CN102709678A - 一种小型化s波段垂直极化宽带偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，天线罩为中空的圆柱形筒状结构，套筒及反射底盘组件为三层台阶圆柱体，自上而下直径逐级增大，套筒及反射底盘组件中心处开有一个通孔，其中放置绝缘垫片，有源阵子为上下两节圆柱体，垂直于反射底盘的上表面，下辐射体垂直穿过介质隔套，射频连接件的内导体穿过绝缘垫片和有源阵子底部的安装通孔固定连接。本发明以较小的套筒高度尺寸、反射底盘直径和安装结构达到了小型化、宽频带工作的要求。

Description

一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线

技术领域

本发明涉及一种S波段宽频带垂直极化偶极子天线。

背景技术

目前，在高速无线移动通信领域中，数据传输及测控系统的前端天线多以偶极子形式如普通套筒单极子天线、螺旋法向模辐射天线、刀形天线等为主。这些天线往往增益较低（0dB以下）、工作频带带宽较窄(小于5%)，同时天线波束在俯仰方向很难满足3dB波束宽度在正负25度俯仰的要求。而在机载、高速列车等移动通信领域中为了扩展通信距离，满足天线垂直极化辐射、宽频带通信要求，同时也要满足小型化、制作安装简便等特性，新的垂直极化、全向辐射、宽频带、具有较高增益的天线的设计日趋重要。对于普通的套筒单极子天线，如王元坤在《线天线的宽频带技术》（王元坤、李玉权,线天线的宽频带技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995年）书中所述，普通的套筒单极子天线采用同轴线馈电，同轴线的内导体伸出作为辐射体，外导体与一四分之一波长的金属套筒相连，或是由外导体直接充当套筒，一般情况下套筒单极子天线可以具有将近10%左右的带宽。但是，普通的套筒单极子天线在制作时不宜加工实现，尤其是在低频段设计时套筒的尺寸过长，加工、安装、调试都不方便，极大地限制了该天线的使用频段范围。螺旋法向模辐射天线实际上就是一种螺旋天线，当螺旋直径与工作波长之比小于0.18倍时，螺旋天线呈现出与偶极子相似的辐射方向。螺旋法向模辐射天线的优势在于节省空间，可以在较小的安装空间内工作在较低的频率上，但是也存在天线辐射效率较低，工作频带较窄（小于2%）等缺点。刀形天线属于变形偶极子天线，其常用于高速飞行器的通信，考虑到高速运动的气流影响做成“马刀”形式，但是由于天线本身辐射体相对于标准偶极子天线变形较大，使方向图发生较大畸变，且工作带宽也受到一定程度的影响，因此刀形天线适用于对天线方向图及工作带宽要求不是特别严格的通信场合，如有人飞行器中的语音电台通信等。

发明内容

为了克服现有技术不能满足S波段通信系统天线在高速移动平台上小型化、宽频带快速安装要求的不足，本发明提供一种垂直极化宽带S波段天线，采用分段式设计改变原有天线中心有源阵子的辐射形式，在原有套筒内部加载介质隔套，以较小的套筒高度尺寸（小于五分之一波长）、反射底盘直径（小于三分之一波长）和安装结构达到了小型化、宽频带工作的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括天线罩、有源阵子、介质隔套、绝缘垫片、套筒及反射底盘组件和射频连接件。天线罩使用环氧层压玻璃布制作，为中空的圆柱形筒状结构，上端为封闭面，下端开口；套筒及反射底盘组件为三层台阶圆柱体，自上而下直径逐级增大，上圆柱内部承载介质隔套，中间圆柱固定天线罩，套筒及反射底盘组件中心处开有一个通孔，通孔直径与射频连接件内部的绝缘介质直径相同，其中放置绝缘垫片，绝缘垫片的上表面与中间圆柱体的上表面齐平；有源阵子为上下两节圆柱体，上圆柱为天线的主辐射体，下圆柱为有源阵子次辐射体及有源与射频连接件内导体相接的馈电端口；有源阵子垂直于反射底盘的上表面，下辐射体垂直穿过介质隔套，底部端面与绝缘垫片表面相切，射频连接件的内导体穿过绝缘垫片和有源阵子底部的安装通孔固定连接。射频连接件将铜轴电缆与天线可靠连接。

所述的天线罩壁厚为天线工作波长的千分之一，直径为二分之一波长，高度为四分之三波长。

所述的套筒及反射底盘组件的上圆柱壁厚千分之二波长，直径尺寸为二分之一波长，高度为五分之一波长；中间圆柱直径尺寸比上圆柱直径大百分之二波长；下圆柱直径尺寸比中间圆柱直径大百分之二波长，中间圆柱与下圆柱的厚度之和能够保证射频连接件的内导体伸出中间圆柱表面至少5mm。

所述的有源阵子的上圆柱为天线直径为波长的百分之十，高度为四分之一波长，下圆柱直径为波长的百分之二，高度与套筒及反射底盘组件中的上圆柱或介质隔套高度相同。

所述的波长为天线的工作波长。

所述的介质隔套为特氟隆材质的圆柱体，直径为套筒及反射底盘组件中上圆柱中空部分的直径尺寸，中心处开有一个直径与有源阵子下辐射体直径相同的通孔，介质隔套放置于套筒及反射底盘组件中上圆柱的中空部分，放置后其上表面与组件中上圆柱端面齐平。

所述的绝缘垫片为特氟隆材质的圆柱体，直径与套筒及反射底盘组件中心通孔直径相同，厚度为套筒及反射底盘组件中间及下圆柱厚度之和，中心开有一个直径与射频连接件内导体直径大小相同的通孔。

所述的有源阵子、套筒及反射底盘组件采用硬质铝材料。

本发明的有益效果是：采用有源阵子分段阶梯设计方式，并在天线套筒结构内部加入加载介质，将天线整体结构尺寸缩小的同时，进一步展宽工作频带。通过采用以上设计使得天线满足垂直极化、全向辐射要求，天线增益达1.5dB，天线3dB波束宽度为70°，驻波2以下频带宽度近35%。

附图说明

图1是本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线结构示意图。

图2是本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线安装结构装置示意图。

图3是本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线结构装置的装配效果透视图。

图4是本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线结构的底视图。

图5是本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线的驻波曲线图。

图6是本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线的E面方向图。

图7是本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线的H面方向图。

图中，1.天线罩，2.有源阵子，3.介质隔套，4.绝缘垫片，5.套筒及反射底盘组件，6.天线罩固定螺栓组件，7.射频连接器固定螺栓组件，8.射频连接件。

具体实施方式

本发明包括天线罩、有源阵子、介质隔套、绝缘垫片、套筒及反射底盘组件和射频连接件。天线罩使用环氧层压玻璃布制作，为中空的圆柱形筒状结构，上端为封闭面，下端开口，天线罩壁厚为天线工作波长的千分之一，在距天线罩下端千分之二波长处，天线罩壁的圆周方向上等间距开有若干个固定孔。天线罩的直径为二分之一波长，高度为四分之三波长。套筒及反射底盘组件采用一体化设计为天线系统的电流平衡匹配部件，并对天线阵子、介质隔套等起到支撑及固定作用，其整体设计为三层台阶圆柱体，上圆柱为壁厚千分之二波长的中空管状，内部承载介质隔套，其在电路形式上构成了天线的套筒，直径尺寸在二分之一波长，高度为五分之一波长。位于中间的圆柱直径尺寸比上圆柱直径大百分之二波长，作为天线罩的固定部分，下圆柱直径尺寸比中间圆柱直径大百分之二波长，中间圆柱与下圆柱在机械结构上组成了天线罩和有源阵子的支撑结构，在电路关系上形成了天线的电流平衡底盘，它们的厚度之和应保证射频连接件的内导体伸出中间圆柱表面至少5mm。在套筒及反射底盘组件的中间圆柱体的圆周方向上开有与天线罩的固定孔相对应的固定孔。套筒及反射底盘中心处开有一个通孔，通孔直径要求与射频连接件内部的绝缘介质直径相同，其中放置绝缘垫片，绝缘垫片的上表面应与中间圆柱体的上表面齐平，绝缘垫片起到对天线有源阵子的支撑和防止与反射底盘短路的作用。套筒及反射底盘组件起到对天线匹配及对天线方向图的调整作用。为了展宽工作带宽，有源阵子整体采用上下两节圆柱体设计，可使天线整体谐振工作在两个频点上。上圆柱为天线的主辐射体，直径为波长的百分之十，高度为四分之一波长，下圆柱为有源阵子次辐射体及有源与射频连接件内导体相接的馈电端口，其直径为波长的百分之二，高度与套筒及反射底盘组件中的上圆柱或介质隔套高度相同。有源阵子垂直于反射底盘的上表面，下辐射体垂直穿过介质隔套，底部端面与绝缘垫片表面相切，射频连接件的内导体穿过绝缘垫片和有源阵子底部的安装通孔固定连接。射频连接件起到将50欧的铜轴电缆与天线可靠连接的作用。

上文所述的波长为天线的工作波长。

上文所述的介质隔套为特氟隆材质的圆柱体，作为减缩天线尺寸的加载介质及支撑有源阵子的结构部件，直径为套筒及反射底盘组件中上圆柱中空部分的直径尺寸，中心处开有一个直径与有源阵子下辐射体直径相同的通孔，介质隔套放置于套筒及反射底盘组件中上圆柱的中空部分，放置后应保证其上表面与组件中上圆柱端面齐平。

所述的绝缘垫片为特氟隆材质的圆柱体，直径与套筒及反射底盘组件中心通孔直径相同，厚度为套筒及反射底盘组件中间及下圆柱厚度之和，中心开有一个直径与射频连接件内导体直径大小相同的通孔。

为减轻天线的整体重量，又能保证天线的结构强度，有源阵子、套筒及反射底盘组件采用硬质铝材料。

根据射频连接件安装要求在套筒及反射底盘组件的最底层端面中心孔位的两边各开两个孔作为射频连接件的安装孔。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

通过不断地优化调整有源阵子的高度、套筒及反射底盘组件直径大小、可以获得满足驻波及方向图要求的天线方案，具体实施方式如下：

图1为本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线天线结构的示意图。天线罩1采用厚度为1mm厚的环氧层压玻璃布制作，天线罩内径为49mm，外径为47mm，高度为62mm。

图2、3是本发明一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线安装结构装置及装配示意图。距天线罩1底端1.5mm处，在天线罩端面的圆周方向上开有6个等间距标称为M1.6的定位孔。有源阵子2整体采用上下两节圆柱体设计，上圆柱为天线的主辐射体，直径为20mm，高度为45mm，下圆柱为有源阵子次辐射体及有源与射频连接件内导体相接的馈电端口，其直径为5mm，高度为9mm，并在有源阵子2下圆柱底端中心部位开有大小为M2孔径的固定安装孔。射频连接件8采用SMA-KFD108，其内芯穿过绝缘垫片4和有源阵子2下圆柱的底端孔并通过射频连接器固定螺栓组件7与有源阵子2紧密连接。绝缘垫片4置于套筒及反射底盘组件5中心的安装孔内，起到对有源阵子2的支撑及绝缘隔离作用。套筒及反射底盘组件5设计为三层台阶圆柱体，上圆柱为壁厚2mm的中空管状，内部承载介质隔套3，直径为38mm，高度为12mm,上圆柱在电路形式上构成天线的套筒结构。中间圆柱台与底面圆柱台两层总厚度为7mm，中间圆柱台厚5mm，底面圆柱台厚度为2mm。中间圆柱台直径47mm，底面圆柱台直径为59mm，中间圆柱台与底面圆柱台起到对天线罩1固定支撑的作用和调整方向图及电流平衡作用。套筒及反射底盘组件5中心处开有一个通孔，直径为6mm，为绝缘垫片4的预留放置孔及射频连接件8SMA-KFD108内导体的安装预留孔。在套筒及反射底盘组件5底面中心孔位的两边开有两个直径大小为3mm的通孔，各相邻的通孔中心间距为10mm，两个通孔作为射频连接件8SMA-KFD108的定位安装孔。套筒及反射底盘组件5中，中间圆柱距下圆柱上表面1.5mm处开有与天线罩6个定位孔位置相同的6个定位孔，并通过天线罩固定螺栓组件6固定。射频连接件8SMA-KFD108为市售标准射频连接件，通过射频连接器固定螺栓组件7固定安装于套筒及反射底盘组件5上。绝缘垫片4为特氟隆材质的圆柱体，直径为6mm，厚度为3mm，中心开有一个直径为M2大小的通孔。介质隔套3为特氟隆材质的圆柱体，直径为34mm，厚度为12mm，中心开有一个直径为5mm大小的通孔。

Claims (8)

1.一种小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，包括天线罩、有源阵子、介质隔套、绝缘垫片、套筒及反射底盘组件和射频连接件，其特征在于：天线罩使用环氧层压玻璃布制作，为中空的圆柱形筒状结构，上端为封闭面，下端开口；套筒及反射底盘组件为三层台阶圆柱体，自上而下直径逐级增大，上圆柱内部承载介质隔套，中间圆柱固定天线罩，套筒及反射底盘组件中心处开有一个通孔，通孔直径与射频连接件内部的绝缘介质直径相同，其中放置绝缘垫片，绝缘垫片的上表面与中间圆柱体的上表面齐平；有源阵子为上下两节圆柱体，上圆柱为天线的主辐射体，下圆柱为有源阵子次辐射体及有源与射频连接件内导体相接的馈电端口；有源阵子垂直于反射底盘的上表面，下辐射体垂直穿过介质隔套，底部端面与绝缘垫片表面相切，射频连接件的内导体穿过绝缘垫片和有源阵子底部的安装通孔固定连接；射频连接件将铜轴电缆与天线可靠连接。

2.根据权利要求1所述的小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，其特征在于：所述的天线罩壁厚为天线工作波长的千分之一，直径为二分之一波长，高度为四分之三波长。

3.根据权利要求1所述的小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，其特征在于：所述的套筒及反射底盘组件的上圆柱壁厚千分之二波长，直径尺寸为二分之一波长，高度为五分之一波长；中间圆柱直径尺寸比上圆柱直径大百分之二波长；下圆柱直径尺寸比中间圆柱直径大百分之二波长，中间圆柱与下圆柱的厚度之和能够保证射频连接件的内导体伸出中间圆柱表面至少5mm。

4.根据权利要求1所述的小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，其特征在于：所述的有源阵子的上圆柱为天线直径为波长的百分之十，高度为四分之一波长，下圆柱直径为波长的百分之二，高度与套筒及反射底盘组件中的上圆柱或介质隔套高度相同。

5.根据权利要求2、3或4所述的小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，其特征在于：所述的波长为天线的工作波长。

6.根据权利要求1所述的小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，其特征在于：所述的介质隔套为特氟隆材质的圆柱体，直径为套筒及反射底盘组件中上圆柱中空部分的直径尺寸，中心处开有一个直径与有源阵子下辐射体直径相同的通孔，介质隔套放置于套筒及反射底盘组件中上圆柱的中空部分，放置后其上表面与组件中上圆柱端面齐平。

7.根据权利要求1所述的小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，其特征在于：所述的绝缘垫片为特氟隆材质的圆柱体，直径与套筒及反射底盘组件中心通孔直径相同，厚度为套筒及反射底盘组件中间及下圆柱厚度之和，中心开有一个直径与射频连接件内导体直径大小相同的通孔。

8.根据权利要求1所述的小型化S波段垂直极化宽带偶极子天线，其特征在于：所述的有源阵子、套筒及反射底盘组件采用硬质铝材料。

Images