CN113013588A - 宽波束电磁偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽波束电磁偶极子天线，包括电磁偶极子、反射板、金属壁、同轴探针以及接地板，电磁偶极子包括一对垂直于接地板的短路平行板和下倾的λ0/2长的天线两臂，置于接地板上方，由同轴探针弯曲后进行耦合馈电；增加一对沿xz面向内倾斜的反射板来拓宽E面的波束宽度；增加一对垂直于yz面的金属壁改变天线已有的电场相位分布，使H面的电场相位斜率变大，辐射能量与等相位面垂直，因而电磁辐射能量更偏向于端射方向，从而拓宽H面的波束宽度。本发明的宽波束电磁偶极子天线具有宽带、宽波束性能，且设计简单、易于加工。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波天线领域，具体涉及一种宽波束电磁偶极子天线。
技术背景
近年来，在引信应用中，为了在一定的带宽内达到广范围获取信息的设计指标，宽波束天线的设计与应用已成为天线工程研究的热点。宽波束天线能够在较大的空间内发现、跟踪和识别目标，这也使其能够较好的应用于引信以便精确的获取目标信息。面对各式各样的天线结构，提升波束宽度的设计思路各不相同。电磁偶极子天线由于其制作简单、成本低和性能稳定等因素而作为宽波束天线单元的基本结构，它能够满足良好的宽带阻抗匹配且具有较为理想的辐射性能。
2017年，中国科学技术大学邱文斌在硕士学位论文《宽带偶极子天线稳展宽波束的方法研究》中提出一种对于电磁偶极子天线利用下倾天线两臂与反射板内侧壁相结合来提升E面波束宽度的方法。通过调整天线两臂臂宽和改变天线两臂下倾角度、反射板侧壁内倾角度以及天线两臂与反射板侧壁的间隙大小等来使两个主平面的波束宽度得以提升。为了改善波束宽度带内稳定性，将辐射结构拆分为对称的多个分支。最终天线两个主平面虽然达到了稳定展宽波束宽度的效果，但其波束宽度还不足以达到某些引信应用中的宽波束性能指标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽波束电磁偶极子天线，具有宽带、宽波束性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽波束电磁偶极子天线，包括电磁偶极子、一对反射板、一对金属壁、同轴探针以及接地板；
所述电磁偶极子位于接地板上方，通过弯曲的同轴探针进行邻近耦合馈电；
所述反射板位于接地板上方，与接地板宽边对齐，向内倾斜，两个反射板与接地板的夹角相同；
所述金属壁位于接地板上方，与接地板长边对齐，且垂直于接地板。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)宽带：采用电磁偶极子作为基本结构，弥补了微带贴片天线等带宽较窄的缺点，解决了宽波束天线单元的宽带匹配问题；
(2)宽波束：增加一对沿xz面向内倾斜的反射板，利用侧壁上的散射电场弥补辐射弱区来拓宽E面的波束宽度；增加一对垂直于yz面的金属壁改变天线已有的电场相位分布，使H面的电场相位斜率变大，辐射能量与等相位面垂直，因而电磁辐射能量更偏向于端射方向，从而使H面的波束宽度得到拓宽。
(3)结构简单：采用弯曲的同轴探针进行邻近耦合馈电，馈电结构简单；天线整体呈对称结构，且纯金属结构，易于加工。
附图说明
图1是本发明宽波束电磁偶极子天线的三维结构示意图。
图2是本发明宽波束电磁偶极子天线的尺寸图。
图3是图1中带有反射板的横截面图。
图4(a)和图4(b)是带有反射板和不带反射板的电场分布图。
图5(a)和图5(b)是E面和H面的有无金属壁的电场相位图比较示意图。
图6是该天线仿真和测量的S参数图。
图7是该天线仿真和测量的归一化方向图。
具体实施方式
如图1所示，一种宽波束电磁偶极子天线，包括电磁偶极子1、一对反射板2、一对金属壁3、同轴探针4以及接地板5；
所述电磁偶极子1包括一对垂直于接地板的短路平行板和λ0/2长的下倾的天线两臂，位于接地板5上方，通过弯曲的同轴探针4进行邻近耦合馈电；λ0表示自由空间的波长。
所述反射板2位于接地板5上方，与其宽边对齐，并沿xz面向内倾斜，两个反射板2与接地板5的夹角相同；
所述金属壁3位于接地板5上方，与其长边对齐，且垂直于接地板5。
所述同轴探针4为标准的SMA接头，其中心位于接地板5的中心，并将内部探针弯曲进行耦合馈电。探针位置位于结构中心，便于加工，同时也能较好的保证方向图的对称性。
当电磁能量由同轴探针4通过邻近耦合馈入天线时，λ0/2长的天线两臂等效为电偶极子的辐射特性，短路平行板产生的辐射场可以代替磁偶极子的辐射性能。
本发明增加一对反射板2并将反射板沿xz面向内倾斜来拓宽E面(平行于电场方向的方向平面，在本设计坐标下指xz面)的波束宽度，本发明坐标系中的xz面是平行于电场方向的方向平面；增加一对金属壁3改变天线已有的电场相位分布，使H面(平行于磁场方向的方向平面，在本设计坐标下指yz面)的电场相位斜率变大，辐射能量与等相位面垂直，因而电磁辐射能量更偏向于端射方向，从而使H面的波束宽度得到拓宽。
本发明与现有技术相比，通过同轴探针弯曲后进行耦合馈电，结构更加稳定，且探针位置位于结构中心，便于加工；通过增加一对金属壁结构改变天线已有的电场相位分布，实现更宽的波束宽度。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种宽波束电磁偶极子天线，包括一个电磁偶极子1、一对反射板2、一对金属壁3、同轴探针4和接地板5；
所述电磁偶极子1位于接地板5上方，通过弯曲的同轴探针4进行邻近耦合馈电；
所述反射板2位于接地板5上方，与接地板5宽边对齐，沿xz面向内倾斜一定角度θ，并将电磁偶极子1的天线两臂向下倾斜φ1；
所述金属壁3也位于接地板5上方，与接地板5长边对齐，垂直于接地板5；
如图2、图3所示，该天线优化参数为：
接地板长l＝27.3mm；宽w＝23.2mm；厚度h＝1.2mm；
电磁偶极子的结构参数有：w2＝5.3mm；h2＝7.5mm，l2＝8mm，l3＝1.2mm，φ1＝32°；
反射板的宽w1＝w＝23.2mm；高l1＝9mm；厚度为0.6mm，内倾角度θ＝27°；
金属壁的宽l4＝15mm；高h4＝6.5mm；
馈电探针内半径：r1＝0.6mm，外半径：r2＝2mm，位于坐标原点，接地板中心。
通过对同轴探针弯曲调节进行邻近耦合馈电，λ0/2长的天线两臂和短路平行板相结合，等效为电磁偶极子。当电磁场能量由同轴探针通过邻近耦合馈入天线时，λ0/2长的天线两臂保持电偶极子的辐射特性，而短路平行板产生的辐射场可以替代定向辐射的磁偶极子来展宽天线的E面波束宽度，大幅缩减它与H面波束宽度的差值。再通过天线反射板的内侧壁加载，利用侧壁上的散射电场弥补辐射弱区，实现E面波束宽度展宽。如图4(a)和图4(b)所示，分别为带有反射板结构和不带反射板结构的电场分布图。在此基础上增加一对金属壁来改变天线已有的电场相位分布，使H面的电场相位斜率变大，辐射能量与等相位面垂直，因而电磁辐射能量更偏向于端射方向，实现H面波束宽度的展宽。
图5(a)、图5(b)是E面和H面的有无金属壁的电场相位图，其中图5(a)为天线E面的电场相位，图5(b)为天线H面的电场相位，分别代表有和没有金属壁的电场相位。从图中可以看出，E面的电场相位变化不明显，H面的电场相位斜率明显增大，电磁辐射能量更偏向于端射方向，H面的波束宽度也明显得到拓宽。
为了验证天线性能，将该天线进行加工测试。图6是该天线仿真和测量的S参数。在中心频率8.1GHz处-10dB阻抗带宽为30.7％。由于加工误差，仿真和测试结果有些轻微的偏差。图7是该天线仿真和测量的归一化方向图。E面的半功率波束宽度为196°，最大增益为2.51dB；H面的半功率波束宽度为190°，最大增益为2.47dB。测试结果和仿真结果基本一致。由此可以看出，该天线具有良好的宽波束性能。
Claims (3)
1.一种宽波束电磁偶极子天线，其特征在于：包括电磁偶极子(1)、一对反射板(2)、一对金属壁(3)、同轴探针(4)以及接地板(5)；
所述电磁偶极子(1)位于接地板(5)上方，通过弯曲的同轴探针(4)进行邻近耦合馈电；
所述反射板(2)位于接地板(5)上方，与接地板宽边对齐，且向内倾斜，两个反射板(2)与接地板(5)的夹角相同；
所述金属壁(3)位于接地板(5)上方，与接地板长边对齐，且垂直于接地板(5)。
2.根据权利要求1所述的宽波束电磁偶极子天线，其特征在于：所述电磁偶极子(1)包括一对垂直于接地板(5)的短路平行板和下倾的天线两臂，短路平行板设置于同轴探针(4)两边，天线两臂与短路平行板顶部连接。
3.根据权利要求1所述的宽波束电磁偶极子天线，其特征在于：所述同轴探针(4)为标准的SMA接头，其中心位于接地板(5)的中心，并将内部探针弯曲进行耦合馈电。
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