CN205509003U - 一种限制空间安装的c波段宽带垂直极化套筒天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，天线罩为环氧层压玻璃布材质的中空圆柱，一端由环氧层压玻璃布材质的顶盖封闭，另一端安装特氟龙材质的介质底托；同轴射频电缆一端固连射频连接件，另一端穿过介质底托进入天线罩内部；天线振子为铜质的圆柱，套接在天线罩内部的同轴射频电缆内导体上；套筒为铜质的圆台，连接天线罩内部的同轴射频电缆外导体；套筒和天线振子之间通过特氟龙材质的防短路垫片隔离。本实用新型满足辐射特性优良、结构简单、宽频带工作、隐蔽暗转的要求，可用于高速移动通信、地面限制暗中隐蔽式通信系统中。
Description
技术领域
本发明属于雷达及通信天线技术领域，涉及一种C波段宽带垂直极化套筒天线。
背景技术
目前，在机载、车载，高速移动数据通信传输、地面抗干扰通信及测控跟踪等系统中，前端天线多选择为垂直极化、全向辐射的偶极子天线形式，如刀型天线、螺旋法向模天线、鞭装天线或是平面微带天线阵列等。这些天线往往存在机械结构复杂、天线馈电系统匹配复杂、工程调试周期长、加工成本较高等问题。在机载、高速列车尤其是要求具有隐蔽型限制空间安装的移动通信领域中为了扩展通信距离，抑制地面通信的多径干扰问题，同时也要满足小型化、制作安装简便等特性，新的垂直极化、满足宽频带工作、具有优良的全向辐射特性天线的设计日趋重要。在众多的垂直极化偶极子天线的形式中，套筒天线具有较俯仰面方向图覆盖范围大，方位面方向图全向辐射波动小，工作频带宽等优良特性，通过将其与附加结构形式的组合配置可轻松完成组阵、定向高增益辐射等延伸功能。如Ronold King最早在《Asymmetrically DrivenAntennas and the Sleeve Dipole》(Ronold King,“Asymmetrically Driven Antennas and theSleeve Dipole”Journals&Magazines,IEEE,vol.38,pp.1154–1164,October,1950)中提出了一种套筒天线的物理模型。按照Ronold King的模型套筒天线基本上由一个四分之一波长长度的金属调谐套筒和一个四分之一波长尺寸的辐射振子组成。Ronold King在文章中仅是对这种天线进行了原理性的说明，对于天线的工程实现与馈电方式未做具体分析与说明。Mitsuo Taguchi在《Sleeve Antenna with Ground Wires》(Mitsuo Taguchi，“Sleeve Antenna with Ground Wires”，Antennas&Propagation，IEEE,Vol.39,No.1,pp.1–7,1991)中提出了一种基于四分之一波长地线匹配技术的套筒偶极子模型，并对这种组合套筒偶极子天线的端口阻抗特性、电场辐射特性进行了深入分析。这种设计的套筒偶极子天线模型，采用套筒与匹配地线复合调谐方式虽然对于低频段的工作带宽和方向图具有明显改善作用，但是其天线系统整体结构复杂，工程实践与加工调试成本较高，地线的倾斜角度及安装固定方式很难满足简单，坚固，耐用的工程实际设计要求，天线的整体结构也很难满足一些限制空间及隐蔽安装的技术要求。Takashi Oki等在《Basic Characteristics of Wideband Sleeve Antenna》(Takashi Oki，Tuan HungNguyen，Masao Sakuma，Hisashi Morishita“Basic Characteristics of Wideband SleeveAntenna”，Proceedings of ISAP 2014，pp.231–232,2014)一文中提出了基于复合双套筒宽带匹配技术的一种天线模型，并对模型进行了简要分析与计算。Takashi Oki提出的天线研究模型在原理上具有明显的工作带宽展宽特性，但是双套筒结构在高频段的实现具有较大困难，并且在文献中并未涉及具体的工程加工及实践调试，这些问题为这种理论模型的后续工程化转变造成了诸多障碍。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，采用宽带复合介质套筒及宽带辐射振子技术，达到了辐射特性优良、结构简单、宽频带工作、隐蔽暗转的要求，可用于高速移动通信、地面限制暗中隐蔽式通信系统中。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括顶盖、天线振子、防短路垫片、介质底托、套筒、天线罩、加固热缩护套、同轴射频电缆和射频连接件；所述的天线罩为环氧层压玻璃布材质的中空圆柱，一端由环氧层压玻璃布材质的顶盖封闭，另一端安装特氟龙材质的介质底托；所述的同轴射频电缆一端固连射频连接件，另一端穿过介质底托进入天线罩内部；所述的天线振子为铜质的圆柱，套接在天线罩内部的同轴射频电缆内导体上；所述的套筒为铜质的圆台，连接天线罩内部的同轴射频电缆外导体；所述的套筒和天线振子之间通过特氟龙材质的防短路垫片隔离。
所述的顶盖为法兰结构，上层为椭圆体，椭圆的长轴长为波长的0.52倍，短轴长为波长的0.26倍，厚度为波长的0.05倍，在长轴方向上两边距离几何中心0.196倍波长的地方对称开有两个定位通孔；顶盖的下层为一圆柱体结构，圆柱直径为0.196倍波长，高度为0.131倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
所述的天线振子的直径为0.065倍波长，高度为0.194倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
所述的防短路垫片为圆柱结构，圆柱的直径为0.075倍波长，高度为0.032倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
所述的介质底托为三层台阶柱结构，底层台阶为天线罩的支撑部件，圆台外径为0.228倍波长，内径为0.196倍波长，厚度为0.016倍波长；中间圆台为套筒支撑结构和天线罩定位连接部件，外径为0.196倍波长，内径为0.147倍波长，厚度为0.106倍波长；上层圆台的外径为0.147倍波长，内径为0.059倍波长，厚度为0.082倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
所述的套筒为两层圆台结构，上层圆台构成与同轴射频电缆外导体焊接安装的结构体，直径为0.075倍波长，高度为0.041倍波长，壁厚为0.0082倍波长；下层圆台为天线调谐匹配体，直径为0.163倍波长，高度也为0.163倍波长，壁厚为0.0082倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
所述的天线罩为圆筒结构，圆筒底面直径为0.227倍波长，筒高为1.352倍波长，壁厚为0.016倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
所述的天线罩靠近介质底托一端和同轴射频电缆外侧安装加固热缩护套。
本发明的有益效果是：采用优化设计的辐射振子和复合介质套筒调谐匹配技术，将天线整体结构尺寸缩小的同时，进一步展宽工作频带，实现了天线整体的安装与固定。通过采用以上设计使得天线满足垂直极化、宽频带工作和限制空间安装的要求，天线增益大于0dB，方位向波束宽度为360°，俯仰向波束宽度为60°，驻波2以下频带宽度近80％。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的装配剖面示意图。
图3是本发明的各组成部分爆炸示意图。
图4是本发明的顶视图。
图5是本发明的底视图。
图6是本发明的S 1，1参数曲线图。
图7是本发明的驻波曲线图。
图8是本发明的E面方向图。
图9是本发明的H面方向图。
图中，1-顶盖，2-天线振子，3-防短路垫片4-介质底托5-套筒6-天线罩7-加固热缩护套8-成型射频电缆9-射频连接件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括顶盖、天线振子、防短路垫片、介质底托、套筒、天线罩、加固热缩护套、成型射频电缆和射频连接件；顶盖起到天线顶部与外界的隔离保护作用，并兼作天线的安装、固定支撑装置。顶盖采用具有良好透波特性的非金属材料环氧层压玻璃布加工制作而成，为上下两层组成的异形法兰结构，上层为一近似的椭圆体，椭圆的长轴为波长的0.52倍，短轴为波长的0.26倍，厚度为波长的0.05倍。在上层长轴方向上两边距离几何中心位置处0.196倍波长的地方对称开有两个标准孔径为Φ3的定位通孔。顶盖的下层为一圆柱体结构，圆柱直径为0.196倍波长，高度为0.131倍波长，在圆柱的侧面中心位置处以圆柱的轴心为对称线等间距开有6个标准孔径为Φ3的定位灌胶通孔。天线振子为天线的辐射单元套接安装在成型射频电缆内导体上，整体形状为采用金属铜加工制作的圆柱状结构，圆柱的直径为0.065倍波长，高度为0.194倍波长。圆柱的轴线上开有一个通孔作为与成型射频电缆内导体的套接装置。在圆柱的侧面上距离圆柱顶端上，下表面均为0.041波长的位置处各开有一个直径为Φ1的通孔作为天线振子与成型射频电缆内导体套接锡焊的安装预留孔。防短路垫片起到隔离天线振子与套筒，防止两者短路的作用。整体为采用特氟龙材料加工而成的圆柱体结构，圆柱的直径为0.075倍波长，高度为0.032倍波长，在圆柱的轴线位置处开有一个通孔作为与成型射频电缆内导体的套接孔。介质底托为天线罩的固定支撑结构和复合介质套筒的介质体，整体形式为一个三层柱状圆台复合结构，采用特氟龙材料加工制作。底层台阶为天线罩的支撑部件，圆台外径为0.228倍波长，内径为0.196倍波长，厚度为0.016倍波长。中间部位圆台为套筒结构支撑和天线罩定位连接部件，外径为0.196倍波长，内径为0.147倍波长，厚度为0.106倍波长，在圆台侧面中心位置处以圆台的轴心为对称线等间距开有6个标准孔径为Φ3的定位灌胶通孔。上层圆台构成复合套筒结构的介质套筒部件，圆台外径为0.147倍波长，内径为0.059倍波长，厚度为0.082倍波长。套筒为天线的调谐匹配器件，形式为由金属铜加工而成的两层圆台状结构体。上层圆台构成与成型射频电缆外导体焊接安装的结构体，直径为0.075倍波长，高度为0.041倍波长，壁厚为0.0082倍波长。下层圆台为天线调谐匹配体，直径为0.163倍波长，高度也为0.163倍波长，壁厚为0.0082倍波长。天线罩为天线的保护部件，采用环氧层压玻璃布加工制作的圆筒状结构，圆筒底面直径为0.227倍波长，筒高为1.352倍波长，壁厚为0.016倍波长。天线罩上端为与顶盖连接安装部位，在距顶端0.041波长的位置处以天线罩轴心为对称等间隔开有6个直径为Φ3的定位灌胶孔，在距天线罩底端0.065倍波长处以天线罩轴心为对称等间隔也开有6个直径为Φ3的定位灌胶孔。加热缩护套为市售标准热缩护套，起到加固天线与成型射频电缆连接的作用。成型射频电缆以标准141电缆为基础经过加工制作而成，起到馈电和天线部件连接安装作用。成型射频电缆底端与射频连接件相连，顶端将内导体芯线加工漏出0.31倍波长的长度，用于与天线振子和防短路垫片贯通安装固定连接，在顶端外漏内导体芯线底部加工将外导体漏出0.204倍波长的长度用于与套筒部件安装连接。射频连接件为市售标准SMA射频连接件，起到将50欧的铜轴电缆与天线可靠连接的作用。上文所述的波长为天线的工作波长。
本发明采用电磁计算分析方法，通过不断地优化调整天线振子、套筒和介质底托的长短尺寸与直径尺寸，可以获得满足工作带宽的驻波及方向图要求的天线方案，具体实施方式如下：
图1为本发明一种限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线结构示意图。顶盖1起到天线顶部与外界的隔离保护作用，并兼作天线的安装、固定支撑装置，采用非金属介质材料环氧层压玻璃布加工制作而成，整体形式分为上下两部分组成的异形法兰结构，上层为一个近似的椭圆体，椭圆的长轴为32mm，短轴为16mm，厚度为3mm。在上层长轴方向上两边距离几何中心位置处24mm的地方对称开有两个标准孔径为Φ3的定位通孔。顶盖1的下层为一圆柱体结构，圆柱直径为12mm，高度为8mm，在圆柱的侧面中心位置处以圆柱的轴心为对称线等间距开有6个标准孔径为Φ3的定位灌胶通孔。
图2是本发明一种限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线结构装配剖面示意图。天线振子2套接安装在成型射频电缆8内导体上，采用金属铜加工制作的圆柱状结构，圆柱的直径为4mm，高度为11.9mm。圆柱的轴线上开有一个直径为1mm的通孔作为与成型射频电缆8内导体的套接装置。在圆柱的侧面上距离圆柱顶端上，下表面均为2.5mm的位置处各开有一个直径为Φ1的通孔作为天线振子与成型射频电缆内导体套接锡焊的安装预留孔。防短路垫片3起到隔离天线振子2与套筒5，防止两者短路的作用。防短路垫片3采用介质材料特氟龙加工而成的圆柱体结构，圆柱的直径为4.6mm，高度为2mm，在圆柱的轴线位置处开有一个直径为1mm的通孔作为与成型射频电缆内导体的套接孔。介质底托4为天线罩6的固定支撑结构和复合介质套筒的介质体，整体形式为一个三层柱状圆台复合结构，采用特氟龙材料加工制作。底层台阶为天线罩6的支撑部件，圆台外径为14mm，内径为12mm，厚度为1mm。中间部位圆台为套筒5结构支撑和天线罩6定位连接部件，外径为12mm，内径为9mm，厚度为1.5mm，在圆台侧面中心位置处以圆台的轴心为对称线等间距开有6个标准孔径为Φ3的定位灌胶通孔。上层圆台构成复合套筒结构的介质套筒部件，圆台外径为9mm，内径为3.6mm，厚度为2.7mm。套筒5采用金属铜加工而成的两层圆台状结构体。上层圆台构成与成型射频电缆8外导体焊接安装的结构体，直径为4.6mm，高度为2.5mm，壁厚为0.5mm。下层圆台为天线调谐匹配体，直径为10mm，高度也为10mm，壁厚为0.5mm。天线罩6为采用环氧层压玻璃布加工制作的圆筒结构，圆筒底面直径为14mm，筒高为82.9mm，壁厚为1mm。天线罩6上端为与顶盖1连接安装部位，在距顶端2.5mm的位置处以天线罩6轴心为对称等间隔开有6个直径为Φ3的定位灌胶孔，在距天线罩6底端7.4mm的位置处以天线罩6轴心为对称等间隔也开有6个直径为Φ3的定位灌胶孔为天线罩6与介质底托4的连接定位孔。加固热缩护套7为市售标准热缩护套，起到加固天线与成型射频电缆8连接的作用。成型射频电缆8为标准141电缆加工制作而成，起到馈电和天线部件连接安装作用。成型射频电缆8底端与射频连接件9相连，顶端将内导体芯线加工漏出19mm，用于与天线振子和防短路垫片贯通安装固定连接，在顶端外漏内导体芯线底部加工将外导体漏出12.5mm的长度用于与套筒5部件安装连接。射频连接件9为市售标准SMA-JB3射频连接件，起到将50欧馈电作用。
Claims (8)
1.一种限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，包括顶盖、天线振子、防短路垫片、介质底托、套筒、天线罩、加固热缩护套、同轴射频电缆和射频连接件，其特征在于：所述的天线罩为环氧层压玻璃布材质的中空圆柱，一端由环氧层压玻璃布材质的顶盖封闭，另一端安装特氟龙材质的介质底托；所述的同轴射频电缆一端固连射频连接件，另一端穿过介质底托进入天线罩内部；所述的天线振子为铜质的圆柱，套接在天线罩内部的同轴射频电缆内导体上；所述的套筒为铜质的圆台，连接天线罩内部的同轴射频电缆外导体；所述的套筒和天线振子之间通过特氟龙材质的防短路垫片隔离。
2.根据权利要求1所述的限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，其特征在于：所述的顶盖为法兰结构，上层为椭圆体，椭圆的长轴长为波长的0.52倍，短轴长为波长的0.26倍，厚度为波长的0.05倍，在长轴方向上两边距离几何中心0.196倍波长的地方对称开有两个定位通孔；顶盖的下层为一圆柱体结构，圆柱直径为0.196倍波长，高度为0.131倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
3.根据权利要求1所述的限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，其特征在于：所述的天线振子的直径为0.065倍波长，高度为0.194倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
4.根据权利要求1所述的限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，其特征在于：所述的防短路垫片为圆柱结构，圆柱的直径为0.075倍波长，高度为0.032倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
5.根据权利要求1所述的限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，其特征在于：所述的介质底托为三层台阶柱结构，底层台阶为天线罩的支撑部件，圆台外径为0.228倍波长，内径为0.196倍波长，厚度为0.016倍波长；中间圆台为套筒支撑结构和天线罩定位连接部件，外径为0.196倍波长，内径为0.147倍波长，厚度为0.106倍波长；上层圆台的外径为0.147倍波长，内径为0.059倍波长，厚度为0.082倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
6.根据权利要求1所述的限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，其特征在于：所述的套筒为两层圆台结构，上层圆台构成与同轴射频电缆外导体焊接安装的结构体，直径为0.075倍波长，高度为0.041倍波长，壁厚为0.0082倍波长；下层圆台为天线调谐匹配体，直径为0.163倍波长，高度也为0.163倍波长，壁厚为0.0082倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
7.根据权利要求1所述的限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，其特征在于：所述的天线罩为圆筒结构，圆筒底面直径为0.227倍波长，筒高为1.352倍波长，壁厚为0.016倍波长；所述的波长为天线的工作波长。
8.根据权利要求1所述的限制空间安装的C波段宽带垂直极化套筒天线，其特征在于：所述的天线罩靠近介质底托一端和同轴射频电缆外侧安装加固热缩护套。
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