CN112310621A - 一种宽带陷波锥形波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带陷波锥形波束天线，包括圆形金属地板、圆形介质基板和金属圆锥，所述金属圆锥倒放于圆形金属地板的中心上，其顶端与圆形介质基板的下表面连接，圆形介质基板的上表面印制有圆形辐射贴片，圆形辐射贴片通过四个短路圆柱与圆形金属地板连接，圆形辐射贴片表面上均匀设有四个负载贴片，每个负载贴片处设有与其一一对应、且相互耦合的耦合贴片，每个耦合贴片与圆形金属地板连接；还包括均匀设置在圆形金属地板表面上四个金属寄生圆柱。本发明天线结构紧凑，设计合理，具有宽带和小型化的优点，能够提高多旋翼无人机方向图测量的精度，避免多旋翼无人机工作信号与探头天线的互扰。

Description

一种宽带陷波锥形波束天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带陷波锥形波束天线，可用于多旋翼无人机平台测量系统。

背景技术

随着天线以及无线电射频装置的飞速发展，该装置在各个领域中都有极大的应用前景。因此，为了清晰地了解无线电射频装置的具体性能，天线测量技术变得尤为关键。一直以来，大型固定天线或无线电装置在整个使用周期中，针对其辐射性能的精确测量是非常重要，例如在整个天线系统开发和优化，射频系统移交和升级等方面。而在大型固定天线或无线电装置使用过程中辐射性能受到各种各样的影响，如污染、老化、暴风雨或闪电的破坏、动物的破坏、磨损、操作失误和周围环境的变化等。因此，对这些天线系统装置的辐射性能进行周期性的定量核查和检查将变得至关重要。天线测量技术不仅作为估量天线是否正常运行的必备手段，而且在新型天线研究设计上有着不可磨灭的作用。

随着多旋翼无人机技术的迅速发展，衍生出了一种利用多旋翼无人机搭载探头天线对地面大型射频装置辐射特性进行测试的测量系统，这项新技术意味着在天线测量技术在以下几个方面实现了重大突破：一是尺寸紧凑，多旋翼无人机飞行的覆盖区域广，但本身的尺寸极小，不用像在传统的测量手段中，架设庞大而又昂贵的测量装置；二是可移动性，多旋翼无人机作为一个可移动的机器装置，它能灵活移动到各个位置，通过这个特性，可以使室外大型天线设备的辐射方向图被完全的测量出来，而传统的测量方法只能以非常有限且基本的方式进行；三是飞行轨迹的多样化，通过对多旋翼无人机飞行软件参数进行设置，使多旋翼无人机的飞行轨迹变得多种多样，它们可以是：垂直平面、水平平面、圆柱面和球面等任何轨迹，以满足各种测量的需求。

但是无人机盘旋飞行时，探头天线相对地面待测天线有一定倾角，而全向探头天线在倾角方向上增益降低导致接收信号强度小的问题，以及避免信号互扰的问题，使得测量系统容易受到多旋翼无人机通信信号、飞行姿态等因素的影响，导致测量精度和效率的降低。

有鉴于此，本发明人设计出一种宽带陷波锥形波束天线，以解决上述技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明目的在于提供了一种宽带陷波锥形波束天线，其通过单锥体天线与反射金属板的结构，使其产生锥形波束辐射特性，然后，引入顶部耦合负载贴片和短路圆柱，不仅改善了阻抗匹配，而且在多旋翼无人机的通信频段产生了阻带，克服了信号互扰的问题，最后，该天线在仰角上，增益变化小，改善了测试精度问题。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种宽带陷波锥形波束天线，包括圆形金属地板、圆形介质基板和金属圆锥，所述金属圆锥倒放于圆形金属地板的中心上，所述金属圆锥的顶端与圆形介质基板的下表面连接，所述圆形介质基板的上表面印制有圆形辐射贴片，所述圆形辐射贴片通过四个短路圆柱与圆形金属地板连接，所述圆形辐射贴片表面上均匀设置有四个负载贴片，每个负载贴片处设置有与其一一对应、且相互耦合的耦合贴片，每个所述耦合贴片与圆形金属地板连接；

还包括设置在圆形金属地板表面上的四个金属寄生圆柱，每个所述金属寄生圆柱与圆形金属地板的圆心距相同、且位于倒放的金属圆锥的下方，相邻两个金属寄生圆柱与圆形金属地板圆心夹角为90度，每个所述负载贴片和对应耦合贴片的中心位于金属寄生圆柱轴心与圆形金属地板圆心的延长线上。

进一步地，所述圆形辐射贴片的面积大于金属圆锥的顶端面积，所述四个短路圆柱均匀设置在圆形辐射贴片的下表面外檐上，每个所述短路圆柱的轴心位于相邻两个金属寄生圆柱与圆形金属地板圆心夹角的角平分线上。

进一步地，所述耦合贴片呈近似倒“L”形，所述耦合贴片的水平段位于负载贴片的正上方，所述耦合贴片的竖直段与圆形金属地板连接。

进一步地，所述负载贴片近似呈梯形，所述负载贴片较短的下侧与圆形辐射贴片相连，所述负载贴片较长的上侧上方设置有倒“L”形耦合贴片。

进一步地，所述圆形介质基板的材质为Rogers5880，其半径R1为65mm，厚度H0为1mm。

进一步地，每个所述金属寄生圆柱的半径Rc1为6mm，高度H2为6mm，轴心距离圆形金属地板的圆心距R6为35mm。

进一步地，所述金属圆锥的高度H1为25mm，顶端半径R4为50mm，其底端与圆形金属地板相交，交界面直径D1为0.5mm。

进一步地，每个所述短路圆柱半径Rc2为1.5mm，所述短路圆柱轴心距离圆形金属地板的圆心距R5为61.5mm。

进一步地，所述圆形辐射贴片的半径R2为60mm。

进一步地，所述负载贴片较长的上侧与倒“L”形耦合贴片距离S1为2mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明一种宽带陷波锥形波束天线，基于双锥天线理论计算，分析了双锥天线宽带特性的原理，通过合理设计单椎体天线与反射金属板的结构，使其产生锥形波束辐射特性，有效解决了多旋翼无人机飞行轨迹影响天线方向图测量的问题。

2、本发明一种宽带陷波锥形波束天线，通过引入了顶部耦合负载贴片和短路圆柱，不仅改善了阻抗匹配，而且在多旋翼无人机的通信频段产生了陷波特性，有效解决了多旋翼无人机通信信号和天线互扰的问题。

3、本发明一种宽带陷波锥形波束天线，在圆形金属地板上设置圆锥体和四个金属寄生圆柱，能够改善天线阻抗匹配；在介质基板上蚀刻圆形辐射贴片，该贴片通过短路圆柱与地板相连，能够拓展带宽。

附图说明

图1是本发明整体结构立体图；

图2是本发明整体结构主视图；

图3是本发明整体结构俯视图；

图4是本发明的VSWR随有无耦合贴片、短路圆柱或寄生圆柱变化的仿真结果图；

图5是本发明的VSWR随有无短路圆柱变化的仿真结果图；

图6是本发明的VSWR随短路圆柱高度H1变化的仿真结果图；

图7是本发明的VSWR随顶部耦合负载长度L4变化的仿真结果图；

图8是本发明的VSWR随频率变化的仿真结果图；

图9是本发明在2.16GHz下Theta=30°面方向图；

图10是本发明在2.16GHz下xoz面方向图；

图11是本发明在3.02GHz下Theta=30°面方向图；

图12是本发明在3.02GHz下xoz面方向图；

图13是本发明在3.70GHz下Theta=30°面方向图；

图14是本发明在3.70GHz下xoz面方向图；

图15是本发明的增益随频率变化的仿真结果图。

图中： 1、圆形金属地板；2、圆形介质基板；3、金属寄生圆柱；4、金属圆锥；5、短路圆柱； 6、圆形辐射贴片； 7、负载贴片；8、耦合贴片。

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明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明的概念。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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。

实施例1：参考图1～3所示，一种宽带陷波锥形波束天线，包括圆形金属地板1、圆形介质基板2和金属圆锥4，所述金属圆锥4倒放于圆形金属地板1的中心上，金属圆锥4的顶端平面与圆形介质基板2的下表面连接，圆形介质基板2的上表面印制有圆形辐射贴片6，圆形辐射贴片6通过四个短路圆柱5与圆形金属地板1连接，圆形辐射贴片6表面上均匀设置有四个负载贴片7，每个负载贴片7处设置有与其一一对应、且相互耦合的耦合贴片8，每个耦合贴片8与圆形金属地板1连接。

本实施例的耦合贴片8呈近似倒“L”形，耦合贴片8的水平段位于负载贴片7的正上方，耦合贴片8的竖直段与圆形金属地板1连接；负载贴片7近似呈梯形，负载贴片7较短的下侧与圆形辐射贴片6相连，负载贴片7较长的上侧上方设置有倒“L”形耦合贴片8。

本实施例还包括设置在圆形金属地板1表面上的四个金属寄生圆柱3，每个金属寄生圆柱3与圆形金属地板1的圆心距相同、且位于倒放的金属圆锥4的下方，相邻两个金属寄生圆柱3与圆形金属地板1圆心夹角为90度，每个负载贴片7和对应耦合贴片8的中心位于金属寄生圆柱3轴心与圆形金属地板1圆心的延长线上。本发明采用同轴线馈电，馈电点位于圆形金属地板1的圆心，同轴线内芯与金属圆锥4上表面相接，外皮与圆形金属地板1相接。

其中，所述圆形辐射贴片6的面积大于金属圆锥4的顶端面积，四个短路圆柱5均匀设置在圆形辐射贴片6的下表面外檐上，每个短路圆柱5的轴心位于相邻两个金属寄生圆柱3与圆形金属地板1圆心夹角的角平分线上。

具体的，本实施例圆形金属地板1半径R3为150mm；圆形介质基板2的材质为Rogers5880，其半径R1为65mm，厚度H0为1mm；每个金属寄生圆柱3的半径Rc1为6mm，高度H2为6mm，轴心距离圆形金属地板1的圆心距R6为35mm；金属圆锥4位于圆形金属地板1和圆形介质基板2之间，其顶端与圆形介质基板2相接，底端与圆形金属地板1相交，交界面直径D1为0.5mm，高度H1为25mm，顶端半径R4为50mm；每个短路圆柱5位于圆形金属地板1的表面上，并穿过圆形介质基板2后与圆形辐射贴片6相接，其半径Rc2为1.5mm、高为26mm，轴心距离圆形金属地板1的圆心距R5为61.5mm；圆形辐射贴片6的半径R2为60mm。

本实施例如图2所示，梯形负载贴片7各边长分别为L1=20mm、L2=45mm、H3=20mm、H6=5mm，负载贴片7较长的上侧与倒“L”形耦合贴片8距离S1为2mm；倒“L”形耦合贴片8的尺寸为L3=10mm、L4=53mm、H4=10mm、H5=48mm、W1=3mm。

进一步为了验证本发明实施例天线的性能，做了以下对比实验：

实施例2-8在实施例1的基础上结构和参数做了如下调整：

实施例2在实施例1的基础上去除了耦合贴片8和短路圆柱5，其他结构和参数不变。

实施例3在实施例1的基础上去除了金属寄生圆柱3，其他结构和参数不变。

实施例4在实施例1的基础上去除了短路圆柱5，其他结构和参数不变。

实施例5在实施例1的基础上短路圆柱5高度变为H1=20mm，其他结构和参数不变。

实施例6在实施例的基础上短路圆柱5高度变为H1=30mm，其他结构和参数不变。

实施例7在实施例1的基础上顶部耦合贴片8长度变为L4=30mm，其他结构和参数不变。

实施例8在实施例1的基础上顶部耦合贴片8长度变为L4=40mm，其他结构和参数不变。

以下结合仿真实验，对本发明的效果作如下说明：

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件HFSS_19.2对上述实施例1、2、3的VSWR参数进行仿真计算，结果如图4所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_19.2对上述实施例1、4的VSWR参数进行仿真计算，结果如图5所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_19.2对上述实施例1、5、6的VSWR参数进行仿真计算，结果如图6所示。

1.4利用商业仿真软件HFSS_19.2对上述实例1、7、8的VSWR参数进行仿真计算，结果如图7所示。

1.5利用商业仿真软件HFSS_19.2对上述实施例1的VSWR参数进行仿真计算，结果如图8所示。

1.6利用商业仿真软件HFSS_19.2对上述实施例1的增益方向图进行仿真计算，结果如图9-14所示。其中，图9为实施例1天线在2.16GHz、Theta=30°面方向图，图10为实施例1天线在2.16GHz、xoz面方向图；图11为实施例1天线在3.02GHz、Theta=30°面方向图，图12为实施例1天线在3.02GHz、xoz面方向图；图13为实施例1天线在3.70GHz、Theta=30°面方向图，图14为实施例1天线在3.70GHz、xoz面方向图。

1.7利用商业仿真软件HFSS_19.2对上述实施例1的增益-频率进行仿真计算，结果如图15所示。

2、仿真结果

参照图4，实施例1天线阻抗带宽(VSWR<2)为2.03GHz-4.01GHz，相对带宽为65.56%，并且在多旋翼无人机的通信频段2.408GHz-2.440GHz产生了陷波。实施例2天线阻抗带宽(VSWR<2)为1.5GHz-2.36GHz和3.02GHz-3.96GHz，阻抗带宽变窄。虽然在频段2.36GHz-3.02GHz产生了陷波特性，但极大地超过了多旋翼无人机通信频段2.408GHz-2.440GHz，造成了一定频段的浪费。实施例3天线阻抗带宽(VSWR<2)为2.01GHz-2.26GHz和3.63GHz-4.2GHz，阻抗带宽进一步变窄，但仍然在多旋翼无人机通信频段2.408GHz-2.440GHz产生了陷波特性。故金属寄生圆柱3、短路圆柱5和耦合贴片8改善了天线的阻抗匹配，提高了天线的阻抗带宽。

参照图5，实施例4在2.40GHz-3.02GHz频段阻抗失配，并且在2.37GHz-2.39GHz不会产生陷波特性，无法完全覆盖多旋翼无人机通信频段2.408GHz-2.440GHz。故短路圆柱5对于改善天线的阻抗匹配，提高天线的阻抗带宽起着重要作用。

参照图6，实施例1、5、6中四根短路圆柱5的高度H1不同，对比结果表明H1的值从20mm到30mm时，陷波的中心谐振点向低频移动。

参照图7，实施例1、7、8中顶部耦合贴片8的长度L4不同，对比结果表明L4的值从30mm到40mm时，陷波的中心谐振点向低频移动。

参照图8，实施例1天线阻抗带宽(VSWR<2)为2.03GHz-4.01GHz，相对带宽为65.56%，并且在多旋翼无人机的通信频段2.408GHz-2.440GHz产生了陷波，结果理想。

参照图9-14，实施例1在2.16GHz、3.02GHz、3.70GHz的辐射方向图。在Theta=30°平面上，主极化增益约为5dBi，交叉极化增益低于-15dBi，辐射方向图全向特性，不圆度小于3dB；在xoz面上，辐射方向图呈现锥形波束，但随着频率升高，高阶模式干扰，辐射方向图产生裂瓣。

参照图15，实施例1天线增益维持在3.5dBi-5.5dBi之间，在陷波频段2.23GHz-2.45GHz范围内急剧下降，保证了天线正常工作的同时多旋翼无人机正常飞行。

以上仿真结果说明，本发明天线具有理想的阻抗带宽，解决了多旋翼无人机飞行轨迹对方向图测量精度影响，同时产生了理想的陷波特性，解决了天线工作和多旋翼无人机通信信号互扰的问题。

上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：包括圆形金属地板（1）、圆形介质基板（2）和金属圆锥（4），所述金属圆锥（4）倒放于圆形金属地板（1）的中心上，所述金属圆锥（4）的顶端与圆形介质基板（2）的下表面连接，所述圆形介质基板（2）的上表面印制有圆形辐射贴片（6），所述圆形辐射贴片（6）通过四个短路圆柱（5）与圆形金属地板（1）连接，所述圆形辐射贴片（6）表面上均匀设置有四个负载贴片（7），每个负载贴片（7）处设置有与其一一对应、且相互耦合的耦合贴片（8），每个所述耦合贴片（8）与圆形金属地板（1）连接；

还包括设置在圆形金属地板（1）表面上的四个金属寄生圆柱（3），每个所述金属寄生圆柱（3）与圆形金属地板（1）的圆心距相同、且位于倒放的金属圆锥（4）的下方，相邻两个金属寄生圆柱（3）与圆形金属地板（1）圆心夹角为90度，每个所述负载贴片（7）和对应耦合贴片（8）的中心位于金属寄生圆柱（3）轴心与圆形金属地板（1）圆心的延长线上。

2.根据权利要求1所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：所述圆形辐射贴片（6）的面积大于金属圆锥（4）的顶端面积，所述四个短路圆柱（5）均匀设置在圆形辐射贴片（6）的下表面外檐上，每个所述短路圆柱（5）的轴心位于相邻两个金属寄生圆柱（3）与圆形金属地板（1）圆心夹角的角平分线上。

3.根据权利要求1所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：所述耦合贴片（8）呈近似倒“L”形，所述耦合贴片（8）的水平段位于负载贴片（7）的正上方，所述耦合贴片（8）的竖直段与圆形金属地板（1）连接。

4.根据权利要求3所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：所述负载贴片（7）近似呈梯形，所述负载贴片（7）较短的下侧与圆形辐射贴片（6）相连，所述负载贴片（7）较长的上侧上方设置有倒“L”形耦合贴片（8）。

5.根据权利要求4所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：所述圆形介质基板（2）的材质为Rogers5880，其半径R1为65mm，厚度H0为1mm。

6.根据权利要求5所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：每个所述金属寄生圆柱（3）的半径Rc1为6mm，高度H2为6mm，轴心距离圆形金属地板（1）的圆心距R6为35mm。

7.根据权利要求5所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：所述金属圆锥（4）的高度H1为25mm，顶端半径R4为50mm，其底端与圆形金属地板（1）相交，交界面直径D1为0.5mm。

8.根据权利要求5所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：每个所述短路圆柱（5）半径Rc2为1.5mm，所述短路圆柱（5）轴心距离圆形金属地板（1）的圆心距R5为61.5mm。

9.根据权利要求5所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：所述圆形辐射贴片（6）的半径R2为60mm。

10.根据权利要求5所述的一种宽带陷波锥形波束天线，其特征在于：所述负载贴片（7）较长的上侧与倒“L”形耦合贴片（8）距离S1为2mm。

Images