CN101587984A - 位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线 - Google Patents
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Abstract
一种无线雷达技术领域的位于圆柱导体平台上的宽频带、小型化四端口天线。本发明包括：主辐射单元、副辐射单元、馈电单元、天线支架、圆柱导体和金属圆柱体。所述主辐射单元通过一个带有螺纹的金属圆柱体来实现与天线结构的结合。馈电单元由相互对称的四根圆柱型馈线和四个馈电端口组成，均匀分布在X、Y正负轴上。副辐射单元是四个相互对称的金属圆片，与馈电单元的四根馈线连接在一起，用来实现与主辐射单元的电磁耦合。天线支架与圆柱导体连接在一起，在其内部挖出了四个均匀分布的圆柱型通孔，通孔内放置着上述的馈电单元。本发明天线可实现宽频带，在指定的无线电频率上具有较高PEAK Gain，结构紧凑，体积小，易于安装在圆柱导体平台上。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线雷达技术领域的天线，尤其是一种位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，未来环境日益复杂，要求精确制导武器能在复杂的背景和强干扰下准确地截获、跟踪目标。精确制导技术用于导弹末制导能有效提高导弹的突防能力和作战效能。导弹末制导系统(导引头)是决定导弹武器系统最终作战效果的重要因素之一。例如，目前许多国家都在为发展下一代飞航导弹进行进一步的技术准备；美国等西方武器强国则已将许多新技术付诸应用，如自动目标识别(ATR)技术已投入战场数年。以SLAM2ER、战术战斧、SCALP2EG/风暴前兆、金牛座KEPD2350为代表的新型飞航(巡航)导弹等武器的投入使用，标志着导弹末制导技术的发展呈现出新的发展趋势。然而，每一种制导方式都有其自身的特点，在使用时也受到一定限制，因此在选用制导体制时，要根据导弹的作战使命和使用条件来具体选择。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利6337670B1以引介方式介绍了一种全方位宽频带天线。根据该公开，天线具有设置在载体上的四方的很大的接地平面，在4个角上分别设置了螺旋发射天线，天线的纵向正交于接地平面。4个螺旋形发射天线通过对角线方向的导线互相电并联，导线在设置发射天线的载体的中心点相交，这些导线长度(近似等于四分之一波长)可用于天线的阻抗匹配。但是，根据美国专利说明书的天线具有很大的体积，出于这个原因其使用受到很大的限制。此外，其设计成单频带天线，这样就不能用于双频带。
检索中还发现，Zhong Lingling等人发表在2007年亚太微波会议(Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2007)上的文章：一种新型超宽带宽波束圆极化天线(Novel Ultrawide-band Wide Beam CircularPolarization Antenna)，提出了一种超宽带的圆极化天线结构，虽然实现很好的超宽带性能，但其极化特性仅局限在圆极化模式，相比之下应用不够广泛。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提出一种位于圆柱导体平台上的宽频带、小型化四端口天线，为制导武器领域的无源探测技术提供一个工程上易实现且性能价格比较高的解决方案。该四端口天线具有独一无二的三维空间结构，采用相控阵雷达中的单脉冲测角理论，应用主副辐射单元结构，有效地展开了带宽，进而在保证天线小型化的基础上，实现宽频带和双频带的性能。同时，本发明天线通过不同的馈电方式可以形成不同的极化模式，在指定的无线电频率上具有较高PEAK Gain，结构紧凑，体积小，易于安装在圆柱导体平台中，可以达到较强的定向性能等。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：主辐射元件、副辐射元件、馈电单元和天线支架、圆柱导体、圆柱金属体，所述的主辐射元件与圆柱金属体连接在一起，副辐射元件的下表平面位于天线支架的上表平面处，同时与馈电单元中的圆柱馈线上表面相连接，馈电单元位于天线支架内的四个圆柱孔径中，其中的圆柱型馈线的上表平面与副辐射元件连接在一起，下表平面与馈电端口连接在一起，馈电端口另一端则与圆柱导体的上表平面相连接，天线支架的下表平面位于三维坐标系的水平面XY平面上，与圆柱导体的上表平面相连接，以坐标轴原点为中心点。
所述的主辐射元件中心有一个圆柱型通孔，主辐射元件在三维坐标系的垂直轴Z轴向高度是可调。
所述的副辐射元件的四个中心点均匀分布在圆心位于三维坐标系的垂直轴Z轴上的一个圆周上，各自位于三维坐标系的水平面XY平面的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，并相互对称。
所述的馈电单元的四个中心点均匀分布在圆心位于三维坐标系的垂直轴Z轴上的一个圆周上，各自位于三维坐标系的水平面XY平面的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，并相互对称；馈电单元的四个馈电端口均为集总馈电端口。
所述天线支架是一个圆环体结构，在其内部中心位置是一个半径小于天线支架内环半径的带有螺纹结构的金属圆柱体。
所述天线支架的内部有四个圆柱孔径，且四个圆柱孔径的中心点均匀分布在圆心位于三维坐标系的垂直轴Z轴上的一个圆周上，各自位于三维坐标系的水平面XY平面的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，并相互对称。
所述圆柱导体是一个由8个部分相互连接而组成的不均匀金属体，各个部分的对称中心点均在三维坐标系的垂直轴Z轴上，并且，其中的末端部分是六根金属长方体。
金属圆柱体与圆柱导体的上表面连接在一起，位于环形的天线支架中心处。
所述的金属圆柱体中心处有一个圆柱型通孔，因此是一个圆柱环型结构，金属圆柱体带有螺纹，其下表平面位于三维坐标系的水平面XY平面上，由于其半径小于天线支架的内环半径，因而在金属圆柱体与天线支架之间仍留有一个环空间。
本发明通过调节主辐射单元的垂直轴Z轴向高度、馈电端口激励值的幅度和相位可调整天线的驻波比及辐射方向图。馈电端口是集总馈电端口，通过不同的激励值和激励相位进行控制，从而实现结果分析和目标探测。主辐射单元的高度可调范围为32.25mm～34.85mm。
本发明首先通过馈电端口将TEM波传输给副辐射单元，副辐射元件将电磁能量耦合到主辐射元件，由主辐射元件向外辐射能量。
本发明和现有发明相比较：现有的宽频带天线的设计主要采用简单的平面贴片结构，实现宽频带和小型化，却也只能形成单一的方向图特性，极化的多样性受到限制；或者是采用了复杂的立体多端口结构实现宽频带和多样的辐射特性，却因其较大的尺寸而局限了应用范围。而本发明的优势是首先采用相控阵雷达中的单脉冲测角理论，同时采用了主副辐射单元结构，有效地展开了带宽，而且，由于双个频段的解决方案共用同一物理实体，因而有效地实现了小型化，进而能在保证天线小型化的基础上，实现宽频带的性能。其次，本天线结构通过采用四个端口进行目标方位探测的天线解决方案，可形成多种极化模式。最后，本发明的天线结构中主辐射单元的垂直轴Z轴向高度可进行微调，从而得到理想的驻波系数。与此同时，本发明天线在指定的无线电频率(f＝1.2GHz)上具有较高PEAKGain，结构紧凑，体积小，制作成本低，易于安装在圆柱导体平台上。
附图说明
图1是本发明的坐标定义示意图；
图2是本发明的正面结构示意图；
图3是本发明的侧面结构示意图；
图4是本发明的侧面结构示意图；
图5是本发明的回波损耗曲线；
图6是本发明的传输函数曲线；
图7是本发明的在频率f＝1.2GHz上，A、C和D端口(即1、3、4端口)接匹配负载时，B端口(即2端口)的增益幅度方向图；
其中(a)Phi＝0deg时，(b)Phi＝90deg时。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1～图4所示，本实施例包括：圆柱导体5、主辐射元件1、副辐射元件2、馈电单元3和天线支架4，所述主辐射元件1通过一个带有螺纹的圆柱金属体6来实现与整个天线结构的结合，副辐射元件2与馈电单元3中的馈线连接在一起，馈电单元一端与副辐射元件2连接，另一端与圆柱导体5相连接，天线支架4底面与圆柱导体5相接合。
所述圆柱导体5由8个不均匀金属体A、B、C、D、E、F、G、H组成，第1个部分A的上表平面在三维坐标系水平面XY平面上的两根XY轴上，挖去以该部分的圆心为中心的圆柱体，从第1个部分A到第8个部分H均为不相同的结构，顺序相连接，但都在中心位置挖去了半径一致的圆柱体，整个圆柱导体5是三维坐标系的垂直轴Z轴作为中心对称轴。
所述主辐射元件1是一个圆环型金属贴片结构；以三维坐标系原点为参考点，与一个带有螺纹结构的金属圆柱体6连接在一起，该金属圆柱体6是一个带有螺纹的圆柱环型结构，其下表平面位于坐标系水平面XY平面上，与圆柱导体5连接在一起。
所述副辐射元件2是四个小金属圆柱体，下表平面与三维坐标系中水平面XY平面平行，正好位于天线支架4的上表平面处，与馈电单元3中的馈线上表面相连接，同时，四个小金属圆柱的中心点均匀分布在圆心位于垂直轴Z轴上的一个圆周上，即各自位于水平面XY平面上的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，并相互对称。
所述馈电单元3是由四根作为馈线的金属圆柱体，以及四个50Ω阻抗匹配馈电端口组成，均匀分布在圆心位于Z坐标轴的一个圆周上，即各自位于水平面XY平面上的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，相互对称。馈电单元3位于天线支架4内部挖出的四个圆柱小通孔中，其中的圆柱型馈线的上表平面与副辐射元件2连接在一起，下表平面与50Ω阻抗匹配馈电端口连接在一起，馈电端口另一端则与圆柱导体5的第1部分A相连接。所述四个馈电端口可以采用和或者差馈电的方式进行馈电。
所述天线支架4是一个材料为聚四氟乙烯的圆柱环型结构，下表平面位于三维坐标系的水平面XY平面上，与圆柱导体5相连接，同时，在天线支架4内部，挖出了四个圆柱型通孔，放置着馈电单元3，该圆柱通孔各自均匀分布在水平面XY平面上的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，相互对称。
本实施例通过调节主辐射单元1的Z向高度、馈电单元3的端口激励值的幅度和相位可调整天线的驻波比及辐射方向图。馈电单元3的端口是集总馈电端口，通过不同的激励值和激励相位进行控制，从而实现结果分析和目标探测。
实例一：
图4是本实施例的天线(包括圆柱导体平台)的侧面结构示意图，具体尺寸为：主辐射元件1外半径为46.08mm、内半径为10mm、垂直轴Z轴向厚度为2.25mm；主辐射元件1位于垂直轴Z轴向高度34.85mm处，金属圆柱体6的垂直轴Z轴向高度为32.6mm、外半径为18mm、内半径为10mm；副辐射元件2各部分半径均为7.2mm、厚度为0.3mm；馈电单元3的馈线半径为2.7mm、垂直轴Z轴向高度为29.2mm，四个50Ω阻抗匹配馈电端口垂直轴Z轴向高度为0.8mm，馈电单元3中四个小部分均匀分布在半径为50mm的圆上；天线支架4的垂直轴Z轴向高度为30mm、外半径为56.5mm、内半径为40mm、材料为聚四氟乙烯(介电常数2.2，损耗角正切值为0.0009)，在天线支架4内部，距离原点距离50mm的位置处，挖出了四个半径为2.7mm、Z向高度为30mm的圆柱型通孔。天线部分(不包括圆柱导体)的尺寸为113mm×113mm×34.85mm。
图5是图4中天线的回波损耗曲线，此天线在天线尺寸较小的情况下实现了在-10dB处较好的宽频带特性。
图6是图4中天线的传输函数曲线，四个端口间具有-11dB以下的隔离度。
图7是图4中天线按照图1中的坐标及端口定义，在频率f＝1.2GHz上，A、C和D端口(即1、3、4端口)接匹配负载时，B端口(即2端口)的增益幅度方向图，(a)Phi＝0deg时，(b)Phi＝90deg。仿真与测试结果很吻合，其它三个端口由于对称性，也具有相同的特性，为以后会应用到的多极化特性及定位能力提供了较好基础。
根据该测试结果，本实施例天线具有较宽的频带、较高的驻波比及增益值。因为该天线尺寸和厚度都较小，容易结合到圆柱导体上。此外，因为该天线结构简单并容易生产，所以该天线的制作成本较低。
Claims (10)
1、一种位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，包括：主辐射元件(1)、副辐射元件(2)、馈电单元(3)和天线支架(4)，其特征在于，还包括：圆柱导体(5)、圆柱金属体(6)，所述的主辐射元件(1)与圆柱金属体(6)连接在一起，副辐射元件(2)的下表平面位于天线支架(4)的上表平面处，同时与馈电单元(3)中的圆柱馈线上表面相连接，馈电单元(3)位于天线支架(4)内的四个圆柱孔径中，其中的圆柱型馈线的上表平面与副辐射元件(2)连接在一起，下表平面与馈电端口连接在一起，馈电端口另一端则与圆柱导体(5)的上表平面相连接，天线支架(4)的下表平面位于三维坐标系的水平面XY平面上，与圆柱导体(5)的上表平面相连接，以坐标轴原点为中心点。
2、根据权利要求1所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，所述的主辐射元件(1)中心有一个圆柱型通孔，主辐射元件(1)在三维坐标系的垂直轴Z轴向高度是可调。
3、根据权利要求1所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，所述副辐射元件(2)的四个中心点均匀分布在圆心位于三维坐标系的垂直轴Z轴上的一个圆周上，各自位于三维坐标系的水平面XY平面的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，并相互对称。
4、根据权利要求1所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，所述馈电单元(3)的四个中心点均匀分布在圆心位于三维坐标系的垂直轴Z轴上的一个圆周上，各自位于三维坐标系的水平面XY平面的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，并相互对称。
5、根据权利要求1所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，馈电单元(3)的四个馈电端口均为集总馈电端口。
6、根据权利要求1所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，所述天线支架(4)是一个圆环体结构，在其内部中心位置是一个半径小于天线支架(4)内环半径的带有螺纹结构的金属圆柱体(6)。
7、根据权利要求1或者6所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，所述天线支架(4)的内部有四个圆柱孔径，且四个圆柱孔径的中心点均匀分布在圆心位于三维坐标系的垂直轴Z轴上的一个圆周上，各自位于三维坐标系的水平面XY平面的正Y轴、负Y轴、负X轴、正X轴上，并相互对称。
8、根据权利要求1所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，所述圆柱导体(5)是一个由8个部分相互连接而组成的不均匀金属体，各个部分的对称中心点均在三维坐标系的垂直轴Z轴上，并且，其中的末端部分是六根金属长方体。
9、根据权利要求1所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，金属圆柱体(6)与圆柱导体(5)的上表面连接在一起，位于环形的天线支架(4)中心处。
10、根据权利要求1或者9所述的位于圆柱导体平台上的宽频带小型化四端口天线，其特征是，所述的金属圆柱体(6)，其中心处有一个圆柱型通孔，因此是一个圆柱环型结构，金属圆柱体(6)带有螺纹，其下表平面位于三维坐标系的水平面XY平面上，在金属圆柱体(6)与天线支架(4)之间仍留有一个环空间。
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