CN105428803A - 一种双旋转抛物面振子天线 - Google Patents

一种双旋转抛物面振子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双旋转抛物面振子天线，解决目前标准辐射源天线主波束方向随频率不同偏离水平方向、导致增益低的问题。本发明包含上振子、下振子、连接装置，所述上振子和下振子的外表面为相同形状的旋转抛物面。所述连接装置包含同轴连接器、内导体、绝缘体；所述绝缘体第二端的端面和所述上振子的外表面共形，作为本发明的典型实施例，旋转抛物面的旋转曲线方程的指数项系数为0.06，斜率为0.1,辐射间距为2mm，所述上振子和所述下振子的半径最大值为48.5mm，本发明的典型实施例实现了超宽带(1GHz～18GHz)范围的水平全向标准辐射场。本发明采用改变振子缝隙为曲线间隔的方式增强了超宽带振子天线在水平方向增益。

Description

一种双旋转抛物面振子天线
技术领域
本发明涉及无线电测量领域，特别是涉及一种用于RE102比对试验和电磁环境监测的标准辐射源天线。
背景技术
标准辐射源天线是RE102比对试验用标准辐射源的发射天线，用于发射超宽带水平全向辐射信号。RE102是军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求中的一项测试试验，电场辐射发射频率范围为10kHz～18GHz(本设计针对RE102试验中的高频段1GHz～18GHz进行设计)。标准辐射源天线还可以应用于电磁环境监测、屏蔽效能测试、暗室归一化场地衰减测量和场地驻波比测量。标准辐射源天线为垂直极化、水平全向的超宽带天线，目前天线形式只有超宽带振子天线，而超宽带振子天线一般有双锥天线、盘锥天线及其衍生类型。振子天线是由对称放置的两个振子组成，在垂直极化条件下为垂直方向对称放置的上振子和下振子，利用其外表面进行信号辐射和接收。从现有技术的双锥、盘锥天线性能测试结果中发现，双锥天线、盘锥天线的主波束方向随频率不同而偏向上振子方向或下振子方向，导致其在水平方向增益较低，不能满足相关试验所要求的水平全向性要求和最低功率水平要求。
发明内容
为了加强超宽带振子天线在水平方向的电磁能量束缚能力和增益，本发明提出一种双旋转抛物面振子天线，解决目前标准辐射源天线主波束方向随频率不同偏离水平方向、导致增益低的问题。
本发明的双旋转抛物面振子天线，包含上振子、下振子、连接装置。
所述上振子和下振子为导电体；所述上振子和下振子的外表面为相同形状的旋转抛物面；所述上振子和下振子的外表面的旋转曲线方程为：
y = A 2 e k x + C x
其中A为辐射间距，k为指数项系数，C为斜率
所述上振子的中部有第一安装孔；所述下振子的中部有第二安装孔；所述连接装置包含同轴连接器、内导体、绝缘体；所述同轴连接器带有法兰盘底座；所述内导体为圆柱形；所述绝缘体为圆柱形套筒；所述绝缘体的内直径等于所述内导体的直径、且等于所述第一安装孔的直径；所述绝缘体的外直径等于所述第二安装孔的直径；所述内导体的长度大于所述绝缘体的长度，所述绝缘体的长度大于所述第二安装孔的深度。
所述连接装置在装配状态下，所述内导体位于所述绝缘体的套筒内，所述内导体第一端和所述绝缘体的第一端齐平，连接于所述同轴连接器芯部；所述内导体的第二端延伸到所述绝缘体的第二端外部。
所述双旋转抛物面振子天线在装配状态下，所述连接装置通过所述第二安装孔与所述下振子配合，所述同轴连接器的法兰盘底座通过紧固螺钉与所述下振子的内表面固定连接；所述绝缘体第二端的端面接触并支撑于所述上振子的外表面，所述内导体第二端延伸至所述第一安装孔，和所述上振子接触；在装配状态下，所述绝缘体第二端露出所述第二安装孔部分的长度为辐射间距。
作为本发明进一步优化的实施例，所述内导体的外表面和所述第一安装孔的内表面有对应的螺纹；所述内导体和所述上振子通过所述螺纹连接。
作为本发明进一步优化的实施例，所述内导体的长度大于所述绝缘体的长度和第一安装孔深度之和；进一步地，在装配状态下，内导体的第二端通过紧固螺丝与上振子连接。
作为本发明进一步优化的实施例，在所述绝缘体第二端和所述上振子外表面相接触的范围，所述绝缘体第二端的端面和所述上振子的外表面共形。
作为本发明的最佳实施例，所述绝缘体采用聚四氟乙烯材质，其介电常数为2.08。
作为本发明的典型实施例，所述旋转曲线方程的指数项系数为0.06，斜率为0.1,辐射间距为2mm，所述上振子和所述下振子的半径最大值为48.5mm。
本发明有益效果如下：
本发明的实施例采用改变振子缝隙为曲线间隔的方式，增强对电磁能量的束缚，保证阻抗匹配，增强了超宽带振子天线在水平方向增益。本发明的双旋转抛物面振子天线的上振子和下振子之间的缝隙相对传统振子天线减小一个数量级，在束缚电磁能量的同时保证阻抗匹配，实现超宽带振子天线的水平全向性，并增强超宽带振子天线在水平方向的增益，超宽带双旋转抛物面振子天线可以作为标准辐射源天线，应用于RE102比对试验和电磁环境监测等试验。高增益超宽带双旋转抛物面振子天线可作为高频标准辐射源天线，用于电磁兼容性能比对、核查和故障诊断。高增益超宽带双旋转抛物面振子天线还可应用于电磁环境监测、屏蔽效能测试、暗室归一化场地衰减测量和场地驻波比测量。本发明的典型实施例实现了超宽带(1GHz～18GHz)范围的水平全向标准辐射场。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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是双旋转抛物面振子天线结构实施例(含电气封装部)，包括(a)垂直剖面图，(b)侧视图，(c)立体图；
图2是双旋转抛物面振子天线结构图，包括(a)上振子结构图，(b)下振子结构图，(c)连接装置结构图，(d)内导体、绝缘体与同轴连接器芯部一体成型；
图3是双旋转抛物面振子天线仿真模型图，包括(a)天线模型包含上振子和下振子，(b)天线模型进一步包含电气封装部，(c)天线模型进一步包含天线罩；
图4是天线驻波VSWR仿真结果图；
图5是天线17.6GHz增益水平全向性仿真结果；
图6是装配有天线罩的双旋转抛物面振子天线外形图(含电气封装部)；
图7是天线罩厚度优化仿真结果；
图8是双旋转抛物面振子天线结构图(含电气组成部分)；
图9是电气组成部分原理框图。
具体实施方式
为了实现本发明的目的，本发明实施例中提供了一种双旋转抛物面振子天线，目的在于增强超宽带振子天线在水平方向增益。下面结合说明书附图对本发明各个实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是双旋转抛物面振子天线结构实施例(含电气封装部)，包括(a)垂直剖面图，(b)侧视图，(c)立体图。双旋转抛物面振子天线的部件包含：上振子1、下振子2、连接装置3、支撑柱4、天线罩15和电气封装部16。
所述上振子和下振子为导电体；所述上振子和下振子的外表面10,20为相同形状的旋转抛物面；所述上振子和下振子的外表面的旋转曲线方程为：
y = A 2 e k x + C x 公式1
其中A为辐射间距，k为指数项系数，C为斜率
所述连接装置3的功能是天线馈电，将上、下振子匹配连接，所述支撑柱4将所述下振子与所述电气封装部16固定连接，起到支撑作用。所述天线罩15与所述电气封装部活动连接并将所述上振子和下振子的罩住，用于保护上下振子。为了尽量减小对天线辐射性能的影响，所述支撑柱4和所述天线罩15使用绝缘材料(例如聚四氟乙烯)。
图2是双旋转抛物面振子天线结构图，包括(a)上振子结构图，(b)下振子结构图，(c)连接装置。
如图2(a)所示，所述上振子的中部有第一安装孔11；
如图2(b)所示，所述下振子的中部有第二安装孔21；
如图2(c)所示，所述连接装置包含同轴连接器31、内导体33、绝缘体32；所述同轴连接器带有法兰盘底座311；所述内导体为圆柱形；所述绝缘体为圆柱形套筒；所述绝缘体的内直径等于所述内导体的直径、且等于所述第一安装孔的直径；所述绝缘体的外直径等于所述第二安装孔的直径；所述内导体的长度大于所述绝缘体的长度，所述绝缘体的长度大于所述第二安装孔的深度。
所述连接装置在装配状态下，通过连接器设计加工工艺使所述同轴连接器31、内导体33、绝缘体32紧固为一体，所述内导体位于所述绝缘体的套筒内，所述内导体第一端331和所述绝缘体的第一端321齐平，连接于所述同轴连接器芯部312；所述内导体的第二端332延伸到所述绝缘体的第二端322外部。
所述双旋转抛物面振子天线在装配状态下，所述连接装置通过所述第二安装孔与所述下振子配合，所述同轴连接器的法兰盘底座通过紧固螺钉与所述下振子的内表面固定连接，保证电接触良好；所述绝缘体第二端的端面接触并支撑于所述上振子的外表面，所述内导体第二端延伸至所述第一安装孔，和所述上振子接触；在装配状态下，所述绝缘体第二端露出所述第二安装孔部分的长度为辐射间距A。
作为本发明进一步优化的实施例，所述内导体的外表面和所述第一安装孔的内表面有对应的螺纹；所述内导体和所述上振子通过所述螺纹连接。
作为本发明进一步优化的实施例，所述内导体的长度大于所述绝缘体的长度和第一安装孔深度之和；进一步地，在装配状态下，内导体的第二端通过紧固螺丝与上振子连接，这样保证内导体与上振子的电接触良好。
作为本发明进一步优化的实施例，在所述绝缘体第二端和所述上振子外表面10相接触的范围，所述绝缘体第二端的端面和所述上振子的外表面10共形。这样保证最大限度的匹配，能够增强天线的辐射特性。
作为本发明的最佳实施例，所述绝缘体采用聚四氟乙烯材质，其介电常数为2.08。所述绝缘体的功能除了保证连接装置内外导体阻抗匹配外，还起到电隔离上下振子的作用，同时保证上下振子之间的辐射间距。
为了尽可能提高天线增益，天线尺寸应尽可能大，直至最大尺寸限制。在保证天线结构强度的前提下，采用薄壁铝结构。所述上振子和下振子采用可塑造性较好、重量较轻的锻铝6063；表面采用本色导电氧化工艺，不仅提高电性能，还能有效防止盐雾和霉菌腐蚀，从而能够承受自然环境条件，延长天线使用寿命。
如图2(d)所示内导体、绝缘体与同轴连接器芯部312一体成型，为本发明进一步优化的实施例，同轴连接器的芯部包含导体芯3121和绝缘层3122，是常规意义上同轴连接器的一部分，在使用状态下与另一端头的对应结构连通。所述连接装置的内导体、绝缘体与所述同轴连接器芯部一体成型，是指所述内导体33与所述导体芯3121材质相同、相互连接、为一整体制造；所述绝缘体32与所述绝缘层3122材质相同、相互连接、为一整体制造。
图3是双旋转抛物面振子天线仿真模型图，包括(a)天线模型包含上振子和下振子，(b)天线模型进一步包含电气封装部，(c)天线模型进一步包含天线罩。其中，上振子、下振子、聚四氟支撑柱和天线罩按照仿真优化得到的设计尺寸加工。作为本发明涉及方案的一个典型实施例，是以工作频率1GHz～18GHz内驻波不大于3、最大增益不小于0dB和水平全向性不大于2作为仿真优化目标，可以确定天线各部设计尺寸。
作为本发明的典型实施例，在工作频段1GHz～18GHz范围内，要求阻抗：50Ω；驻波≤3；增益≥0dB；全向性≤2dB；通过仿真计算优化，得到一组结构数据：公式1中：A＝2mm，k＝0.06，C＝0.1。x取值范围为0～48.5mm，x的最大值即所述上、下振子半径最大值。
在上述典型实施例中，本说明书列举天线全频段驻波和典型频点(17.6GHz)增益和方向图的仿真结果。其中，图4是天线驻波VSWR仿真结果图，图5是天线17.6GHz增益水平全向性。由仿真结果表明，天线在工作频率1GHz～18GHz内的驻波不大于2.8、在典型频点处最大增益不小于0.3dB，水平全向性不大于0.5。
图6是装配有天线罩的双旋转抛物面振子天线外形图(含电气封装部)。天线罩的结构设计，圆柱形天线罩的半径尺寸主要由天线半径尺寸决定，其厚度在保证结构强度的前提下通过仿真优化得到其最终尺寸。
图7是天线罩厚度优化仿真结果，图中表示天线罩壁厚分别为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm时在工作频段的VSWR分布。天线罩厚度较大时，VSWR值升高。综合考虑天线罩的强度因素，选择天线罩壁厚在1.5～2.5mm范围内，典型值为2mm，作为本发明的一个典型实施例。
图8是双旋转抛物面振子天线结构图(含电气组成部分)，图中5～14为电气组成部分，安装于所述电气封装部16的内部。所述电气组成部分包括激励源电路模块5、信号发生器6、供电电路模块7、SMA同轴连接器8、内置锂电池9、电源开关10、指示灯11、充电接口12、底座13、主支撑架14。其中，所述激励源电路模块5通过同轴电缆与所述信号发生器6连接，所述供电电路模块7与所述激励源电路模块5连接。所述SMA同轴连接器8包含两个端口，分别为射频输入、输出端口。所述电气组成部分通过所述内置锂电池9供电，避免外部电源带来的干扰。所述SMA同轴连接器8、电源开关10、指示灯11，充电接口12固定在所述电气封装部的内壁。所述电气组成部分通过底座13密封。以下部件均安装在所述主支撑架14上：所述激励源电路模块5、所述信号发生器6、所述供电电路模块7、所述SMA同轴连接器8、所述内置锂电池9、所述电源开关10、所述指示灯11、所述充电接口12。
图9是电气组成部分原理框图。作为一个典型实施例，信号形式为梳状谱；供电方式为内置充电锂电池。例如当本发明用作1GHz～18GHz的RE102比对试验装置时，激励源电路模块5的输出设置为1.6GHz，信号发生器6对激励源电路模块的输出进行倍频后，输出梳状波，再输出到所述双旋转抛物面振子天线的上振子和下振子。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种双旋转抛物面振子天线，其特征在于，包含上振子、下振子，
所述上振子和下振子的外表面为相同形状的旋转抛物面；
所述上振子和下振子的外表面的旋转曲线方程为：
y = A 2 e k x + C x
其中A为辐射间距，k为指数项系数，C为斜率。
2.如权利要求1所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，还包含一连接装置，
所述上振子的中部有第一安装孔；
所述下振子的中部有第二安装孔；
所述连接装置包含同轴连接器、内导体、绝缘体；所述同轴连接器带有法兰盘底座；所述内导体为圆柱形；所述绝缘体为圆柱形套筒；所述绝缘体的内直径等于所述内导体的直径、且等于所述第一安装孔的直径；所述绝缘体的外直径等于所述第二安装孔的直径；所述内导体的长度大于所述绝缘体的长度，所述绝缘体的长度大于所述第二安装孔的深度；
所述连接装置在装配状态下，所述内导体位于所述绝缘体的套筒内，所述内导体第一端和所述绝缘体的第一端齐平，连接于所述同轴连接器芯部；所述内导体的第二端延伸到所述绝缘体的第二端外部；
所述双旋转抛物面振子天线在装配状态下，所述连接装置通过所述第二安装孔与所述下振子配合，所述同轴连接器的法兰盘底座通过紧固螺钉与所述下振子的内表面固定连接；所述绝缘体第二端的端面接触并支撑于所述上振子的外表面，所述内导体第二端延伸至所述第一安装孔，和所述上振子接触。
3.如权利要求2所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，所述内导体的外表面和所述第一安装孔的内表面有对应的螺纹；所述内导体和所述上振子通过所述螺纹连接。
4.如权利要求2～3任一所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，所述内导体的长度大于所述绝缘体的长度和第一安装孔深度之和；在装配状态下，内导体的第二端通过紧固螺丝与上振子连接。
5.如权利要求2～3任一所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，在所述绝缘体第二端和所述上振子外表面相接触的范围，所述绝缘体第二端的端面和所述上振子的外表面共形。
6.如权利要求2～3任一所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，所述绝缘体采用聚四氟乙烯材质，其介电常数为2.08。
7.如权利要求1～3任一所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，所述旋转曲线方程的指数项系数为0.06，斜率为0.1,辐射间距为2mm，所述上振子和所述下振子的半径最大值为48.5mm。
8.如权利要求1～3任一所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，还包含支撑柱、天线罩和电气封装部；
所述支撑柱将所述下振子与所述电气封装部固定连接，起支撑作用；
所述天线罩与所述电气封装部活动连接并将所述上振子和下振子的罩住；
所述支撑柱和所述天线罩使用绝缘材料。
9.如权利要求8所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，所述天线罩使用聚四氟乙烯；所述天线罩壁厚在1.5～2.5mm范围内。
10.如权利要求8所述双旋转抛物面振子天线，其特征在于，还包含电气组成部分，安装于所述电气封装部的内部；
所述电气组成部分包括激励源电路模块、信号发生器、供电电路模块、SMA同轴连接器、内置锂电池、电源开关、指示灯、充电接口、底座、主支撑架；
所述激励源电路模块通过同轴电缆与所述信号发生器连接；
所述供电电路模块与所述激励源电路模块连接；
所述SMA同轴连接器包含两个端口，分别为射频输入、输出端口；
所述电气组成部分通过所述内置锂电池供电；
所述SMA同轴连接器、电源开关、指示灯，充电接口固定在所述电气封装部的内壁；
所述电气组成部分通过底座密封；
所述激励源电路模块、所述信号发生器、所述供电电路模块、所述SMA同轴连接器、所述内置锂电池、所述电源开关、所述指示灯、所述充电接口均安装在所述主支撑架上。
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