CN113839185A - 超宽带共形全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带共形全向天线，包括:圆柱导体，在圆柱导体的圆柱面上开设有一槽孔；圆锥形单极子振子，设置在所述圆柱导体的槽孔内；共形加载层，位于所述圆锥形单极子振子上方，为与所述圆柱导体的圆柱面共面的圆弧面；环形地，位于所述圆锥形单极子振子底面周围；短路探针，连接所述共形加载层和所述环形地；同轴线馈电结构，位于所述圆锥形单极子振子中心内部；用于电性连接所述共形加载层电性。本发明设计的超宽带共形全向天线基于盘锥天线基本理论，通过加载短路探针和吸波材料层，在共形情况下可实现224‑935MHz频带内驻波小于3.5。

Description

超宽带共形全向天线
技术领域
本发明涉及超宽带天线技术领域，尤其涉及一种垂直极化的超宽带共形全向天线。
背景技术
超宽带天线是UWB系统的重要组成部分，它与UWB技术共同发展。在已有的UWB天线中，例如盘锥天线、对数周期天线、双锥天线等，盘锥天线由于其特有的水平全向辐射和相对较小的尺寸以及较轻的重量，被广泛用于UWB系统。盘锥天线是一种具有超宽频带、线极化特性的全向天线。这种天线是由一个导体圆盘和一个导体圆锥构成的，盘锥天线可以看成是双锥天线的变形，盘锥天线以其结构简单以及良好的宽频带特性，在VHF和UHF频段内得到了广泛的应用。共形天线通常指一个非平面的、与特定物体形状共形的天线，通常会作为飞机等高速运动物体表面的一部分。根据美国电气和电子工程师学会的定义，共形天线指同某一表面共形的天线或阵列，该表面的外形不是由电磁因素、而是由诸如空气动力或水力等因素确定的。
发明内容
本发明的目的是提供一种超宽带、表面共形和垂直极化的全向天线，克服现有金属背腔内共形天线驻波带宽及方向性问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案为：
一种超宽带共形全向天线，其特征在于，包括:
圆柱导体，在圆柱导体的圆柱面上开设有一槽孔；
圆锥形单极子振子，设置在所述圆柱导体的槽孔内；
共形加载层，位于所述圆锥形单极子振子上方，为与所述圆柱导体的圆柱面共面的圆弧面状；
环形地，位于所述圆锥形单极子振子底面周围；
短路探针，连接所述共形加载层和所述环形地；
同轴线馈电结构，位于所述圆锥形单极子振子中心内部；用于电性连接所述共形加载层电性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明超宽带共形全向天线，在圆柱导体的圆柱面上开设圆柱槽孔，并在圆柱槽孔内设置圆锥形单极子振子和共形加载层形成盘锥天线，满足在圆柱金属腔体内实现全向辐射的超宽带天线方案。
盘锥天线具有超宽带、垂直极化和全向辐射的优点，然后当盘锥天线四周环境为理想电边界时，由于导体边界带来的强反射效应，盘锥天线在中低频的性能将大幅度恶化。针对这一问题，本发明通过紧贴空腔侧壁加载磁性吸波材料薄层，令吸波材料层与空腔侧壁共形，且保证空腔内天线工作空间不发生较大缩减，最终实现了盘锥天线在低频的驻波性能保证，同时改变加载层形状，在不影响天线性能的情况下，实现共形效果。
本发明基于盘锥天线基本宽带原理，通过加载三组短路探针和吸波材料层，共形情况下可实现224-935MHz频带内驻波小于3.5。由于金属导体背腔对于天线近场环境带来巨大影响，所以在四周圆柱面上加载吸波材料，通过减小侧面金属壁反射，提高天线阻抗带宽。同时三组短路探针的加入，引入了感性加载，消除了共形加载层与地之间的容性阻抗，改善了天线的阻抗带宽。
附图说明
为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来见，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超宽带共形全向天线的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3为图1的分解图；
图4为同轴线馈电结构示意图；
图5为本发明超宽带共形全向天线在350MHz处径向E面方向图；
图6为本发明超宽带共形全向天线在350MHz处轴向E面方向图；
图7为本发明超宽带共形全向天线在350MHz处H面方向图；
图8为本发明超宽带共形全向天线驻波图；
图9为本发明超宽带共形全向天线在未加载吸波材料层时天线驻波图；
图10为本发明超宽带共形全向天线在共形加载层2为半径160mm的平面结构时天线驻波图；
附图标记：
1-圆锥形单极子振子；2-共形加载层；3-短路探针；31-第一短路探针；32-第二短路探针；33-第三短路探针；4-吸波材料层；5-同轴线馈电结构；6-环形地；7-圆柱导体。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“正面”、“背面”、“X轴”、“Y轴”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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定；
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“直插”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明超宽带共形全向天线，如图1-图3所示，包括圆锥形单极子振子1、共形加载层2、短路探针3、吸波材料层4、同轴线馈电结构5、环形地6以及圆柱导体7。
圆柱导体7为理想导体，在圆柱导体7的圆柱面上开设有槽孔71，槽孔71作为天线安装环境。
在本实施例中，圆柱导体7的半径300mm，槽孔71的最大深度为100mm，槽孔71采用圆柱形槽孔。
圆锥形单极子振子1为理想导体，上端圆台连接同轴线馈电结构外导体，进行馈电激励；下端圆台与环形地短接。
在本实施例中，圆锥形单极子振子1上端圆台半径为20mm，下端圆台半径为125mm，整体高度为90mm。
共形加载层2为理想导体，中心连接同轴线馈电结构内导体，进行馈电激励。共形加载层2与圆柱导体7的圆柱面共面，即共形加载层2的形状为圆弧面，圆弧面的半径与圆柱导体7的半径相同，对应柱面半径为300mm。
在本实施例中，共形加载层2在沿圆柱形槽孔方向的投影面上的投影为圆形，圆形投影的半径为160mm，以开槽导体柱7中心轴为X轴，圆锥形单极子振子1中心轴向为Z轴，则共形加载层2的空间坐标可由方程组：
Figure BDA0003238238020000041
唯一确定。
短路探针3包括第一短路探针31、第二短路探针32和第三短路探针33。第一短路探针31、第二短路探针32和第三短路探针33在环形地6上沿圆周方向均匀布置。
在本实施例中，第一短路探针31长度为100mm，第二短路探针32和第三短路探针33长度为80mm，三组短路探针半径均为2mm。第一短路探针31、第二短路探针32和第三短路探针33通过引入感性加载，抵消了共形加载层2与环形地6之间的电容效应，改善了阻抗匹配，提高了阻抗带宽。同时，短路探针3引入了新的谐振回路，拓展了电流流动路径，使其阻抗频率变化相对较为缓慢，因而带宽较宽。
吸波材料层4选用吸波材料填充，相对介电常数为15，相对磁导率为60，电损耗角正切为0.01，磁损耗角正切为0.45。吸波材料层厚度为2mm，紧密贴合于圆柱形槽孔侧壁，通过吸收电磁波，以降低辐射效率为代价，消除了金属璧的反射对天线低频驻波的限制，拓展了天线带宽。
同轴线馈电结构5如图4所示，包括内导体51、外导体52和激励端口53。外导体依托于圆锥形单极子振子1，在圆锥形单极子振子1中心开孔，圆柱孔内壁即为外导体部分，圆柱孔半径为3.22mm。内导体穿过圆锥形单极子振子1中轴线与共形加载层2连接，内导体半径为1.4mm，长度为110mm，其中下端10mm长度为预留给激励端口，该长度不影响天线性能。同轴线馈电结构特性阻抗为50Ω。
环形地6内径125mm，外径225mm，表面镀有17um铜作为理想金属层，一方面作为天线的参考地，另一方面与圆锥形单极子振子1终端短接，可改善其阻抗匹配效果，提高阻抗带宽。
如图5所示，本发明超宽带共形全向天线在350MHz处径向E面方向图总体为类“8”字型，在法向增益为-23dB，最大辐射方向为俯仰角40°处，最大增益为2.1dB。
如图6所示，本发明超宽带共形全向天线在350MHz处轴向E面方向图总体为类“8”字型，在法向增益为-23dB，最大辐射方向为俯仰角75°处，最大增益为-4.3dB。
如图7所示，本发明超宽带共形全向天线在350MHz处H面方向图为全向辐射，由于吸波材料层吸波材料加载的不均匀性，沿开槽圆柱导体7径向增益较大，为0.12dB，而在轴向由于吸波材料层吸收电磁波导致增益相对较小,为-4.95dB。
如图8所示，本发明超宽带共形全向天线在224-935MHz频带内驻波小于3.5，该天线实现了超过4个倍频程的带宽。
如图9所示，本发明超宽带共形全向天线在未加载吸波材料层4结构时，400-800MHz内驻波小于3.5，且在620MHz附近出现一个阻抗失配的谐振点，相比于图8结果，低频驻波恶化严重，吸波材料层4有助于低频阻抗匹配的改善。
如图10所示，本发明超宽带共形全向天线在共形加载层2为半径160mm的平面结构时，驻波情况与图8接近，说明在对共形加载层2进行本申请的共形处理后，天线的阻抗匹配情况基本不受影响。
最后应当说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案本质脱离本发明各实施例技术方案范畴。

Claims (7)

1.一种超宽带共形全向天线，其特征在于，包括:
圆柱导体，在圆柱导体的圆柱面上开设有一槽孔；
圆锥形单极子振子，设置在所述圆柱导体的槽孔内；
共形加载层，位于所述圆锥形单极子振子上方，为与所述圆柱导体的圆柱面共面的圆弧面；
环形地，位于所述圆锥形单极子振子底面周围；
短路探针，连接所述共形加载层和所述环形地；
同轴线馈电结构，位于所述圆锥形单极子振子中心内部；用于电性连接所述共形加载层电性。
2.根据权利要求1所述的超宽带共形全向天线，其特征在于，所述圆柱导体上开设的槽孔为圆柱形；所述共形加载层在沿圆柱形槽孔方向的投影面上的投影为圆形。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带共形全向天线，其特征在于，还包括:
吸波材料层，位于所述圆柱导体的槽孔的内壁上，与内壁紧密贴合。
4.根据权利要求3所述的超宽带共形全向天线，其特征在于，吸波材料层厚度为2mm。
5.根据权利要求4所述的超宽带共形全向天线，其特征在于，吸波材料层选用吸波材料填充，相对介电常数为15，相对磁导率为60，电损耗角正切为0.01，磁损耗角正切为0.45。
6.根据权利要求1所述的超宽带共形全向天线，其特征在于，在所述共形加载层与所环形地之间加载了三组所述短路探针。
7.根据权利要求6所述的超宽带共形全向天线，其特征在于，所述短路探针与所述共形加载层中心距离相同，且彼分别与所述共形加载层中心成120°夹角。
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