[发明专利]一种高增益北斗通信喇叭天线及设计方法

权利要求书

1.一种高增益北斗通信喇叭天线的设计方法，其特征在于，包括如下设计步骤：

步骤1. 首先根据喇叭天线设计原理，对喇叭天线的波导和喇叭口的尺寸进行设计，以满足应用于北斗三号收发短报文的通信天线其特定工作频段以及增益需求；

北斗短报文L波段发射信号的中心频率为1.6GHz， S波段接收信号中心频率为2.5GHz；

根据北斗通信天线在发射频率1.6GHz时天线增益16dB以上，接收频率2.5GHz时天线增益20dB以上的增益设计要求，选取同时适用于L波段与S波段的矩形波导；

经由高增益北斗通信喇叭天线的设计方法设计的高增益北斗通信喇叭天线包括：

矩形波导、喇叭口以及射频输入接口；

所述矩形波导与喇叭口的小口径端相连，射频输入接口设置于矩形波导上；

喇叭口包括沿周向方向依次设置并连接的四个梯形侧壁面，四个梯形侧壁面两两相对；

定义与喇叭天线的E面相对应的一组梯形侧壁面为E侧壁面；

定义与喇叭天线的H面相对应的另一组相对的梯形侧壁面为Ｈ侧壁面；

根据天线设计要求的增益设置目标增益，计算出喇叭口的尺寸参数；

首先定义在喇叭口的大口径端处E侧壁面的边长以及H侧壁面的边长分别为D_E和D_H；

定义两个Ｅ侧壁面延长后的交线与喇叭口的大口径端面之间的垂线距离为R_E，定义两个H侧壁面延长后的交线与喇叭口的大口径端面之间的垂线距离为R_H；

定义喇叭口的小口径端处E侧壁面边线到喇叭口的大口径端面的垂线距离为L₁，喇叭口的小口径端处H侧壁面边线到喇叭口的大口径端面的垂线距离为L₂；

L₁与L₂的大小相等，且等于喇叭口的小口径端面到大口径端面之间的距离；

则喇叭口的尺寸参数求解过程如下：

根据喇叭口的大口径端在E侧壁面和H侧壁面的边长推导出喇叭天线的增益计算公式为：

G=4πS·v/λ² （1）

其中，S= D_H·D_E，口径效率v=π²v_H·v_E/8，λ表示天线的发射频率波长；

v_E、v_H分别为喇叭口的E面和H面能够达到最大增益的口径效率，其中v_E和v_H已知；计算喇叭天线达到最佳方向系数时喇叭口的E侧壁面和H侧壁面对应的D_E和D_H：

（2）

（3）

根据相似三角形关系，得到：

R_E/ L₁= D_E/( D_E-b) （4）

R_H/ L₂= D_H/( D_H-a) （5）

其中，a和b分别为矩形波导的宽度和高度，其中，参数a和b均为已知；

对于实际制作的喇叭天线，必须有：L₁= L₂，根据以上公式推导出：

L₁= L₂=( D_H-a)·D_H/3λ （6）

（7）

代入增益计算公式并整理，得：

D_H⁴- aD_H³+3bGλ²D_H/4π=3G²λ⁴/8π² （8）

将天线发射频率为1.6GHz时的目标增益、天线的发射频率波长λ以及矩形波导参数a和b，作为一组数据代入上述公式（8），得到一个D_H的值；

将天线接收频率为2.5GHz时的目标增益、天线的发射频率波长λ以及矩形波导参数a和b，作为另一组数据代入上述公式（8），得到另一个D_H的值；

取以上两个D_H的值中的较大的一个D_H的值，作为最终求解得到的D_H的值；

将最终求解得到的D_H的值代入上述公式（6）得到参数L₁以及L₂的值；

进一步将参数L₁、b以及λ代入上述公式（7）得到D_E的值；

进一步将参数D_E、L₁以及b代入上述公式（4）得到参数R_E的值；

进一步将参数D_H、L₂以及a代入上述公式（5）得到参数R_H的值；

至此，求解得到喇叭口的参数D_E、D_H、R_E、R_H 、L₁以及L₂，得到具体尺寸的喇叭口；

步骤2. 完成喇叭天线的外形与尺寸设计后，使用天线仿真软件进行射频输入接口的阻抗匹配与参数优化，以满足天线在北斗三号收发短报文工作频段内的阻抗匹配；

步骤3. 针对实际应用中的便携化需求，对高增益北斗通信喇叭天线进行折叠结构设计；

步骤3中，将喇叭口设计为可折叠结构，其包括喇叭口上段以及喇叭口下段；

其中，喇叭口下段与矩形波导连接为一体；

喇叭口上段包括沿周向方向依次设置的四个梯形侧壁，其中，四个梯形侧壁为两两相对；任意相邻的两个梯形侧壁的对应边沿之间均通过合页连接；

定义四个梯形侧壁中一组相对的梯形侧壁分别为第一梯形侧壁以及第三梯形侧壁，另一组相对的梯形侧壁分别为第二梯形侧壁以及第四梯形侧壁；

第一梯形侧壁与喇叭口下段对应于该第一梯形侧壁的边沿之间通过转轴连接，第三梯形侧壁与喇叭口下段对应于该第三梯形侧壁的边沿之间通过可开合的锁扣连接；

沿着第二梯形侧壁的对称轴位置将所述第二梯形侧壁分为对称的两段第二梯形侧壁段，其中，两段第二梯形侧壁段的对应边部之间通过合页进行连接；

沿着第四梯形侧壁的对称轴位置将所述第四梯形侧壁分为对称的两段第四梯形侧壁段，其中，两段第四梯形侧壁段的对应边部之间通过合页进行连接。