CN109449599A - 一种双极化对数周期天线超宽带结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双极化对数周期天线超宽带结构，其包括底座及设置在该底座上的至少一对主干支体，该至少一对主支体包括相对设置的第一主支体及第一辅支体，该第一主支体包括远离该底座的第一主上端及收容在其内的同轴线缆，该第一主上端设置有第一过渡圆通孔及位于该第一过渡圆通孔一端的台阶，该第一辅支体对应该第一过渡圆通孔的位置同轴设有第二过渡圆通孔及馈电处，该同轴线缆包括一端抵靠在该台阶上的同轴线外导体及包覆于该同轴线外导体内的同轴线内导体，该同轴线内导体远离该底座的一端依次穿过该第一过渡圆通孔及该第二过渡圆通孔并与该馈电处焊接；上述结构，既能提高天线带宽、获得良好的垂直/水平极化增益及方向一致性，还能增强馈电安装强度。

Description

一种双极化对数周期天线超宽带结构
技术领域
本发明属于微波及天线结构技术领域，尤其涉及一种用于雷达和通信等无线电系统中的双极化对数周期天线超宽带结构。
背景技术
对数周期天线是一种常见的宽带天线，其结构成周期变化，使得天线特型与频率无关。又因其具有良好的宽带特性，在短波、超短波及微波波段范围内均获得广泛的应用。如天波传播的通信天线、电视共用天线系统的接收天线及抛物面或透镜天线的初级辐射器或相控阵天线阵的辐射单元等。
对数周期天线作为一种宽带天线，其除了具有很好的宽带特性外，还具有结构简单、容易实现、性能优良的特点，因此，对数周期天线在实际中的应用也是越来越广泛。它通过把一些天线按照某一种规律排列(如周期性排列)，使其形成自相似结构，其天线的电特性随频率的对数作周期性变化。其中，按某一种规律排列的这些天线包括多种类型，如齿片形、偶极子、八木天线等一般情况下，对数周期天线采用金属杆状结构，用一对传输线(通常称为集合线) 进行馈电，馈源接在短振子一端，用同轴线馈电时，同轴线从长振子端的双线(管) 中的任一根穿入，从短振子端穿出，同轴线内导体与双线的另一根道题在末端连接，同轴线外导体与它穿过的双线的导体末端连接；此种金属杆状结构的对数周期天线结构较复杂，安装和固定困难。
无论采用哪种类型的对数周期天线，一般的设计方法大都通过天线工程设计书的图表，找出最佳的天线比例常数τ和天线间隔常数σ；然后根据传统对数周期天线的一整套设计流程，把频带内的最高频率和最低频率代进去，计算出天线夹角、各天线振子的长度和间距。然而，采用此种方法设计出的对数周期天线虽然能在设计频带范围内获得方向图不分裂，满足天线方向图设计要求；但是，其天线驻波带宽、垂直方向及水平方向上的极化天线增益平衡度，以及方向图的一致性却难以同时满足工程实际要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于雷达和通信等无线电系统中既能提高天线带宽，也能获得良好的垂直/水平极化增益及方向图一致性，还能增强馈电安装结构强度的双极化对数周期天线超宽带结构。
本发明是这样实现的，一种双极化对数周期天线超宽带结构，其包括圆盘形底座及设置在所述底座上的至少一对馈支体，所述至少一对支体的相对两端从上至下按序分别设置有长度递减的天线辐射振子，所述至少一对支体包括第一主支体及与所述第一主支体相对设置的第一辅支体，所述第一主支体包括远离所述底座的第一主上端及设置在其内的同轴线缆，所述第一主上端设置有第一过渡圆通孔及位于所述第一过渡圆通孔一端的台阶，所述第一辅支体对应于所述第一过渡圆通孔的位置同轴设置有第二过渡圆通孔及馈电处，所述同轴线缆包括一端抵靠在所述台阶上的同轴线外导体及包覆于所述同轴线外导体内的同轴线内导体，所述同轴线内导体远离所述底座的一端依次穿过所述第一过渡圆通孔及所述第二过渡圆通孔并与所述馈电处相焊接。
进一步地，前述的至少一对支体包括第一对支体及第二对支体，所述第一对支体包括相对设置的所述第一主支体及所述第一辅支体，所述第二对支体包括第二主支体及与所述第二主支体相对设置的第二辅支体，所述第一主支体与所述第二主支体及所述第二辅支体分别相邻设置，所述第一辅支体与所述第二主支体及所述第二辅支体分别相邻设置；所述第一主支体与所述第二主支体内分别设置有所述同轴线缆，所述第一主支体的结构与所述第二主支体的结构相同，所述第一辅支体的结构与所述第二辅支体的结构相同。
进一步地，前述的第一主上端为横截面大致呈类梯形的六边形结构，其包括平行相对设置的第一侧边及第二侧边，与所述第一侧边的相对两端分别垂直连接的两相对的第三侧边，及倾斜连接在所述第二侧边与所述第三侧边之间的两相对设置的第四侧边；所述第一侧边的长度大于所述第二侧边的长度；所述第一过渡圆通孔设置在所述第一侧边并从所述第一侧边向所述第二侧边延伸，所述台阶位于所述第一过渡圆通孔远离所述第一侧边的一端。
进一步地，前述的第一辅支体包括远离所述底座设置的第一辅上端，所述第二过渡圆通孔位于所述第一辅上端且与所述第一过渡圆通孔相对设置，所述第一辅上端还设有与所述第二过渡圆通孔相通且背离所述第二过渡圆通孔的凹槽，所述馈电处设置在所述凹槽的内壁上并位于所述第一辅馈管最末端的天线辐射振子与所述第一辅上端之间且靠近所述第一辅上端。
进一步地，前述的同轴线缆还包括包覆于所述同轴线外导体内的同轴线介质，所述同轴线内导体包覆于所述同轴线介质内，所述同轴线外导体的上端抵靠在所述台阶上以将所述同轴线缆固定在所述第一主支体内；所述同轴线内导体包括相对设置的上端及下端，所述上端延伸出所述同轴线外导体外且依次穿过所述第一过渡圆通孔及所述第二过渡圆通孔而露出于所述凹槽外并与所述馈电处焊接。
进一步地，前述的第一过渡圆通孔的直径大于所述同轴线内导体的直径且小于所述同轴线外导体的直径；所述第一主支体内的同轴线缆的上端与所述第二主支体内的同轴线缆的上端相互垂直交叉设置。
进一步地，前述的双极化对数周期天线超宽带结构在1-20GHz的频率范围内，其驻波优于2.6，水平极化增益及垂直极化增益均优于8.7dB。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施方式提供的双极化对数周期天线超宽带结构，通过设置过渡圆通孔及台阶结构，并与同轴线缆配合一起，组成并实现了一个类似同轴线阶梯阻抗变换结构。通过改变和优化过渡圆通孔的孔径和长度，从而实现同轴线缆与对数周期天线的宽带激励。此外，通过将两个同轴线内导体相互垂直交叉设置，且所述同轴线内导体的直径较小以便相互靠近，在同轴线激励对数周期天线后，对应的电磁变化小，从而减小两馈电处的增益不平衡度以获得良好的垂直/水平极化增益及方向图一致性。另外，通孔阶梯給同轴线安装提供了固定位，提高了装配一致性。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的双极化对数周期天线超宽带结构的整体结构示意图。
图2是图1中的双极化对数周期天线超宽带结构的部分结构示意图。
图3是图1中的双极化对数周期天线超宽带结构的部分断面结构示意图。
图4是图1中的双极化对数周期天线超宽带结构的驻波系数随频率的变化曲线示意图。
图5是图1中的双极化对数周期天线超宽带结构在垂直极化(yoz面)的增益随频率的变化曲线示意图。
图6是图1中的双极化对数周期天线超宽带结构在水平极化(xoz面)的增益随频率的变化曲线示意图。
图7(a)、图7(b)、图7(c)是图1中的双极化对数周期天线超宽带结构在垂直极化(yoz面)的方向图仿真结果。
图8(a)、图8(b)、图8(c)是图1中的双极化对数周期天线超宽带结构在水平极化(xoz面)的方向图仿真结果。
附图中主要元件符号说明：
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
在本发明的各实施方式中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、" 上方"、"下方"、"左"、"右"“前”、“后”、以及类似的表述等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
请参阅图1至图3所示，本发明实施方式提供的双极化对数周期天线超宽带结构100用于雷达和通信等无线电系统中以实现无线通信、电磁测量、测向、频谱侦察等。所述双极化对数周期天线超宽带结构100包括圆盘形底座10及设置在所述底座10上的至少一对支体。在本实施方式中，所述至少一对支体包括第一对支体100a及第二对支体100b。所述第一对支体100a及所述第二对支体 100b的相对两端从上至下按序分别设置有长度递减的天线辐射振子15。所述第一对支体100a包括第一主支体11及与所述第一主支体11相对设置的第一辅支体12，所述第二对支体100b包括第二主支体13及与所述第二主支体13相对设置的第二辅支体14。所述第一主支体11与所述第二主支体13内分别设置有同轴线缆16。在本实施方式中，所述第一主支体11的结构与所述第二主支体 13的结构相同，所述第一辅支体12的结构与所述第二辅支体14的结构相同。所述第一主支体11与所述第二主支体13及所述第二辅支体14分别相邻设置，所述第一辅支体12与所述第二主支体13及所述第二辅支体14分别相邻设置。
所述第一主支体11包括远离所述底座10设置的第一主上端11a及与所述底座10连接的第一主下端(未标号)。所述第一主上端11a为横截面大致呈类梯形的六边形结构，其包括平行相对设置的第一侧边112及第二侧边113，与所述第一侧边112的相对两端分别垂直连接的两相对的第三侧边114，及倾斜连接在所述第二侧边113与所述第三侧边114之间的两相对设置的第四侧边 115。所述第一侧边112的长度大于所述第二侧边113的长度。所述第一主上端 11a设有第一过渡圆通孔110及台阶111，其中，所述第一过渡圆通孔110设置在所述第一侧边112上并从所述第一侧边112向所述第二侧边113延伸，所述台阶111位于所述第一过渡圆通孔110远离所述第一侧边113的一端。
所述第一辅支体12包括远离所述底座10设置的第一辅上端12a及与所述底座10连接的第一辅下端(未标号)。所述第一辅上端12a的结构与所述第一主上端11a的结构类似。所述第一辅上端12a对应于所述第一过渡圆通孔110 的位置同轴设有第二过渡圆通孔120及凹槽122。所述第二过渡圆通孔120与所述第一过渡圆通孔110相对设置，所述凹槽122与所述第二过渡圆通孔120 相通且背离所述第二过渡圆通孔120。所述凹槽122的内壁上设置有馈电处121，且所述馈电处121位于所述第一辅支体12最末端的天线振子15与所述第一辅上端12a之间且靠近所述第一辅上端12a。
所述同轴线缆16包括同轴线外导体160、包覆于所述同轴线外导体160内的同轴线介质161及包覆于所述同轴线介质161内的同轴线内导体162。所述同轴线外导体160的上端抵靠在所述台阶111上以将所述同轴线缆16固定在所述第一主支体11内。所述同轴线内导体162包括相对设置的上端162a及下端 (未标号)，所述上端162a延伸出所述同轴线外导体160外且依次穿过所述第一过渡圆通孔110及所述第二过渡圆通孔120而露出于所述凹槽122外，并与所述第一辅支体12的馈电处121相焊接。
在本实施方式中，所述第一过渡圆通孔110的直径大于所述同轴线内导体 162的直径且小于所述同轴线外导体160的直径。所述第一主支体11内的同轴线缆16的上端162a与所述第二主支体13内的同轴线缆16的上端162a相互垂直交叉设置。所述第一过渡圆通孔110与所述同轴线缆16一起配合组成一个同轴线阶梯阻抗变换结构，适当调整所述第一过渡圆通孔110的直径及长度即可提高天线的馈电带宽。所述台阶111的设置可调整所述同轴线缆16在所述第一主支体11内的装配位置的深度，同时也可以作为所述同轴线缆16在所述第一主支体11内的横向固定位置。通过设置所述第一过渡圆通孔110及所述台阶 111结构，不仅可以提高天线的带宽，提供同轴线缆的安装深度的装配位置，简化天线的安装，而且还提供同轴线缆的横向固定位置以增强天线同轴线缆的激励结构。
请结合参阅图4至图8所示，为了表征该天线的辐射特性，在此选择两个主平面，一个是xoy平面(水平极化)，另一个是yoz平面(垂直极化)，分别给出两个主平面内的增益变化图和方向图的仿真结果，以说明该天线的辐射方向特性和辐射场的极化特性。从图4的驻波变化图可以看出，在1-20GHz 频率范围内，该天线的驻波优于2.6，实现了宽带匹配。图5和图6分别给出了在垂直极化及水平极化的增益变化图，图7和图8分别给出了在垂直极化及水平极化的方向图仿真结果，其中，图7(a)和图8(a)的频率为1Ghz，图7 (b)和图8(b)的频率为10.5Ghz，图7(c)和图8(c)的频率为20Ghz。由仿真结果可以看出，在1-20GHz频率范围内，所述天线的水平/垂直极化增益均优于8.7dB，水平/垂直极化增益一致性较好，该天线形成了有效的辐射，辐射特性具有较好的一致性。
本发明实施方式提供的双极化对数周期天线超宽带结构，通过设置过渡圆通孔及台阶结构，并与同轴线缆配合一起，组成并实现了一个类似同轴线阶梯阻抗变换结构。通过改变和优化过渡圆通孔的孔径和长度，从而实现同轴线缆与对数周期天线的宽带激励。此外，通过将两个同轴线内导体相互垂直交叉设置，且所述同轴线内导体的直径较小以便相互靠近，在同轴线激励对数周期天线后，对应的电磁变化小，从而减小两馈电处的增益不平衡度以获得良好的垂直/水平极化增益及方向图一致性。另外，通孔阶梯給同轴线安装提供了固定位，提高了装配一致性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双极化对数周期天线超宽带结构，其包括圆盘形底座及设置在所述底座上的至少一对支体，所述至少一对支体的相对两端从上至下按序分别设置有长度递减的天线辐射振子，其特征在于：所述至少一对支体包括第一主支体及与所述第一主支体相对设置的第一辅支体，所述第一主支体包括远离所述底座的第一主上端及设置在其内的同轴线缆，所述第一主上端设置有第一过渡圆通孔及位于所述第一过渡圆通孔一端的台阶，所述第一辅支体对应于所述第一过渡圆通孔的位置同轴设置有第二过渡圆通孔及馈电处，所述同轴线缆包括一端抵靠在所述台阶上的同轴线外导体及包覆于所述同轴线外导体内的同轴线内导体，所述同轴线内导体远离所述底座的一端依次穿过所述第一过渡圆通孔及所述第二过渡圆通孔并与所述馈电处相焊接。
2.如权利要求1所述的双极化对数周期天线超宽带结构，其特征在于，所述至少一对支体包括第一对支体及第二对支体，所述第一对支体包括相对设置的所述第一主支体及所述第一辅支体，所述第二对支体包括第二主支体及与所述第二主支体相对设置的第二辅支体，所述第一主支体与所述第二主支体及所述第二辅支体分别相邻设置，所述第一辅支体与所述第二主支体及所述第二辅支体分别相邻设置；所述第一主支体与所述第二主支体内分别设置有所述同轴线缆，所述第一主支体的结构与所述第二主支体的结构相同，所述第一辅支体的结构与所述第二辅支体的结构相同。
3.如权利要求2所述的双极化对数周期天线超宽带结构，其特征在于，所述第一主上端为横截面大致呈类梯形的六边形结构，其包括平行相对设置的第一侧边及第二侧边，与所述第一侧边的相对两端分别垂直连接的两相对的第三侧边，及倾斜连接在所述第二侧边与所述第三侧边之间的两相对设置的第四侧边；所述第一侧边的长度大于所述第二侧边的长度；所述第一过渡圆通孔设置在所述第一侧边并从所述第一侧边向所述第二侧边延伸，所述台阶位于所述第一过渡圆通孔远离所述第一侧边的一端。
4.如权利要求3所述的双极化对数周期天线超宽带结构，其特征在于，所述第一辅支体包括远离所述底座设置的第一辅上端，所述第二过渡圆通孔位于所述第一辅上端且与所述第一过渡圆通孔相对设置，所述第一辅上端还设有与所述第二过渡圆通孔相通且背离所述第二过渡圆通孔的凹槽，所述馈电处设置在所述凹槽的内壁上并位于所述第一辅支体最末端的天线振子与所述第一辅上端之间且靠近所述第一辅上端。
5.如权利要求4所述的双极化对数周期天线超宽带结构，其特征在于，所述同轴线缆还包括包覆于所述同轴线外导体内的同轴线介质，所述同轴线内导体包覆于所述同轴线介质内，所述同轴线外导体的上端抵靠在所述台阶上以将所述同轴线缆固定在所述第一主支体内；所述同轴线内导体包括相对设置的上端及下端，所述上端延伸出所述同轴线外导体外且依次穿过所述第一过渡圆通孔及所述第二过渡圆通孔而露出于所述凹槽外并与所述馈电处焊接。
6.如权利要求5所述的双极化对数周期天线超宽带结构，其特征在于，所述第一过渡圆通孔的直径大于所述同轴线内导体的直径且小于所述同轴线外导体的直径；所述第一主支体内的同轴线缆的上端与所述第二主支体内的同轴线缆的上端相互垂直交叉设置。
7.如权利要求6所述的双极化对数周期天线超宽带结构，其特征在于，在1-20GHz的频率范围内，所述双极化对数周期天线超宽带结构的驻波优于2.6，水平极化增益及垂直极化增益均优于8.7dB。
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