CN110600868B - 一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线 - Google Patents

Abstract

一种用于18‑40GHz频段的超宽带介质棒天线，属于无线电技术领域。本发明解决了现有的介质棒天线工作频带窄，不能完全覆盖18‑40GHz频段以及高频处方向图分裂的问题。同轴线的外导体通过金属板与脊波导的上脊固接，同轴线的内导体通过阻抗变换阶梯与脊波导的下脊固接，所述第一脊段为矩形块结构且位于阻抗变换阶梯的正上方，所述第二脊段与所述下脊上下对称设置且二者相对设置的一面均为斜面，沿同轴线到圆台段方向，第二脊段及下脊的厚度均逐渐变小，所述过渡块插设在脊波导内的第二脊段与下脊之间，且圆台段的大端卡设在脊波导的一端，所述圆柱段上加工有若干沿其轴向分布的第一空气孔，所述过渡块上加工有若干沿其长度方向分布的第二空气孔。

Description

一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线

技术领域

本发明涉及一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，属于无线电技术领域。

背景技术

介质棒天线具有增益高、口径小的优点，因此，在微波测量和电磁兼容测试中介质棒天线得到了大量应用。

根据微波测量系统的宽带要求，K波段是18-26.5GHz，Ka波段是26.5-40GHz，但在现有技术中因工作频带的宽度不够，在测试中需要两个天线才能实现全覆盖，导致资源的浪费；

同时现有技术在18-40GHz频段内，高频处方向图易发生分裂，会带来增益下降，副瓣电平升高等问题，会影响测量结果，不能用于这种微波测量系统。

申请号为201710779929.2的发明专利申请公开了一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，根据其说明书的记载，其在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％，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。在18-40GHz频段其依然存在无法完全覆盖的问题以及高频处方向图易发生分裂的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的介质棒天线工作频带窄，不能完全覆盖18-40GHz频段以及高频处方向图分裂的问题，进而提供了一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，它包括介质棒结构和馈电结构，所述介质棒结构包括首尾依次固接的圆柱段、圆台段及过渡块，所述馈电结构包括脊波导、阻抗变换阶梯及同轴线，

同轴线的外导体通过金属板与脊波导的上脊固接，同轴线的内导体通过阻抗变换阶梯与脊波导的下脊固接，

所述脊波导的上脊包括第一脊段和第二脊段，所述第一脊段为矩形块结构且位于阻抗变换阶梯的正上方，所述第二脊段与所述下脊上下对称设置且二者相对设置的一面均为斜面，沿同轴线到圆台段方向，第二脊段及下脊的厚度均逐渐变小，

所述过渡块插设在脊波导内的第二脊段与下脊之间，且圆台段的大端卡设在脊波导的一端，

所述圆柱段上加工有若干沿其轴向分布的第一空气孔，所述过渡块上加工有若干沿其长度方向分布的第二空气孔，

其中若干第一空气孔的直径及若干第二空气孔的直径均为渐变设置，且第一空气孔的轴线及第二空气孔的轴线均竖直设置。

进一步地，圆柱段沿其轴向开设有中心通孔。

进一步地，过渡块的上、下两端面对称加工有插槽，过渡块通过两个插槽插设在脊波导内的第二脊段与下脊之间。

进一步地，若干第一空气孔呈两排等距排列，位于同一排的若干第一空气孔沿圆柱段的长度方向直径渐变设置。

进一步地，圆柱段上远离圆台段的一端到靠近圆台段的一端方向，若干第一空气孔的直径逐渐变小。

进一步地，位于同一排的若干第一空气孔共分为七组，每组内的若干第一空气孔直径相同。

进一步地，若干第二空气孔呈对数周期排列，沿同轴线到圆台段方向，若干第二空气孔的直径逐渐变小。

进一步地，脊曲线采用如下指数函数得出：

y＝e^kx-1，x∈[0,L₆]

其中x表示脊曲线沿脊波导轴向的距离，y表示脊曲线和脊波导内表面的垂直距离，k用于调节曲线的形状。

进一步地，所述介质棒结构采用相对介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料。

进一步地，所述阻抗变换阶梯采用金属铝材料。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请的超宽带介质棒天线在18-40GHz频率范围内驻波比小于2，整个频段内方向图不分裂，增益从18GHz时的7.1dBi逐渐增加到40GHz时的17.1dBi。

通过本申请的脊波导给介质棒结构馈电，能够有效的实现从馈电端口到自由空间的阻抗变换，避免了高频时方向图分裂的问题；

通过阻抗变换阶梯实现从同轴线到脊波导的过渡，展宽了同轴波导转换器工作带宽，使得通过本申请的超宽带介质棒天线能够实现18-40GHz频段的全覆盖。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为介质棒结构与馈电结构的连接透视示意图(馈电结构内部结构未示出)；

图3为介质棒结构的立体结构示意图；

图4为介质棒结构的主视示意图；

图5为介质棒结构的俯视示意图；

图6为介质棒结构的主剖视示意图；

图7为介质棒结构的左视示意图；

图8为本申请的右视示意图；

图9为馈电结构的主剖视示意图；

图10为本申请在18-40GHz电压驻波比仿真曲线；

图11为本申请在18-40GHz的增益仿真曲线；

图12为本申请在18GHz时的E/H面仿真方向图；

图13为本申请在29GHz时的E/H面仿真方向图；

图14为本申请在40GHz时的E/H面仿真方向图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～14说明本实施方式，一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，它包括介质棒结构1和馈电结构2，所述介质棒结构1包括首尾依次固接的圆柱段11、圆台段12及过渡块13，所述馈电结构2包括脊波导21、阻抗变换阶梯22及同轴线23，

同轴线23的外导体23-1通过金属板21-2与脊波导21的上脊21-3固接，同轴线23的内导体23-2通过阻抗变换阶梯22与脊波导21的下脊21-4固接，

所述脊波导21的上脊21-3包括第一脊段21-31和第二脊段21-32，所述第一脊段21-31为矩形块结构且位于阻抗变换阶梯22的正上方，所述第二脊段21-32与所述下脊21-4上下对称设置且二者相对设置的一面均为斜面，沿同轴线23到圆台段12方向，第二脊段21-32及下脊21-4的厚度均逐渐变小，

所述过渡块13插设在脊波导21内的第二脊段21-32与下脊21-4之间，且圆台段12的大端卡设在脊波导21的一端，

所述圆柱段11上加工有若干沿其轴向分布的第一空气孔11-1，所述过渡块13上加工有若干沿其长度方向分布的第二空气孔13-1，

其中若干第一空气孔11-1的直径及若干第二空气孔13-1的直径均为渐变设置，且第一空气孔11-1的轴线及第二空气孔13-1的轴线均竖直设置。

馈电部分采用同轴馈电向波导转换的形式，带有第二空气孔13-1的过渡块13插入到脊波导21中。

第二脊段21-32和下脊21-4的脊曲线采用指数函数形式，

本申请的馈电结构2为平行式馈电结构2。

脊波导21包括外壳21-1、固设在外壳21-1一端的金属板21-2以及固设在外壳21-1内部的上脊21-3、下脊21-4。外壳21-1为长方体结构。

同轴线23、阻抗变换阶梯22及第一脊段21-31构成同轴波导转换器。

本申请的超宽带介质棒天线在18-40GHz频率范围内驻波比小于2，整个频段内方向图不分裂，增益从18GHz时的7.1dBi逐渐增加到40GHz时的17.1dBi。

通过本申请的脊波导21给介质棒结构1馈电，能够有效的实现从馈电端口到自由空间的阻抗变换，避免了高频时方向图分裂的问题；

通过阻抗变换阶梯22实现从同轴线23到脊波导21的过渡，展宽了同轴波导转换器工作带宽，使得通过本申请的超宽带介质棒天线能够实现18-40GHz频段的全覆盖。

圆柱段11沿其轴向开设有中心通孔11-2。该中心通孔11-2的直径为D₁。通过设置所述中心通孔11-2进一步提高了从圆台段12到自由空间的阻抗匹配程度，提高了工作带宽。

过渡块13的上、下两端面对称加工有插槽13-2，过渡块13通过两个插槽13-2插设在脊波导21内的第二脊段21-32与下脊21-4之间。插槽与第二脊段及下脊随型设置，便于过渡块的定位。

若干第一空气孔11-1呈两排等距排列，位于同一排的若干第一空气孔11-1沿圆柱段11的长度方向直径渐变设置。如此设计，实现了从圆台段12到自由空间的渐变式过渡，进一步提高了阻抗匹配程度以及天线的增益，同时进一步抑制了方向图的主瓣分裂现象。

圆柱段11上远离圆台段12的一端到靠近圆台段12的一端方向，若干第一空气孔11-1的直径逐渐变小。

位于同一排的若干第一空气孔11-1共分为七组，每组内的若干第一空气孔11-1直径相同。

若干第二空气孔13-1呈对数周期排列，沿同轴线23到圆台段12方向，若干第二空气孔13-1的直径逐渐变小。如此设计，实现了从空气波导到介质波导的阻抗过渡，进一步提高了工作带宽。

脊曲线采用如下指数函数得出：

y＝e^kx-1，x∈[0,L₆]

其中x表示脊曲线沿脊波导21轴向的距离，y表示脊曲线和脊波导21内表面的垂直距离，k用于调节曲线的形状。

所述介质棒结构1采用相对介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料。

所述阻抗变换阶梯22采用金属铝材料。

具体实施方式二：结合图1～14说明本实施方式，脊波导21壳体的宽度外尺寸A为9.4mm，壳体内尺寸a为7.4mm，壳体高度的外尺寸B为6.2mm，壳体高度的内尺寸b为4.2mm，壳体轴向长度L4为32mm。

下脊21-4的长度L₆为23.1mm，下脊21-4的宽度为1.83mm，脊曲线采用指数函数的形式：

y＝e^kx-1，x∈[0,23.1]

其中x表示脊曲线沿脊波导21轴向的距离，y表示脊曲线和脊波导21内表面的垂直距离，k用于调节曲线的形状，k取0.037。

所述介质棒结构1采用相对介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料。其中圆柱段11的长度尺寸L₁为48mm，其上每一排的第一空气孔11-1共分为7组，每组的孔直径相同，分别为K₁～K₇，其中K₁＝1.6mm，K₂＝1.4mm，K₃＝1.2mm，K₄＝1.0mm，K₅＝0.8mm，K₆＝0.6mm，K₇＝0.4mm。横向的两个第一空气孔11-1的圆心距离k₁为1.9mm，纵向的两个第一空气孔11-1之间的距离k₂为1.8mm；圆台段12的大端直径D₃为7.4mm，小端直径D₂为4.2mm，长度L₂为8mm；过渡块13的长度L₃为23.1mm，共有18组第二空气孔13-1，每组有3个第二空气孔13-1，第二空气孔13-1的直径分别为Y₁～Y₁₈，其中Y₁＝1.76mm，Y₂＝1.55mm，Y₃＝1.36mm，Y₄＝1.20mm，Y₅＝1.06mm，Y₆＝0.93mm，Y₇＝0.82mm，Y₈＝0.72mm，Y₉＝0.63mm，Y₁₀＝0.56mm，Y₁₁＝0.49mm，Y₁₂＝0.43mm，Y₁₃＝0.38mm，Y₁₄＝0.33mm，Y₁₅＝0.29mm，Y₁₆＝0.26mm，Y₁₇＝0.23mm，Y₁₈＝0.18mm，每组第二空气孔13-1之间的距离分别为f₁～f₁₇，其中f₁＝1.76mm，f₂＝1.55mm，f₃＝1.36mm，f₄＝1.12mm，f₅＝1.06mm，f₆＝0.93mm，f₇＝0.82mm，f₈＝0.72mm，f₉＝0.63mm，f₁₀＝0.56mm，f₁₁＝0.49mm，f₁₂＝0.43mm，f₁₃＝0.38mm，f₁₄＝0.33mm，f₁₅＝0.29mm，f₁₆＝0.26mm，f₁₇＝0.23mm，每组第二空气孔13-1中不相邻的第二空气孔13-1圆心之间的距离分别为g₁～g₁₈，其中g₁＝4.14mm，g₂＝3.64mm，g₃＝3.2mm，g₄＝2.82mm，g₅＝2.48mm，g₆＝2.18mm，g₇＝1.92mm，g₈＝1.69mm，g₉＝1.49mm，g₁₀＝1.31mm，g₁₁＝1.15mm，g₁₂＝1.01mm，g₁₃＝0.89mm，g₁₄＝0.78mm，g₁₅＝0.69mm，g₁₆＝0.61mm，g₁₇＝0.53mm，g₁₈＝0.47mm。

阻抗变换阶梯22由三段长方体金属块组成，其高度分别为h₃、h₄、h₅，长度为L₈、L₉、L₁₀。其中高度h₃为2.21mm、h₄为1.97mm、h₅为1.68mm；长度L₈为2.59mm、L₉为2.59mm、L₁₀为2.59mm；

同轴线23的内导体23-2与过渡块13之间通过连接块连接，该连接块的高度为h₂，长度为L₇，第一脊段21-31的高度为h₁，长度为L₅，其中高度h₂为0.80mm，长度为L₇为0.72mm，第一脊段21-31的高度h₁为1.38mm，长度L₅为8.89mm。

同轴馈线特性阻抗为50Ω，内外同轴之间填充介质的相对介电常数为2.2。同轴线23的内导体23-2直径为0.48mm，同轴线23的外导体23-1的直径为1.67mm。

仿真内容：

利用仿真软件CST对上述实施例所述的天线结构进行建模仿真。

仿真结果：

参照图10本发明实施例在18-40GHz的电压驻波比仿真曲线。可以看出在18-40GHz频率范围内，天线的电压驻波比小于2。说明本发明具有良好的阻抗带宽特性。

参照图11本发明实施例在18-40GHz的增益仿真曲线。可以看出在低频处增益高于7dBi，在高频处增益高于15dBi。

参照图12-14本发明实施例分别在18GHz、29GHz和40GHz时的E/H面仿真方向图。可以看出天线在18-40GHz频率范围内方向图稳定，主瓣没有出现分裂现象。其它组成与连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (8)

1.一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，其特征在于：它包括介质棒结构(1)和馈电结构(2)，所述介质棒结构(1)包括首尾依次固接的圆柱段(11)、圆台段(12)及过渡块(13)，所述馈电结构(2)包括脊波导(21)、阻抗变换阶梯(22)及同轴线(23)，

同轴线(23)的外导体(23-1)通过金属板(21-2)与脊波导(21)的上脊(21-3)固接，同轴线(23)的内导体(23-2)通过阻抗变换阶梯(22)与脊波导(21)的下脊(21-4)固接，

所述脊波导(21)的上脊(21-3)包括第一脊段(21-31)和第二脊段(21-32)，所述第一脊段(21-31)为矩形块结构且位于阻抗变换阶梯(22)的正上方，所述第二脊段(21-32)与所述下脊(21-4)上下对称设置且二者相对设置的一面均为斜面，沿同轴线(23)到圆台段(12)方向，第二脊段(21-32)及下脊(21-4)的厚度均逐渐变小，

所述过渡块(13)插设在脊波导(21)内的第二脊段(21-32)与下脊(21-4)之间，且圆台段(12)的大端卡设在脊波导(21)的一端，

所述圆柱段(11)上加工有若干沿其轴向分布的第一空气孔(11-1)，所述过渡块(13)上加工有若干沿其长度方向分布的第二空气孔(13-1)，

其中若干第一空气孔(11-1)的直径及若干第二空气孔(13-1)的直径均为渐变设置，且第一空气孔(11-1)的轴线及第二空气孔(13-1)的轴线均竖直设置；

若干第一空气孔(11-1)呈两排等距排列，位于同一排的若干第一空气孔(11-1)沿圆柱段(11)的长度方向直径渐变设置；

若干第二空气孔(13-1)呈对数周期排列，沿同轴线(23)到圆台段(12)方向，若干第二空气孔(13-1)的直径逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，其特征在于：圆柱段(11)沿其轴向开设有中心通孔(11-2)。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，其特征在于：过渡块(13)的上、下两端面对称加工有插槽(13-2)，过渡块(13)通过两个插槽(13-2)插设在脊波导(21)内的第二脊段(21-32)与下脊(21-4)之间。

4.根据权利要求3所述的一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，其特征在于：圆柱段(11)上远离圆台段(12)的一端到靠近圆台段(12)的一端方向，若干第一空气孔(11-1)的直径逐渐变小。

5.根据权利要求4所述的一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，其特征在于：位于同一排的若干第一空气孔(11-1)共分为七组，每组内的若干第一空气孔(11-1)直径相同。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，其特征在于：脊曲线采用如下指数函数得出：

y＝e^kx-1，x∈[0,L₆]

其中x表示脊曲线沿脊波导(21)轴向的距离，y表示脊曲线和脊波导(21)内表面的垂直距离，k用于调节曲线的形状，L₆为下脊(21-4)的长度。

7.根据权利要求6所述的一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，其特征在于：所述介质棒结构(1)采用相对介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料。

8.根据权利要求7所述的一种用于18-40GHz频段的超宽带介质棒天线，其特征在于：所述阻抗变换阶梯(22)采用金属铝材料。

Images