不同指标要求。

[0021] (2)同轴馈源技术方案中第一腔体实现第一频段的电磁波有效辐射，而同轴设置的第二频段圆波导通过加载介质棒实现了第二频段电磁波的辐射，第一频段和第二频段的
信号通过不同的路径进行辐射，有效避免了双频段的互相干扰，这样不仅不需要滤波器，从
而节约加工成本，而且提高了各自频段内的交叉极化和双频段间的隔离度，实现了双频段
几乎一致的相位中心。

[0022] (3)可以通过调节第二频段介质棒的结构参数，进一步压窄第二频段馈源的边缘照射电平，而对第一频段几乎没有影响，对于双频段共面天线的波束等化提供了一种简便
有效的技术手段。

[0023] (4)本发明中的激励结构中矩形支节的设置可以实现较好的驻波和带内传输特性。同时为实现双极化和较好的极化隔离，第一激励结构的第一频段合成网络的输出端口
C1与第二激励结构的第一频段合成网络的输出端口C2在双频馈源喇叭中轴线方向的距离
为半个第一频段波长的整数倍。

[0024] (5)本发明采用第一频段竖波纹喇叭实现了第一频段波段的E面、H面波束等化，且具有非常良好的交叉极化特性；同时，并没有恶化高频段的第二频段的馈源辐射性能。

[0025] (6)本发明具有结构相对简单紧凑、应用方便、性能优越等特点，具有很强的实用性。

附图说明

[0026] 图1为本发明的双频馈源喇叭安装天线罩的结构示意图；

[0027] 图2为本发明的双频馈源喇叭不安装天线罩的结构示意图。

[0028] 图3为本发明的双频馈源喇叭包括两个第一金属环的整体结构剖面图；

[0029] 图4为本发明的双频馈源喇叭包括第一金属环和第二金属环的整体结构剖面图；

[0030] 图5为本发明介质环的剖面图；

[0031] 图6为本发明的第一频段波导过渡段上的激励结构的示意图；

[0032] 图7为本发明的第二频段的介质棒的结构示意图；

[0033] 图8为本发明的第一频段的主极化辐射方向图；

[0034] 图9为本发明的第二频段的主极化辐射方向图。

[0035] 图中标注符号的含义如下：

[0036] 1‑第一频段介质环  12‑介质环腔体  13‑波纹结构

[0037] 2‑第一频段竖波纹喇叭  3‑第一频段变径段

[0038] 4‑金属环  41‑第一金属环  42‑第二金属环

[0039] 5‑第一频段波导过渡段  6‑激励结构

[0040] 61‑第一激励结构  62‑第二激励结构

[0041] 611‑第一矩形支节  6111‑支节矩形槽

[0042] 612‑第二矩形支节  613‑第一矩形波导结构  614‑第二矩形波导结构

[0043] 615‑第一频段合成网络  6151‑水平部分  6152‑竖直部分  6153‑豁口

[0044] 7‑第二频段圆波导

[0045] 8‑第二频段介质棒  81‑匹配段  82‑支撑段  83‑辐射段

[0046] 9‑第二频段正交模  10‑天线罩  11‑第一腔体

具体实施方式

[0047] 实施例1

[0048] 如图1‑4所示，一种改进的双频馈源喇叭，包括第一频段馈源喇叭、起阻抗匹配作用的金属环4、第二频段介质棒8、第二频段圆波导7、第二频段正交模9。第一频段馈源喇叭
包括依次设置的作为辐射段83的第一频段竖波纹喇叭2、作为张角段的第一频段变径段3、
第一频段波导过渡段5，第一频段波导过渡段5上还设置有激励结构6。

[0049] 第二频段圆波导7同轴设置在第一频段馈源喇叭内，第一频段的信号通过第二频段圆波导7的外表面与第一频段馈源喇叭的空腔侧壁之间形成的第一腔体11传输，第二频
段的信号通过第二频段圆波导7的内腔体传输。第二频段圆波导7位于第一频段竖波纹喇叭
2内的一端同轴设置第二频段介质棒8，第二频段正交模9与第二频段圆波导7另一端同轴连
接且位于第一频段馈源喇叭外。第二频段圆波导7位于第二频段正交模9的一端的外侧壁与
第一频段馈源喇叭之间形成垂直于中轴线的密封面。第一频段比第二频段低。第二频段圆
波导7的尺寸由其传输圆波导主模工作频率 决定，其中a为第二频段圆波导7的
半径。第一频段变径段3与双频馈源喇叭的中轴线的夹角范围为0°～20°，在该实施例中夹
角为20°。其中第一频段竖波纹喇叭2上套设有起到保护介质棒的天线罩10。

[0050] 同轴馈源技术方案中第一腔体11实现第一频段的电磁波有效辐射，而同轴设置的第二频段圆波导7通过加载介质棒实现了第二频段电磁波的辐射，第一频段和第二频段的
信号通过不同的路径进行辐射，有效避免了双频段的互相干扰，这样不仅不需要滤波器，从
而节约加工成本，而且提高了各自频段内的交叉极化和双频段间的隔离度，实现了双频段
几乎一致的相位中心。可以通过调节第二频段介质棒8的结构参数，进一步压窄第二频段馈
源的边缘照射电平，而对第一频段几乎没有影响，对于双频段共面天线的波束等化提供了
一种简便有效的技术手段。

[0051] 如图7所示，第二频段介质棒8包括位于第二频段圆波导7内的匹配段81、支撑段82、辐射段83，匹配段81为圆锥结构，所述支撑段82包括贴合第二频段圆波导7的内腔的圆
柱结构和圆柱结构外部设置有将第二频段介质棒8固定在第一频段圆波导上的限位结构，
辐射段83采用指数渐变结构。

[0052] 在该实施例中第二频段圆波导7的内半径为3.2mm，壁厚为0.8mm。第二频段为Ka频段，为实现旋转对称的辐射方向图，并具有较小的喇叭口径，第二频段介质棒8在Ka频段分
成三个部分，在第二频段圆波导7内的匹配段81为圆锥结构，可以获得良好的匹配特性，第
二频段圆波导7在支撑段82设置凸起作为限位结构，在本实施例中限位结构为套在圆柱结
构的环状结构，环状结构的外半径等于第一频段圆波导的外直径，这样有利于介质棒的固
定和安装标记，在辐射段83则采用指数渐变的形式，获得良好的高频辐射特性，通过调节介
质棒的结构参数，可以调节高频段馈源的边缘照射电平，且对低频度几乎没有影响。

[0053] 金属环4同轴设置在传输第一频段信号的第一腔体11内，金属环4至少一个。金属环4有三种设置方式，第一种是若干个金属环4的内侧壁均与第二频段圆波导7的外侧壁同
轴固定连接，作为第一频段馈源喇叭的阻抗匹配。第二种是若干个金属环4的外侧壁均与第
一频段馈源喇叭的内腔侧壁同轴固定连接，作为第一频段馈源喇叭的阻抗匹配。第三种是
金属环4包括间隔设置的第一金属环41和第二金属环42，第一金属环41的内径与第二频段
圆波导7的外表面固定连接，第二金属环42的外径与第一频段馈源喇叭的内腔的侧壁固定
连接，所述第一金属环41和第二金属环42间隔设置，作为第一频段的阻抗匹配。在图3中，设
置两个第一金属环41作为第一频段的阻抗匹配，在图4中，包括两个第一金属环41和设置在
两个第一金属环41中间的第一金属环41，从而调节第一腔体11内TE11模的传输，保证端口
驻波特性。

[0054] 第二频段正交模9采用波导结构，包括两个相互垂直且均与第二频段圆波导7中轴线垂直的波导输出接口，波导输出接口为矩形，两个波导输出接口中心距离为半个第二频
段波导波长的整数倍。

[0055] 如图3和图5所示，第一频段竖波纹喇叭2内设置有与第二频段圆波导7同轴的第一频段介质环1，第一频段介质环1包括第二频段介质棒8可穿过的介质环腔体12，第一频段介
质环1还具有填充竖波纹喇叭的波纹结构13。

[0056] 介质环腔体12为中轴线与第二频段圆波导7中轴线重合的圆锥状，介质环腔体12直径小的一端与第二频段圆波导7相接触，第一频段介质环1的外表面为圆锥状，外表面远
离第二频段圆波导7的一端直径小于与第二频段圆波导7接触的一端的直径。在第一频段竖
波纹喇叭2内加载第一频段介质环1的方式，在保持喇叭口径不变的情况下，使相同照射角
度的照射电平得到有效的降低，且具有良好的E面、H面波束等化、交叉极化特性。作为卡塞
格伦天线的馈源应用，易于实现较小的馈源遮挡和天线的低副瓣特性。

[0057] 在同轴波导的尺寸设计中，要保证第一腔体11内只能传输TEM模、第一高次模TE11模，第一腔体11的尺寸由其传输TE11模的截止频率计算决定，计算公式为 其
中a为第二频段圆波导7的外径即第一腔体11的内直径，b为第一腔体11的外直径即第一频
段馈源喇叭的内直径。

[0058] 为了实现X频段、Ka频段良好的辐射方向图、且具有低交叉极化、端口间高隔离度的双频段双极化性能，利用第一频段变径段3和第一频段竖波纹喇叭2实现了X频段的E面、H
面旋转对称的辐射方向图，并且在保持口径不变的情况下，通过设置第一频段介质环1，使
等角度下的照射电平下降了约‑10dB。同时，为避免影响高频段Ka频段的馈源辐射性能，第
一频段介质环1与第二频段圆波导7外侧壁固定连接，从而固定支撑第二频段圆波导7。

[0059] 如图6所示，为激励起第一腔体11内的TE11模，第一频段馈源喇叭位于第一频段过渡段5的位置设置激励结构6，激励结构6包括两个相同结构的第一激励结构61和第二激励
结构62，第一激励结构61包括第一矩形支节611、第二矩形支节612、第一矩形波导结构613、
第二矩形波导结构614。第一频段合成网络615为H面波导T型缝隙耦合器，第一矩形支节
611、第一矩形波导结构613、H面波导T型缝隙耦合器的水平部分6151、第二矩形波导结构
614、第二矩形支节612、与第一矩形支节611和第二矩形支节612连接处的第一频段波导过
渡段5依次连接构成封闭的矩形环柱状结构，H面波导T型缝隙耦合器的竖直部分6152位于
水平部分6151的中部且与矩形环柱状结构的中轴线平行，矩形环结构的四个边角的外侧面
为倒角面，其中第一矩形支节611、第一矩形波导结构613、H面波导T型缝隙耦合器、第二矩
形波导结构614、第二矩形支节612为一体化结构。其中H面波导T型缝隙耦合器的水平部分
6151与设置竖直部分6152相对的上端面上设置有与竖直部分6152平行的豁口6153，水平部
分6151与竖直部分6152连接处也设置有豁口6153。H面波导T型缝隙耦合器的竖直部分6152
长度方向的中轴线和第一频段馈源喇叭的中轴线平行形成的对称面，形状相同的第一矩形
支节611和第二矩形支节612关于对称面对称，形状相同的第一矩形波导结构613和第二矩
形波导结构614也关于对称面对称设置。其中H面波导T型缝隙耦合器竖直部分6152远离水
平部分6151且与水平部分6151长度方向平行的端面C1为第一频段合成网络615的输出端
口，端面C1为矩形。

[0060] 以下对对称面一侧的结构进行描述，第一矩形支节611为柱状腔体结构，柱状腔体结构的外表面在长度方向上并列设置多个支节矩形槽6111，支节矩形槽6111的中轴线与柱
状腔体结构的中轴线重合。支节矩形槽6111的深度和相邻的环形槽之间在矩形柱体长度方
向上的距离根据需要的阻抗匹配设置，位于第一频段波导过渡段5上设置有与第一腔体11
导通的信号传输槽(图中未示出)，第一矩形支节611垂直于长度方向的一端面通过信号传
输槽伸入到第一腔体11内且与第一腔体11的外侧壁平行。信号传输槽为与第一矩形支节
611长度方向的外表面尺寸相契合，使得整个第一激励结构61依靠信号传输槽固定。

[0061] 第一矩形波导结构613为水平剖面形状为中括号的柱体结构，第一矩形波导结构613的一个端面与第一矩形支节611垂直于长度方向的另一端面连接。第一矩形波导结构
613的另一端面与第一频段合成网络615的水平部分6151垂直于长度方向的端面连接。

[0062] 第一激励结构61和第二激励结构62的对称面互相垂直。封闭的矩形环柱状结构的中轴线到信号传输槽的内侧面的距离为X波段中心频率的四分之一波导波长。第一矩形支
节611和第二矩形支节612的设置可以实现较好的驻波和带内传输特性。同时为实现双极化
和较好的极化隔离，第一激励结构61竖直部分6152的端面C1距离第二激励结构62竖直部分
6152的端面C2的距离约半个第一频段波长的整数倍。

[0063] 其中第一频段介质环1、第一频段竖波纹喇叭2、第一频段变径段3、第一频段匹配的金属环4、第一频段波导过渡段5、激励结构6实现了第一频段双极化信号的输出，第二频
段圆波导7、第二频段介质棒8、第二频段正交模9实现了第二频段双极化信号的输出。

[0064] 本发明结构简单紧凑、具有良好的双频段性能指标，如图8、图9所示。从本发明的仿真结果可以看出，作为卡塞格伦天线的馈源应用，具有良好的边缘照射电平和旋转对称
的辐射方向图，且两个频段的相位中心重合度较高，大大提高天线整体的辐射效率。

[0065] 实施例2

[0066] 与实施例1不同的是第一频段变径段3与双频馈源喇叭的中轴线的夹角范围为0°。

[0067] 实施例3

[0068] 与实施例1不同的是第一频段变径段3与双频馈源喇叭的中轴线的夹角范围为10°。

[0069] 以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保
护范围之内。