CN110034372A - 一种平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，其包括：底板以及设置在所述底板上端面上的一对十字形交叉设置的蝶形偶极子构成的蝶形振子馈电结构。本发明为了增加辐射方向图的半功率波束宽度，减小天线尺寸，对双极化蝶形振子结构进行了改进，将振子臂向地板方向弯折成一定角度；当弯折角度为40°时，VSWR(电压驻波比)在1.5以下，从4GHz到8GHz可以获得良好的带内特性；这种新型平面弯折的交叉型宽带双极化蝶形振子具有非常低的剖面(小于低频波长的1/6)和低的交叉极化以及对称的辐射方向图，因此该天线单元将是无线通信相控阵天线和和射电天文相控阵馈源较好的单元选择，并且在毫米波通信将有较大的应用前景。

Description

一种平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子
技术领域
本发明涉及宽带双极化蝶形振子领域，尤其是涉及一种平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子。
背景技术
相控阵馈源的方向图取决于所用的单个阵元的类型、指向、在空间的位置以及激励电流的幅度和相位，因此阵列设计中天线单元的选择和设计起着至关重要的作用，其特性极大地限制了整个阵列的可实现性能。
传统的基于印刷辐射结构的天线单元只能实现中等带宽(25％)。为了满足宽带系统的要求，各种宽带天线单元依次被提出，其中较为常用的是缝隙口径(Vivaldi)天线阵列，尽管Vivaldi天线具有优良的宽带性能，但方向图交叉极化较高且对称性较差。此外，由于Vivaldi相邻天线单元之间需要连续的电连接，双极化Vivaldi天线阵列不适合模块化的建设且难以组装，这无疑增加了阵列的维护成本。旋转体对称(BOR)Vivaldi天线解决了传统Vivaldi天线模块化的问题，但需要依靠特殊加工工艺，很难应用在较高频率上。强耦合偶极子阵列(TCDAs)具有剖面低、频带宽、低交叉极化的特点，但是TCDA中有损介质材料的引入会产生较大的噪声，这在高灵敏度系统如射电望远镜和深空站天线系统应用中是非常不利的。
单元在设计上可以采用辐射边界条件的单元优化设计，也可以采用周期性边界天线的无限大阵列的设计方法。然而这两种方法各有局限，基于辐射边界条件的单元设计未考虑到单元间的耦合作用；周期性边界条件考虑到单元间的耦合，但忽略了有限阵列的边缘效应。
为了设计用于大规模阵列(阵列规模超过10×10)，可以使用用于分析无限阵列的Floquet端口结合周期性主从边界条件条件来预测阵列特性。周期结构的辐射场可以用一组正交函数表示。将源信号序列的(m，n)项分解为TEzmn和TMzmn模态源，可以确定每个模态对应项的电磁场分量。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，包括：底板以及设置在所述底板上端面上的一对十字形交叉设置的蝶形偶极子构成的蝶形振子馈电结构；
所述蝶形振子馈电结构包括4个金属振子臂、2个中空圆柱型同轴外导体、2个接地圆柱、2个同轴内探针以及2个馈电连接片；其中，所述中空圆柱型同轴外导体和所述接地圆柱的上下端均固定设置有一三角形底座；中空圆柱型同轴外导体和接地圆柱分别通过其下端的所述三角形底座固定设置在所述底板上；2个中空圆柱型同轴外导体以及2个接地圆柱在底板上形成两行两列的方形结构，2个中空圆柱型同轴外导体相邻设置；中空圆柱型同轴外导体和接地圆柱分别通过其上端的所述三角形底座与1个所述金属振子臂固定连接；
2个所述同轴内探针的一端与SMA内芯连接后分别从底板上的通孔穿入2个所述中空圆柱型同轴外导体，同轴内探针与中空圆柱型同轴外导体之间绝缘放置；同轴内探针的另一端与所述馈电连接片的一端连接，该馈电连接片的另一端与连接接地圆柱的金属振子臂固定电连接；一个馈电连接片连接呈对角线设置的中空圆柱型同轴外导体内的同轴内探针和接地圆柱上的金属振子臂；
4个所述金属振子臂的前端统一向所述底板方向弯折一定角度。
作为一种进一步的技术方案，所述中空圆柱型同轴外导体的顶部设置有绝缘套管，所述绝缘套管的上部外径大于下部外径，其下部外径与中空圆柱型同轴外导体的内径相适配。
作为一种进一步的技术方案，所述底板为方形底板。
作为一种进一步的技术方案，所述同轴内探针与所述馈电连接片连接的一端设置有外螺纹，相应地，馈电连接片的相应位置设置有带有内螺纹的凹槽，同轴内探针与馈电连接片通过所述外螺纹以及带有内螺纹的凹槽螺纹连接。
作为一种进一步的技术方案，所述金属振子臂的中部向所述底板方向弯折40°。
作为一种进一步的技术方案，所述平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子由纯金属构成。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明为了增加辐射方向图的半功率波束宽度，减小天线尺寸，对双极化蝶形振子结构进行了改进，将振子臂向地板方向弯折成一定角度；当弯折角度为40°时，VSWR(电压驻波比)在1.5以下，从4GHz到8GHz可以获得良好的带内特性；并且在整个工作频带中各平面的辐射方向图几乎相同，交叉极化小于-30dB。这种新型平面弯折的交叉型宽带双极化蝶形振子具有非常低的剖面(小于低频波长的1/6)和低的交叉极化以及对称的辐射方向图，因此该天线单元将是无线通信相控阵天线和和射电天文相控阵馈源较好的单元选择，并且在毫米波通信将有较大的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子的立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的同轴内探针与馈电连接片连接状态的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的绝缘套管的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的金属振子臂与接地圆柱的连接结构示意图；
图5为本发明实施例提供的金属振子臂的前端向底板方向分别弯折0、20、40和60度时的VSWR；
图6为本发明实施例提供的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子的E面和H面在不同扫描角度时的反射系数；
图7为本发明实施例提供的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子在低频、中心频率和高频下的E-D和H平面辐射方向图；
图标：1-蝶形振子馈电结构；2-底板；3-金属振子臂；4-中空圆柱型同轴外导体；5-接地圆柱；6-同轴内探针；7-馈电连接片；8-三角形底座；9-绝缘套管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图1-4所示，本实施例提供了一种平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，包括：底板2以及设置在所述底板2上端面上的一对十字形交叉设置的蝶形偶极子构成的蝶形振子馈电结构1；
所述蝶形振子馈电结构1包括4个金属振子臂3、2个中空圆柱型同轴外导体4、2个接地圆柱5、2个同轴内探针6以及2个馈电连接片7；其中，所述中空圆柱型同轴外导体4和所述接地圆柱5的上下端均固定设置有一三角形底座8；中空圆柱型同轴外导体4和接地圆柱5分别通过其下端的所述三角形底座8固定设置在所述底板2上；2个中空圆柱型同轴外导体4以及2个接地圆柱5在底板上形成两行两列的方形结构，2个中空圆柱型同轴外导体4相邻设置；中空圆柱型同轴外导体4和接地圆柱5分别通过其上端的所述三角形底座8与1个所述金属振子臂3固定连接；
2个所述同轴内探针6的一端与SMA内芯连接后分别从底板上的通孔穿入2个所述中空圆柱型同轴外导体4内部，同轴内探针6与中空圆柱型同轴外导体4之间绝缘放置；同轴内探针6的另一端与所述馈电连接片7的一端连接，该馈电连接片7的另一端与连接接地圆柱5的金属振子臂3固定电连接；一个馈电连接片7连接呈对角线设置的中空圆柱型同轴外导体内的同轴内探针和接地圆柱上的金属振子臂；
4个所述金属振子臂3的前端统一向所述底板2的方向弯折一定角度。
本发明的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子采用了空气填充的同轴馈电结构，同轴线的外壁接地，内探针的一端通过馈电连接部件与相对的金属振子臂连接，另一端则连接到圆形地板下面的SMA接头，因此可以直接与单端同轴馈电的低噪声放大器相连。与两个极化同轴馈电结构正对的是两个接地圆柱，接地圆柱与同轴馈电结构共同构成折叠型巴伦，实现了平衡馈电到不平衡馈电的转换；同时接地圆柱的引入改善了结构的对称性，可以抑制由同轴外壁产生的辐射；此外，同轴馈电结构和接地圆柱均可以起到支撑蝶形金属臂的作用。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述中空圆柱型同轴外导体4的顶部设置有绝缘套管9，所述绝缘套管9的上部外径大于下部外径，其下部外径与中空圆柱型同轴外导体的内径相适配。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述底板2为方形底板。采用方形的底板作为蝶形振子的反射器，可以抑制方向图的后瓣，产生定向辐射。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述同轴内探针6与所述馈电连接片7连接的一端设置有外螺纹，相应地，馈电连接片的相应位置设置有带有内螺纹的凹槽，同轴内探针与馈电连接片通过所述外螺纹以及带有内螺纹的凹槽螺纹连接。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述金属振子臂的中部向所述底板方向弯折40°。当弯折角度为40°时，宽带双极化蝶形振子的VSWR(电压驻波比)在1.5以下，从4GHz到8GHz可以获得良好的带内特性。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子由纯金属构成。整个天线结构由纯金属构成，可以降低天线的欧姆损耗减小低温系统集成的复杂度。
结合图5所示，4条曲线分别对应0、20、40和60度的弯折角度,分别对应红色、浅咖、蓝色、深咖。当弯折角度为40°时(对应蓝色曲线)，VSWR(电压驻波比)在1.5以下，从4GHz到8GHz可以获得良好的带内特性。
结合图6所示，其分别显示了E面和H面在不同扫描角度时的反射系数。如图6(a)所示，红色、咖色、蓝色和绿色曲线分别对应扫描角为0、10、20、30度。扫描角度为0°时，工作频带(4-8GHz)的VSWR约为1.6，从3.6GHz到8.7GHz时VSWR小于2。当扫描角等于10度时，在高于9GHz的范围VSWR小于2。当扫描角增加到20度时，带宽(VSWR<2)受限于8.4GHz的高频带。当扫描到30度时，驻波比在8GHz时大于4。图6(b)显示了不同扫描角度的H面扫描结果，由于结构的对称性，与E面扫描结果相似；图中红色、咖色、蓝色、浅绿和绿色曲线分别对应扫描角为0、10、20、25、30度。
结合图7所示，该图(a)-(c)分别给出了新型平面弯折交叉型宽带双极化蝶形振子在低频、中心频率和高频下的E-D和H平面辐射方向图。在整个工作频带中各平面的辐射方向图几乎相同，交叉极化小于-30dB。
综上，本发明的新型平面弯折的交叉型宽带双极化蝶形振子具有非常低的剖面(小于低频波长的1/6)和低的交叉极化以及对称的辐射方向图，因此该天线单元将是无线通信相控阵天线和和射电天文相控阵馈源较好的单元选择，并且在毫米波通信将有较大的应用前景。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，包括：底板以及设置在所述底板上端面上的一对十字形交叉设置的蝶形偶极子构成的蝶形振子馈电结构；
所述蝶形振子馈电结构包括4个金属振子臂、2个中空圆柱型同轴外导体、2个接地圆柱、2个同轴内探针以及2个馈电连接片；其中，所述中空圆柱型同轴外导体和所述接地圆柱的上下端均固定设置有一三角形底座；中空圆柱型同轴外导体和接地圆柱分别通过其下端的所述三角形底座固定设置在所述底板上；2个中空圆柱型同轴外导体以及2个接地圆柱在底板上形成两行两列的方形结构，2个中空圆柱型同轴外导体相邻设置；中空圆柱型同轴外导体和接地圆柱分别通过其上端的所述三角形底座与1个所述金属振子臂固定连接；
2个所述同轴内探针的一端与SMA内芯连接后分别从底板上的通孔穿入2个所述中空圆柱型同轴外导体，同轴内探针与中空圆柱型同轴外导体之间绝缘放置；同轴内探针的另一端与所述馈电连接片的一端连接，该馈电连接片的另一端与连接接地圆柱的金属振子臂固定电连接；一个馈电连接片连接呈对角线设置的中空圆柱型同轴外导体内的同轴内探针和接地圆柱上的金属振子臂；
4个所述金属振子臂的前端统一向所述底板方向弯折一定角度。
2.根据权利要求1所述的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述中空圆柱型同轴外导体的顶部设置有绝缘套管，所述绝缘套管的上部外径大于下部外径，其下部外径与中空圆柱型同轴外导体的内径相适配。
3.根据权利要求1所述的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述底板为方形底板。
4.根据权利要求1所述的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述同轴内探针与所述馈电连接片连接的一端设置有外螺纹，相应地，馈电连接片的相应位置设置有带有内螺纹的凹槽，同轴内探针与馈电连接片通过所述外螺纹以及带有内螺纹的凹槽螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述金属振子臂的中部向所述底板方向弯折40°。
6.根据权利要求1所述的平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述平面弯折十字交叉型宽带双极化蝶形振子由纯金属构成。
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