CN204118256U - 一种介质杆天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种介质杆天线，包括介质杆本体，所述介质杆本体依次包括模式变换段、阻抗匹配段和曲线变换段；其中模式变换段的后端面与阻抗匹配段的前端面相接，阻抗匹配段的后端面与曲线变换段的前端面相接；模式变换段和阻抗匹配段向前延伸并嵌入金属圆波导的内部，曲线变换段向后延伸并位于金属圆波导的外部；模式变换段呈前小后大的圆锥状棒体；阻抗匹配段呈前小后大的圆台状棒体；曲线变换段呈前大后小的类圆台状棒体，且该曲线变换段的母线为一内凹的曲线。本实用新型能够实现介质内部的能量分布优化，减少能量损耗，提高介质杆天线的辐射性能。

Description

一种介质杆天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种介质杆天线。

背景技术

介质杆天线是用介质作为辐射媒体的天线。传统的介质杆天线，如图1所示，其一般由低损耗高频介质材料制成，介质杆天线整体呈规则的圆柱形或规则的圆台形的棒体，即棒体的母线为直线，且棒体的前端面和后端面均为平面。介质杆天线的一端通过金属圆波导连接在同轴线的末端，同轴线内导体的延伸部分形成一个振子，用以激发电磁波，该电磁波沿介质杆天线传播并在终端向自由空间辐射。连接介质杆天线和同轴线的金属圆波导的作用除了夹住介质杆天线外，更主要的是传输TE11模电磁波，从而保证由同轴线的内导体激励电磁波，并向介质杆天线的自由端传播。虽然现有介质杆天线具有体积小的特点，但由于介质有损耗，因而效率不高。可见，如何能够在有限的长度和有限的横截面积的前提下，尽可能地改善介质杆天线内部能量分布，减少介质损耗，是提高介质杆天线的辐射性能的所需解决的关键问题之一。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是传统介质杆天线易出现能量损耗的问题，而提供一种介质杆天线，其能够实现介质内部的能量分布优化，减少能量损耗，提高介质杆天线的辐射性能。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种介质杆天线，包括介质杆本体，所述介质杆本体依次包括模式变换段、阻抗匹配段和曲线变换段；其中模式变换段的后端面与阻抗匹配段的前端面相接，阻抗匹配段的后端面与曲线变换段的前端面相接；模式变换段和阻抗匹配段向前延伸并嵌入金属圆波导的内部，曲线变换段向后延伸并位于金属圆波导的外部；模式变换段呈前小后大的圆锥状棒体；阻抗匹配段呈前小后大的圆台状棒体；曲线变换段呈前大后小的类圆台状棒体，且该曲线变换段的母线为一内凹的曲线。

上述方案中，所述类圆台状棒体的母线的曲线方程为：

$\frac{\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{y}{L}\right)}^{\frac{1}{2n-1}}}{n}=\frac{D/2-x}{D/2-T/2}$          ①

式中，L为曲线变换段的长度；D为曲线变换段的前端面直径；T为曲线变换段的后端面直径；n为正整数。

上述方案中，所述阻抗匹配段由2级或2级以上的分棒体组合而成；这些分棒体均圆柱状，且顺次依次相接，即第一级分棒体的前端面与模式变换段的后端面相接，前一级分棒体的后端面与后一级分棒体的前端面相接，最后一级分棒体的后端面与曲线变换段的前端面相接；且位于前一级的分棒体的直径小于后一级的分棒体的直径。上述阻抗匹配段的母线为阶梯线。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、模式变换段呈圆锥状。采用圆锥锥状模型能够使电磁波的TE11模平缓的过渡到HE11模，极大的减小了电磁波的反射。该圆锥结构也可以用在只存在TE10模的矩形波导中，只需在矩形波导处加个矩圆模式变换段(总长度16mm)就可实现和圆波导同样的效果。而通常的模式变换段部分为圆柱状或燕尾状，这两种结构会使金属圆波导中的电磁波由空气进入到介质中产生大量的反射。

2、阻抗匹配段呈圆台状或阶梯台状。首先阶梯变化采用了微波传输线的1/4λ阻抗变换特性使电磁波由金属圆波导顺利进入到空气中，实现了阻抗匹配，拓宽了介质杆天线的工作带宽(工程要求相对带宽6％，本馈源仿真相对带宽是14％)。其次通过阶梯变换扩大了馈电器(金属圆波导)的口径，改善了馈电器的辐射性能，但是阶梯变换只是略微增加了介质杆天线的横截面尺寸，这就提高了介质杆天线的阵列紧凑性。最后加入了阶梯的介质杆天线固定性更强。与喇叭状馈电器相比，当介质杆天线水平放置时不会滑落，这就不需要通过粘合剂来固定，加入粘合剂会降低天线的辐射性能，阶梯状的设计并没有加大馈电器的加工难度。而传统的馈电器口径为圆波导状或喇叭状的，但是存在着一定的缺陷，单阶圆波导无法解决电磁波由金属波导进入到空气时产生阻抗失配问题，这就导致了电磁波的大量反射，直接影响天线的辐射性能。喇叭状的馈电器虽然实现了好的辐射性能但是使得介质棒的横截面尺寸大幅度增加，这样就降低了介质杆天线阵列的紧凑性。

3、曲线变换段呈类圆台状棒体。曲线变换段是内凹的曲线型，杆身平滑，这样的介质杆形状能减小天线E面H面方向图的差异，使天线的辐射方向图更加旋转对称，同时降低天线的副瓣。介质杆顶端截面直径约为0.2λ电磁波能从顶端顺利辐射有效的减小了电磁波的反射。基于曲线方程①生成的曲线还具有更广的适用性，通过改变n的值该曲线形状会适用于不同介电常数的介质杆，而且呈现n值越大适用介电常数值越大的趋势。该曲线方程①生成的曲线近似表达了电磁波在不同介质中传输时v/c与D/λ的关系曲线。其中，v是电磁波在介质中传输的速度，c为光速，D为介质杆的直径，λ为电磁波在自由空间中的波长。而传统的介质杆天线杆身主要由棒体渐变和终端渐变两部分组成(两部分均是圆锥状)，但是两部分连接处有尺寸的突变这就导致电磁波在此处的传输发生一定的变化影响介质杆天线的辐射性能。本实用新型采用的

附图说明

图1为现有的传统介质杆天线的结构示意图。

图2为本实用新型的介质杆天线的结构示意图。

图中标号：L1、金属圆波导；L2、模式变换段；L3、阻抗匹配段；L4、曲线变换段。

具体实施方式

一种介质杆天线，如图2所示，包括介质杆本体，所述介质杆本体依次包括模式变换段L2、阻抗匹配段L3和曲线变换段L4。其中模式变换段L2的后端面与阻抗匹配段L3的前端面相接，阻抗匹配段L3的后端面与曲线变换段L4的前端面相接。模式变换段L2和阻抗匹配段L3向前延伸并嵌入金属圆波导L1的内部，曲线变换段L4向后延伸并位于金属圆波导L1的外部。

模式变换段L2呈前小后大的圆锥状棒体，该模式变换段L2的母线为直线。作为抛物面天线的馈源应该具备以下特点，辐射方向图旋转对称，较低的副瓣，较高的前后比。介质杆中的HE11模电磁波能够产生旋转对称的方向图，本实用新型采用单模TE11传输的金属波导来激励起介质杆中的HE11模。介质杆的尾端插入到金属圆波导L1内，电磁波在有介质的金属圆波导L1中传播会产生其他模式的电磁波，本实用新型采用了锥状结构锥长1.5-2.5λ，该锥状结构横截面尺寸的选择保证介质杆中HE11模单模传输，这样就使得金属波导中的电磁波模式顺利转换成介质杆中需要的模式。介质杆天线要想获得旋转对称的方向图必须保证介质杆中的电磁波是单独的HE11模。本实用新型中的金属圆波导L1中只有TE11模存在，介质杆天线插入到金属圆波导L1中。

阻抗匹配段L3呈前小后大的圆台状棒体。所述阻抗匹配段L3可以为一母线呈直线的规则圆台，也可以如本实用新型新优选实施例一样，阻抗匹配段L3为母线呈阶梯线的阶梯圆台，即阻抗匹配段L3由2级或2级以上的分棒体组合而成。这些分棒体均圆柱状，且顺次依次相接，即第一级分棒体的前端面与模式变换段L2的后端面相接，前一级分棒体的后端面与后一级分棒体的前端面相接，最后一级分棒体的后端面与曲线变换段L4的前端面相接。位于前一级的分棒体的直径小于后一级的分棒体的直径。电磁波由填充介质的金属波导传输到没有金属包围的介质杆时，由于不连续性导致了阻抗的不匹配，电磁波在金属波导和介质杆的辐射段连接处会产生大量反射。本实用新型利用传输线的1/4λ阻抗变换特性，实现了阻抗的匹配，拓宽了天线的工作带宽。介质杆天线的辐射方向图由两部分组成一部分是转化为介质杆中的表面波辐射另一部分为未转换的电磁波由馈电器辐射。为了实现较好的辐射性能馈电器的口径要变大。

曲线变换段L4呈前大后小的类圆台状棒体，且该曲线变换段L4的母线为一内凹的曲线。在本实用新型优选实施例中，所述类圆台状棒体的母线的曲线方程为：

$\frac{\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{y}{L}\right)}^{\frac{1}{2n-1}}}{n}=\frac{D/2-x}{D/2-T/2}$       ①

式中，L为曲线变换段的总长度(即前端面到后端面的轴向长度)；D为曲线变换段的前端面直径；T为曲线变换段的后端面直径；n为正整数。

当曲线方程①中m取值为7时，介电常数为3.7的介质杆天线在工作频带内回波损耗为-24dB，在中心频率处的增益达到16.3dB，副瓣小于-25dB，交叉极化为29dB，而且方向图是旋转对称的，当曲线方程①中m取值为5时，介电常数为2.56的介质杆天线在工作频带内回波损耗为-20dB，在中心频率处的增益达到16.3dB，交叉极化为29dB，且方向图旋转对称。

Claims (3)

1.一种介质杆天线，包括介质杆本体，其特征在于：所述介质杆本体依次包括模式变换段(L2)、阻抗匹配段(L3)和曲线变换段(L4)；其中模式变换段(L2)的后端面与阻抗匹配段(L3)的前端面相接，阻抗匹配段(L3)的后端面与曲线变换段(L4)的前端面相接；模式变换段(L2)和阻抗匹配段(L3)向前延伸并嵌入金属圆波导(L1)的内部，曲线变换段(L4)向后延伸并位于金属圆波导(L1)的外部；模式变换段(L2)呈前小后大的圆锥状棒体；阻抗匹配段(L3)呈前小后大的圆台状棒体；曲线变换段(L4)呈前大后小的类圆台状棒体，且该曲线变换段(L4)的母线为一内凹的曲线。

2.根据权利要求1所述的一种介质杆天线，其特征在于：所述类圆台状棒体的母线的曲线方程为：

$\frac{\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{y}{L}\right)}^{\frac{1}{2n-1}}}{n}=\frac{D/2-x}{D/2-T/2}$             ①

式中，L为曲线变换段的长度；D为曲线变换段的前端面直径；T为曲线变换段的后端面直径；n为正整数。

3.根据权利要求1所述的一种介质杆天线，其特征在于：所述阻抗匹配段(L3)的母线为阶梯线；即阻抗匹配段(L3)由2级或2级以上的分棒体组合而成；这些分棒体均圆柱状，且顺次依次相接，即第一级分棒体的前端面与模式变换段(L2)的后端面相接，前一级分棒体的后端面与后一级分棒体的前端面相接，最后一级分棒体的后端面与曲线变换段(L4)的前端面相接；且位于前一级的分棒体的直径小于后一级的分棒体的直径。