CN111769363A - 一种超宽带恒波束定向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带恒波束定向天线，包括辐射体，辐射体采用具有非频变超宽带特性的印刷对数周期天线，包括镜像对称的两副印刷对数周期天线，两副印刷对数周期天线在垂直天线平面的方向上顶端靠拢，组成倒V形阵，在倒V形阵的顶角处，两副印刷对数周期天线之间留有预设的顶角间距。通过采用具有非频变超宽带特性的印刷对数周期天线，将两副印刷对数周期天线镜像对称，构成倒V形阵，且控制两副印刷对数周期天线在倒V形阵的顶角处留有预设的顶角间距，利用这样的结构设计，使得该定向天线的波束宽度恒定，波动很小，信号传输稳定，同时，本申请辐射体采用印刷对数周期天线的形式，具有小型化、轻质量、易加工、低成本和一致性好等优点。

Description

一种超宽带恒波束定向天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种超宽带恒波束定向天线。
背景技术
天线是无线电侦测设备内部信号在传输线路与自由空间之间传播的相互转换器，天线性能的优劣从根本上决定整个侦测系统技术指标的好坏。由于各种侦测设备工作于各种不同频段，在工作区域内就形成了一个极宽频带的电磁波空间，要同时探测多个目标，就要求雷达、通信等侦测设备的天线具有很宽的频带；追求更远的探测距离和更高的接收灵敏度，就需要更大的天线增益；追求更高的截获率和探测精度，就要求天线波束等化性好且波束宽度恒定。在这种情况下，既具有宽频带又有高增益的天线是无线电侦测设备的绝佳选择。
目前的恒波束天线包括Vivaldi天线(Vivaldi天线是通过采用指数形状的缝隙结构来控制电磁波从缝隙的一端向开口端辐射电磁能量的缝隙微带天线)、螺旋天线、喇叭天线等定向天线形式。平面螺旋天线虽然工作带宽很宽(10倍频程)，波束宽度较恒定，但是其增益较低(最高5dBi左右)，波形易发生变化，波束指向稳定性差，不利于接收灵敏度和指向精度的提高；恒波束喇叭天线一般采用波纹喇叭天线形式，或喇叭外臂呈椭圆、指数等某种特殊函数曲线的喇叭天线形式，虽然它们在工作频段内增益较高(约10dBi左右)，但是其工作带宽有限，不超过3倍频程；Vivaldi天线工作带宽很宽(10倍频程)，波束宽度恒定，较平面螺旋天线而言，具有较高的增益(可以达到7～8dBi)，但是整个工作频段内E面和H面方向图差异比较大，波束等化程度不高，影响侦测设备的截获率和探测精度。
因此，需要提供一种效果更佳的超宽带恒波束定向天线。
发明内容
鉴于现有技术各类恒波束效果不佳的问题，提出了本发明的一种超宽带恒波束定向天线，以便克服上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种超宽带恒波束定向天线，包括辐射体，所述辐射体采用具有非频变超宽带特性的印刷对数周期天线，包括镜像对称的两副印刷对数周期天线，两副所述印刷对数周期天线在垂直天线平面的方向上顶端靠拢，组成倒V形阵，在所述倒V形阵的顶角处，两副所述印刷对数周期天线之间留有预设的顶角间距。
可选地，所述倒V形阵的E面和H面波束宽度一致。
可选地，所述印刷对数周期天线的间隔因子构成等差数列。
可选地，所述印刷对数周期天线的比例因子τ为0.885，间隔因子σ的初始值为0.0915，公差为0.0015，集合线宽度w0为3.2～4mm。
可选地，所述定向天线还包括金属圆芯和半刚同轴电缆；所述半刚同轴电缆通过所述金属圆芯对所述定向天线进行馈电；所述金属圆芯从所述倒V形阵的顶端孔隙穿过，电连接所述倒V形阵外侧的覆铜层；所述半刚同轴电缆的内导体电连接所述金属圆芯，所述半刚同轴电缆的外导体电连接所述倒V形阵内侧的覆铜层。
可选地，所述定向天线还包括金属接地板，两副所述印刷对数周期天线的底端安装在该金属接地板的上表面。
可选地，所述定向天线还包括设置在所述金属接地板上的两副支撑板；两副所述支撑板镜像对称设置，所述支撑板的一侧表面开有倒V形凹槽，所述倒V形凹槽的槽线宽度与所述印刷对数周期天线的厚度相同，所述倒V形凹槽的顶角度数与所述倒V形阵的顶角度数相同，所述支撑板分别设置在所述倒V形阵的两侧，通过所述倒V形凹槽的对所述倒V形阵进行支撑定位。
可选地，所述支撑板为镂空结构，包括多个开孔。
可选地，所述定向天线还包括一对相同的固定板和一对相同的定位圆柱；所述固定板和所述定位圆柱设置在所述倒V形阵的顶角端，所述固定板和所述定位圆柱都开有固定所述印刷对数周期天线的卡槽，通过所述卡槽对所述所述倒V形阵的顶角端进行夹角和间距的固定。
可选地，所述金属接地板的上表面设有吸波材料层。
综上所述，本发明的有益效果是：
本发明采用具有非频变超宽带特性的印刷对数周期天线，将两副印刷对数周期天线镜像对称，构成倒V形阵，且控制两副印刷对数周期天线在倒V形阵的顶角处留有预设的顶角间距，通过上述结构特征，本申请的定向天线利用两副印刷对数周期天线倒V形阵的顶角夹角以及顶角间距，使得该定向天线的波束宽度恒定，波动很小，信号传输稳定，而且辐射体采用印刷对数周期天线的形式，具有小型化、轻质量、易加工、低成本和一致性好等优点。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种定向天线结构示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种定向天线中两副印刷对数周期天线构成的倒V形阵示意图；
图3为本发明一个实施例提供的一种定向天线中单副印刷对数周期天线的结构示意图；
图4是根据本发明具体实施方式的定向天线实测驻波电压比；
图5是根据本发明具体实施方式的定向天线实测增益曲线；
图6至10是根据本发明具体实施方式的定向天线在各频点实测方位面(H面)和俯仰面(E面)的方向图及其波束宽度；
图中：1、超宽带恒波束定向天线；2、金属接地板；3、倒V形阵；3a、印刷对数周期天线；3b、印刷对数周期天线；4、半刚同轴电缆；5、支撑板；6、支撑板；7、连接杆；8、吸波材料层；9、翻边；10、固定板；11、定位圆柱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。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。
在本申请的描述中，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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
对数周期天线是一种非频变天线，所谓非频变是指天线的阻抗、方向图、增益、驻波比等电特性随频率的对数成周期性变化，并在很宽的频带内保持基本不变。
超宽带技术(UWB，Ultra Wide Band)技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。
本发明的技术构思是：通过采用具有非频变超宽带特性的印刷对数周期天线，将两副印刷对数周期天线镜像对称，构成倒V形阵，且控制两副印刷对数周期天线在倒V形阵的顶角处留有预设的顶角间距，利用这样的结构设计，使得该定向天线的波束宽度恒定，波动很小，信号传输稳定，同时，本申请辐射体采用印刷对数周期天线的形式，具有小型化、轻质量、易加工、低成本和一致性好等优点。
图1为本发明一个实施例提供的一种定向天线结构示意图，图2为图1中定向天线的倒V形阵辐射体的结构示意图。如图1和图2所示，本申请的超宽带恒波束定向天线1，包括辐射体。辐射体采用具有非频变超宽带特性的印刷对数周期天线，包括镜像对称的两副印刷对数周期天线，即图1和图2中的印刷对数周期天线3a和3b。两副印刷对数周期天线在垂直天线平面的方向上顶端靠拢，组成倒V形阵3。参见本申请图2所示的倒V形阵示意图所示，两副印刷对数周期天线3a和3b的顶角夹角为γ，在倒V形阵3的顶角处，两副印刷对数周期天线之间还留有预设的顶角间距d。
在本申请的优选实施例中，印刷对数周期天线3a和3b的介质基板选用介电常数εr＝2.2，正切损耗tanδ＝0.0009的rogers 5880板材，介质基板的厚度为2mm。
在本申请的优选实施例中，该定向天线还包括金属圆芯(未图示)和半刚同轴电缆4。半刚同轴电缆4通过金属圆芯对定向天线进行馈电；金属圆芯从倒V形阵3的顶端孔隙穿过，电连接倒V形阵3外侧的覆铜层；半刚同轴电缆4的内导体电连接金属圆芯，半刚同轴电缆4的外导体电连接倒V形阵3内侧的覆铜层。
在本申请的一个优选实施例中，该定向天线还包括金属接地板2，见图1所示。两副印刷对数周期天线3a和3b的底端安装在该金属接地板2的上表面。
更优选地，在本申请的一个实施例中，金属接地板的上表面还设有吸波材料层8。
如图1所示，两副印刷对数周期天线3a和3b相互远离的底端安装在金属接地板2的上表面。具体而言，金属接地板上表面有突起的翻边9，印刷对数周期天线3a、3b利用紧固件，如螺钉，与该翻边9固定连接。
根据本发明优选的实施例，半刚同轴电缆4通过金属圆芯对定向天线进行馈电；金属圆芯从倒V形阵3的顶端孔隙穿过，电连接倒V形阵3外侧的覆铜层；在半刚同轴电缆4的一端，内导体电连接金属圆芯(即连接倒V形阵3外侧的覆铜层)，外导体电连接倒V形阵3内侧的覆铜层，半刚同轴电缆4的另一端与射频插座相连，射频插座利用紧固件，如螺钉，与金属接地板2固定连接。
本申请实施例用半刚同轴电缆4代替现有天线中的合路器，直接对倒V形阵3馈送信号，这样会有约0.5dB的插损，较使用合路器而言，可以减少约1dB的插损，从而提高本申请定向天线的增益，约1dBi。
在本申请优选实施例中，根据定向天线的电性能指标，要设计单副印刷对数周期天线的增益≥7.5dBi，E面波束宽度55°～65°，H面波束宽度110°～130°，输出阻抗80～120Ω。由于对数周期天线的比例因子τ、间隔因子σ决定了天线的增益和波束宽度，而对数周期天线的集合线宽度w0决定了天线的输出阻抗。最终本申请实施例优化后确定印刷对数周期天线的τ＝0.885，σ＝0.0915，w0约为3.2～4mm，优选3.5mm。
采用上述参数设计的单副印刷对数周期天线，其H面波束宽度较E面宽，约为2倍的关系。本申请将两副印刷对数周期天线镜像对称设置，组成倒V形阵3，以压缩H面的波束宽度，通过调节倒V形阵3的顶角夹角γ和顶角间距d，令倒V形阵3的E面和H面波束宽度一致。
在本申请的优选实施例中，印刷对数周期天线的间隔因子构成等差数列。由于倒V形阵3工作频带有10倍频，很难保证在整个频带内方向图的等化性都很好，因此，申请人将印刷对数周期天线的间隔因子构成等差数列，这样可以改善定向天线在整个频带内方向图的等化性。
仍沿用上述优化后的印刷对数周期天线的参数，在本申请的一个优选实施例中，印刷对数周期天线的比例因子τ为0.885，间隔因子σ的初始值为0.0915，公差为0.0015，集合线宽度w0为3.2～4mm。图3示出了本申请定向天线中印刷对数周期天线的结构示意图，该印刷对数周期天线的具体几何参数如下表1所示。
表1对数周期天线的振子数、振子长度和宽度、振子间间距
Figure BDA0002565611870000061
Figure BDA0002565611870000071
由于激励区附近反射振子数目不够的缘故，倒V形阵3在0.9～1GHz频段内的驻波、后瓣过大，为此，本申请在倒V形阵3的下端安装金属接地板2，不但有利于低频段0.9～1GHz的阻抗匹配，而且有利于减小后瓣，提高增益。在本申请的一个实施例中，金属接地板2为φ265mm的金属板。
针对金属接地板2的设置，虽然设置金属接地板2会使倒V形阵3的低频段的阻抗特性和辐射性能得以改善，但也会使高频段(7～9GHz)方向图产生波形起伏，不光滑，波束宽度不恒定，从而影响指向精度。为此，在本申请的优选实施例中，金属接地板2的上表面还设有吸波材料层8(吸波率S11＜-20dB@7～9GHz)，利用该吸波材料层8吸收高频段向后辐射到金属接地板2的入射波，抑制其反射波，从而改善波形的不规则起伏。吸波材料层8可以通过涂覆工艺成型在金属接地板2的表面，也可以将片状的吸波材料层8粘贴在金属接地板2的表面。
如图1所示，在本申请的一个实施例中，定向天线还包括设置在金属接地板2上的两副支撑板，即支撑板5和支撑板6；两副支撑板镜像对称设置，支撑板的一侧表面开有倒V形凹槽，倒V形凹槽的槽线宽度与印刷对数周期天线的厚度相同，倒V形凹槽的顶角度数与倒V形阵3的顶角度数相同，从而，将支撑板5和支撑板6分别设置在倒V形阵3的两侧，通过倒V形凹槽对倒V形阵3进行支撑定位，见图1所示。具体而言，支撑板5和支撑板6的底端固定在金属接地板2上，金属接地板2上设置有对应支撑板的翻边9，通过螺钉等紧固件，将支撑板固定在翻边9处。
在本申请的一个实施例中，两个支撑板之间还设有多个用于将两支撑板固定连接的连接杆7。
如图1所示，在本申请的一个实施例中，支撑板为镂空结构，包括多个开孔，从而降低支撑板的重量，实现定向天线的轻量化。
在本申请的一个实施例中，如图1所示，定向天线还包括一对相同的固定板10和一对相同的定位圆柱11；固定板10和定位圆柱11设置在倒V形阵3的顶角端，固定板10和定位圆柱11都开有固定印刷对数周期天线的卡槽，通过卡槽对倒V形阵3的顶角端进行夹角和间距的固定。
图4至图10给出了本发明实施例的定向天线的驻波比、增益、方向图及其波束宽度等实测技术指标，由图可见，本发明的定向天线实现了以下技术指标：
1)工作频率范围：0.9～9GHz；
2)电压驻波比：＜2；
3)增益：≥9dBi；
4)E面和H面波束宽度：55°～70°。
综上所述，本申请超宽带恒波束定向天线利用两副镜像对称设置的印刷对数周期天线，组成倒V形阵辐射体，在10被频的工作频段内，增益高(≥9dBi)，波束宽度恒定，波动小(55～70°)，且方向图等化性好。本申请定向天线的这些特征可以保证无线电侦测设备只需用少量的天线来实现信号的远距离侦测，可覆盖卫星导航、遥控和影像传输数据链等通信信号，舰载、陆基、机载搜索/预警雷达信号，结构精简，体积较小，成本较低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超宽带恒波束定向天线，包括辐射体，其特征在于：所述辐射体采用具有非频变超宽带特性的印刷对数周期天线，包括镜像对称的两副印刷对数周期天线，两副所述印刷对数周期天线在垂直天线平面的方向上顶端靠拢，组成倒V形阵，在所述倒V形阵的顶角处，两副所述印刷对数周期天线之间留有预设的顶角间距。
2.根据权利要求1所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述倒V形阵的E面和H面波束宽度一致。
3.根据权利要求1所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述印刷对数周期天线的间隔因子构成等差数列。
4.根据权利要求3所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述印刷对数周期天线的比例因子τ为0.885，间隔因子σ的初始值为0.0915，公差为0.0015，集合线宽度w0为3.2～4mm。
5.根据权利要求1所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述定向天线还包括金属圆芯和半刚同轴电缆；所述半刚同轴电缆通过所述金属圆芯对所述定向天线进行馈电；所述金属圆芯从所述倒V形阵的顶端孔隙穿过，电连接所述倒V形阵外侧的覆铜层；所述半刚同轴电缆的内导体电连接所述金属圆芯，所述半刚同轴电缆的外导体电连接所述倒V形阵内侧的覆铜层。
6.根据权利要求1所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述定向天线还包括金属接地板，两副所述印刷对数周期天线的底端安装在该金属接地板的上表面。
7.根据权利要求6所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述定向天线还包括设置在所述金属接地板上的两副支撑板；两副所述支撑板镜像对称设置，所述支撑板的一侧表面开有倒V形凹槽，所述倒V形凹槽的槽线宽度与所述印刷对数周期天线的厚度相同，所述倒V形凹槽的顶角度数与所述倒V形阵的顶角度数相同，所述支撑板分别设置在所述倒V形阵的两侧，通过所述倒V形凹槽的对所述倒V形阵进行支撑定位。
8.根据权利要求7所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述支撑板为镂空结构，包括多个开孔。
9.根据权利要求5所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述定向天线还包括一对相同的固定板和一对相同的定位圆柱；所述固定板和所述定位圆柱设置在所述倒V形阵的顶角端，所述固定板和所述定位圆柱都开有固定所述印刷对数周期天线的卡槽，通过所述卡槽对所述倒V形阵的顶角端进行夹角和间距的固定。
10.根据权利要求6所述的超宽带恒波束定向天线，其特征在于：所述金属接地板的上表面设有吸波材料层。
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