CN209822857U - 一种新型紧馈型宽带双极化蝶形振子 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，包括：两对蝶形振子、两根介质填充的刚性同轴线、两根接地圆柱、微带馈电板以及底板；刚性同轴线和接地圆柱的底部均固定设置在底板上；两对蝶形振子呈十字形交叉状固定安装在刚性同轴线和接地圆柱的顶部，微带馈电板设置在蝶形振子的上方；微带馈电板由两层PCB板压制而成，每层PCB板上印刷一条馈电金属带；刚性同轴线的外壁接地，其内的同轴内探针的一端与一条馈电金属带的一端连接，该条馈电金属带的另一端与该刚性同轴线相对的接地圆柱上的金属振子臂电连接，内探针的另一端连接到底板下面的SMA接头。本申请的带宽达到2:1，在4.0‑8.0GHz范围内，反射系数低于‑15dB，正交极化蝶形振子的耦合度低于‑25dB。

Description

一种新型紧馈型宽带双极化蝶形振子

技术领域

本实用新型涉及宽带双极化蝶形振子领域，尤其是涉及一种新型紧馈型宽带双极化蝶形振子。

背景技术

相控阵馈源的方向图取决于所用的单个阵元的类型、指向、在空间的位置以及激励电流的幅度和相位，因此阵列设计中天线单元的选择和设计起着至关重要的作用，其特性极大地限制了整个阵列的可实现性能。

传统的基于印刷辐射结构的天线单元只能实现中等带宽(25％)。为了满足宽带系统的要求，各种宽带天线单元依次被提出，其中较为常用的是缝隙口径(Vivaldi)天线阵列，尽管Vivaldi天线具有优良的宽带性能，但方向图交叉极化较高且对称性较差。此外，由于Vivaldi相邻天线单元之间需要连续的电连接，双极化Vivaldi天线阵列不适合模块化的建设且难以组装，这无疑增加了阵列的维护成本。旋转体对称(BOR)Vivaldi天线解决了传统Vivaldi天线模块化的问题，但需要依靠特殊加工工艺，很难应用在较高频率上。强耦合偶极子阵列(TCDAs)具有剖面低、频带宽、低交叉极化的特点，但是TCDA中有损介质材料的引入会产生较大的噪声，这在高灵敏度系统如射电望远镜和深空站天线系统应用中是非常不利的。

当前，通用设备的研制和发展可以极大降低研发成本提高产业效率并促进跨学科跨领域的技术融合发展。本申请设计了一种结构紧凑具有宽角扫描特性的宽频带双极化天线单元，其适用于常温通信天线系统和射电天文高灵敏度系统的制冷集成应用。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，包括：两对十字形交叉的蝶形振子、两根介质填充的刚性同轴线、两根接地圆柱、微带馈电板以及底板；其中，

两根所述刚性同轴线和两根所述接地圆柱的底部均固定设置在所述底板上，并且在底板上形成两行两列的方形结构，两根刚性同轴线相邻设置；两对所述蝶形振子呈十字形交叉状固定安装在两根刚性同轴线和两根接地圆柱的顶部，所述微带馈电板设置在两对十字形交叉的蝶形振子的上方；所述微带馈电板由两层PCB板压制而成，每层PCB板上印刷一条馈电金属带，两条所述馈电金属带正交；所述刚性同轴线的外壁接地，其内的同轴内探针的一端与一条所述馈电金属带的一端连接，该条馈电金属带的另一端与该刚性同轴线相对的接地圆柱上的金属振子臂电连接，内探针的另一端连接到所述底板下面的SMA接头。

作为一种进一步的技术方案，所述微带馈电板由两层介电常数为2.2，厚度为0.127mm的罗杰斯5880PCB板压制而成。

作为一种进一步的技术方案，所述馈电金属带由铜制成。

作为一种进一步的技术方案，所述刚性同轴线为50欧姆的同轴线。

作为一种进一步的技术方案，所述同轴内探针的直径为0.51mm。

作为一种进一步的技术方案，所述底板为方形底板。

作为一种进一步的技术方案，所述蝶形振子与所述底板的距离为λ/4；其中λ为频段低端对应的波长。

采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

本申请的带宽达到2:1，在4.0-8.0GHz范围内，反射系数低于-15dB，正交极化蝶形振子的耦合度低于-25dB。

本申请的接地圆柱与同轴馈电结构共同构成折叠型巴伦，实现了平衡馈电到不平衡馈电的转换；同时接地圆柱的引入改善了结构的对称性，可以抑制由同轴外壁产生的辐射。此外，同轴馈电结构和接地圆柱均可以起到支撑蝶形金属臂的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子的立体图；

图2为本实用新型实施例提供的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子的俯视图；

图3为使用有限元仿真软件HFSS仿真的关键性参数对本实用新型反射因子的影响曲线图；

图4为本实用新型实施例提供的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子的S参数仿真结果曲线图；

图5为本实用新型实施例提供的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子的在低频4GHz，中心频率6GHz和高频8GHz上的E-、D(对角线)和H平面上的辐射远场方向图的仿真结果曲线图；

图标：1-蝶形振子；2-刚性同轴线；3-接地圆柱；4-微带馈电板；5-底板；6-馈电金属带；7-金属振子臂。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

结合图1-2所示，本实施例提供一种新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，包括：两对十字形交叉的蝶形振子1、两根介质填充的刚性同轴线2、两根接地圆柱3、微带馈电板4以及底板5；其中，

两根所述刚性同轴线2和两根所述接地圆柱3的底部均固定设置在所述底板5上，并且在底板5上形成两行两列的方形结构，两根刚性同轴线2相邻设置；两对所述蝶形振子1呈十字形交叉状固定安装在两根刚性同轴线2和两根接地圆柱3的顶部，所述微带馈电板4设置在两对十字形交叉的蝶形振子1的上方；所述微带馈电板4由两层PCB板压制而成，每层PCB板上印刷一条馈电金属带6(两个正交极化的馈电金属带宽度分别为B1和B2)，两条所述馈电金属带6正交；所述刚性同轴线2的外壁接地，其内的同轴内探针的一端与一条所述馈电金属带6的一端连接，该条馈电金属带6的另一端与该刚性同轴线相对的接地圆柱上的金属振子臂7电连接，内探针的另一端连接到所述底板下面的SMA接头。

本申请中，与两个极化同轴馈电结构正对的是两个接地圆柱，接地圆柱与同轴馈电结构共同构成折叠型巴伦，实现了平衡馈电到不平衡馈电的转换；同时接地圆柱的引入改善了结构的对称性，可以抑制由同轴外壁产生的辐射。此外，同轴馈电结构和接地圆柱均可以起到支撑蝶形金属臂的作用。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述微带馈电板4由两层介电常数为2.2，厚度为0.127mm的罗杰斯5880PCB板压制而成。其中，两条馈电金属带分别位于两层PCB板的上表面和分界面；之所以选择介电常数为2.2，厚度为0.127mm的罗杰斯5880PCB板是因为该PCB板具有较低的介质损耗，既能够起到将两条馈电金属带进行绝缘隔离的作用，且其厚度比较小，不会对蝶形振子的精度造成太大影响。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述馈电金属带6由铜制成。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述刚性同轴线2为50欧姆的同轴线。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述同轴内探针的直径为0.51mm。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述底板5为方形底板。采用方形的底板作为蝶形振子的反射器，可以抑制方向图的后瓣，产生定向辐射。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述蝶形振子1与所述底板5的距离为λ/4；其中λ为频段低端对应的波长。

结合图3所示，金属振子臂7的三角形部分的长度L1和矩形部分的长度L2主要影响中心频率和带内的反射水平，S可以调节天线带宽和带内反射水平，金属振子臂7的宽度W和馈电铜带宽度B1和B2可以对带内的反射水平进行微调。

结合图4所示，本申请的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子的带宽达到2:1，在4.0-8.0GHz范围内，反射系数低于-15dB，正交极化蝶形振子的耦合度低于-25dB。

结合图5所示，a)-(c)分别给出了蝶形振子在低频4GHz，中心频率6GHz和高频8GHz上的E-、D(对角线)和H平面上的辐射远场方向图的仿真结果。如图所示，方向图在低频和中心频率较好，但是高频8GHz的辐射方向图在θ＝0°时增益下降约2.2分贝，这种增益下降的原因可以解释如下：为了使天线获得较好的反射系数，最终设计参数将振子臂在地面以上的高度取为17mm。然而根据镜像理论，为了满足地板上切向电场为0的边界条件，镜像电流与振子臂上的电流幅度相等，相位相差180°。在低频4GHz时，镜像电流与振子臂电流的距离为0.45个波长，该距离引起的相位差抵消了电流之间的180°的相位差，因此两者产生的电场远场方向图在θ＝0°时叠加。在高频8GHz时，镜像电流与振子臂电流的距离为0.91个波长，加之镜像电流与振子电流之间的180°的相位差，两者产生的电场在θ＝0°抵消了10log(1+exp(j(180+327))＝-2.46dB，故远场方向图在θ＝0°时出现增益下降(如图5(c)所示)。

紧馈型蝶形振子单元参数特性

上表列出了天线单元的特性参数，可以看到天线单元在H面的半功率波束宽度大于E面方向图的波束宽度，中心频率下的H面和E面的半功率波束宽度分别为128.2°和98.6°。对于普通的天线单元，方向图波束宽度在高频会明显变窄，限制了阵列波束扫描的角度。然而，可以看到该设计的天线单元在高频8GHZ时有较宽的半功率波束宽度，对应的E面半功率波束宽度为105.1°，H面的半功率波束宽度可以达到159.9°。因此该天线将是具有宽角扫描特性的宽频带双极化阵列单元的较好选择。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，包括：两对十字形交叉的蝶形振子、两根介质填充的刚性同轴线、两根接地圆柱、微带馈电板以及底板；其中，

两根所述刚性同轴线和两根所述接地圆柱的底部均固定设置在所述底板上，并且在底板上形成两行两列的方形结构，两根刚性同轴线相邻设置；两对所述蝶形振子呈十字形交叉状固定安装在两根刚性同轴线和两根接地圆柱的顶部，所述微带馈电板设置在两对十字形交叉的蝶形振子的上方；所述微带馈电板由两层PCB板压制而成，每层PCB板上印刷一条馈电金属带，两条所述馈电金属带正交；所述刚性同轴线的外壁接地，其内的同轴内探针的一端与一条所述馈电金属带的一端连接，该条馈电金属带的另一端与该刚性同轴线相对的接地圆柱上的金属振子臂电连接，内探针的另一端连接到所述底板下面的SMA接头。

2.根据权利要求1所述的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述微带馈电板由两层介电常数为2.2，厚度为0.127mm的罗杰斯5880 PCB板压制而成。

3.根据权利要求1所述的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述馈电金属带由铜制成。

4.根据权利要求1所述的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述刚性同轴线为50欧姆的同轴线。

5.根据权利要求1所述的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述同轴内探针的直径为0.51mm。

6.根据权利要求1所述的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述底板为方形底板。

7.根据权利要求1所述的新型紧馈型宽带双极化蝶形振子，其特征在于，所述蝶形振子与所述底板的距离为λ/4；其中λ为频段低端对应的波长。