CN211578961U

CN211578961U - 宽带平板反射天线

Info

Publication number: CN211578961U
Application number: CN202020271522.6U
Authority: CN
Inventors: 章锐; 曾三友; 赵菲
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2020-03-08
Filing date: 2020-03-08
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2030-03-08

Abstract

本实用新型公开了一种宽带平板反射天线及基于差分演化算法的优化设计方法，该宽带平板反射天线包括由导电材料分别制成的底部的矩形反射面板、中间的蝶形辐射面板以及顶部的矩形引向面板，其中矩形底板的长为667.5mm±3％，宽为393mm±3％，底部反射板与蝶形辐射面板的间距为279.7mm±3％，所述矩形部的宽度为175.3mm±3％，蝶形辐射面板矩形部的长度为183.6mm±3％，蝶形辐射面板与矩形引向面板间距为62.3mm±3％，矩形引向板长度为237.8mm±3％，矩形引向板宽度为202.2mm±3％。

Description

宽带平板反射天线

技术领域

本实用新型涉及天线设计领域，更具体地说，涉及一种宽带平板反射天线。

背景技术

目前，天线设计主要依赖于人工进行，天线设计工程师在设计一款新天线时，往往是根据设计需求，利用电磁理论知识结合自身的经验知识，设计出可能符合要求的天线结构类型，然后对其中的部分参数进行优化，而优化的过程往往是在一个局部范围内进行试错优化。这种设计方式有以下缺陷：1、要求天线设计者既具备扎实的电磁理论知识，还需要有丰富的天线设计经验，对天线设计从业人员的要求比较高；2、这种天线设计方式效率低，需要耗费较大的物力财力。

宽带平板反射天线具有体积小、重量轻、辐射性能优良、无复杂的馈电网络等优点,作为口径天线,适合应用于卫星通信系统，在基于电磁波信号的目标检测和识别中也有广泛应用。目前现有技术中采用的宽带平板反射天线一些性能较差，驻波比值很大，因此有必要提供一种设计优化方法对宽带平板反射天线的参数进行设计，并同时提供一种驻波比较低的宽带平板反射天线。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术中有必要提供一种设计优方法对宽带平板反射天线的参数进行设计，并同时提供一种驻波比较低的宽带平板反射天线的技术目的，本实用新型提供了用于解决上述问题的宽带平板反射天线及其设计优化方法。

本实用新型为解决其技术问题，所体用的宽带平板反射天线，包括由导电材料分别制成的底部的矩形反射面板、中间的蝶形辐射面板以及顶部的矩形引向面板；

底部的矩形反射面板包括矩形底板以及沿着矩形底板四周向上延伸固定的矩形侧板，矩形底板宽度上相对的两矩形侧板的形状和大小相同，矩形底板长度上相对的两矩形侧板的形状和大小相同，且矩形底板宽度上设置的矩形侧板的高度高于矩形底板长度上设置的矩形侧板的高度；矩形底板的中间部分垂直向上固定设置有两根固定管，两根固定管位于矩形底板的二分之一的宽度且关于矩形底板的二分之一的长度进行对称；

中间的蝶形辐射面板包括两个平行于矩形底板设置的子面板，子面板一端为矩形部另一端为梯形部，梯形部的下底与矩形部的宽连接，下底长等于矩形部的宽度且大于上底长；两个子面板的矩形部的固定设置固定管的上端，且两个子面板的上底间隔一定距离进行相对设置；两根固定管内一根具有贯穿的巴伦，另一根贯穿的馈电体，巴伦和馈电体的下端电性各自连接矩形底板与所在固定管的连接处，巴伦和馈电体的上端电性连接对应子面板与所在固定管的连接处，且巴伦与馈电体的上端通过导电体连接；

矩形引向面板位于两个子面板中间部分的正上方，通过固定部件进行固定，平行于矩形底板进行设置，矩形引向面板的长度长度所在方向与矩形底板的长度所在方向平行；

其中，矩形底板的长为667.5mm±3％，宽为393mm±3％，底部反射板与蝶形辐射面板的间距为279.7mm±3％，所述矩形部的宽度为175.3mm±3％，蝶形辐射面板矩形部的长度为183.6mm±3％，蝶形辐射面板与矩形引向面板间距为62.3mm±3％，矩形引向板长度为237.8mm±3％，矩形引向板宽度为202.2mm±3％。

进一步地，在本实用新型的宽带平板反射天线中，矩形底板宽度上设置的矩形侧板的高度为120mm±3％,矩形底板长度上设置的矩形侧板的高度为80mm±3％。

进一步地，在本实用新型的宽带平板反射天线中，所述导电体为长为30mm±3％，宽为3mm±3％的金属片，金属片平行于矩形底板进行设置。

进一步地，在本实用新型的宽带平板反射天线中，两根固定管中巴伦和馈电体之间的间距为30mm±3％；巴伦所在的固定管的底面半径为5mm±3％，馈电体所在的固定管中心为1.5mm±3％圆柱体，外部为环状柱体，内径5mm±3％，外径6.5mm±3％。

进一步地，在本实用新型的宽带平板反射天线中，梯形的上底的长度25mm±3％。

实施本实用新型的宽带平板反射天线及基于差分演化算法的优化设计方法，具有下述技术效果：利用本实用新型的优化设计方法进行天线设计，无需扎实的电磁理论知识以及丰富的天线设计经验，对天线设计从业人员的要求比较低；这种天线设计方式效率高，耗费的物力财力较小；设计出来的宽带平板反射天线驻波比较小。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的宽带平板反射天线的结构示意图；

图2是现有技术中宽带平板反射天线的驻波比仿真结果图；

图3是本实用新型的宽带平板反射天线的基于差分演化算法的优化设计方法的流程图；

图4是本实用新型的宽带平板反射天线的驻波比仿真结果图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

参考图1，图1是本实用新型的宽带平板反射天线的结构示意图。所体用的宽带平板反射天线，包括由导电材料分别制成的底部的矩形反射面板、中间的蝶形辐射面板以及顶部的矩形引向面板；

中间的蝶形辐射面板包括两个平行于矩形底板设置的子面板，子面板一端为矩形部另一端为梯形部，梯形部的下底与矩形部的宽连接，下底长等于矩形部的宽度且大于上底长，两个子面板的矩形部的固定设置固定管的上端，且两个子面板的上底间隔一定距离进行相对设置；两根固定管内一根具有贯穿的巴伦(图中未示出)，另一根贯穿的馈电体(图中未示出)，巴伦和馈电体的下端电性各自连接矩形底板与所在固定管的连接处，巴伦和馈电体的上端电性连接对应子面板与所在固定管的连接处，且巴伦与馈电体的上端通过导电体连接；

矩形引向面板位于两个子面板中间部分的正上方，通过固定部件(未示出)进行固定，平行于矩形底板进行设置，矩形引向面板的长度所在方向与矩形底板的长度所在方向平行。

对照图1，图1中的序号与所代表的含义如下，表中同时示出设计优化方法中所用到的下述变量以及对应的寻优范围。

现有技术(优化之前)中找到该宽带平板反射天线的一组参数，具体大小为：矩形底板的长x₁为700mm±3％，宽x₂为350mm，底部反射板与蝶形辐射面板的间距x₃为235mm，所述矩形部的宽度x₄为150mm，蝶形辐射面板矩形部的长度x₅为180mm，蝶形辐射面板与矩形引向面板间距x₆为50mm，矩形引向板长度x₇为180mm，矩形引向板宽度x₈为220mm。测量时，矩形底板宽度上设置的矩形侧板的高度为120mm,矩形底板长度上设置的矩形侧板的高度为80mm，导电体为长为30mm，宽为3mm的金属片，金属片平行于矩形底板进行设置；两根固定管中巴伦和馈电体之间的间距为30mm；巴伦所在的固定管的底面半径为5mm，馈电体所在的固定管中心为1.5mm圆柱体，外部为环状柱体，内径5mm，外径6.5mm，梯形的上底的长度25mm。

基于上述结构以及数据，利用电磁仿真软件Ansoft进行仿真，得到宽带平板反射天线的驻波比仿真结果如图2所示，可见在整个工作频段[200MHz,500MHz]内，驻波比较高。为了解决现有技术驻波比较高的技术问题，本实用新型为解决其技术问题，本实用新型所提供的宽带平板反射天线的基于差分演化算法的优化设计方法如图3所示。优化时，矩形底板宽度上设置的矩形侧板的高度为120mm,矩形底板长度上设置的矩形侧板的高度为80mm，导电体为长为30mm，宽为3mm的金属片，金属片平行于矩形底板进行设置；两根固定管中巴伦和馈电体之间的间距为30mm；巴伦所在的固定管的底面半径为5mm，馈电体所在的固定管中心为1.5mm圆柱体，外部为环状柱体，内径5mm，外径6.5mm，梯形的上底的长度25mm。

该优化设计方法具体包含如下步骤：

S0、利用电磁仿真软件Ansoft设计出所述宽带平板反射天线的原始结构模型；其中仿真设计时，所述导电材料均采用理想材料。

S1、数据初始化，初始化的数据包括：种群规模N＝30、最大演化代数Gmax＝30以及交叉概率CR＝0.9以及x₁至x₈的寻优范围，x₁至x₈的寻优范围分别为：x₁:[500,750]mm，x₂:[300,400]mm，x₃:[200,300]mm，x₄:[100,200]mm，x₅:[130,230]mm，x₆:[20,80]mm，x₇:[140,240]mm，x₈:[180,280]mm。

S2、种群初始化，在对应的寻优范围内随机初始化N个个体，其中种群中的第i个个体为

i＝1、2、3、......、N,

表示第i个个体中第G代的x_j，j＝1、2、3、......、8,G＝0代表初代种群。

S3、变异操作，变异操作如下述公式所示：

其中，

是从当前代种群中随机选出的不同于个体i的个体，且r1≠r2≠r3,F是(0,1)之间随机产生的超参数，

表示第i个个体变异后的结果；

S4、交叉操作，交叉操作下述公式所示：

其中K是从[1,8]间随机选择的一个整数，

是父代个体，

表示第i个个体进行交叉操作后第j个基因，

表示

中的第j个基因，rand_ij表示[0,1]之间的随机数；

S5、选择操作，选择操作下述公式所示：

式中，第i个交叉后的个体

f(y)表示适应度值，大小由电磁仿真软件Ansoft通过所述原始结构模型在情形y下计算得出的多个频点的驻波比值的均方根；

S6、利用S2至S5进行迭代处理，直至达到最大演化代数Gmax，然后将全局最优解作为所述宽带平板反射天线的最终参数。

按照上述方法进行优化设计，得出的最终的全局最优解为：其中，矩形底板的长x₁为667.5mm，宽x₂为393mm，底部反射板与蝶形辐射面板的间距x₃为279.7mm，所述矩形部的宽度x₄为175.3mm，蝶形辐射面板矩形部的长度x₅为183.6mm，蝶形辐射面板与矩形引向面板间距x₆为62.3mm，矩形引向板长度x₇为237.8mm，矩形引向板宽度x₈为202.2mm。仿真实验表明，将x₁至x₈以及其他数据在上下浮动±3％的情况，宽带平板反射天线的驻波比依旧十分优秀。

在全局最优解情况，宽带平板反射天线的驻波比仿真结果如图4所示，由仿真结果可知，优化后的天线驻波比要优于优化前的天线，且在整个[200MHz,500MHz]频段范围内均满足驻波比小于3，尤其在低频和高频区域，优化效果明显。

上述的多个频点下，优化前和优化后驻波比对照如下

频点(MHz)	优化前值	优化后值
			200	11.17	2.64
250	1.75	1.89
			300	2.11	1.99
350	1.63	1.45
			400	1.31	1.21
450	2.11	1.5
			500	3.57	1.22

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种宽带平板反射天线，其特征在于，包括由导电材料分别制成的底部的矩形反射面板、中间的蝶形辐射面板以及顶部的矩形引向面板；

2.根据权利要求1所述的宽带平板反射天线，其特征在于，矩形底板宽度上设置的矩形侧板的高度为120mm±3％,矩形底板长度上设置的矩形侧板的高度为80mm±3％。

3.根据权利要求1所述的宽带平板反射天线，其特征在于，所述导电体为长为30mm±3％，宽为3mm±3％的金属片，金属片平行于矩形底板进行设置。

4.根据权利要求1所述的宽带平板反射天线，其特征在于，两根固定管中巴伦和馈电体之间的间距为30mm±3％；巴伦所在的固定管的底面半径为5mm±3％，馈电体所在的固定管中心为1.5mm±3％圆柱体，外部为环状柱体，内径5mm±3％，外径6.5mm±3％。

5.根据权利要求1所述的宽带平板反射天线，其特征在于，梯形的上底的长度25mm±3％。