CN115036693A - 一种适用于二维测向的超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于二维测向的超宽带天线，属于测向天线技术领域。该天线包括圆形排列的12片金属壁，与其间隔排列的介质基板，位于上下表面的锥形金属壁，固定支撑结构。本发明采用变形的加脊结构在优化喇叭天线匹配特性的同时优化其方向图，采用Marchand巴伦的馈电形式，在不引入高次模的同时改善了天线的匹配性能。最终，在1～8GHz的频率范围内，天线阵可以实现θ＝60°～90°范围内的二维测向。

Description

一种适用于二维测向的超宽带天线
技术领域
本发明属于测向天线技术领域，具体涉及一种适用于二维测向的超宽带天线。
背景技术
无线电测向技术是通过对各个天线单元接收到的电磁波的参数进行比较，确定无线电波的方向。目前有几种方法可以用来确定发射源的位置，分别是基于时间、基于相位和基于振幅的方法。
在许多与无线电导航或定位有关的民用和军事应用中，测向系统变得非常有吸引力。同时，随着现代通信系统复杂性不断提高，对高能力的测向系统的需求也在增加，包括其中的天线阵列。为了对方位面的测向取得精确的结果，测向天线通常采用圆形排列的方式。
目前测向天线的形式多种多样，主要包括偶极子天线，对数周期天线，Vivaldi天线，喇叭天线，微带天线等形式。
例如在论文“Conformal LPDA Antenna Array for Direction FindingApplication”中，为了小型化与轻量化的设计需求，其对对数周期天线的各个臂进行弯曲设计，并采用PCB工艺进行加工，将其粘贴在泡沫材质的六棱台上，其实现了1-8GHz内VSWR小于2.5，在水平面实现测向；在“A UHF Ultrabroadband Vivaldi-Type DirectionFinding Antenna”论文中，采用了六个Vivaldi天线进行测向，天线采用PCB工艺，固定于支撑轴上，可以在0.3-3GHz频段内的水平面测向，但是其S11仅在1-3GHz范围内小于-10dB；在专利号为CN202020068954的发明中，公开了一种L频段测向天线，包括底座和微带天线，八个微带天线围成一圈，共有两圈，两圈中的微带天线错开22.5°，所以实际上是十六个单元，这样使得结构更加紧凑，体积较小，携带便捷，测向准确度较高；在专利号CN201821548025的发明中，采用了喇叭天线作为测向单元，实现了2-18GHz的水平面测向，但是喇叭天线均为金属件，这无疑明显增加了整个天线的重量。
在目前测向天线的设计中，基本聚焦于水平面的测向能力，而在一定仰角范围内实现二维测向显然更具有吸引力。
发明内容
本发明为解决在一定仰角范围内实现二维测向的问题，提出了一种适用于二维测向的超宽带天线，天线单元的物理指向为θ＝75°，其具有结构紧凑、轻量化、频率覆盖1～8GHz、在θ＝60°～90°范围内实现二维测向等特点。
本发明采用的技术方案如下：一种适用于二维测向的超宽带天线，该天线包括：中心轴、上轮盘、下轮盘、上圆帽、下圆帽、上金属壁、下金属壁、多个封口支撑架、多个开口支撑架、多片竖金属壁、多片介质基板，封口支撑架、开口支撑架、竖金属壁、介质基板的数量相同，中心轴中段直径大于两端的直径，所述上轮盘、下轮盘、上圆帽、下圆帽均套于中心轴上，从下至上依次为：下圆帽、下轮盘、上轮盘、上圆帽，下圆帽和上圆帽分别用于固定下轮盘和上轮盘，所述下轮盘与上轮相对的一面对应开设有一个环形槽，环形槽的圆心与轮盘圆心重合，该环形槽用于放置封口支撑架和开口支撑架；封口支架和开口支架成放射状均匀围绕在中心轴的周围，封口支架和开口支架间隔设置；封口支架为没有开口的环状框架，该框架内嵌合竖金属壁；开口支架是在封口支架的结构上开设有几处开口，开口支架内嵌合的是介质基板，开口支架的开口位置为远离中心轴的一侧和靠下方的一侧即下侧，所述“下方”与下轮盘位于上轮盘下方的“下方”一致，所述封口支撑架、开口支撑架与下轮盘、上轮盘的接触位置设置有凸起，该凸起用于卡合进下轮盘和上轮盘上设置的环形槽；所述介质基板的一侧位于开口支撑架下方开口位置处设置有依次连接的同轴接头、微带线、巴伦，另一侧设置有与微带线和巴伦配合的指数渐变槽线；所述上金属壁位于设置于封口支架和开口支架的上侧，下金属壁设置于所有封口支架和开口支架的下侧，并且上金属、相近的两块竖金属壁、下金属壁构成一个喇叭状腔体，相近的两块竖金属壁之间的介质基板位于该喇叭状腔体的中间。
进一步的，所述上金属壁和下金属壁的结构为边缘高，中间低。
进一步的，所述封口支撑架、开口支撑架各12个。
进一步的，所述开口支架中远离中心轴一侧开口处，上侧支架末端向上凸起，下侧支架末端向下凸起。
本发明的有益效果是：采用封闭式的喇叭天线形式，可以使各个天线单元有良好的隔离度；渐变槽线的引入可以拓宽天线的带宽；将槽线超出喇叭口径面，解决了天线口径面的场分布不均导致的波束分裂问题；在槽线顶部引入倾角结构，使天线与空气的过渡更加平缓，天线在偏离H面的方位面可以有更好的方向图；馈电结构的巴伦可以用来改善天线的匹配性能，同时不激励起喇叭天线的高次模。
附图说明
图1为实施例中天线阵的示意图。
图2为实施例1中央结构与部分框架的3D视图。
图3为实施例1中测向天线阵折叠后的3D视图(无导电布)。
图4为一个基本天线单元的3D视图。
图5为实施例1中天线的VSWR随频率变化图。
图6为实施例1中天线的增益方向图，其中图(a)为2.45GHz频点的增益方向图情况，图(b)为5.8GHz频点的增益方向图情况。
图7为实施例2中上层金属壁示意图。
图8为实施例3中渐变槽线引入的圆弧形枝节示意图。
具体实施方式
实施例1
出于便携性与轻量化的目的，本实施例中的天线阵具有可折叠的特性。本实施例中天线阵的3D视图如图1，中央结构1、2、3与框架4、6共同组成了可转动的固定支撑结构，金属壁7与介质基板5间隔排列，间隔角度为15°，两者的数量分别为12片。上金属壁8和下金属壁9为锥形金属壁，为了实现折叠，其材质选为导电布，其电特性与金属无异，但可以明显减轻重量，并实现天线阵的折叠能力。
图2为中央结构与部分框架的3D视图，结构1为中央支撑轴，其材质为铝；结构3为支撑框架4、6、10的轮盘，其材质为玻璃纤维，轮盘中开有环形槽，可以实现框架的转动，共上下一对，呈镜像对称。轮盘通过对应的圆帽2与支撑轴夹紧固定，而圆帽则通过螺钉固定在支撑轴上面。结构10为定位框架，与其他框架不同，其嵌入到上下环形槽的切口中以保证位置不变。上金属壁8和下金属壁9在该处进行裁剪，通过磁吸式连接起来，而与其他框架接触的区域采用胶水进行粘连。以该框架为基准，天线进行折叠与展开操作。
图3为本实施例中天线阵折叠后的3D视图，为了清楚展示，图中隐藏了导电布，折叠后，天线在方位面占据130°的空间。
图4为一个基本天线单元的3D视图，两片竖金属壁7与上金属壁8和下金属壁9构成了喇叭天线，介质基板5位于喇叭中央，其背面印刷有指数渐变槽线14，总体构成了加脊喇叭结构。渐变槽线的引入，拓宽了天线的带宽。通过将槽线超出喇叭的口径面，解决了天线在高频波束分裂的问题。同时，槽线的顶部引入了横向的枝节，使天线在偏离H面的方位面可以有更好的方向图。介质基板的正面印刷有微带线12，负责连接同轴接头11与巴伦13，由巴伦将能量传输到渐变槽线14中，同时也作为喇叭的激励结构。介质基板5与竖金属壁7均由支撑框架两面夹紧固定，固定方式可采用螺钉或者胶水。
图5给出了本实施例中天线的VSWR特性，可以看到，天线在2～6GHz范围内满足VSWR<2，在1-8GHz范围内基本满足VSWR<3。
图6为天线的增益方向图情况，给出了2.45GHz和5.8GHz两个WI-FI频点的数据，选取了θ＝60°、75°、90°三个方位面。在2.45GHz，三个方位面可以在±30°内实现增益大于5dBi；在5.8GHz，三个方位面可以在±30°内实现增益大于4.5dBi。因此，在整个频段，在θ＝60°～90°的范围内，天线都可以实现很好的方向图，适用于二维测向。
实施例2
本实施例中天线阵的3D视图如图1，中央结构1、2、3与框架4、6共同组成了固定支撑结构，竖金属壁7与介质基板5间隔排列，间隔角度为15°，两者的数量分别为12片。
结构1为中央支撑轴，其材质为铝；结构3为支撑框架4、6的轮盘，其材质为玻璃纤维，轮盘中开有24个圆形排列的矩形槽，用于固定框架，共上下一对，呈镜像对称。轮盘通过对应的圆帽2与支撑轴夹紧固定，而圆帽则通过螺钉固定在支撑轴上面。上金属壁8和下金属壁9为锥形金属壁。
一个基本天线单元的3D视图，相邻两片竖金属壁7与上金属壁8和下金属壁9构成了喇叭天线，介质基板5位于喇叭中央，其背面印刷有指数渐变槽线14，总体构成了加脊喇叭结构。渐变槽线的引入，拓宽了天线的带宽。对金属壁8和9进行内切角处理，如图7所示，使渐变槽线超出口径面，解决了天线在高频波束分裂的问题。同时，槽线的顶部引入了横向的枝节，使天线在偏离H面的方位面可以有更好的方向图。介质基板的正面印刷有微带线12，负责连接同轴接头11与巴伦13，由巴伦将能量传输到渐变槽线14中，同时也作为喇叭的激励结构。介质基板5与竖金属壁7均由支撑框架两面夹紧固定，固定方式可采用螺钉或者胶水。
实施例3
本实施例中天线阵的3D视图如图1，中央结构1、2、3与框架4、6共同组成了固定支撑结构，竖金属壁7与介质基板5间隔排列，间隔角度为15°，两者的数量分别为12片。
结构1为中央支撑轴，其材质为铝；结构3为支撑框架4、6的轮盘，其材质为玻璃纤维，轮盘中开有24个圆形排列的矩形槽，用于固定框架，共上下一对，呈镜像对称。轮盘通过对应的圆帽2与支撑轴夹紧固定，而圆帽则通过螺钉固定在支撑轴上面。上金属壁8和下金属壁9为锥形金属壁。
一个基本天线单元的3D视图，两片竖金属壁7与上金属壁8和下金属壁9构成了喇叭天线，介质基板5位于喇叭中央，其背面印刷有线性渐变槽线14，总体构成了加脊喇叭结构。渐变槽线的引入，拓宽了天线的带宽。渐变槽线超出口径面，解决了天线在高频波束分裂的问题。同时，槽线的顶部引入了圆弧形的枝节，如图8所示，使天线在偏离H面的方位面可以有更好的方向图。介质基板的正面印刷有微带线12，负责连接同轴接头11与巴伦13，由巴伦将能量传输到渐变槽线14中，同时也作为喇叭的激励结构。介质基板5与竖金属壁7均由支撑框架两面夹紧固定，固定方式可采用螺钉或者胶水。

Claims (4)

1.一种适用于二维测向的超宽带天线，该天线包括：中心轴、上轮盘、下轮盘、上圆帽、下圆帽、上金属壁、下金属壁、多个封口支撑架、多个开口支撑架、多片竖金属壁、多片介质基板，封口支撑架、开口支撑架、竖金属壁、介质基板的数量相同，中心轴中段直径大于两端的直径，所述上轮盘、下轮盘、上圆帽、下圆帽均套于中心轴上，从下至上依次为：下圆帽、下轮盘、上轮盘、上圆帽，下圆帽和上圆帽分别用于固定下轮盘和上轮盘，所述下轮盘与上轮相对的一面对应开设有一个环形槽，环形槽的圆心与轮盘圆心重合，该环形槽用于放置封口支撑架和开口支撑架；封口支架和开口支架成放射状均匀围绕在中心轴的周围，封口支架和开口支架间隔设置；封口支架为没有开口的环状框架，该框架内嵌合竖金属壁；开口支架是在封口支架的结构上开设有几处开口，开口支架内嵌合的是介质基板，开口支架的开口位置为远离中心轴的一侧和靠下方的一侧即下侧，所述“下方”与下轮盘位于上轮盘下方的“下方”一致，所述封口支撑架、开口支撑架与下轮盘、上轮盘的接触位置设置有凸起，该凸起用于卡合进下轮盘和上轮盘上设置的环形槽；所述介质基板的一侧位于开口支撑架下方开口位置处设置有依次连接的同轴接头、微带线、巴伦，另一侧设置有与微带线和巴伦配合的指数渐变槽线；所述上金属壁位于设置于封口支架和开口支架的上侧，下金属壁设置于所有封口支架和开口支架的下侧，并且上金属、相近的两块竖金属壁、下金属壁构成一个喇叭状腔体，相近的两块竖金属壁之间的介质基板位于该喇叭状腔体的中间。
2.如权利要求1所述的一种适用于二维测向的超宽带天线，其特征在于，所述上金属壁和下金属壁的结构为边缘高，中间低。
3.如权利要求1所述的一种适用于二维测向的超宽带天线，其特征在于，所述封口支撑架、开口支撑架各12个。
4.如权利要求1所述的一种适用于二维测向的超宽带天线，其特征在于，所述开口支架中远离中心轴一侧开口处，上侧支架末端向上凸起，下侧支架末端向下凸起。
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