CN107611582A - 一种小口径高增益宽频带的介质棒天线 - Google Patents

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林澍
毛宇
毕延迪
刘冠君
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Abstract

本发明提供一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，属于无线电技术领域。所述天线包括馈电结构、传输波导和介质棒透镜；馈电结构的连接端与传输波导的一端连接，所述介质透镜的一端插入传输波导的另一端内；所述馈电结构的连接端采用阶梯块结构实现。质透镜包括匹配段、过渡段、传输段和辐射段，所述匹配段、过渡段、传输段和辐射段依次连接为一体，匹配段用于插入传输波导的另一端内。本发明通过引入阶梯形块结构实现阻抗带宽的提高，通过介质棒结构优化设计，实现了宽频带的高增益的定向辐射。

Description

一种小口径高增益宽频带的介质棒天线
技术领域
本发明涉及一种介质棒天线，具体涉及一种定向辐射天线，属于无线电技术领域。
背景技术
为了实现天线的最小测试距离的缩减，需要将天线的口径缩小，而口径缩小则会带来天线增益的降低。
为提高口径天线的增益，加载透镜是一种十分有效的手段。但是增益的提高往往伴随着天线口径尺寸的拉高，因而也就提高了天线的最小测试距离，这对于使用小型暗室的测量工作十分不利。
因此为了解决口径尺寸与增益的矛盾，介质棒加载透镜受到了广泛关注，这些介质棒加载型天线往往是在波导口面直接加载，导致天线带宽较低，无法充分发挥介质棒的宽带优势。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种小口径高增益宽频带的介质棒天线。
本发明的一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，所述天线包括馈电结构1、传输波导2和介质棒透镜3；
馈电结构1的连接端与传输波导2的一端连接，所述介质透镜的一端插入传输波导2的另一端内；
所述馈电结构1的连接端采用阶梯块结构实现。
优选的是，所述介质透镜包括匹配段、过渡段、传输段和辐射段，所述匹配段、过渡段、传输段和辐射段依次连接为一体，匹配段用于插入传输波导2的另一端内。
优选的是，所述匹配段由楔形槽和矩形块组合而成，楔形槽的槽口朝向传输波导2，楔形槽的尾端与矩形块的一端连接，所述过渡段为圆台结构，过渡段的大端与矩形块的另一端连接，所述传输段为圆台结构，过渡段的小端与传输段的大端连接，所述辐射段为半圆球结构，传输段的小端与辐射段的圆截面连接。
优选的是，所述传输段大端的半径初值为介质波导主模HE11模的单模工作最大直径d2。优选的是，所述楔形槽的长度为15.5mm，矩形块的长度为9.2mm；
过渡段为高10mm的圆台，大端直径为4.68mm，小端直径为10.7mm；
传输段为高44mm的圆台，大端直径为10.7mm，小端直径为2mm；
辐射段为直径为2mm的半圆球。
优选的是，所述阶梯块结构采用四个台阶实现，四个台阶的高度相等，四个台阶的总高为2.87mm，每个阶梯块的宽为2.6mm，阶梯块总长5mm，阶梯块的高端距传输波导2的端面的距离为0.7mm。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明提出一种同轴线平行馈电的小口径介质棒天线，通过引入阶梯形块结构实现阻抗带宽的提高，通过介质棒结构优化设计，实现了宽频带的高增益的定向辐射。
附图说明
图1为本发明具体实施方式所述天线的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式所述介质棒透镜的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式所述馈电结构的连接端的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式所述天线的|S11|仿真结果；
图5为本发明具体实施方式所述天线的增益仿真结果；
图6为本发明具体实施方式所述天线在18GHz处的方向图仿真结果；
图7为本发明具体实施方式所述天线在24GHz处的方向图仿真结果；
图8为本发明具体实施方式所述天线在30GHz处的方向图仿真结果；
图9为本发明具体实施方式所述天线在36GHz处的方向图仿真结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，所述天线包括馈电结构1、传输波导2和介质棒透镜3；
馈电结构1的连接端与传输波导2的一端连接，所述介质透镜的一端插入传输波导2的另一端内；
所述馈电结构1的连接端采用阶梯块结构实现。
馈电结构1起到了阻抗匹配和抑制高次模的作用，进入波导内的能量通过波导内的楔形结构进入介质棒透镜3，介质棒透镜3的过渡段使介质棒透镜3的直径快速减小以抑制除主模HE11模之外的其它模式的传播，介质棒透镜3的传输段使能量尽量集中在介质棒透镜3内传输至辐射段并产生较强的定向辐射。
本实施方式引入的阶梯块结构能够显著提高阻抗带宽。本实施方式的馈电结构1为50Ω同轴线平行馈电，这样做的目的是使天线的结构更加紧凑。
本实施方式的传输波导2采用WR42型波导；介质棒透镜3的材料为聚四氟乙烯，介电常数为2.3。
优选实施例中，如图2所示，本实施方式的介质透镜包括匹配段、过渡段、传输段和辐射段，所述匹配段、过渡段、传输段和辐射段依次连接为一体，匹配段用于插入传输波导2的另一端内。
优选实施例中，所述匹配段由楔形槽和矩形块组合而成，楔形槽的槽口朝向传输波导2，楔形槽的尾端与矩形块的一端连接，所述过渡段为圆台结构，过渡段的大端与矩形块的另一端连接，所述传输段为圆台结构，过渡段的小端与传输段的大端连接，所述辐射段为半圆球结构，传输段的小端与辐射段的圆截面连接。
优选实施例中，所述传输段大端的半径初值为介质波导主模HE11模的单模工作最大直径d2，计算结果为4.68mm，在此基础上优化结果增益最高为16dBi。
具体实施例：本实施例给出了括馈电结构1的连接端及介质棒透镜3的具体尺寸：
所述阶梯块结构采用四个台阶实现，四个台阶的高度相等，四个台阶的总高h为2.87mm，每个阶梯块的宽为2.6mm，阶梯块总长a2为5mm，阶梯块的高端距传输波导2的端面的距离a1为0.7mm。
所述楔形槽的长度I1为15.5mm，矩形块的长度I2为9.2mm；
过渡段为高10mm的圆台，大端直径为4.68mm，小端直径为10.7mm；
传输段为高44mm的圆台，大端直径为10.7mm，小端直径为2mm；
辐射段为直径为2mm的半圆球。
如图2所示，s1＝10mm，s2＝44mm，s3＝1mm，d1＝10.7mm，d2＝4.68mm，d3＝2mm；
如图4至图9所示，本实施例在18～36GHz的频率范围内天线的反射系数低于-10dB，相对带宽达到了66.7％，这是采用阶梯块产生宽带阻抗变换的结果。增益的仿真结果表明天线在18～29GHz的增益与20lgf成正相关关系，说明了天线的口径效率趋于稳定，在此情况下天线具有稳定的定向辐射方向图。
频率较高时，采用本实施方式方式馈电的结构高次模传输系数低，因此抑制高次模的效果好，会使得天线的带宽及效率均增加。
公认的最小测试距离为Rmin＝2D2/λ，本实施例天线在工作频带内的最小测试距离与波长的比值rmin/λ，将其与同增益条件下的口面利用系数为0.75的天线对应的最小测试距离与波长的比值rmin/λ对比，可见本实施例天线最小测试距离显著降低，这对于在小型暗室内的天线测试是十分有益的。虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，其特征在于，所述天线包括馈电结构(1)、传输波导(2)和介质棒透镜(3)；
馈电结构(1)的连接端与传输波导(2)的一端连接，所述介质透镜的一端插入传输波导(2)的另一端内；
所述馈电结构(1)的连接端采用阶梯块结构实现。
2.根据权利要求1所述的一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，其特征在于，
所述介质透镜包括匹配段、过渡段、传输段和辐射段，所述匹配段、过渡段、传输段和辐射段依次连接为一体，匹配段用于插入传输波导(2)的另一端内。
3.根据权利要求2所述的一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，其特征在于，所述匹配段由楔形槽和矩形块组合而成，楔形槽的槽口朝向传输波导(2)，楔形槽的尾端与矩形块的一端连接，所述过渡段为圆台结构，过渡段的大端与矩形块的另一端连接，所述传输段为圆台结构，过渡段的小端与传输段的大端连接，所述辐射段为半圆球结构，传输段的小端与辐射段的圆截面连接。
4.根据权利要求3所述的一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，其特征在于，所述传输段大端的半径初值为介质波导主模HE11模的单模工作最大直径d2。
5.根据权利要求3或4所述的一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，其特征在于，
所述楔形槽的长度为15.5mm，矩形块的长度为9.2mm；
过渡段为高10mm的圆台，大端直径为4.68mm，小端直径为10.7mm；
传输段为高44mm的圆台，大端直径为10.7mm，小端直径为2mm；
辐射段为直径为2mm的半圆球。
6.根据权利要求5所述的一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，其特征在于，所述阶梯块结构采用四个台阶实现，四个台阶的高度相等，四个台阶的总高为2.87mm，每个阶梯块的宽为2.6mm，阶梯块总长5mm，阶梯块的高端距传输波导(2)的端面的距离为0.7mm。
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