CN114335986A - 一种低剖面超宽带端射天线 - Google Patents

Abstract

一种低剖面超宽带端射天线，包括波导结构体、金属脊和陶瓷体；所述金属脊被包裹设于所述波导结构体内中，其下端面设有左端低、右端高的第一倾斜面，所述第一倾斜面与所述波导结构体之间形成有容纳腔，所述陶瓷体的一端插装在所述容纳腔内，且其设有左端低、右端高的第二倾斜面，所述第二倾斜面与所述第一倾斜面相贴合；所述陶瓷体的另一端沿所述波导结构体的长度方向向外延伸，且其另一端的下端面设有左端低、右端高的第三倾斜面。本专利采用的陶瓷材料插入波导结构体的内部，其插入部分为高度渐变结构，该结构可实现波导内部不连续结构的阻抗缓慢过渡，也能实现波导内TE₁₀模到波导口径处TM₀模表面波的缓慢过渡，从而获得宽带匹配。

Description

一种低剖面超宽带端射天线

技术领域

本发明涉及通信设备领域，尤其是一种低剖面超宽带端射天线。

背景技术

在现代无线通信、雷达系统、电子对抗等军民领域中，端射天线对于导航、目标的跟踪和定位、远距离探测等应用发挥着不可或缺的作用。尤其在机载和舰载等系统中，端射天线通常需要放置于或者嵌入导体表面，以实现与载体的共形，从而减小载体高速运动时带来的空气阻力。同时，飞速发展的无线通信技术也要求端射天线能实现超宽带性能，以增大通信容量、提高频率利用率、提高雷达分辨率和测距范围等。而为了节省系统空间，通常需要天线具有较小的体积和较低的剖面。

传统的端射天线例如八木和Vivaldi天线虽然能实现宽带低剖面性能，但是它们均为水平极化天线，一旦天线结构靠近金属地板，由于镜像效应的影响，天线性能将会急剧恶化，因此不能直接装载在金属载体上。因此，为了解决这一问题，如何实现能与金属载体共形的低剖面超宽带端射天线，一直是天线领域的研究热点。

目前，有以下几类方式能实现能与金属载体共形的端射天线：第一种是利用超阻抗表面结构或者背腔结构放置于传统的八木天线或者Vivaldi天线下方，但是超阻抗表面为谐振结构，带宽很窄；同时背腔结构需具有0.25波长的高度，非低剖面结构。第二种为单极子对数周期天线，传统的单极子天线的长度为0.25波长，对其进行顶盘加载可以有效降低单极子的长度从而实现天线的低剖面特性。但是该类天线为非平面结构，当其装置于高速运动的载体上时，会引入空气阻力。第三种为H面喇叭天线，该天线基于波导结构，其口径沿着H面扩展，具有端射低剖面特性。但是，该天线很难实现其口径处与自由空间过渡的宽带匹配，因此，一般带宽较窄。

发明内容

针对上述缺陷，本专利提出了一种基于波导结构的端射天线，同时具有低剖面和超宽带特性，并且适用于装载或嵌入导电载体。该天线表面还可设计成具有不同曲率的曲面形式，以形成共形天线。

为实现上述目的，本发明提出了一种低剖面超宽带端射天线，包括波导结构体、金属脊和陶瓷体；

所述金属脊被包裹设于所述波导结构体内中，其下端面设有左端低、右端高的第一倾斜面，所述第一倾斜面与所述波导结构体之间形成有容纳腔，所述陶瓷体的一端插装在所述容纳腔内，且其设有左端低、右端高的第二倾斜面，所述第二倾斜面与所述第一倾斜面相贴合；

所述陶瓷体的另一端沿所述波导结构体的长度方向向外延伸，且其另一端的下端面设有左端低、右端高的第三倾斜面。

优选地，所述陶瓷体的一端还设有竖直壁面，所述竖直壁面由所述第二倾斜面的右端竖直向上延伸形成，相适应地，所述陶瓷体的一端插装在所述容纳腔时，其竖直壁面与所述波导结构体的侧壁面相贴合。

优选地，还包括同轴连接件，其由具有同一中心轴的内导体、外导体以及两者之间的绝缘体组成，所述同轴连接件设于所述波导结构体的底部，其内导体与所述金属脊连接，其外导体与所述波导结构体连接。

优选地，所述同轴连接件的形状为圆柱状或圆锥状。

优选地，所述陶瓷体的另一端底部被导电地板承接，所述导电地板包括倾斜端和水平段，所述倾斜端与所述陶瓷体的另一端底部相贴合，其一端与所述波导结构体相抵，另一端与所述水平段的一端连接，所述水平段的另一端沿着平行于所述波导结构体的上端面的方向延伸。

优选地，所述波导结构体设有一端开口的中空内腔，所述金属脊设于所述中空内腔，所述陶瓷体的一端适应性从所述中空内腔的开口插装到所述波导结构体内，并通过所述第二倾斜面对所述金属脊实现承托，且对所述中空内腔的开口实现封堵；

所述金属脊、所述陶瓷体与所述中空内腔之间的空置部位被介质填充。

优选地，所述介质为特氟龙。

优选地，所述端射天线的长×宽×高尺寸为186mm×20mm×9.6mm，所述金属脊的长×宽×高尺寸为106mm×7mm×8.2mm，且其高度由8.2mm线性渐变到4mm，渐变长度为75mm；

所述陶瓷体的相对介电常数为ε_r＝10，其第二倾斜面部分的渐变长度为97.5mm，第三倾斜面部分的高度由9.6mm线性渐变到1mm，渐变长度为70mm。

传统上，基于波导的端射天线多见于H面喇叭天线，但是当天线剖面很低时，其辐射口径相对于波长很小，此时天线近场存储着大量的非辐射能量，且天线的辐射电阻很低，难以与自由空间匹配。现有技术利用在辐射口径处加载介质棒，可以有效改善口径与自由空间的匹配，但是该方法仅局限于在窄带内的性能改善，仍难以在宽带尤其是超宽带范围内实现良好匹配，因此该类天线目前仍难以同时实现低剖面和宽带特性。如何在保持波导类天线低剖面的条件下，实现天线的超宽带匹配和端向辐射，是本专利要解决的主要技术问题。

本专利在波导结构体的口径处加载了接地渐变的陶瓷材料(陶瓷体)，陶瓷材料的高介电常数能有效降低天线的高度，并且利用高度渐变以实现陶瓷介质与自由空间的过渡段的阻抗良好匹配，同时能在超宽带范围内实现表面波的辐射，从而形成超宽带端射特性。

再而，本专利采用脊波导结构(金属脊)，该结构能有效降低波导内TE₁₀模的截止频率，从而扩大主模工作带宽，同时相比于传统的波导能有效减小波导宽度，实现天线结构的紧凑化。

本专利采用的陶瓷材料插入波导结构体的内部，其插入部分为高度渐变结构，该结构可实现波导内部不连续结构的阻抗缓慢过渡，也能实现波导内TE₁₀模到波导口径处TM₀模表面波的缓慢过渡，从而获得宽带匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明中端射天线的一实施例的立体结构示意图；

图2为本发明中端射天线的一实施例的竖向剖视图；

图3为本发明中端射天线的一实施例的俯视图；

图4为本发明中端射天线的VSWR曲线图；

图5为本发明中端射天线在频率f＝3GHz时的E面和H面辐射方向图；

图6为本发明中端射天线在频率f＝5GHz时的E面和H面辐射方向图；

图7为本发明中端射天线在频率f＝8GHz时的E面和H面辐射方向图；

附图标号说明：

波导结构体1；金属脊2，第一倾斜面21；陶瓷体3，第二倾斜面31，第三倾斜面32，竖直壁面33；同轴连接件4；导电地板5，倾斜端51，水平段52；介质6。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以下结合图1-图3及相关实施例对本发明方案做进一步阐述。本发明的一种低剖面超宽带端射天线，包括波导结构体1、金属脊2和陶瓷体3；

所述金属脊2被包裹设于所述波导结构体1内中，其下端面设有左端低、右端高的第一倾斜面21，所述第一倾斜面21与所述波导结构体1之间形成有容纳腔，所述陶瓷体3的一端插装在所述容纳腔内，且其设有左端低、右端高的第二倾斜面31，所述第二倾斜面31与所述第一倾斜面21相贴合；

所述陶瓷体3的另一端沿所述波导结构体1的长度方向向外延伸，且其另一端的下端面设有左端低、右端高的第三倾斜面32，需要说明的是，本技术方案中所提及的第一倾斜面21、第二倾斜面31和第三倾斜面32，并不局限于线性倾斜的斜面，曲线或者阶梯型倾斜面同样适用，应都落入本专利的保护范围。

进一步地，所述陶瓷体3的一端还设有竖直壁面33，所述竖直壁面33由所述第二倾斜面31的右端竖直向上延伸形成，相适应地，所述陶瓷体3的一端插装在所述容纳腔时，其竖直壁面33与所述波导结构体1的侧壁面相贴合。

进一步地，还包括同轴连接件4，其由具有同一中心轴的内导体、外导体以及两者之间的绝缘体组成，所述同轴连接件4设于所述波导结构体1的底部，其内导体与所述金属脊2连接，其外导体与所述波导结构体1连接。

进一步地，所述同轴连接件4的形状为圆柱状或圆锥状。

进一步地，所述陶瓷体3的另一端底部被导电地板5承接，所述导电地板5包括倾斜端51和水平段52，所述倾斜端51与所述陶瓷体3的另一端底部相贴合，其一端与所述波导结构体1相抵，另一端与所述水平段52的一端连接，所述水平段52的另一端沿着平行于所述波导结构体1的上端面的方向延伸。

进一步地，所述波导结构体1设有一端开口的中空内腔，所述金属脊2设于所述中空内腔，所述陶瓷体3的一端适应性从所述中空内腔的开口插装到所述波导结构体1内，并通过所述第二倾斜面31对所述金属脊2实现承托，且对所述中空内腔的开口实现封堵；

所述金属脊2、所述陶瓷体3与所述中空内腔之间的空置部位被介质6填充，优选地，所述介质6为特氟龙。

进一步地，所述端射天线的长×宽×高尺寸为186mm×20mm×9.6mm，所述金属脊2的长×宽×高尺寸为106mm×7mm×8.2mm，且其高度由8.2mm线性渐变到4mm，渐变长度为75mm；

所述陶瓷体3的相对介电常数为ε_r＝10，其第二倾斜面31部分的渐变长度为97.5mm，第三倾斜面32部分的高度由9.6mm线性渐变到1mm，渐变长度为70mm。

传统上，基于波导的端射天线多见于H面喇叭天线，但是当天线剖面很低时，其辐射口径相对于波长很小，此时天线近场存储着大量的非辐射能量，且天线的辐射电阻很低，难以与自由空间匹配。现有技术利用在辐射口径处加载介质棒，可以有效改善口径与自由空间的匹配，但是该方法仅局限于在窄带内的性能改善，仍难以在宽带尤其是超宽带范围内实现良好匹配，因此该类天线目前仍难以同时实现低剖面和宽带特性。如何在保持波导类天线低剖面的条件下，实现天线的超宽带匹配和端向辐射，是本专利要解决的主要技术问题。

本专利在波导结构体1的口径处加载了接地渐变的陶瓷材料(陶瓷体3)，陶瓷材料的高介电常数能有效降低天线的高度，并且利用高度渐变以实现陶瓷介质与自由空间的过渡段的阻抗良好匹配，同时能在超宽带范围内实现表面波的辐射，从而形成超宽带端射特性。

再而，本专利采用脊波导结构(金属脊2)，该结构能有效降低波导内TE₁₀模的截止频率，从而扩大主模工作带宽，同时相比于传统的波导能有效减小波导宽度，实现天线结构的紧凑化。

本专利采用的陶瓷体3插入波导结构体1的内部，其插入部分为高度渐变结构，该结构可实现波导内部不连续结构的阻抗缓慢过渡，也能实现波导内TE₁₀模到波导口径处TM₀模表面波的缓慢过渡，从而获得宽带匹配。

图1至图3为一种低剖面超宽带端射天线的最优选实施例，所述端射天线包括波导结构体1、金属脊2、陶瓷体3、同轴连接件4、导电地板5、介质6，其中金属脊2位于波导结构体1的中心，其宽度小于波导结构体1的宽度，高度沿着波导结构体的纵向方向渐变；陶瓷体3具有高介电常数，其宽度与波导结构体1的宽度相等，高度左右两边均渐变形成劈尖结构，其中左侧渐变部分插入波导结构体1内部，并与金属脊2相贴合，右侧部分由厚到薄进行渐变，并置于导电地板5上；同轴连接件4从波导结构体1的底部进行馈电，其外导体与波导结构体1的外壳相连，内导体与金属脊2直接相连；导电地板5为接地渐变陶瓷延伸出来的部分，与天线结构表面为同一平面；介质6填充至波导内除了金属脊2、渐变陶瓷3、同轴连接件4的内导体以外的其余部分，为低介电常数介质。

其中，在该发明结构中，同轴连接件4到脊波导2过渡段实现TEM模到TE₁₀模的过渡，其同轴连接件4的内导体不局限于圆柱形状，可设计为圆锥状或其它形状以实现该过渡段的良好匹配；脊波导2和接地陶瓷体3左侧的共同渐变部分实现该过渡部分的阻抗缓慢渐变从而获得宽带匹配，以及实现TE₁₀模到表面波TM₀模的良好过渡，该渐变趋势不局限于线性渐变，可以符合其他曲线趋势；陶瓷体3的右侧部分接地，其高度渐变实现高介电常数介质到自由空间的缓慢过渡，其变化趋势不局限于线性渐变，可以符合其他曲线趋势，并且不同的趋势影响天线的宽带匹配性能和副瓣电平；导电地板5的尺寸可根据载体地板大小任意设置，其值不会影响天线的阻抗特性，但会影响天线的辐射方向图。一般来说，该地板沿天线主轴方向越大，其最大辐射方向会越偏向于端射方向。

另外，对于陶瓷体3的右侧渐变部分，由于其最底部被导电地板5短路，根据传输线理论，当陶瓷体3的厚度为波导波长的四分之一，即0.25λ_g(其中

ε_r为陶瓷相对介电常数)时，其表面阻抗产生突变，表面波无法继续沿着陶瓷表面传播，从而辐射至自由空间。因此，为了产生宽带辐射，该陶瓷体3的高度需要渐变，低频部分的能量会在介质较厚的位置辐射，而高频部分的能量会在介质较薄的地方辐射。通常，如果天线工作波长范围为λ_L～λ_H，陶瓷体3的厚度t至少需要在以下范围内变化：

在本发明具体实例中，天线结构的总长×宽×高为186mm×20mm×9.6mm；金属脊2的总长×宽×高为106mm×7mm×8.2mm，并且高度由8.2mm缓慢线性渐变至4mm，渐变长度为75mm；陶瓷体3的相对介电常数为ε_r＝10，左侧部分随着金属脊2的高度一起渐变，其渐变长度为97.5mm，右侧部分高度由9.6mm缓慢线性渐变至1mm,该部分长度为70mm；波导结构体1的其余填充部分6为特氟龙，其相对介电常数为2.1；

当导电地板5的长度为300mm时，其仿真结果由图4-7所示，其中图4表明，该天线在2.85～7.95GHz内实现了VSWR<2.5。图5-7为天线在不同频率时的E面和H面辐射方向图，结果表明该天线实现了近端向辐射，其最大辐射角与端射方向夹角在20度以内，最大增益为8dB左右。需要说明的是，天线最大辐射角度与地板的大小有关，如果地板沿着水平面进一步延长，其辐射角度会更加偏向端射方向。另外，本发明专利的天线结构不局限于平面结构，将该结构弯曲并使之与具有不同曲面的载体共形，亦在本专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低剖面超宽带端射天线，其特征在于：包括波导结构体、金属脊和陶瓷体；

所述金属脊被包裹设于所述波导结构体内中，其下端面设有左端低、右端高的第一倾斜面，所述第一倾斜面与所述波导结构体之间形成有容纳腔，所述陶瓷体的一端插装在所述容纳腔内，且其设有左端低、右端高的第二倾斜面，所述第二倾斜面与所述第一倾斜面相贴合；

所述陶瓷体的另一端沿所述波导结构体的长度方向向外延伸，且其另一端的下端面设有左端低、右端高的第三倾斜面。

2.根据权利要求1所述的低剖面超宽带端射天线，其特征在于：所述陶瓷体的一端还设有竖直壁面，所述竖直壁面由所述第二倾斜面的右端竖直向上延伸形成，相适应地，所述陶瓷体的一端插装在所述容纳腔时，其竖直壁面与所述波导结构体的侧壁面相贴合。

3.根据权利要求1所述的低剖面超宽带端射天线，其特征在于：还包括同轴连接件，其由具有同一中心轴的内导体、外导体以及两者之间的绝缘体组成，所述同轴连接件设于所述波导结构体的底部，其内导体与所述金属脊连接，其外导体与所述波导结构体连接。

4.根据权利要求3所述的低剖面超宽带端射天线，其特征在于：所述同轴连接件的形状为圆柱状或圆锥状。

5.根据权利要求1所述的低剖面超宽带端射天线，其特征在于：所述陶瓷体的另一端底部被导电地板承接，所述导电地板包括倾斜端和水平段，所述倾斜端与所述陶瓷体的另一端底部相贴合，其一端与所述波导结构体相抵，另一端与所述水平段的一端连接，所述水平段的另一端沿着平行于所述波导结构体的上端面的方向延伸。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的低剖面超宽带端射天线，其特征在于：所述波导结构体设有一端开口的中空内腔，所述金属脊设于所述中空内腔，所述陶瓷体的一端适应性从所述中空内腔的开口插装到所述波导结构体内，并通过所述第二倾斜面对所述金属脊实现承托，且对所述中空内腔的开口实现封堵；

所述金属脊、所述陶瓷体与所述中空内腔之间的空置部位被介质填充。

7.根据权利要求6所述的低剖面超宽带端射天线，其特征在于：所述介质为特氟龙。

8.根据权利要求1所述的低剖面超宽带端射天线，其特征在于：所述端射天线的长×宽×高尺寸为186mm×20mm×9.6mm，所述金属脊的长×宽×高尺寸为106mm×7mm×8.2mm，且其高度由8.2mm线性渐变到4mm，渐变长度为75mm；

所述陶瓷体的相对介电常数为ε_r＝10，其第二倾斜面部分的渐变长度为97.5mm，第三倾斜面部分的高度由9.6mm线性渐变到1mm，渐变长度为70mm。

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