一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线

1.本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，可作为紧缩场测量系统的馈源。


背景技术：

2.紧缩场测试技术是目前广泛使用的一种在微波和毫米波暗室中产生伪平面波来测量天线的技术。紧缩场同样是研究电磁散射的重要测试设备，也是高性能雷达天线测试、卫星整星测试、飞机反射特性测试等系统性能测试的重要基础设施。随着时代的发展，测试天线的要求也越来越高，对高性能紧缩场馈源的需求也越来越多。目前形势下，紧缩场馈源朝着宽带、宽波束、低交叉极化、半功率波瓣宽度稳定、对称辐射方向图发展。在宽频带测试中，宽带馈源可以减少更换馈源的次数，避免因更换馈源导致的测试精度下降等问题。
3.四脊喇叭因其宽带特性被广泛研究，但是四脊喇叭天线有很大的弊端，随着频率的增高，其增益呈直线上升趋势，导致辐射口面电场分布在工作带宽内不一致，频带内半功率波瓣宽度不稳定且辐射方向图在高频容易出现不对称，主瓣分裂等情况，这严重影响测试的结果。目前涉及到单独用脊来提升馈源带宽的天线很难保证在宽带的同时其辐射特性还优异。
4.正交模耦合器是一种利于双极化设计，可以实现优异的极化隔离的馈电方式，但依然存在着带宽受限的问题，工作带宽一般为1.5:1。2018年zinan ni等人设计了一种基于正交模耦合器的波纹喇叭天线，通过正交模耦合器不同通道的传输，实现了良好的极化隔离和低电压驻波比，可以工作在10ghz～15ghz。缺点是其本身的带宽还是局限在1.5倍频以内，在天线测试中还需频繁更换馈源，因此在工作带宽方面还存在提高空间。


技术实现要素：

5.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宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，主要解决现有紧缩场馈源的带宽窄，半功率波瓣宽度不够稳定，交叉极化鉴别度低等问题，从改善馈源性能的角度去提升整个紧缩场测试系统的测试性能。所设计的双极化波纹喇叭天线在6.3ghz～12ghz的频率范围内，保证高隔离，高交叉极化鉴别度和稳定的半功率波瓣宽度的同时，提升天线的工作带宽。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，包括圆波导，所述圆波导的喇叭口面一端加载设置轴向波纹结构，另一端设置多阶梯十字转门结构，所述多阶梯十字转门结构由双圆柱结构和四个阶梯矩形波导段构成，所述四个阶梯矩形波导段在一端连接，呈十字结构，所述十字结构与所述圆波导以及所述双圆柱结构的轴向垂直，所述双圆柱结构由两节圆柱沿轴向连接组成，设置在十字结构中心位置的内部；阶梯矩形波导段的另一端通过e面弯转结构连接y型功率合成结构，所述y型功率合成结构有两个，每个y型功率合成结构连接在相对的e面弯转结构之间，每个y型功率合成结构通过3节切比雪夫阻抗匹
配结构与脊馈电结构连接。
8.在一个实施例中，所述轴向波纹结构由三个波纹环槽构成，所述三个波纹环槽由三个不同半径的圆环在所述圆波导的喇叭口面一端间隔形成，自内向外依次为波纹环槽一、波纹环槽二和波纹环槽三，三个波纹环槽的径向宽度相等，深度不相等。
9.在一个实施例中，所述波纹环槽一的深度为6ghz波长的四分之一；波纹环槽二的深度为6ghz波长的四分之一；波纹环槽三的深度为10ghz波长的四分之一。
10.在一个实施例中，所述四个阶梯矩形波导段的形状尺寸完全相同，每个所述阶梯矩形波导段由多段高度相同、宽度由中心连接一端向另一端递减的矩形波导依次相连，呈阶梯状；所述双圆柱结构中，两节圆柱同轴，其中远离所述圆波导的一节圆柱的半径大于靠近所述圆波导的一节圆柱的半径；远离所述圆波导的一节圆柱的底面与十字结构中心位置的内底面共面，靠近所述圆波导的一节圆柱的顶面与十字结构中心位置的内顶面具有间距。
11.在一个实施例中，组成所述阶梯矩形波导段的矩形波导的宽度变动差值呈三角变化，所述差值即前一个矩形波导的宽度减去后一个矩形波导的宽度，沿中心连接一端向另一端，差值由低到高再到低。
12.在一个实施例中，所述e面弯转结构由阶梯过渡结构、圆弧过渡结构和矩形波导结构构成，所述阶梯过渡结构为e面弯转结构的上弯转结构，所述圆弧过渡结构为e面弯转结构的下弯转结构，所述矩形波导结构靠近所述圆波导的喇叭口面的一端通过所述e面弯转结构与所述阶梯矩形波导段的另一端连接，远离所述圆波导的喇叭口面的一端通过所述圆弧过渡结构与y型功率合成结构以及3节切比雪夫阻抗匹配结构连接；所述阶梯过渡结构是由不同尺寸的矩形块构成台阶状结构，用于连接互相垂直的矩形波导；所述双圆弧过渡结构由两个不同半径的圆弧连接互相垂直的矩形波导。
13.在一个实施例中，所述y型功率合成结构由t型块实现对信号的分离，t型块位于y型功率合成结构的中心，所述t型块的两翼与矩形波导结构的内侧边通过所述圆弧过渡结构的内侧圆弧连接；所述3节切比雪夫阻抗匹配结构由不同尺寸的矩形波导连接构成，通过所述圆弧过渡结构的外侧圆弧与矩形波导结构的外侧边连接。
14.在一个实施例中，所述脊馈电结构包括顶部开口矩形波导，顶部开口矩形波导内设置上脊板和下脊板，上脊板和下脊板形成渐阔开口，该渐阔开口朝向顶部开口矩形波导的开口端，也即朝向所述圆波导的喇叭口面一端，所述顶部开口矩形波导的波导壁和所述上脊板开设通孔，馈电同轴线从该通孔穿过，与下脊板连接。
15.在一个实施例中，所述脊馈电结构的脊板两侧直角上均有圆角结构。
16.在一个实施例中，相对的两个e面弯转结构之间连接y型功率合成结构和3节切比雪夫阻抗匹配结构，所述3节切比雪夫阻抗匹配结构位于所述y型功率合成结构下方，连接y型功率合成结构与脊馈电结构。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.第一，本发明通过对正交模耦合器内的十字转门结构进行阶梯渐变，通过调整矩形波导变化段的矩形波导宽边尺寸和矩形波导数量来抑制高阶模式，可以提升正交模耦合器的工作带宽，从常规的1.5倍频提升到1.9倍频。
19.第二，本发明的十字转门结构相对于辐射段圆波导可以认为是差分波导馈电，四
个方向的矩形波导分别分布在圆波导的四周，相对的一组矩形波导的信号等幅反向，实现对称激励。由于其空间结构上的对称性，根据波导模式奇偶禁戒规则，可以抑制高阶模式，提升圆波导内的主模带宽，配合多阶梯十字转门结构，可以提升天线的带宽。
20.第三，本发明轴向波纹结构的三个槽宽度相同但深度不同，主要用于调整天线的增益，保证频带内半功率波瓣宽度的稳定。通过在喇叭圆波导壁口面加载了三个槽的轴向波纹结构，槽深分别对应低频和高频的四分之一波长，使得天线具有稳定较宽的半功率波瓣宽度，同时降低了天线的交叉极化水平。
21.本发明基于轴向波纹槽、阶梯式正交模耦合器和脊馈电结构的设计，实现了宽带、半功率波瓣宽度稳定、高端口隔离度和高交叉极化鉴别度的双极化波纹喇叭天线，在6.3ghz～12ghz范围内电压驻波比小于2.2，端口隔离度大于45db，交叉极化鉴别度大于40db，增益稳定在9.5dbi～11.5dbi范围内，频带内e、h面半功率波瓣宽度差值稳定在10
°
以内，是一个性能优异的宽带紧缩场馈源，有较好的实际工程价值。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图。
23.图2是本发明波纹结构的纵向剖面的结构示意图。
24.图3是本发明多阶梯十字转门结构的示意图(透视图)。
25.图4是本发明多阶梯十字转门结构的示意图(俯视图)。
26.图5是本发明多阶梯十字转门结构的示意图(纵向截面图)。
27.图6是本发明e面弯转结构的纵向剖面的结构示意图。
28.图7是本发明y型功率合成结构的纵向剖面的结构示意图(透视图)。
29.图8是本发明y型功率合成结构的纵向剖面的结构示意图(纵向截面图)。
30.图9是本发明3节切比雪夫阻抗匹配结构的示意图(透视图)。
31.图10是本发明3节切比雪夫阻抗匹配结构的示意图(纵向截面图)。
32.图11是本发明脊馈电结构的示意图(透视图)。
33.图12是本发明脊馈电结构的示意图(截面图)。
34.图13是图1所示喇叭天线的驻波比参数曲线仿真结果示意图。
35.图14是图1所示喇叭天线的增益随频率变化的曲线仿真结果示意图。
36.图15是图1所示喇叭天线在x极化激励时e面和h面的半功率波瓣宽度随频率变化的曲线示意图。
37.图16是图1所示喇叭天线在x极化激励时不同频率下的e面的主极化和交叉极化方向图。
38.图17是图1所示喇叭天线在x极化激励时不同频率下的h面的主极化和交叉极化方向图。
39.图18是图1所示喇叭天线的输入端口隔离度随频率变化曲线的仿真结果示意图。
40.图19是本发明在6.3ghz，9ghz，12ghz处的e面和h面的极坐标方向图。
41.其中a为6.3ghz，b为9ghz，c为12ghz。
具体实施方式
42.为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
43.请参阅图1至图12，本发明基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线包括轴向波纹结构1，圆波导2，多阶梯十字转门结构3，e面弯转结构4，y型功率合成结构5，3节切比雪夫阻抗匹配结构6和脊馈电结构7。为了更好地展示本发明的喇叭天线的内部结构，图1采用了透视画法。
44.为便于描述，在本发明中，以圆波导2的喇叭口面一端为“上端”或“顶端”，以其另一端为“下端”或“底端”。
45.由此，轴向波纹结构1加载设置在圆波导2的顶端，多阶梯十字转门结构3设置在圆波导2的底端。多阶梯十字转门结构3由双圆柱结构32和四个阶梯矩形波导段31构成，其中四个阶梯矩形波导段31在一端连接呈十字结构，为便于描述，在本发明中，将阶梯矩形波导段31连接在十字结构中心的一端称为“内端”，将另一端称为“外端”。该十字结构的表面与圆波导2以及双圆柱结构32的轴向均垂直。双圆柱结构32由两节圆柱沿轴向连接组成，设置在十字结构中心位置的内部。圆波导2的底端则设置在十字结构中心位置上表面。
46.阶梯矩形波导段31的外端连接一个e面弯转结构4，相对的两个e面弯转结构4之间连接y型功率合成结构5和3节切比雪夫阻抗匹配结构6，3节切比雪夫阻抗匹配结构6位于y型功率合成结构5下方，连接y型功率合成结构5与脊馈电结构7。
47.请参阅图2，本发明的一个实施例中，轴向波纹结构1是由四个不同半径的圆环隔成的三个轴向的波纹环槽。圆环从内到外依次定义为第一个到第四个，其中第一个圆环的内壁面为圆波导2的内壁面，第四个圆环的外壁面为圆波导2的外壁面。因此，也可表述为第二个圆环和第三个圆环在圆波导2的顶端间隔形成了三个波纹环槽。其中，第二个圆环和第三个圆环的半径不同。第一个圆环和第二个圆环隔出波纹环槽一11，第二个圆环和第三个圆环隔出波纹环槽二12，第三个圆环和第四个圆环隔出波纹环槽三13。三个波纹环槽的径向宽度相等，深度不相等，并且波纹环槽一11和波纹环槽二12、波纹环槽三13的底面不在同一个平面上。优选地，波纹环槽一11的深度根据6ghz频率点确定，可为6ghz波长的四分之一；波纹环槽二12的深度根据6ghz频率点确定，可为6ghz波长的四分之一；波纹环槽三13的深度根据10ghz频率点确定，可为10ghz波长的四分之一。通过上述对波纹参数的调整，能够保证在工作频带内增益的稳定，即半功率波瓣宽度在整个频带内波动要小。
48.示例地，不同半径的圆环壁厚t均为1mm，波纹环槽一11的深度d1为12.5mm；波纹环槽二12的深度d2为12.5mm；波纹环槽三13的深度d3为7mm。波纹环槽一11、波纹环槽二12和波纹环槽三13的宽度w1、w2和w3均为4.2mm。
49.请参阅图3、图4和图5，本发明的一个实施例中，多阶梯十字转门结构3中，相对的两个阶梯矩形波导段31在同一个方向上，相邻的阶梯矩形波导段31之间为垂直关系，整个多阶梯十字转门结构3呈十字结构。四个阶梯矩形波导段31的形状尺寸完全相同，每个阶梯矩形波导段31由多段高度相同、宽度由内端向外端依次递增的矩形波导依次相连构成，阶梯矩形波导段31整体呈阶梯状，能够更好地实现由大矩形波导的特性阻抗到小矩形波导特性阻抗的匹配。各矩形波导的长度由内端向外端递减。本实例中，多阶梯十字转门结构3在四个方向上都逐渐变动矩形波导宽度，其中宽度，是指沿矩形波导段31口面的宽边尺寸，四
个方向上矩形波导段宽度变化一致，用于抑制高阶模式，提升天线带宽。进一步地，通过调整矩形波导的宽度和数量抑制高阶模式，可提升喇叭天线的工作带宽。由以下矩形波导模式截止波长公式可知，不同的矩形波导尺寸，其主模以及高阶模式的截止波长不一样，通过对矩形波导宽边的尺寸进行阶梯变化，以此抑制高阶模式，拓宽纯净主模带宽。
[0050][0051]
在上述公式中，λc是模式截止波长，a是矩形波导宽边长度，b是矩形波导窄边长度，波型指数m，n分别表示电磁场沿波导宽边a和窄边b的驻波最大值的个数。
[0052]
双圆柱结构32在所述多阶梯十字转门结构3处的中心，主要是为了提高多阶梯十字转门结构3与圆波导2之间电匹配。在本实施例中，双圆柱结构32由两节同轴的圆柱组成，其中远离圆波导2的一节圆柱为下圆柱，靠近所述圆波导2的一节圆柱为上圆柱。本实施例中，下圆柱的底面与十字结构中心位置的内底面共面，而上圆柱的顶面与十字结构中心位置的内顶面则具有间距，并且，下圆柱的半径大于上圆柱的半径。
[0053]
进一步地，本发明实施例中，组成阶梯矩形波导段31的矩形波导的宽度变动差值呈三角变化，所述差值即前一个矩形波导的宽度减去后一个矩形波导的宽度，沿内端向外端，差值由低到高再到低，这种变化减小了不同尺寸矩形波导之间的反射，可改善双极化波纹喇叭天线的电匹配，实现较好的阻抗匹配效果。
[0054]
本实施例中，阶梯矩形波导段31由四段矩形波导组成，由内端向外端，各矩形波导的宽边尺寸(宽度)分别为a1＝24.5mm，a2＝25.6mm，a3＝27.3mm，a4＝28.5mm，长度分别为l1＝14.6mm，l2＝17.5mm，l3＝11mm，l4＝6.6mm。
[0055]
请参阅图6，本发明的一个实施例中，e面弯转结构4由阶梯过渡结构41、圆弧过渡结构42和矩形波导结构43构成，阶梯过渡结构41为e面弯转结构4的上弯转结构，圆弧过渡结构42为e面弯转结构4的下弯转结构。本发明中，若如前定义的“上下端”，则十字结构可连接为“水平结构”，那么，矩形波导结构43则为“竖直结构”，其靠近所述圆波导2的喇叭口面的一端为“上端”，远离所述圆波导2的喇叭口面的一端为“下端”。由此，则矩形波导结构43的上端通过阶梯过渡结构41与阶梯矩形波导段31的外端连接，下端通过圆弧过渡结构42与y型功率合成结构5以及3节切比雪夫阻抗匹配结构6连接。
[0056]
阶梯过渡结构41是由不同尺寸的矩形块构成台阶状结构，用于连接互相垂直的矩形波导，本实施例中采用了三级台阶，位于外侧连接过渡，最上一级台阶的高度为h1，宽度为w4，第二级台阶的高度为h2，宽度为w5，最下一级的高度为h3，宽度为w6。双圆弧过渡结构42由两个不同半径的圆弧连接互相垂直的矩形波导，其外侧圆弧的半径为r1，内侧圆弧的半径为r2。上弯转考虑用阶梯过渡结构41是为了便于加工，考虑到和多阶梯十字转门结构3的连接，减小用圆弧结构的加工误差。下弯转无需考虑其他因素，采用圆弧过渡最为便利。阶梯过渡结构41和圆弧过渡结构42之间通过矩形波导结构43连接，整体用于连接多阶梯十字转门结构3和y型功率合成结构5以及3节切比雪夫阻抗匹配结构6。合理调节阶梯结构的尺寸和圆弧的半径，可以减小不连续结构之间连接所造成的反射。优选地，r1＝17mm，r2＝2mm，h1＝2.6mm，h2＝2.1mm，h3＝5.5mm，w4＝5.5mm，w5＝2.1mm，w6＝2.6mm。
[0057]
本发明实施例中，e面弯转结构有4上下各四个，其中下面四个是两个不同半径的圆弧连接两个垂直的矩形波导，上面四个是由不同尺寸的矩形块构成台阶状结构，用于连接互相垂直的矩形波导。
[0058]
y型功率合成结构5由t型块实现对信号的分离，该t型块位于y型功率合成结构5的中心，两翼与矩形波导结构43的内侧边通过圆弧过渡结构42的内侧圆弧连接。请参阅图7和图8，本发明的一个实施例中，该t型块主要由三个长宽均不相同的矩形小方块一51，矩形小方块二52和矩形小方三53组成，以实现功分作用，进一步地，通过合理调节小方块的尺寸，可以实现等幅反相的功分效果。
[0059]
3节切比雪夫阻抗匹配结构6由不同尺寸的矩形波导连接构成，通过圆弧过渡结构42的外侧圆弧与矩形波导结构43的外侧边连接。请参阅图9和图10，更具体地，本发明的一个实施例中，3节切比雪夫阻抗匹配结构6主要由多级台阶组成，而台阶则由不同尺寸的矩形波导连接构成，台阶部分的设计是为了实现波导阻抗匹配，用于改善脊馈电结构7和y型功率合成结构5之间的电匹配，各台阶长度均为工作波长的四分之一。
[0060]
请参阅图11和图12，本发明的一个实施例中，脊馈电结构7包括顶部开口矩形波导76，顶部开口矩形波导76内置两个底部矩形块71，两个底部矩形块71上分别设置上脊板72和下脊板73，上脊板72和下脊板73形成渐阔开口，该渐阔开口朝向顶部开口矩形波导76的开口端，也即朝向圆波导2的喇叭口面一端，顶部开口矩形波导76的波导壁和所述上脊板72开设通孔74，馈电同轴线75从该通孔74穿过，与下脊板73连接。
[0061]
进一步地，脊馈电结构7的脊板两侧直角上均有圆角结构，圆角半径为1.5mm，考虑到加工样机时，不会有完美的90度直角，脊馈电结构处的脊宽的改变会影响馈电同轴线到矩形波导的阻抗匹配，在设计初把这误差因素考虑进来，减小实际加工样机的结果误差。
[0062]
本实施例中，矩形波导76的宽边a为28.5mm，窄边b为12.4mm，通孔74开在上脊板72和矩形波导76侧壁中间，馈电同轴线75穿过上脊板72连接下脊板73，用于匹配馈电同轴线75和矩形波导76。示例地，馈电同轴线75为特性阻抗50ω的同轴线。
[0063]
本发明双极化波纹喇叭天线针对正交模耦合器的结构做出了改变，增大了正交模耦合器的工作带宽，也就增大了天线的带宽，同时具有双极化特性、高交叉极化鉴别度和高端口隔离度。其中，在喇叭口面添加轴向波纹结构1，可以改变喇叭天线口面附近的场分布，减小口面绕射对辐射特性的影响，以实现主要辐射方向增益的稳定。正交模耦合器中的多阶梯十字转门结构3可以抑制波导内的高阶模式，使得波导内传输的受高阶模式干扰的主模带宽更宽。应用脊波导馈电，馈电同轴线穿过脊波导上脊板连接到下脊板，实现了良好的馈电同轴线阻抗到矩形波导阻抗的匹配，同时由于脊的作用，也拓宽了馈电点处的带宽。实现了宽带，高端口隔离度、高交叉极化鉴别度和频带内半功率波瓣宽度稳定等特性。
[0064]
通过仿真软件对本发明提供的基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线进行仿真实验，得到的仿真结果如图13至图19所示。
[0065]
请参阅图13，这是双极化的电压驻波比(vswr，voltage standing wave ration)随频率变化的曲线。本发明的宽带喇叭天线的工作频段为6.3ghz至12ghz，带内驻波比小于2.2，除个别频段外大部分带内驻波比小于1.8，与现有的基于正交模耦合器的喇叭天线相比具有更宽的频带宽度。
[0066]
请参阅图14，这是x极化与y极化的增益随频率变化的曲线。本发明在6.3ghz至
12ghz频段内的增益最小值为9.5dbi，增益最大值为11.5dbi，频带内增益随频率变化幅度更加平滑，增益具有良好的稳定性。
[0067]
请参阅图15，为本实施例一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线在x极化激励时e面和h面半功率波瓣宽度随频率变化的曲线图，在6.3ghz～12ghz范围内，e面半功率波瓣宽度介于46.99
°
～56.77
°
之间，h面半功率波瓣宽度介于52.82
°
～59.45
°
之间，半功率波瓣宽度在e面和h面都很稳定。
[0068]
请参阅图16和图17，为本实施例一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线在x极化激励时不同频率下的e面与h面的主极化和交叉极化方向图，在6.3ghz～12ghz范围内，不同频率下的e面和h面主极化方向图一致性良好，且e面和h面的交叉极化鉴别度均高于40db。
[0069]
请参阅图18，这是输入端口隔离度随频率变化的曲线。本发明在6.3ghz至12ghz频段内的输入端口隔离度大于45db，优于现有的四脊喇叭天线20db最小端口隔离度指标。
[0070]
请参阅图19，为本实施例一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线在x极化激励时极坐标方向图，从图中(a)、(b)和(c)可以看出，当频率在6.3ghz，9ghz，12ghz时，天线的e面和h面辐射方向图具有良好的重合度。
[0071]
综上，本发明的双极化波纹喇叭天线，通过在喇叭辐射口面添加轴向波纹结构，并对波纹的深度进行优化，使得双极化波纹喇叭天线能在较宽的频带内使得增益稳定在一定的范围内，且频带内的半功率波瓣宽度波动不大。通过对十字转门结构进行多阶梯的设计，抑制矩形波导内的高阶模式，拓宽矩形波导内的主模带宽，从而拓宽双极化波纹喇叭天线的工作带宽。通过在同轴波导转换处采用脊过渡结构，使得同轴线的阻抗平缓过渡到矩形波导阻抗，提升馈电处的电匹配。
[0072]
以上对本发明所提供的一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，包括圆波导(2)，所述圆波导(2)的喇叭口面一端加载设置轴向波纹结构(1)，另一端设置多阶梯十字转门结构(3)，所述多阶梯十字转门结构(3)由双圆柱结构(32)和四个阶梯矩形波导段(31)构成，所述四个阶梯矩形波导段(31)在一端连接，呈十字结构，所述十字结构与所述圆波导(2)以及所述双圆柱结构(32)的轴向垂直，所述双圆柱结构(32)由两节圆柱沿轴向连接组成，设置在十字结构中心位置的内部；阶梯矩形波导段(31)的另一端通过e面弯转结构(4)连接y型功率合成结构(5)，所述y型功率合成结构(5)有两个，每个y型功率合成结构(5)连接在相对的e面弯转结构(4)之间，每个y型功率合成结构(5)通过3节切比雪夫阻抗匹配结构(6)与脊馈电结构(7)连接。2.根据权利要求1所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，所述轴向波纹结构(1)由三个波纹环槽构成，所述三个波纹环槽由三个不同半径的圆环在所述圆波导(2)的喇叭口面一端间隔形成，自内向外依次为波纹环槽一(11)、波纹环槽二(12)和波纹环槽三(13)，三个波纹环槽的径向宽度相等，深度不相等。3.根据权利要求2所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，所述波纹环槽一(11)的深度为6ghz波长的四分之一；波纹环槽二(12)的深度为6ghz波长的四分之一；波纹环槽三(13)的深度为10ghz波长的四分之一。4.根据权利要求1所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，所述四个阶梯矩形波导段(31)的形状尺寸完全相同，每个所述阶梯矩形波导段(31)由多段高度相同、宽度由中心连接一端向另一端递减的矩形波导依次相连，呈阶梯状；所述双圆柱结构(32)中，两节圆柱同轴，其中远离所述圆波导(2)的一节圆柱的半径大于靠近所述圆波导(2)的一节圆柱的半径；远离所述圆波导(2)的一节圆柱的底面与十字结构中心位置的内底面共面，靠近所述圆波导(2)的一节圆柱的顶面与十字结构中心位置的内顶面具有间距。5.根据权利要求4所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，组成所述阶梯矩形波导段(31)的矩形波导的宽度变动差值呈三角变化，所述差值即前一个矩形波导的宽度减去后一个矩形波导的宽度，沿中心连接一端向另一端，差值由低到高再到低。6.根据权利要求1所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，所述e面弯转结构(4)由阶梯过渡结构(41)、圆弧过渡结构(42)和矩形波导结构(43)构成，所述阶梯过渡结构(41)为e面弯转结构(4)的上弯转结构，所述圆弧过渡结构(42)为e面弯转结构(4)的下弯转结构，所述矩形波导结构(43)靠近所述圆波导(2)的喇叭口面的一端通过所述e面弯转结构(4)与所述阶梯矩形波导段(31)的另一端连接，远离所述圆波导(2)的喇叭口面的一端通过所述圆弧过渡结构(42)与y型功率合成结构(5)以及3节切比雪夫阻抗匹配结构(6)连接；所述阶梯过渡结构(41)是由不同尺寸的矩形块构成台阶状结构，用于连接互相垂直的矩形波导；所述双圆弧过渡结构(42)由两个不同半径的圆弧连接互相垂直的矩形波导。7.根据权利要求6所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，所述y型功率合成结构(5)由t型块实现对信号的分离，t型块位于y型功率合成结构(5)的中心，所述t型块的两翼与矩形波导结构(43)的内侧边通过所述圆弧过渡结构(42)的内侧圆弧连接；所述3节切比雪夫阻抗匹配结构(6)由不同尺寸的矩形波导连接构成，通过所述圆
弧过渡结构(42)的外侧圆弧与矩形波导结构(43)的外侧边连接。8.根据权利要求1所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，所述脊馈电结构(7)包括顶部开口矩形波导(76)，顶部开口矩形波导(76)内设置上脊板(72)和下脊板(73)，上脊板(72)和下脊板(73)形成渐阔开口，该渐阔开口朝向顶部开口矩形波导(76)的开口端，也即朝向所述圆波导(2)的喇叭口面一端，所述顶部开口矩形波导(76)的波导壁和所述上脊板(72)开设通孔(74)，馈电同轴线(75)从该通孔(74)穿过，与下脊板(73)连接。9.根据权利要求8所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，所述脊馈电结构(7)的脊板两侧直角上均有圆角结构。10.根据权利要求6所述基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，其特征在于，相对的两个e面弯转结构(4)之间连接y型功率合成结构(5)和3节切比雪夫阻抗匹配结构(6)，所述3节切比雪夫阻抗匹配结构(6)位于所述y型功率合成结构(5)下方，连接y型功率合成结构(5)与脊馈电结构(7)。

技术总结
一种基于宽带正交模耦合器的双极化波纹喇叭天线，包括圆波导，圆波导的喇叭口面一端加载设置轴向波纹结构，另一端设置多阶梯十字转门结构，多阶梯十字转门结构由双圆柱结构和四个阶梯矩形波导段构成，四个阶梯矩形波导段在一端连接，呈十字结构，十字结构与圆波导以及双圆柱结构的轴向垂直，双圆柱结构设置在十字结构中心位置的内部；阶梯矩形波导段的另一端通过E面弯转结构连接Y型功率合成结构，Y型功率合成结构有两个，每个Y型功率合成结构连接在相对的E面弯转结构之间，每个Y型功率合成结构通过3节切比雪夫阻抗匹配结构与脊馈电结构连接。本发明可在保证高隔离，高交叉极化鉴别度和稳定半功率波瓣宽度的同时，提升天线的工作带宽。工作带宽。工作带宽。


技术研发人员：洪涛 陈虎 胡伟 高雨辰 姜文
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/7