CN107342455B - 一种采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，包括两块金属板（1）、由两个单极子天线组成的馈源天线（2）、反射面（3）、过渡结构（4）和支撑结构（5），其中馈源天线（2）和反射面（3）均设置于平行放置的两块金属板（1）之间，且馈源天线（2）与反射面（3）位于金属板（1）的两端呈对立设置；所述过渡结构（4）的一端固定连接于金属板（1）的一端，且过渡结构（4）的另一端向自由空间延伸；所述支撑结构（5）由设置于两块金属板（1）的两侧以将两块金属板支撑起来的金属圆柱组成。本发明能够实现扇形波束最终实现水平扫描功能，而且体积较小巧，制作成本较低廉，极大地降低了成本，能量较集中，性能较优越。

Description

一种采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线
技术领域
本发明涉及一种采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，属于射频天线的技术领域。
背景技术
采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线使整个系统能够实现扇形波束，最终实现水平扫描功能，而且具有体积较小巧，能量较集中，性能较优越等特点，广泛应用于雷达和远程微波通信系统等领域。
目前，现有的扫描天线通常具有结构较复杂和制造价格昂贵、支撑不稳定等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，解决现有的扫描天线通常具有结构较复杂和制造价格昂贵、支撑不稳定等的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，包括两块金属板、由两个单极子天线组成的馈源天线、反射面、过渡结构和支撑结构，其中馈源天线和反射面均设置于平行放置的两块金属板之间，且馈源天线与反射面位于金属板的两端呈对立设置；所述过渡结构的一端固定连接于金属板的一端，且过渡结构的另一端向自由空间延伸；所述支撑结构由设置于两块金属板的两侧以将两块金属板支撑起来的金属圆柱组成。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述两个单极子天线幅度相同且相位相差90°。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述两个单极子天线之间相隔天线四分之一个波长的距离设置。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述馈源天线的相位中心位于反射面的主焦点上。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述反射面的高度等于两块金属板之间的距离。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述过渡结构采用张角型过渡结构。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述过渡结构由金属薄片构成。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述金属薄片至少为两个。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述金属薄片为铜片。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述支撑结构由四根等距设置的金属圆柱组成。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
1、本发明所提供的采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，结构简单、便于加工制作，该天线使用两块尽可能小的金属板将馈源与反射面置于其中，本发明将两个单极子天线作为馈源天线以及反射面放置于两块金属板中间，使整个系统能够实现扇形波束，最终实现水平扫描功能，而且体积较小巧，制作成本较低廉，极大地降低了成本，能量较集中，性能较优越。
2、本发明所采用的过渡结构从两个金属板的一侧逐渐向自由空间展开，可以使得电磁波从金属板内部传输到自由空间时平滑过渡而反射较小。
附图说明
图1为本发明采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线的立体图。
图2为本发明采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线的俯视图。
图3为本发明采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线的左视图。
图4为本发明采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线的主视图。
图5是本发明利用HFSS软件计算的天线进行阻抗匹配后的
Figure DEST_PATH_IMAGE001
特性曲线示意图。
图6是本发明利用HFSS软件计算的天线进行阻抗匹配后的增益曲线示意图。
图7是本发明利用HFSS软件计算的天线进行阻抗匹配后的H面方向图。
图8是本发明利用HFSS软件计算的天线进行阻抗匹配后的E面方向图。
其中附图标记解释：1-金属板，2-单极子天线，3-反射面，4-过渡结构，5-支撑结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明设计了一种采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，包括两块金属板1、由两个单极子天线组成的馈源天线2、反射面3、过渡结构4和支撑结构5，其中所述两块金属板1平行放置，馈源天线2和反射面3均设置于平行放置的两块金属板1之间，且馈源天线2与反射面3位于金属板1的两端呈对立设置；所述过渡结构4的一端固定连接于金属板1的一端，且过渡结构4的另一端向自由空间延伸；所述支撑结构5由设置于两块金属板1的两侧以将两块金属板支撑起来的多个金属圆柱组成，所述金属圆柱的数量可根据金属板1的长度而设置，本实施例中给出采用4根金属圆柱。本发明将两个单极子天线作为馈源天线2以及反射面3放置于两块金属板1中间，使整个系统能够实现扇形波束，最终实现水平扫描功能，而且体积较小巧，制作成本较低廉，极大地降低了成本能量较集中，性能较优越。
其中，本实施例采用厚度为2mm的金属板，本发明不对其进行限定。
优选地，对于本实施例中，所述馈源天线2可以采用两个单极子天线组成，利用等幅度相位相差90°的两个单极子天线可以增强辐射作用。所述两个单极子天线幅度相等且相位相差90°，可以使得馈源天线2的信号强度增加，能够实现扇形波束，最终实现水平扫描功能。进一步地，所述两个单极子天线之间相隔天线的四分之一个波长距离而设置，可以提高馈源定向辐射的效果。
优选地，本实施例中所述馈源天线2的相位中心位于反射面3的主焦点上，如图2所示的俯视图中，馈源天线2的相位中心位于反射面3的主焦点上，由此使得馈源天线2和反射面3可以正对地相对设置，可以使得波束在正对的反射面3上有效反射，提高反射效果。
本发明中，优选地，所述反射面3位于两块金属板1中间时，优选地，所述反射面3的高度等于两块金属板1之间的距离，使得反射面3位于两块金属板1中间利用尽可能小的金属板1来接收馈源天线2辐射出的绝大部分能量。以及，反射面的形状可以是抛物线型，圆弧型，双曲线型等，利用抛物反射面可以更宽泛地接收到反射光束，但本发明不限于该种结构的抛物反射面，其他结构的反射面同样适用于本发明中。
本发明的天线中，所述过渡结构4优选采用张角型过渡结构，如图1和图3、图4所示，过渡结构从金属板1的一侧逐渐向自由空间展开，可以使得电磁波从两块金属板1中间传输到自由空间时平滑过渡而反射较小。进一步地，所述过渡结构4可以由金属薄片构成，以及所述金属薄片至少为两个，本实施例中所采用的结构为两个金属薄片构成，两个金属薄片呈非平行且相对向内设置，使得其之间形成张角型空间，但本发明不限于该种方式，本发明不对其进行限定。所述金属薄片优选采用铜片。
本发明的天线中，所述支撑结构5优选采用金属圆柱，如图1和图3、图4所示，支撑结构将两块金属板支撑起来，以保证两块金属板中间的距离处处相等，本实施例中优选将所述支撑结构5由四根等距设置的金属圆柱组成，以提高支撑作用，降低支撑结构的复杂度，但本发明不限于该种结构和材料，本发明不对其进行限定。
本发明的扫描天线的工作原理是：在上下两块平行金属板中间，将同轴线的内导体伸出来作为单极子，用同轴线进行馈电，由两个单极子天线辐射的柱面波经过反射面反射以后在整个天线口径面上形成了相位相同的平面波，最后通过金属板一侧的过渡结构平滑地过渡到自由空间。
如图5所示，给出了本发明单极子馈电扇形波束水平扫描天线的金属板按厚度为2mm设计时，利用HFSS软件计算的天线
Figure 452847DEST_PATH_IMAGE001
特性曲线示意图。由图3可知，在进行阻抗匹配之后，天线的-10dB阻抗带宽约为11.0%，即34.5至38.5GHz。
如图6所示，给出了本发明单极子馈电扇形波束水平扫描天线在34.5至38.5GHz增益变化曲线示意图，从图中可以看出该天线增益基本在17.7dB以上。
如图7所示，给出了本发明单极子馈电扇形波束水平扫描天线的H面方向图。由图7可知，天线在水平面内具有较窄的波束宽度。
如图8所示，给出了本发明单极子馈电扇形波束水平扫描天线的E面方向图。由图8可知，天线在垂直面内具有较宽的波束宽度，可以实现垂直面较好的覆盖。
综合对比图7和图8，可看出本发明的扫描天线的增益较高，能量较集中，可以实现水平面内扫描的功能。
综上，本发明的单极子馈电扇形波束水平扫描天线能够实现水平方向较宽范围内的扫描，而且天线结构对称简单，易于加工制作。因此本发明有着广泛的应用前景。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，其特征在于，包括两块金属板(1)、由两个单极子天线组成的馈源天线(2)、反射面(3)、过渡结构(4)和支撑结构(5)，其中馈源天线(2)和反射面(3)均设置于平行放置的两块金属板(1)之间，且馈源天线(2)与反射面(3)位于金属板(1)的两端呈对立设置；所述过渡结构(4)的一端固定连接于金属板(1)的一端，且过渡结构(4)的另一端向自由空间延伸；所述支撑结构(5)由设置于两块金属板(1)的两侧以将两块金属板支撑起来的金属圆柱组成；
两个单极子天线幅度相同且相位相差90°；两个单极子天线之间相隔天线四分之一个波长的距离设置；馈源天线(2)的相位中心位于反射面的主焦点上。
2.根据权利要求1所述采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，其特征在于：所述反射面(3)的高度等于两块金属板(1)之间的距离。
3.根据权利要求1所述采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，其特征在于：所述过渡结构(4)采用张角型过渡结构。
4.根据权利要求1所述采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，其特征在于：所述过渡结构(4)由金属薄片构成。
5.根据权利要求4所述采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，其特征在于：所述金属薄片至少为两个。
6.根据权利要求4所述采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，其特征在于：所述金属薄片为铜片。
7.根据权利要求1所述采用单极子馈电的扇形波束水平扫描天线，其特征在于：所述支撑结构(5)在金属板(1)每侧的金属圆柱数量为四根，且四根金属圆柱等距设置。
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Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS INSTITUTE AT NANTONG Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980006914

Denomination of invention: A sector beam horizontal scanning antenna fed by monopole

Granted publication date: 20200724

License type: Common License

Record date: 20201021