CN116759805A - 紧凑型超宽带端射天线及无线通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型超宽带端射天线及无线通信设备，所述天线包括类抛物面波导、矩形波导、金属脊、同轴线和地板，所述类抛物面波导和矩形波导设置在地板上，类抛物面波导与矩形波导相连，所述金属脊设置在矩形波导的中间位置，金属脊与同轴线馈电连接。本发明具有低剖面和超宽带的特性，适合装载于机载或舰载导电表面，能设计成多个构成环形排列，以形成全向天线。

Description

紧凑型超宽带端射天线及无线通信设备
技术领域
本发明涉及一种紧凑型超宽带端射天线及无线通信设备，属于无线通信技术领域。
背景技术
电子信息技术的飞速发展不断推动着无线通信朝着宽带化的方向发展，在现代无线通信、雷达系统、无线追踪等军民领域中，端射天线对导航、目标追踪和定位、远距离探测等应用都能发挥不可或缺的作用，端射天线由于其贴近天线结构主轴方向的辐射特性，对于实现远距离探测，远程制导，追踪高速目标和地空对话等应用有着重要作用，尤其在机载和舰载等系统中，端射天线往往需要放置于导体表面甚至嵌入到导体内，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，飞速发展的电子信息技术也迫使端射天线需要满足超宽带的特性，超宽带技术应用能增大通信容量，提高频谱利用率、提高雷达分辨率及测距范围等。而为了保证天线在机载和舰载高速运行过程中不受空气阻力或恶劣天气的影响而损坏，通常需要天线具有紧凑的结构和较低的剖面。如何能够实现与金属载体表面共形的紧凑型低剖面超宽带端射天线，一直都是天线领域的研究热点。
目前有以下几类方式能够实现天线与金属表面共形：一是利用超阻抗表面结构或背腔结构放置于传统端射天线如八木天线或者Vivaldi天线下方，但是由于超阻抗表面为谐振结构，带宽较窄；同时背腔结构的设置需要四分之一个波长的高度，这并非低剖面结构。二是采用单极子对数周期天线，传统的单极子天线长度为每个谐振频点处的四分之一个波长，对其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，但由于其非平面结构的特性，在高速运动的载体上方会引起空气阻力，同时也不符合紧凑的特性，遇到较大的空气阻力及恶劣的环境下容易损坏。三是利用H面喇叭天线，该天线基于波导结构，因口径沿着H面扩展而得名，具有端射低剖面特性，但该天线难以在口径处与自由空间过渡处的实现良好的带宽匹配，因此其工作带宽一直都受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种紧凑型超宽带端射天线，该天线具有低剖面和超宽带的特性，适合装载于机载或舰载导电表面，能设计成多个构成环形排列，以形成全向天线。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述紧凑型超宽带端射天线的无线通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种紧凑型超宽带端射天线，包括类抛物面波导、矩形波导、金属脊、同轴线和地板，所述类抛物面波导和矩形波导设置在地板上，类抛物面波导的两端分别与矩形波导的两端相连，所述金属脊设置在矩形波导的中间位置，且金属脊与同轴线馈电连接。
进一步的，所述类抛物面波导的结构方程描述为y＝70*x)^n，其中指数系数n用于保证天线辐射口径宽度的拓宽，以及将由同轴线激励起的电磁波聚焦至矩形波导一并辐射至自由空间处。
进一步的，所述金属脊的宽度小于矩形波导的宽度，金属脊的高度沿着矩形波导的纵向方向渐变并延伸至矩形波导口径外一截。
进一步的，所述金属脊的顶部直连至矩形波导的顶面，金属脊的底部连接有锥状金属匹配元件，所述锥状金属匹配元件用于过渡金属脊与同轴线的馈电连接。
进一步的，所述同轴线从矩形波导的底部进行馈电，同轴线的外导体与矩形波导的外壳相连，同轴线的内导体与锥状金属匹配元件相连。
进一步的，所述同轴线的内导体呈圆柱状。
进一步的，还包括第一金属柱，所述第一金属柱为两根，两根第一金属柱对称设置，两根第一金属柱的一端与类抛物面波导的底面相连，两根第一金属柱的另一端从类抛物面波导的底面延伸至类抛物面波导的顶面。
进一步的，还包括第二金属柱，所述第二金属柱为两根，两根第二金属柱对称设置，两根第二金属柱的一端与地板相连，两根第二金属柱的另一端从矩形波导的底面延伸至矩形波导的顶面。
进一步的，所述地板的尺寸大于矩形波导的尺寸。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种无线通信设备，包括上述的紧凑型超宽带端射天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明天线在平面波导中引入了类抛物面波导结构，该结构能够有效聚焦由馈电口激励出的电磁波，有效降低天线尺寸的同时将天线的辐射宽度扩大和工作频段拓宽，从而形成超宽带端射特性。
2、本发明天线采用同轴线到金属脊的超宽带过渡结构，该结构能有效降低天线的最低截止频率，同时利用锥状金属匹配元件改善天线阻抗特性还能实现天线主模工作频段的拓宽，此外锥状金属匹配元件的设置也能实现天线的紧凑和低剖等特点。
3、本发明天线采用两对金属柱放置在矩形波导内，在矩形波导处由于宽度的拓宽，会在波导内激励起高次模，两对金属柱位置的合理设置能够实现在高频处对高次模的抑制效果，也能实现超宽带内的阻抗匹配。
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为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线的三维透视结构图。
图2为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线的剖面结构图。
图3为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线的俯视结构图。
图4为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线在中心频率为5.6GHz的E面辐射方向图。
图5为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线在中心频率为5.6GHz的H面辐射方向图。
图6为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线在中心频率为9.4GHz的E面辐射方向图。
图7为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线在中心频率为9.4GHz的H面辐射方向图。
图8为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线在中心频率为11.2GHz的E面辐射方向图。
图9为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线在中心频率为11.2GHz的H面辐射方向图。
图10为本发明实施例的紧凑型超宽带端射天线的电压驻波比结果图。
其中，1-类抛物面波导，2-矩形波导，3-金属脊，4-同轴线，5-地板，6-第一金属柱，7-第二金属柱，8-内导体，9-锥状金属匹配元件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
实施例：
本实施例考虑到传统端射天线(如八木天线和Vivaldi天线)虽然能够满足宽带低剖面的性能，但由于其水平极化的特性导致这些天线结构一旦安置在金属表面上，就会发生严重的镜像效应从而影响到天线的性能。而为了有效抑制传统端射天线的地板镜像效应，可采用“蘑菇型”周期性结构的高阻抗表面结构，该结构可以很好的抑制住水平极化特性下端射天线的地板镜像效应，但受限于其高阻抗的特性，该结构只能局限于窄带内的性能改善，难以在宽带尤其是超宽带的范围内实现良好的匹配。而H面喇叭天线具有低剖面紧凑的特性，同时其口径处的扩展也易于实现广辐角的特点，由于其口径处——与自由空间过渡段难以实现宽带下的良好匹配，现有技术会在辐射口径处加载介质棒，可有效改善口径处与自由空间的匹配，但该方法也只是在原来的基础上扩宽了一些频段，还是难以实现宽带甚至超宽带的特性，因此本实施例提供了一种紧凑型超宽带端射天线，其具有带宽宽、结构紧凑、低剖面的优点。
如图1～图3所示，本实施例的紧凑型超宽带端射天线能够应用于各种无线通信设备中，其包括类抛物面波导1、矩形波导2、金属脊3、同轴线4和地板5，类抛物面波导1和矩形波导2设置在地板5上，类抛物面波导与矩形波导2相连，金属脊3设置在矩形波导2的中间位置，金属脊3与同轴线4馈电连接。
进一步地，本实施例的类抛物面波导的结构方程描述为y＝70*x)^n，其中指数系数n的合理设置可以保证天线辐射口径宽度的拓宽，还能很好地将由同轴线4激励起的电磁波聚焦至矩形波导2一并辐射至自由空间处，通过在矩形波导2中引入类抛物面波导1，能够有效聚焦由馈电口激励出的电磁波，有效降低天线尺寸的同时将天线的辐射宽度扩大和工作频段拓宽，从而形成超宽带端射特性。
进一步地，金属脊3的宽度小于矩形波导的宽度，金属脊3的高度沿着矩形波导2的纵向方向渐变并延伸至矩形波导2口径外一截；具体地，金属脊3的顶部直连至矩形波导2的顶面，金属脊3的底部连接有锥状金属匹配元件9，锥状金属匹配元件9用于过渡金属脊3与同轴线4的馈电连接，采用同轴线4到金属脊3的超宽带过渡结构，能有效降低天线的最低截止频率，同轴线4到金属脊3的过渡段可以实现TEM模到TE10模的良好过渡。
进一步地，本实施例的同轴线4为SMA馈电同轴线，同轴线4从矩形波导2的底部进行馈电，同轴线4的外导体与矩形波导2的外壳相连，同轴线4的内导体8与锥状金属匹配元件9相连，利用锥状金属匹配元件9改善天线阻抗特性还能实现天线主模工作频段的拓宽，此外锥状金属匹配元件9的设置也能实现天线的紧凑和低剖等特点，其中同轴线4的内导体8设计为圆柱状以实现该过渡段的良好匹配。
进一步地，本实施例天线还可包括第一金属柱6，第一金属柱6为两根，两根第一金属柱6对称设置构成一对金属柱，两根第一金属柱6的一端与类抛物面波导1的底面相连，两根第一金属柱6的另一端从类抛物面波导1的底面延伸至类抛物面波导1的顶面，第一金属柱6主要用于抑制住由高频工作模式下所激励起的高次模TE30模。
进一步地，本实施例天线还可包括第二金属柱7，第二金属柱7为两根，两根第二金属柱7对称设置构成另一对金属柱，两根第二金属柱7的一端与地板相连，两根第二金属柱7的另一端从矩形波导2的底面延伸至矩形波导2的顶面，第二金属柱7在口径处的设置能很好的与金属脊3形成良好的宽带匹配特性。
本实施例中，金属脊3的纵向渐变和第一金属柱6、第二金属柱7之间的电磁效应可以实现其工作频段内的宽带匹配和高频下高次模TE30模的抑制，金属脊3的渐变结构不局限于本实施例的线性渐变，也可以符合其他曲线趋势。
进一步地，地板5的尺寸需大于矩形波导2的尺寸，地板5的尺寸可以根据载体地板大小任意设置，地板5的尺寸不影响天线的阻抗特性，但会对天线的方向图产生一定的影响，大体上该地板5的尺寸在沿着天线主轴的方向越大，其最大辐射方向会越偏向于端射方向。
本实施例的天线结构总长×宽×高为50.4mm×86mm×12mm；金属脊的总长×宽×高为29.4mm×10.8mm×10.2mm，并且高度由10.2mm缓慢线性渐变至2.5mm，渐变长度为22.4mm；类抛物面波导方程为y＝(70*x^0.51，其沿主轴方向30mm；矩形波导结构的长×宽×高为17mm×86mm×12mm；两对金属柱分别相距天线主轴位置有24mm，20mm，半径分别为0.4mm，0.8mm；倒圆台金属(锥状金属匹配元件)上顶面×下顶面×高度为1.5mm×0.65mm×1.8mm；地板5的尺寸为64mm×86mm。
如图4～图5、图6-图7、图8-图9所示，分别为本实施例天线在5.6GHz、9.4GHz和11.2GHz下的E面和H面的辐射方向图，结果表明天线在中高低频段下都实现了端射的特性，其最大增益可达到10dB左右，同时H面的辐射方向图也并未出现因高次模而产生的分裂现象，说明该天线在中高低频段处会产生的高次模都抑制成功；同时如图10所示，该天线在3.27～12.25GHz频段内实现了电压驻波比(VSWR)＜2的宽带特性；另外，由于天线地板的设置会对天线的辐射方向图产生一定的影响，因此如果地板沿着天线主轴方向有进一步延伸，其辐射方向图的端射特性会更加显著，即天线辐射方向图的最大辐射角与天线主轴的方向夹角会更小。
综上所述，本发明天线在平面波导中引入了类抛物面波导结构，该结构能够有效聚焦由馈电口激励出的电磁波，有效降低天线尺寸的同时将天线的辐射宽度扩大和工作频段拓宽，从而形成超宽带端射特性；此外，本发明天线采用同轴线到金属脊的超宽带过渡结构，该结构能有效降低天线的最低截止频率，同时利用锥状金属匹配元件改善天线阻抗特性还能实现天线主模工作频段的拓宽，此外锥状金属匹配元件的设置也能实现天线的紧凑和低剖等特点。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，包括类抛物面波导、矩形波导、金属脊、同轴线和地板，所述类抛物面波导和矩形波导设置在地板上，类抛物面波导与矩形波导相连，所述金属脊设置在矩形波导的中间位置，金属脊与同轴线馈电连接。
2.根据权利要求1所述的紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，所述类抛物面波导的结构方程描述为y＝70*x)^n，其中指数系数n用于保证天线辐射口径宽度的拓宽，以及将由同轴线激励起的电磁波聚焦至矩形波导一并辐射至自由空间处。
3.根据权利要求1所述的紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，所述金属脊的宽度小于矩形波导的宽度，金属脊的高度沿着矩形波导的纵向方向渐变并延伸至矩形波导口径外一截。
4.根据权利要求1所述的紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，所述金属脊的顶部直连至矩形波导的顶面，金属脊的底部连接有锥状金属匹配元件，所述锥状金属匹配元件用于过渡金属脊与同轴线的馈电连接。
5.根据权利要求4所述的紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，所述同轴线从矩形波导的底部进行馈电，同轴线的外导体与矩形波导的外壳相连，同轴线的内导体与锥状金属匹配元件相连。
6.根据权利要求5所述的紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，所述同轴线的内导体呈圆柱状。
7.根据权利要求1所述的紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，还包括第一金属柱，所述第一金属柱为两根，两根第一金属柱对称设置，两根第一金属柱的一端与类抛物面波导的底面相连，两根第一金属柱的另一端从类抛物面波导的底面延伸至类抛物面波导的顶面。
8.根据权利要求1所述的紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，还包括第二金属柱，所述第二金属柱为两根，两根第二金属柱对称设置，两根第二金属柱的一端与地板相连，两根第二金属柱的另一端从矩形波导的底面延伸至矩形波导的顶面。
9.根据权利要求1-8任一项所述的紧凑型超宽带端射天线，其特征在于，所述地板的尺寸大于矩形波导的尺寸。
10.一种无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的紧凑型超宽带端射天线。
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