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CN108701905A - 一种喇叭天线 - Google Patents

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CN108701905A
CN108701905A CN201680082894.0A CN201680082894A CN108701905A CN 108701905 A CN108701905 A CN 108701905A CN 201680082894 A CN201680082894 A CN 201680082894A CN 108701905 A CN108701905 A CN 108701905A
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Abstract

本发明公开一种喇叭天线，包括：频率选择表面FSS，连接结构和波导管；连接结构包括第一介质板，第二介质板和介质壁，第一介质板的第一表面为表面凸起的双曲面，第二表面与介质壁相连，其中，两个表面的间距为第一介质板的厚度；介质壁呈筒状结构，介质壁的第一表面被第一介质板覆盖，介质壁的第二表面被第二介质板覆盖，其中，这两个表面的间距为介质壁的高度；第二介质板的中间位置有孔；介质壁，第一介质板和第二介质板共同构成中空结构；FSS覆盖第一介质板的第一表面；波导管的一部分插入到第二介质板的孔中。本发明公开的喇叭天线可以降低透过FSS的光束的副瓣高度，提高天线的指向性，还具有更高的辐射效率。

Description

一种喇叭天线 技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种可用于双频抛物面天线的喇叭天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，微波点到点通信的传输容量不断增大，Eband(71-76GHz，81-86GHz)频段的微波设备在基站回传网络中发挥越来越重要的作用。但是，因为Eband频段的电磁波“雨衰”特别严重，所以Eband微波单跳距离通常小于3公里。为了增大Eband微波的单跳距离，降低建站成本，有一种解决方案是将Eband频段微波设备和其他低频微波设备组合使用，当出现较大降雨时，Eband微波设备虽然无法正常工作，但是低频微波设备依然可以正常工作。
该解决方案采用双频抛物面天线，结构如图1所示，该双频抛物面天线包括主反射面，副反射面，低频馈源和高频馈源，其中，低频馈源和高频馈源均为喇叭天线的一种，在应用于其他天线结构中时，通常被称为喇叭馈源，两个馈源共用一个主反射面；将频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)用作副反射面，副反射面设计成双曲面，双曲面的虚焦点与主反射面的实焦点重合，将不同频率的馈源分置于双曲面的虚焦点和实焦点。副反射面对位于虚焦点的低频馈源发射的电磁波是透射的，对位于实焦点的高频馈源发射的电磁波是反射的，从而实现双频复用的功能。
在现有技术中，低频喇叭馈源和FSS是两个独立的器件，存在装配误差大，天线增益低，波束指向偏离视轴方向的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种喇叭天线，集成了低频喇叭馈源和FSS的功能， 解决了在现有技术中，装配误差大导致的天线增益低，波束指向偏离视轴方向的问题。
第一方面，提供一种喇叭天线，包括：频率选择表面FSS，连接结构和波导管，所述连接结构，包括第一介质板，第二介质板和介质壁，所述第一介质板的第一表面为表面凸起的双曲面，所述第一介质板的第二表面与所述介质壁相连，其中，所述第一介质板的两个表面的间距为所述第一介质板的厚度；所述介质壁呈筒状结构，所述介质壁的第一表面被所述第一介质板覆盖，所述介质壁的第二表面被所述第二介质板覆盖，其中，所述介质壁的两个表面的间距为所述介质壁的高度，所述介质壁的第一表面的面积不小于所述介质壁的第二表面的面积；所述第二介质板的中间位置有孔；所述第一介质板，所述介质壁和所述第二介质板共同构成中空结构；所述FSS覆盖所述第一介质板的第一表面；所述波导管的一部分插入到所述第二介质板的孔中。
本发明实施例提供的喇叭天线集成了FSS和低频喇叭馈源的功能，可以大幅降低与高频喇叭馈源的对准误差，降低装配难度，还具有较高的辐射效率。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述FSS的阵列排布方向与入射电磁波的极化方向成45度或135度，可以降低透过该FSS的电磁波的副瓣高度，从而降低该电磁波波束形状的劣化程度。
结合第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述第一介质板的厚度为第一频点在所述第一介质板中对应的波长的一半，其中，所述第一频点为所述FSS的透射频段的中心频点。本发明实施例可以使透射电磁波从所述第一介质板正面和背面的反射相互抵消，增加FSS对低频段的透射带宽。
结合第一方面或第一方面的第一种或第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述波导管的另一部分插入到所述中空结构中。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述喇叭天线还包括扼流槽，位于插入到中空结构中的所述 波导管的周围，所述扼流槽的槽深为第一频点在空气中对应的波长的1/4，其中，所述第一频点为所述FSS的透射频段的中心频点。本发明实施例可以使电磁波的能量更加集中地向前辐射，提高所述喇叭天线的辐射效率。
结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述扼流槽的数量不止一个，槽间距为第一频点在空气中对应的波长的1/10。在本实施例中，所述喇叭天线包括多个扼流槽，进一步提高所述喇叭天线的辐射效率。
在本发明实施例提供的方案中，喇叭天线集成了FSS和低频喇叭馈源的功能，可以大幅降低与高频喇叭馈源的对准误差，降低装配难度，而且本发明实施例提供的喇叭天线还具有较高的辐射效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的双频抛物面天线的结构示意图；
图2为现有的喇叭天线的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种喇叭天线的结构示意图；
图4为应用本发明实施例的双频抛物面天线的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的喇叭天线中FSS阵列排布方向与入射电磁波极化方向之间的关系图；
图6为电磁波分别经本发明提供的喇叭天线中的FSS与现有的FSS之后，电磁波方向图的对比图；
图7为经过采用中空连接结构的喇叭天线和采用实心连接结构的喇叭天线后，低频段电磁波的反射系数对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明的保护范围。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
当本发明实施例提及“第一”、“第二”等序数词时，除非根据上下文其确实表达顺序之意，否则应当理解为仅仅是起区分之用。
为了便于本领域技术人员的理解，本发明通过以下实施例对本发明提供的技术方案进行说明。
众所周知，喇叭天线是一种应用非常广泛的天线，图1中的低频馈源和高频馈源均为喇叭天线，现有的喇叭天线通常由实心介质块和波导管组成，如图2所示，该实心介质块为具有曲面顶的圆锥形，与曲面顶相对的尖端插入到波导管内部，与波导管相连，形成喇叭馈源。然而，在现有双频抛物面天线中，FSS和低频喇叭馈源(喇叭天线用于天线结构中通常被称为喇叭馈源)是两个独立的器件，这会导致装配误差大，进而引起天线增益降低，波束指向偏离视轴方向的问题。
本发明实施例提供一种喇叭天线300，集成了FSS和低频喇叭馈源的功能，其结构如图3所示，包括：FSS 310，连接结构320和波导管330，
连接结构320，包括第一介质板321，第二介质板322和介质壁323，第一介质板321的第一表面为表面凸起的双曲面，第一介质板321的第二表面与介质壁323相连，其中，第一介质板321的两个表面的间距为第一介质板321的厚度；介质壁323呈筒状结构，介质壁323的第一表面被第一介质板321覆盖，介质壁的第二表面被第二介质板322覆盖，其中，介质壁323的两个表面的间距为介质壁323的高度，介质壁323的第一表面 的面积不小于介质壁323的第二表面的面积；第二介质板322的中间位置有孔；第一介质板321，介质壁323和第二介质板322共同构成中空结构；FSS 310覆盖第一介质板321的第一表面；波导管330的一部分插入到第二介质板322的孔中。
应理解，第二介质板322的孔面积与波导管330的截面积一致，两者紧密结合，起到连接作用；介质壁323为筒状结构，可以是圆筒，喇叭筒等形状；另外，第一介质板321需采用对透射电磁波损耗较小的材料，采用现有喇叭天线中的介质材料即可，而第二介质板和介质壁主要起支撑作用，采用硬质材料即可，本发明实施例对此均不作限定。
本发明实施例中的FSS 310具有透射低频段电磁波，反射高频段电磁波的功能，可以采用任意具有上述功能的现有FSS，本发明实施例对此不做限定。
图3为应用了本发明实施例提供的喇叭天线300的双频抛物面天线，从图中可以看出，本发明实施例提供的喇叭天线300集成了FSS和低频馈源的功能，只需考虑喇叭天线300与高频喇叭馈源的对准，起到降低对准误差的功能，可以将该对准误差控制在±0.2mm以内。而且，采用中空结构的连接结构320，可以尽量减少电磁波在介质中传播，因为电磁波在介质中的传输损耗总是大于在空气中的传输损耗，减少电磁波在介质中传播，就等于减少无谓的损耗，增加发射出去的功率，本发明实施例提供的喇叭天线300的辐射效率可以达到98％。
可选地，作为另一个实施例，FSS 310的阵列排布方向与入射电磁波的极化方向成45度或135度，如图4所示，实线箭头表示入射电磁波的极化方向，虚线箭头表示FSS 310的阵列排布方向，由于电磁波通常为正弦波，其极化方向表现为两种相差180度的情况，就如图4中实线两端均有箭头所示，故FSS 310的阵列排布方向与入射电磁波的极化方向在某一时刻成45度，在下一时刻就可能变成135度。本发明实施例提出可以起到降低透射电磁波副瓣高度的作用。
具体的，以喇叭天线300发射的低频电磁波入射到FSS 310为例，该入射电磁波通过FSS 310时，会在FSS 310表面产生感应电流，感应电流 产生的散射电磁波和入射电磁波相互作用，形成透射电磁波。当FSS 310的阵列排布方向与入射电磁波极化方向一致(0度)或者垂直(90度)时，和极化方向一致的缝隙的两边金属没有产生感应电流，和极化方向垂直的缝隙的两边金属会产生感应电流，这时产生的散射电磁波相对于入射电磁波极化方向是不对称的，此时，透射电磁波经FSS 310之后的方向图变化结果如图5所示，无法满足欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)制定的天线方向图(Radiation Pattern Envelope，RPE)模板。而当FSS 310的阵列排布方向与入射电磁波的极化方向呈45度或者135度时，前述两个方向的缝隙的两边金属都会产生感应电流，这时形成的散射电磁波相对于入射电磁波的极化方向是对称的，此时，透射电磁波经FSS之后的方向图变化结果如图5所示，可以大幅降低透射电磁波波束形状的劣化程度，降低透射电磁波副瓣高度，满足ETSI制定的RPE模板，而且与现有的排列方向(0度或90度)相比，能量更加集中，提高了喇叭天线300的指向性，减少了对周围站点的干扰。
可选地，波导管330的另一部分插入到连接结构320中，其中，波导管330到第一介质板321的距离需要根据第一介质板321的第一表面的曲率和喇叭天线300的相位中心共同决定。这是由于FSS 310要用作双频抛物面天线的副反射面，必须要求喇叭天线300的相位中心与FSS 310的虚焦点重合，而FSS 310覆盖了第一介质板321的第一表面，曲率与第一介质板321的第一表面一致，故FSS 310的虚焦点位置可以由第一介质板321的第一表面的曲率决定；而相位中心是一个理论上的点，天线向外辐射的信号的圆心即被认为是天线的相位中心，但是由于实际天线的制作不可能完美无缺，故实际天线的相位中心通常是一个区域；在本发明实施例中，通过调节介质壁323的具体形状或者波导管330到第一介质板321的距离等，即可改变喇叭天线300的相位中心，实现FSS 310的虚焦点与天线的相位中心重合。
另外，喇叭天线300还包括扼流槽340，位于插入到中空结构中的波导管330的周围，该扼流槽340的槽深为第一频点在空气中对应的波长的 1/4，其中，第一频点为FSS 310的透射频段的中心频点。该扼流槽340可以抑制插入到中空结构中的波导管330周围的表面电流横向传播，从而使透射电磁波的能量更加集中地向前辐射，提高喇叭天线300的辐射效率。进一步地，扼流槽340的数量不止一个，多个扼流槽340的槽间距为第一频点在空气中对应的波长的1/10。在本实施例中，如果喇叭天线300包括多个扼流槽340，可以进一步集中向前辐射的透射电磁波的能量，提高喇叭天线300的辐射效率。
需要说明的是，扼流槽340的数量并不是越多越好。最接近波导管330的第一个扼流槽340效果最明显，第二至第N个扼流槽340距离波导管330越来越远，效果也越来越小，扼流槽340的数量要由实际情况决定，本发明实施例对此不做限定。
需要说明的是，频率(f)与波长(λ)的关系为v＝f×λ，其中，v表示光在介质中的速度。在真空中，v等于光速，即3×108m/s；在介质中，与该介质的折射率有关，假设介质的折射率为n，则v＝光速/n。
可选地，作为另一个实施例，第一介质板321的厚度为第一频点在第一介质板321中对应的波长的一半，其中，第一频点为FSS透射频段的中心频点。此时，第一介质板321的厚度不变，则第一介质板321的第一表面和第二表面的曲率必然一致。
由于FSS 310的低频透射带宽与第一介质板321的厚度有关，当第一介质板321的厚度为第一频点对应的介质波长的一半时，低频电磁波在从空气到介质再到空气的过程中，从第一介质板321第一表面和第二表面产生的反射将相互抵消(两者幅度相等相位相反)，可以增大FSS 310的低频透射带宽。故本发明实施例的第一介质板321的厚度为第一频点对应的介质波长一半，与其他厚度相比，可以起到增加低频段的透射带宽的作用。
另外，本发明实施例采用具有中空结构的连接结构320，而没有采用实心结构的原因，除中空结构的连接结构320可以减少电磁波损耗，提高喇叭天线300的辐射效率之外，还与低频段的透射带宽有关。图6显示了FSS对低频段电磁波的反射系数，从图中可以看出，采用实心介质时，FSS的透射带宽(反射系数在-15dB以下)在1GHz左右，采用本发明实施例 的中空结构时，FSS的透射带宽可以达到约1.85GHz，低频段的透射带宽可以得到明显地提升。
综上所述，本发明实施例将低频喇叭馈源和FSS做成一体，可以大幅降低与高频喇叭馈源的对准误差；采用中空结构的连接结构320，可以尽量减少电磁波在介质中传播，减少无谓的损耗，增大喇叭天线300的辐射效率，且相对实心介质来说，可以得到更大的低频段透射带宽；本发明实施例的FSS 310的阵列排布方向与入射电磁波的极化方向成45度或者135度，可以起到降低透射电磁波波束形状的劣化，降低透射电磁波副瓣高度的作用，进而提高喇叭天线300的指向性，减少对周围站点的干扰。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

  1. 一种喇叭天线，其特征在于，包括：频率选择表面FSS，连接结构和波导管，
    所述连接结构，包括第一介质板，第二介质板和介质壁，所述第一介质板的第一表面为表面凸起的双曲面，所述第一介质板的第二表面与所述介质壁相连，其中，所述第一介质板的两个表面的间距为所述第一介质板的厚度；所述介质壁呈筒状结构，所述介质壁的第一表面被所述第一介质板覆盖，所述介质壁的第二表面被所述第二介质板覆盖，其中，所述介质壁的两个表面的间距为所述介质壁的高度，所述介质壁的第一表面的面积不小于所述介质壁的第二表面的面积；所述第二介质板的中间位置有孔；所述第一介质板，所述介质壁和所述第二介质板共同构成中空结构；
    所述FSS覆盖所述第一介质板的第一表面；
    所述波导管的一部分插入到所述第二介质板的孔中。
  2. 根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述FSS的阵列排布方向与入射电磁波的极化方向成45度或135度。
  3. 根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述第一介质板的厚度为第一频点在所述第一介质板中对应的波长的一半，其中，所述第一频点为所述FSS的透射频段的中心频点。
  4. 根据权利要求1至3任一项所述的喇叭天线，其特征在于，所述波导管的另一部分插入到所述中空结构中。
  5. 根据权利要求4所述的喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线还包括扼流槽，位于插入到所述中空结构中的所述波导管的周围，所述扼流槽的槽深为第一频点在空气中对应的波长的1/4，其中，所述第一频点为所述FSS的透射频段的中心频点。
  6. 根据权利要求5所述的喇叭天线，其特征在于，所述扼流槽的数量不止一个，槽间距为所述第一频点在空气中对应的波长的1/10。
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