CN112103628B - 低剖面超宽带对数周期天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种低剖面超宽带对数周期天线单元，旨在提供一种高频方向图波束更窄，增益更高的对数周期天线单元。本发明通过下述技术方案实现：超宽带印刷对数周期平面偶极子的对长振子臂匹配枝节，分别交错印刷在集合线轴对称中心线上的两侧，射频同轴电缆穿过外导体悬空支撑在介质基板的中心线上，外导体通过介质基板宽边集合线终端最长振子端处配置的贴片电阻实现阻抗匹配，固联在窄边平面偶极子上的渐变折射率透镜加载对数周期天线的驻波特性，聚焦高频波束，实现只对高频波束汇聚的俯仰面波束；馈电后，电磁能量沿集合线传输，依次对激励区各振子激励，把传输线上传播的导行波变换成无界媒介中传播，在水平方向图上表现为360°均匀辐射。

Description

低剖面超宽带对数周期天线单元
技术领域
本发明涉及一种适于应用在导航、探测以及超宽带(UWB)通信等领域的基于渐变折射率透镜的低剖面超宽带对数周期天线单元LPDA(Log-Periodicdipoleantenna)。
背景技术
对数周期天线LPDA是基于缩比原理设计的所有振子尺寸以及振子之间的距离都有确定比例关系的天线，其特性是随频率的对数做周期性变化。它是一种非频变天线，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，在很宽的频带内保持基本不变。随着现代通信技术的发展，无线电子设备越来越多，这些设备都需要有相对应的天线，天线太大导致载体上没有合适的安装位置，即使安装上了也会占据过大的空间影响其他天线安装，同时带来很严重的电磁兼容问题。对数周期天线由N个平行排列的偶极子构成，它们都连接在一对双线传输线(即集合线)上,馈源接在最短振子一端,相邻两振子交叉馈电，LPDA有3个重要的结构参数：周期率即比例因子τ、结构角α，间距因子σ、目前设计LPDA大都是采用传统方法，即通过查找相应的图表来找出最佳的天线参数，然后再利用电磁场数值方法分析天线电性能。虽然这样设计出来的LPDA的半张角α都较小，≤10°，在很宽的频带内可以获得几乎不变的阻抗、增益和方向图,但是天线的纵向尺寸很大,往往限制了它的实际应用,例如工作在整个短波波段的对数周期天线,如果以10°为半张角,则天线的纵向长度至少为270m。另外,当LPDA的带宽超过10个倍频时,次激励区会明显破坏其宽带性能。当LPDA带宽很大尤其是大于10个倍频程时,在高频段将出现2个或2个以上的次激励区,它们会破坏LPDA的周期性,严重时会使主瓣分裂、副瓣增大，并且增大LPDA的张角必然要引起天线性能恶化。传统的对数周期天线(LPDA)的结构是由称为集合线的双管传输线馈电，一根管上的振子一上一下交替与导体管连接，并且正好与平行的另一根导体管上的振子相反。平行双线上对应位置的上下两根振子构成一幅对称振子，在最短振子一端的集合线馈电。通常根据比例因子、间隔因子、结构角、最低和最高工作频率，就可以确定对数周期天线的几何结构，但这种方法得到的对数周期天线纵向尺寸都比较大，且窄边馈电组阵后，耦合变大，方向图和驻波都会发生恶化，缺少渐变折射率透镜2加载，高频的方向图也无法得到改善。由于天线的几何参数较多,馈电电路较复杂,传统的对数周期天线往往尺寸偏大，无法满足有限空间的使用场景。
传统的对数周期天线馈电在窄边馈电且射频同轴接插件也在窄边，往往会对高频段的驻波产生恶化，方向图性能不稳定，组阵情况将更明显，需要将射频接插件引向宽边，于是将射频同轴电缆的外芯剥离一部分，裸露出内导体并弯折穿过介质基板，馈于上表面的平面集合线，然后将剩余同轴电缆焊接在下表面的平面集合线，一直到超出宽边末端，为射频同轴的接插件。
发明内容
本发明的目的是为了解决当前传统对数周期天线：(1)尺寸大、(2)窄边耦合大、方向图和驻波恶化(组阵更明显)、(3)高频方向图无法改善等问题。提供一种高频方向图波束更窄，增益更高，实现高精度定位的基于渐变折射率透镜的低剖面超宽带对数周期天线单元。
本发明的技术方案是：一种低剖面超宽带对数周期天线单元，包括：N个平行排列连接在一对双线传输线即集合线上,馈源接在最短振子一端,相邻两振子交叉馈电并印刷在介质基板(3)上的平面偶极子(1)和支撑在所述介质基板(3)中心线上的射频同轴电缆(5)，其特征在于：超宽带印刷对数周期平面偶极子(1)的振子臂匹配枝节分别交错印刷在集合线轴对称中心线上的两侧，射频同轴电缆(5)的外导体(5-2)通过介质基板(3)宽边集合线终端最长振子端处配置的贴片电阻(6)实现阻抗匹配，通过平行阵列在介质基板(3)中心线上间隔排列的介质结构固定件(4)贯通介质基板(3)最短振子端处的窄边，通过两根支架固联在介质基板(3)窄边上的渐变折射率透镜(2)加载调整对数周期天线的驻波特性，聚焦高频波束，实现只对高频波束汇聚的俯仰面波束；馈电后，电磁能量由馈线点沿集合线传输，依次对介质基板(3)激励区各振子子阵激励，把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波或者进行相反的变换，在水平方向图上表现为360°均匀辐射。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明将射频同轴电缆的外芯剥离一部分，裸露出内导体并弯折穿过介质基板，馈于上表面的平面集合线，然后将剩余同轴电缆焊接在下表面的平面集合线，一直到超出宽边末端，为射频同轴的接插件，有效避免了窄边的耦合问题。克服了传统的对数周期天线馈电在窄边馈电且射频同轴接插件也在窄边，需要将射频接插件引向宽边，往往会对高频段的驻波产生恶化，方向图性能不稳定，组阵情况将更明显的缺陷。
本发明针对频率较低时对数周期天线(LPDA)具有较大纵向尺寸,采用N个平行排列连接在一对双线传输线即集合线上,馈源接在最短振子一端,相邻两振子交叉馈电并印刷在介质基板(3)上的平面偶极子(1)和支撑在所述介质基板(3)中心线上的射频同轴电缆(5)，在LPDA的基础上，基于渐变折射率透镜的低剖面超宽带对数周期天线单元，将低端谐振振子按照一定比例进行加载来提高天线低端的电尺寸，通过介质加载，能够在有限空间内组阵，有效地减小了天线的尺寸,实现了尺寸小型化；小型化尺寸仅为0.41λL*0.37λL*0.004λL；天线工作的倍频带宽达到了15∶1，且剖面较低；通过在宽边射频同轴电缆(5)馈电，降低窄边的耦合效应，获得稳定的方向图和超宽带；通过在窄边加载渐变折射率透镜(2)，聚焦高频波束，波束宽度变窄，增益变高，实现高精度定位能力。仿真结果表明：天线在整个频带(fL～15fL)(fL为低频工作频率)内具有稳定的定向辐射方向图和较高的天线增益。
本发明针对频率较低时对数周期天线(LPDA)具有较大纵向尺寸,采用N个平行排列连接在一对双线传输线即集合线上,馈源接在最短振子一端,相邻两振子交叉馈电并印刷在介质基板(3)上的平面偶极子(1)和支撑在所述介质基板(3)中心线上的射频同轴电缆(5)，在LPDA的基础上，基于渐变折射率透镜的低剖面超宽带对数周期天线单元，将低端谐振振子按照一定比例进行加载来提高天线低端的电尺寸，通过介质加载，能够在有限空间内组阵，有效地减小了天线的尺寸,实现了尺寸小型化；小型化尺寸仅为0.41λL*0.37λL*0.004λL；天线工作的倍频带宽达到了15∶1，且剖面较低；通过在宽边射频同轴电缆(5)馈电，降低窄边的耦合效应，获得稳定的方向图和超宽带；通过在窄边加载渐变折射率透镜(2)，聚焦高频波束，波束宽度变窄，增益变高，实现高精度定位能力。仿真结果表明：天线在整个频带(fL～15fL)(fL为低频工作频率)内具有稳定的定向辐射方向图和较高的天线增益。
本发明利用多层非均匀打孔或者方环谐振结构构建而成的平板渐变折射率透镜可以实现对电磁波的汇聚，具有高增益、宽带和双极化特性。并且渐变折射率透镜的阻抗很容易与空气匹配，因此具有很小的反射损耗和很高的天线效率；利用人工电磁媒质实现大范围的渐变折射率，使渐变折射率透镜比传统的透镜更加轻薄。
本发明的基于渐变折射率透镜的低剖面超宽带对数周期天线单元可根据不同应用背景及使用环境调整所述天线的尺寸。因此，本发明具有较好的适用性，可应用于超宽带、精度高、尺寸限制的无人机侦察和干扰等场景。
附图说明
图1是低剖面超宽带对数周期天线单元示意图；
图2是图1窄边局部放大示意图；
图3是图1宽边局部放大示意图；
图4是射频同轴接插件在窄边馈电的示意图；
图5是本发明馈电方式和窄边馈电方式的驻波特性对比示意图；
图6是窄边加载渐变折射率透镜2的驻波特性曲线示意图；
图7是典型频点下加载渐变折射率透镜2的俯仰面方向图(θ＝90°)，其中，图7(a)为15fL的方向图，图7(b)为12fL的方向图，图7(c)为10.25fL方向图，图7(d)为6fL方向图，图7(e)为3fL方向图，图7(f)为1.25fL方向图；
图中：1平面偶极子，2渐变折射率透镜，3介质基板，4介质结构固定件，5射频同轴电缆，5-1同轴电缆内导体，5-2同轴电缆外导体，5-3同轴电缆接插件，6贴片电阻。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
具体实施方式
参阅图1～图4。在以下描述的优选实施例中，一种基于渐变折射率透镜的低剖面超宽带对数周期天线单元，包括：N个平行排列连接在一对双线传输线即集合线上,馈源接在最短振子一端,相邻两振子交叉馈电并印刷在介质基板(3)上的平面偶极子(1)和支撑在所述介质基板(3)中心线上的射频同轴电缆(5)。超宽带印刷对数周期平面偶极子(1)的振子臂匹配枝节分别交错印刷在集合线轴对称中心线上的的两侧，射频同轴电缆(5)的外导体(5-2)通过介质基板(3)宽边集合线终端最长振子端处配置的贴片电阻(6)实现阻抗匹配，通过平行阵列在介质基板(3)中心线上间隔排列的介质结构固定件(4)贯通介质基板(3)最短振子端处的窄边，通过两根支架固联在介质基板(3)窄边上的渐变折射率透镜(2)加载调整对数周期天线的驻波特性，聚焦高频波束，实现只对高频波束汇聚的俯仰面波束；馈电后，电磁能量由馈线点沿集合线传输，依次对介质基板(3)激励区各振子子阵激励，把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波或者进行相反的变换，在水平方向图上表现为360°均匀辐射。
介质基板(3)为矩形相连的梯形体，梯形上底窄边宽度为0.050λL～0.060λL，下底宽边宽度为0.30λL～0.40λL，介质厚度为0.004λL～0.006λL。
渐变折射率透镜(2)采用最内层到最外层介电常数依次变小的三层介质层，通过介质打孔和等效媒质理论，分配每一层不同的占空比，就可以实现同一种介质三层不同的介电常数，比传统采用多种介质更加一体化，保证各向同性。可以有效的实现波束聚焦效果。该透镜的外观为规则圆柱,其内部折射率连续变化。根据光线追迹方程,利用MATLAB软件实现点光源到渐变折射率透镜(GRIN透镜),再到接收面的光线轨迹计算。为了减少透镜和空气之间的反射，在渐变折射率透镜两边分别制作了阻抗匹配层。与同口径传统介质透镜相比，该透镜天线具有更高的定向性。
介质结构固定件(4)选用玻璃纤维作为基材，然后对外形进行优化设计，得到具有强稳固性、轻量化的结构件，用于加固射频同轴电缆(5)、固定介质基板(3)和链接渐变折射率透镜(2)。所述的双线传输线是由两条平行间隔分开的覆铜体构成的。
参阅图4。对数周期天线馈电是在介质基板(3)的窄边端面设有馈电射频接插件(5-3)，其内导体接于印刷在介质基板(3)的上表面集合线，外导体通过矩形块连接体固联在印刷在介质基板(3)的窄边端面上，实现对数周期天线馈电。
平面偶极子(1)的设计布局：通过将平面偶极子(1)印刷在介质基板(3)来实现介质加载，可以提高等效介电常数，缩小等效波长，从而扩大平面偶极子(1)的电长度，实现小型化，平面偶极子(1)的结构参数和等效介电常数可由以下公式得到：
比比例因子τ，
Figure GDA0003534599790000051
间隔因子σ，
Figure GDA0003534599790000052
结构角α，
Figure GDA0003534599790000053
Figure GDA0003534599790000054
Figure GDA0003534599790000055
其中，Ln为第N个振子的长度，εe为等效介电常数，λe为等效波长，h为介质基板厚度，w为平面偶极子的宽度，εr为介质基板相对介电常数，以上公式可以证明介质加载使得平面偶极子(1)的等效波长变小，增大电长度，从而可以缩小对数周期天线的尺寸。根据工作频带的最低和最高频率确定最长振子Lmax和最短振子Lmin的长度，结合比例因子τ、间隔因子σ、结构角α则可以确定对数周期的几何结构，通过上述结构参数和等效介电常数计算公式，给定比例因子τ、间隔因子σ、结构角α中的任意两个就可以求得对数周期天线的初始模型参数，然后代入电磁仿真软件和MATLAB，对每个参数进行GA优化，得到最优解，通过介质基板(3)宽边处配置贴片电阻，实现阻抗匹配，获得稳定的方向图和15:1的超宽带。
参阅图5。在本发明宽边馈电和传统窄边馈电的驻波对比图，窄边馈电在5.75fL附近出现了带内谐振点，导致驻波上升，带宽仅为2.1:1(7.625fL～15fL)；而本发明的宽边馈电时的谐振点被消除，天线带宽变宽为15:1(fL～15fL)，具有了超宽带特性。
参阅图6。加载渐变折射率透镜(2)的对数周期天线的驻波特性，从图中可以看出，本发明的透镜加载，对驻波的影响很小，依然保持了15:1(fL～15fL)的超宽带特性。
参阅图7。典型频点下，本发明加载透镜和传统无透镜的俯仰面方向图对比图，在高频15fL、12fL处，对俯仰面的波束有明显的汇聚作用，波束宽度变窄，增益提高；在10.25fL、6fL、3fL、1.25fL处，汇聚效果基本消失，实现了只对高频波束汇聚，而对中低频不产生影响的效果。
以上是向本领域工程技术人员提供的对本发明及其实施方式的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。本领域工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可据本发明公开的技术启示做出各种不脱离本发明实质的一系列变形和组合，这些变形和组合仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低剖面超宽带对数周期天线单元，包括：N个平行排列连接在一对双线传输线即集合线上,馈源接在最短振子一端,相邻两振子交叉馈电并印刷在介质基板(3)上的平面偶极子(1)和支撑在所述介质基板(3)中心线上的射频同轴电缆(5)，其特征在于：超宽带印刷对数周期平面偶极子(1)的振子臂分别交错印刷在集合线轴对称中心线上的两侧，射频同轴电缆(5)的外导体(5-2)通过介质基板(3)宽边集合线终端最长振子端处配置的贴片电阻(6)实现阻抗匹配，通过平行阵列在介质基板(3)中心线上间隔排列的介质结构固定件(4)贯通介质基板(3)最短振子端处的窄边，通过两根支架固联在介质基板(3)窄边上的渐变折射率透镜(2)加载调整对数周期天线的驻波特性，聚焦高频波束，实现只对高频波束汇聚的俯仰面波束；馈电后，电磁能量由馈线点沿集合线传输，依次对介质基板(3)激励区各振子激励，把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波或者进行相反的变换，在水平方向图上表现为360°均匀辐射。
2.如权利要求1所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：介质基板(3)形状为矩形与梯形连接而成，梯形上底窄边宽度为0.050λL～0.060λL，下底宽边宽度为0.30λL～0.40λL，介质厚度为0.004λL～0.006λL，λL为最低频对应的波长。
3.如权利要求1所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：渐变折射率透镜(2)采用最内层到最外层介电常数依次变小的三层介质层，通过介质打孔和等效媒质理论，分配每一层不同的占空比，实现同一种介质三层不同的介电常数。
4.如权利要求1所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：渐变折射率透镜(2)的外观为规则圆柱，其内部折射率连续变化。
5.如权利要求1所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：为了减少透镜和空气之间的反射，在渐变折射率透镜(2)两边分别制作了阻抗匹配层。
6.如权利要求1所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：在介质基板(3)的窄边端面设有馈电射频接插件(5-3)，其内导体接于印刷在介质基板(3)的上表面集合线，外导体通过矩形块连接体固联在印刷在介质基板(3)的窄边端面上，实现对数周期天线馈电。
7.如权利要求1所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：平面偶极子(1)的结构参数和等效介电常数由以下公式得到：
比例因子τ，
Figure FDA0003534599780000011
间隔因子σ，
Figure FDA0003534599780000012
结构角α，
Figure FDA0003534599780000021
等效介电常数
Figure FDA0003534599780000022
等效波长
Figure FDA0003534599780000023
其中，Ln为第N个振子的长度，h为介质基板厚度，w为平面偶极子的宽度。
8.如权利要求7所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：根据工作频带的最低和最高频率确定最长振子Lmax和最短振子Lmin的长度，结合比例因子τ、间隔因子σ、结构角α确定对数周期天线单元的几何结构，通过结构参数和等效介电常数计算公式，给定比例因子τ、间隔因子σ、结构角α中的任意两个参数求得对数周期天线的初始模型参数，然后代入电磁仿真软件和MATLAB，对每个参数进行GA优化，得到最优解，通过介质基板(3)宽边处配置贴片电阻，实现阻抗匹配，获得稳定的方向图和15:1的超宽带。
9.如权利要求1所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：所述的双线传输线是由两条平行间隔分开的覆铜体构成的。
10.如权利要求1所述的低剖面超宽带对数周期天线单元，其特征在于：射频同轴电缆(5)的内导体(5-1)穿过外导体(5-2)悬空支撑在介质基板(3)的中心线上，外导体(5-2)焊接在介质基板(3)的下表面平面集合线，一直到超出宽边末端，为射频同轴的接插件(5-3)。
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