CN114069239B - 一种宽频带稳定宽波束腔振子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带稳定宽波束腔振子天线，属于天线技术领域。该天线包括宽带十字交叉的腔振子天线、双扼流环、宽带圆极化电桥和金属反射背腔，腔振子天线通过金属支撑柱固定于金属反射背腔的正上方，金属反射背腔外底部设有宽带圆极化电桥；腔振子天线包括十字型的辐射振子片和金属匹配盘组，金属匹配盘组通过介质螺钉固定于十字型辐射振子片的上方；双扼流环通过介质支撑柱固定于金属反射背腔的上方；辐射振子片位于双扼流环内，且与双扼流环处于同于高度；多个金属隔离柱均匀排布于金属反射背腔内底部，且金属隔离柱顶部的高度低于辐射振子片的高度。本发明拓展了传统宽带天线的宽波束宽度。
Description
技术领域
本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种宽频带稳定宽波束腔振子天线。
背景技术
在卫星定位、雷达探测、电子对抗、弹载测控等无线电通信系统中，为了确保信号传输质量和传输速率，天线往往要具备很宽的波束宽度和较宽的频带。在宽波束应用场合中，一般要求方向图的半功率波瓣宽度在频带内达到90度至110度范围以内。工程中宽波束天线结构形式包括螺旋天线、微带天线、十字振子天线、缝隙天线等，但或多或少的存在着工作带宽窄，波束宽度窄等缺点。另外由于天线的匹配带宽和轴比带宽不重合，天线的实际工作带宽往往不能满足应用需要。宽频带天线的电尺寸在倍频程内变化较大，所以其辐射方向图在整个带宽内畸变得情况比较严重，很难在宽频带内方向图波束保持稳定。
目前能实现宽频带工作的天线以下几种形式，虽然在性能上各有特点，但也存在一些不足，比如：对数周期天线可以实现宽频带，多极化，但也存在E面和H面严重不等化；相心随频率变化敏感，波束宽度不理想，结构复杂等问题，螺旋天线也可以实现宽频带，在窄带内可实现宽波束，但其仅仅能实现单圆极化，适用范围受限。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种宽频带稳定宽波束腔振子天线。该天线拓展了传统宽带天线的宽波束宽度。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种宽带稳定宽波束腔振子天线，包括宽带十字交叉的腔振子天线、宽带圆极化电桥和金属反射背腔，所述宽带十字交叉的腔振子天线通过金属支撑柱固定于金属反射背腔的正上方，金属反射背腔外底部设有宽带圆极化电桥；还包括双扼流环；所述宽带十字交叉的腔振子天线包括十字型的辐射振子片和金属匹配盘组，所述金属匹配盘组通过介质螺钉固定于十字型辐射振子片的上方；所述双扼流环通过介质支撑柱固定于金属反射背腔的上方；所述辐射振子片位于双扼流环内，且与双扼流环处于同等高度；多个金属隔离柱均匀排布于金属反射背腔内底部，且金属隔离柱顶部的高度低于辐射振子片的高度。
进一步的，所述辐射振子片的末端均设有与其成90°夹角的延伸臂，所述延伸臂的延伸方向朝于金属反射背腔。
进一步的，所述双扼流环包括环状印制板；环状印制板上设有至少两圈均匀排布的金属贴片。
进一步的，所述匹配盘组包括低频匹配盘和高频匹配盘；所述低频匹配盘位于高频匹配盘的上方，且低频匹配盘和高频匹配盘之间与高频匹配盘和辐射振子片之间均设有用于隔开的介质螺母。
进一步的，所述金属支撑柱为中空结构，其内部设有同轴馈线；所述同轴馈线一端连接辐射振子片，另一端与宽带圆极化电桥连接。
进一步的，所述双扼流环的外径等于金属反射背腔的内径。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明通过在辐射片下折腔振子基础上,采用在天线口面横向加载双扼流环结构，纵向加载匹配盘组结构，金属反射腔内添加金属隔离柱结构，有效改善了天线的带宽和轴比性能，改善了方向图特性，实现了2倍频以上宽频带宽波束低仰角覆盖，在工作频带内增益大于0dBi的波束宽度大于132度,且带内波束稳定。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为图1不含双扼流环的侧面示意图；
图3为图1中双扼流环的结构示意图；
图4为本发明实施例ANSOFT HFSS计算得到的电压驻波比。
图5为本发明实施例ANSOFT HFSS计算得到的频点1.2GHz、1.5GHz、1.7GHz、2.0GHz、2.2GHz、2.4GHz、2.5GHz的方向图。
图中：1-宽带十字交叉的腔振子天线 2-双扼流环 3-宽带圆极化电桥 4-金属隔离柱 5-辐射振子片 6-空心金属支撑柱 7-金属发射背腔 8-低频匹配盘 9-高频匹配盘10-同轴馈线 11-扼流环内环 12-扼流环外环 13-环形印制板。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
一种宽频带稳定宽波束腔振子天线装置，包括其包括宽带十字交叉的腔振子天线、双扼流环、金属隔离柱、宽带圆极化电桥，所述的辐射振子片末端有一段向下呈90度弯折，并在其顶部通过介质螺钉连接一对金属匹配盘；双扼流环内环和扼流环外环几何大小成一定的比例，双扼流环置于印制板表面，印制板呈环状，通过四个介质支撑柱支撑，高度与辐射振子片高度大致相同，辐射振子片在印制板带状镂空区域内放置；所述的金属隔离柱为金属圆柱体，一端连接腔体的底部，另外一端离辐射振子片有一定距离，且4个金属隔离柱以辐射振子片为中心，均匀分布。所述的腔体为金属圆柱腔；辐射振子片和介质支撑立柱及金属隔离柱均安装于腔体内部中心，且在高度上大于腔体高度；所述的宽带圆极化电桥置于腔体背部。
进一步的，所述的辐射振子片末端有一段向下呈90度弯折，并在其顶部通过介质螺钉连接一对金属匹配盘。
进一步的，所述的辐射振子在其顶部有其他形式中心旋转对称的盘。
进一步的，双扼流环内环和扼流环外环几何大小成一定的比例，双扼流环置于印制板表面，印制板呈环状，通过四个介质支撑柱支撑，高度与辐射振子片高度大致相同，辐射振子片在印制板带状镂空区域内放置。
进一步的，所述的双扼流环呈圆带状或其他形状，可以由单环和多环构成，以辐射振子片为中心，均匀分布，与辐射振子片大致处于同一水平面，介质支撑柱和印制板仅用于支撑扼流环，也可以由其他介质来支撑或者敷于天线罩上。
进一步的，所述的金属隔离柱为金属圆柱体，一端连接腔体的底部，另外一端离辐射振子片有一定距离，且4个金属隔离柱以辐射振子片为中心，均匀分布。
进一步的，所述的金属隔离柱为圆柱形或其他形状，以辐射振子片为中心，均匀分布。
进一步的，所述的腔体为金属圆柱腔；辐射振子片和介质支撑立柱及金属隔离柱均安装于腔体内部中心，且在高度上大于腔体高度。
进一步的，腔体为金属圆柱腔或者有其他形式中心旋转对称的金属腔体。
进一步的，所述的宽带圆极化电桥置于腔体背部。
进一步的，所述的宽带圆极化电桥为线极化形成圆极化的设备，可由其他能实现类似工程的形式组成。
下面为一更具体的实施例：
参见图1至图5，图1是本发明的宽频带稳定宽波束腔振子天线装置整体结构示意图，本发明提出一种宽带稳定宽波束腔振子天线装置，包括一个宽带十字交叉的腔振子天线1；双扼流环2；一个宽带圆极化电桥3；四个金属隔离柱4。
在本实施例中，如图2是宽带十字交叉的腔振子天线结构示意图，它是由四个一段蝶形和一段矩形组成的辐射振子片5，辐射振子片5厚度1mm，2对辐射振子片5呈“十字”交叉对称放置，辐射振子片5末端向下90度弯折一小段，与四个空心的金属支撑柱6形成一个整体，由两根同轴线缆10穿过相邻的两个空心金属支撑柱6，两根同轴线缆10的金属外皮和内芯分别与两对辐射振子片5焊接，直接馈电，相位相差90度；辐射振子片5距离金属反射腔体7底面的高度约为中频的四分之一波长，辐射振子片5的长度约为中频的二分之一波长。
在本实施例中，金属反射背腔7呈圆柱形，腔体高度约为中频的八分一波长，腔体直径小于低频的二分之一波长，金属反射背腔7尺寸可通过参数优化来调整。
在本实施例中，双扼流环的结构示意图如图3所示，双扼流环2由扼流环内环11和扼流环外环12构成，双扼流环被5mm的带线呈“米”字型等分为8块，扼流环内环11和扼流环外环12几何大小成一定的比例，双扼流环置于印制板13的上表面，印制板13采用1mm厚Neltec NY9220(IM)材料，介电常数2.2，单面板，呈环状，印制板13与辐射振子片5大致处于同一水平面，印制板13外径及扼流环外环12的外径与金属反射腔体7的圆柱腔体外径相同，印制板13内径及扼流环内环11内径相同，且略大于辐射振子片5最大外径。
在本实施例中，低频匹配盘8和高频匹配盘9均呈圆形，厚度0.8mm，位于辐射振子片5正上方，用于调节天线匹配，低频匹配盘9尺寸和高度均大于高频匹配盘10，低频匹配盘9用于调节低频段驻波，高频匹配盘10用于调节高频段驻波，这对匹配盘尺寸大小和距离辐射振子片5的高度与宽频带稳定宽波束腔振子天线装置的阻抗和驻波相关，可通过参数优化来调整，得到的电压驻波比图如图4，可见该天线两个线极化端口电压驻波比在频率1.2GHz-2.9GHz带宽内均小于2.0。
在本实施例中，双扼流环2和金属隔离柱4用于展宽波束宽度和调节轴比，以及改善方向图，可通过参数优化来调整。参见图5，为该天线在1.2GHz、1.5GHz、1.7GHz、2.0GHz、2.2GHz、2.4GHz、2.5GHz方向图；参见表1为该天线方向图增益大于0dBi的波束宽度记录表。可见该天线的工作频率覆盖范围1.2GHz-2.5GHz，相对带宽70.27％，绝对带宽为1.3GHz，整个带宽内增益大于0dBi的波束宽度在132°-172°之间，方向图在带宽内保持稳定。
表1方向图增益大于0dBi的波束宽度记录表
值得一提的是，在上述实施例中，该天线尺寸可等比缩放，缩放后，天线的工作带宽仍可达到2倍频，且在工作带宽内保持稳定的宽波束特性。
另外，在上述实施例中，该天线的介质为空气；在其他实施例中，该天线可以进行其他的高介电常数的介质材料加载，以此来缩小尺寸。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的技术。
以上，仅为本发明之较佳实施例，意在进一步说明本发明，而非对其进行限定。凡根据上述文字和附图所公开的内容进行的简单的替换，都在本专利的权利保护范围之内。
Claims (5)
1.一种宽频带稳定宽波束腔振子天线，包括宽带十字交叉的腔振子天线、宽带圆极化电桥和金属反射背腔，所述宽带十字交叉的腔振子天线通过金属支撑柱固定于金属反射背腔的正上方，金属反射背腔外底部设有宽带圆极化电桥；其特征在于，还包括双扼流环；所述宽带十字交叉的腔振子天线包括十字型的辐射振子片和金属匹配盘组，所述金属匹配盘组通过介质螺钉固定于十字型辐射振子片的上方；所述双扼流环通过介质支撑柱固定于金属反射背腔的上方；所述辐射振子片位于双扼流环内，且与双扼流环处于同等高度；多个金属隔离柱均匀排布于金属反射背腔内底部，且金属隔离柱顶部的高度低于辐射振子片的高度；
辐射振子片由四个一段蝶形和一段矩形组成，所述辐射振子片的末端均设有与其成90°夹角的延伸臂，所述延伸臂的延伸方向朝于金属反射背腔；
双扼流环由扼流环内环和扼流环外环构成，双扼流环被5mm的带线呈米字型等分为8块，扼流环内环(11)和扼流环外环(12)几何大小成一定的比例，双扼流环置于印制板(13)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带稳定宽波束腔振子天线，其特征在于，所述双扼流环包括环状印制板；环状印制板上设有至少两圈均匀排布的金属贴片。
3.根据权利要求1所述的一种宽频带稳定宽波束腔振子天线，其特征在于，所述匹配盘组包括低频匹配盘和高频匹配盘；所述低频匹配盘位于高频匹配盘的上方，且低频匹配盘和高频匹配盘之间与高频匹配盘和辐射振子片之间均设有用于隔开的介质螺母。
4.根据权利要求1所述的一种宽频带稳定宽波束腔振子天线，其特征在于，所述金属支撑柱为中空结构，其内部设有同轴馈线；所述同轴馈线一端连接辐射振子片，另一端与宽带圆极化电桥连接。
5.根据权利要求2所述的一种宽频带稳定宽波束腔振子天线，其特征在于，所述双扼流环的外径等于金属反射背腔的内径。
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