对数周期偶极子天线及天线阵列的制作方法

1.本发明涉及通信传输领域，具体涉及一种对数周期偶极子天线及天线阵列。


背景技术：

2.在飞行器内部安装的天线受到有限空间的限制。现有的主流方案是采用偶极子组阵的方式实现。偶极子单元组阵最主要的优势在于结构简单，组阵方便。缺点是单元的理论增益2.15dbi。为实现高增益，用偶极子单元组阵需更多的单元数，导致天线阵尺寸大，阵列匹配网络复杂，天线重量上升。采用偶极子单元组阵形成的天线，难以兼顾小型化和高增益的矛盾。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种对数周期偶极子天线、天线阵列及系统，可以解决在有限安装空间内，实现高增益及h面方向上90
°
扫描覆盖的波束宽度。
4.本发明一方面提供了一种对数周期偶极子天线，包括辐射体，所述辐射体包括：
5.集合线，包括第一金属条和第二金属条；以及
6.多个偶极子，彼此平行，所述偶极子长度沿集合线方向逐渐增加，
7.其中，每一个偶极子均包括设置在所述集合线两侧的第一臂和第二臂，所述第一臂连接所述集合线上的所述第一金属条，所述第二臂连接所述集合线上的所述第二金属条，所述第一臂和所述第二臂的延伸方向平行且相反。
8.优选地，所述天线还包括短路片，在所述集合线的顶端，所述第一金属条和所述第二金属条通过所述短路片连接。
9.优选地，所述多个偶极子的长度以及相邻偶极子的间距均为等比例缩放。
10.优选地，所述多个偶极子采用阶梯阻抗线。
11.优选地，所述第一金属条和所述第二金属条为等宽金属条带或直径相同的金属棒。
12.优选地，所述天线还包括：调节装置，连接所述第一金属条的下部和所述第二金属条的下部。
13.另一方面本发明提供了一种对数周期偶极子天线阵列，包括：
14.至少两个阵列单元，并排平行设置在介质板上；
15.加载部分，对应于所述阵列单元且呈一字型设置于所述介质板上；
16.馈电部分，对应于所述阵列单元设置在所述介质板下边缘中部，每个所述加载部分分别各通过一个分支集合线进行连接，
17.其中，所述阵列单元为上述对数周期偶极子天线，以及
18.所述天线阵列在沿所述集合线方向和沿垂直于所述集合线方向上进行阵列排布。
19.优选地，所述天线阵列中的相邻阵列单元的间距根据天线参数进行设置，所述天线参数包括天线高度和工作频段。
20.优选地，在所述天线阵列的列排布中，相邻阵列单元排列包括沿所述集合线方向间隔0.51*λ设置，其中，所述λ为天线工作频段的中心频率所对应的波长。
21.优选地，在所述天线阵列的行排布中，相邻阵列单元排列包括沿垂直于所述集合线方向间隔0.65*λ设置，其中，所述λ为天线工作频段的中心频率所对应的波长。
22.本发明的有益效果是：
23.1、通过优化减少对数周期阵元个数，减小天线阵面高度；
24.2、通过优化单元对数周期排布横向和纵向单元间距，实现小型化；
25.3、满足扫描角90
°
不出栅瓣情况下，尽量减小单元间距，实现最小布局下天线电性能不受影响，实现高增益通信。
附图说明
26.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
27.图1示出本申请实施例中对数周期偶极子天线立体结构示意图；
28.图2示出图1所示对数周期偶极子天线的第一集合线的偶极子分布图；
29.图3示出图1所示对数周期偶极子天线的第二集合线的偶极子分布图；
30.图4示出图1所示对数周期偶极子天线的主视结构示意图；
31.图5示出图1所示对数周期偶极子天线的侧视结构示意图；
32.图6示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列的立体结构示意图；
33.图7示出图6所示对数周期偶极子天线阵列的俯视结构示意图；
34.图8示出图6所示对数周期偶极子天线阵列的主视视结构示意图；
35.图9示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列的反射系数随频率变化曲线图；
36.图10示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列h面方向增益曲线图；
37.图11示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列e面方向增益曲线图；
38.图12示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列h面方向仿真增益曲线图；
39.图13示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列e面方向仿真增益曲线图；
40.图14示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列h面扫描90
°
的仿真增益曲线图。
具体实施方式
41.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
43.下面，参照附图对本发明进行详细说明。
44.图1示出本申请实施例中对数周期偶极子天线立体结构示意图，图2和图3分别示出图1所示对数周期偶极子天线的第一集合线和第二集合线在同一投影方向上的偶极子分布图，而图4和图5则分别示出图1所示对数周期偶极子天线的主视结构示意图和侧视结构示意图(部分结构未示出)。
45.参考图1至图5，本发明提供了一种对数周期偶极子天线，包括辐射体，辐射体包括：集合线110，以及多个偶极子120，集合线110包括第一金属条1101和第二金属条1102，多个偶极子120彼此平行，其长度沿集合线方向逐渐增加，在同一辐射体上的偶极子和集合线位于同一平面上。进一步的在本申请中，如图1所示偶极子120中的每个偶极子均包括设置在集合线110两侧的第一臂和第二臂，其大小相同，且分开设置于不同辐射体的集合线110上，进一步的，每个偶极子的第一臂位于第一辐射体中的第一金属条1101上，每个偶极子的第二臂位于第二辐射体中的第二金属条1102上，同时该第一臂与第二臂的延伸方向平行且相反，如图2和图3所示。
46.第一辐射体包括靠前的第一金属条1101，第二辐射体包括靠后的第二金属条1102，多个偶极子120中的每个偶极子的第一臂和第二臂分开设置于所述一对辐射体的集合线上。进一步的，位于不同辐射体中集合线110上的同一偶极子的第一臂与第二臂水平平行，如图4所示。进一步的，集合线110可以是等宽的金属条带或直径相同的金属棒。进一步的，天线还包括短路片130，在集合线110的顶端，第一金属条1101和第二金属条1102通过短路片130连接。
47.具体的，对数周期偶极子天线中的每个偶极子，都对应一个谐振频率，并在该频率上辐射(或接收)最强，它类似于引向天线的有源振子。与其相邻的前面一对较短的偶极子可视为引向器；与其相邻的后一对较长的偶极子则可视为反射器，三对振子组成了称之为天线的所谓“作用区”或称“有源区”。天线的辐射场主要由“作用区”的振子决定。对数周期偶极子天线结构特点是相邻偶极子的长度和间距之比等于结构周期τ(或叫周期率、比例因子)，式中，n为偶极子序列号，d为单元间距，l为偶极子长度，τ的取值范围视增益及尺寸限制制定，通常在0.80～0.95之间。间隔因子σ为间距d与天线偶极子长度l的比值,表示为参考图4，天线为5元对数周期形式，包括顺次平行设置在集合线上的五个偶极子，其中，lmax＝162mm，lmin＝83mm，其中lmax为低频谐振长度，lmin为高频谐振长度。为了降低天线尺寸，比例因子取τ＝0.84，间隔因子取σ＝0.1，此时天线高度为h＝100mm，可满足要求。
48.进一步的，多个偶极子120采用阶梯阻抗线，多个偶极子120的长度以及相邻偶极子的间距为等比例缩放，优选地，所述相邻偶极子间距为等间距。
49.进一步的，本实施例中对数周期偶极子天线还包括调节装置140，如图1所示，连接于所述两根金属条下部，用于活动调节第一金属条1101和第二金属条1102的间距，具体的，例如所述调节装置为丝杆或伸缩杆，以丝杆为例，丝杆的副杆固定在一金属条上，其主杆连接于另一金属条，通过转动控制主杆沿丝杆轴的线性移动实现调节两根金属条的间距。
50.图6示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列的立体结构示意图(部分结构未示出)，本发明提供了一种对数周期偶极子天线阵列，包括：至少两个阵列单元100，并排
平行设置在介质板上；加载部分，对应于阵列单元100呈一字型设置于介质板；馈电部分，对应于阵列单元100设置在介质板下边缘中部，每个加载部分分别各通过一个分支集合线与其连接，优选地，阵列单元100为前述图1至图5所示的对数周期偶极子天线，该天线阵列在沿集合线110方向和沿垂直于集合线110方向上进行阵列排布。
51.进一步的，天线阵列中的相邻阵列单元100的间距根据天线参数进行设置。优选地，天线参数包括天线高度和工作频段，本发明通过优化单元对数周期排布横向和纵向的单元间距，同时满足满足扫描角90
°
不出栅瓣情况下，尽量减小单元间距，实现最小布局下天线电性能不受影响，实现高增益通信。其中，上述介质板具有低介电系数和低电磁波损耗。
52.图7和图8分别示出图6所示对数周期偶极子天线阵列的俯视结构示意图和主视视结构示意图。在本实施例中，天线单元确定后，希望组阵后天线的h面方向进行扫描90
°
，依据天线布阵原理及不出栅瓣的理论，天线阵列沿垂直于集合线的第一方向布置成4列阵列单元，相邻阵列单元的间距dx＝0.51λ，因得到的天线阵列e面无扫描要求，综合等幅同向阵的原理及天线物理尺寸的要求，天线沿垂直于集合线的第二方向布阵2行阵列单元，在天线阵列的行排布中，相邻阵列单元的间距dy＝0.65λ，如图7所示，其中，λ为天线工作频段的中心频率所对应的波长。按照如此布局，天线阵列整体尺寸为450mm*350mm*100mm，如图8所示。其中，集合线的延伸方向为z轴，第一方向为沿y轴方向，第二方向为沿x轴方向，需要说明的是，此处描述的方向选择是以图6所示结构的空间直角坐标系表述的，在此仅为示例性方向，不应考虑为对本申请实施例中对数偶极子天线阵列的结构限制。
53.本申请中根据具体频率范围及安装尺寸的要求，整体布局分解下的对数周期单元不能按实际理论下最高增益设计，因为天线的高度h有限制。只有通过调节比例因子τ及间隔因子σ，在满足阵列增益的情况下，适当牺牲增益，以换取天线高度h的降低，满足安装尺寸的要求。
54.本发明设计的天线可用于地面、飞行器、抱杆等各种安装平台的通信。优选地应用为嵌入飞行器内，在不破坏载体的气动力学基础上，尽可能的提供高增益、大扫描角的定向辐射电磁信号，保障高质量的通信效果。
55.图9所示为天线阵列单元的反射系数随频率变化曲线图，图中整个所需频段范围内电压驻波比小于3，反射系数s11均小于-10db，满足工程要求。图10、图11分别为本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列h面、e面方向图随俯仰角角度变化的增益曲线图，从图中可以看出，天线在低中高频点(f1、f0、f2)天线增益均大于7dbi，满足组成要求，具体的，图7中，天线在水平面(theta＝90
°
)上各频点增益均能做到大于-7dbi，其中低频段增益大于-5dbi，比高频段优于2dbi；在仰角30
°
(theta＝60
°
)下各频点最小增益大于-2dbi，低频段做到0dbi；在仰角60
°
(theta＝30
°
)下各频点最小增益大于-2.5dbi，其中低频段增益大于0.5dbi，比高频段优3dbi，其中，f1代表最低频点，f0代表频段中心频点，f2代表频段最高频点。
56.图12和图13分别示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列h面方向仿真增益曲线图和e面方向仿真增益曲线图。对天线阵列进行hfss仿真，天线h面和e面方向仿真增益曲线如图12和图13所示。天线h面和e面最小增益均大于15dbi，满足实际工程增益要求。图14示出本申请实施例中对数周期偶极子天线阵列h面扫描90
°
的仿真增益曲线图，参考图
14，天线成阵列后，h面需要相位扫描90
°
，以+z轴为零点，天线最大辐射方向左右分别扫描45
°
，根据相控阵理论，及天线对阵原理，在本申请中优选地选择单向扫描极限-45
°
为例。天线扫描-45
°
时，最大增益比零点处略低1～1.5db，天线增益接近15dbi，高中低频点均大于14dbi，其中f2点处栅瓣略高，但可满足工程使用要求。
57.综上所述，该天线阵列满足高增益的要求，且满足相位扫描90
°
范围不出栅瓣,满足工程应用的要求。
58.另外，振子的尺寸要和接收或发射的频率波长尺寸对应才能达到最大效果。但短波天线尺寸都很庞大，一般材料的振子直径相对长度来说都很小，对q值的影响不会明显。实际上，振子的导线直径2a远小于使用的工作波长的长度λ，即因此，对称振子的电流按正弦呈驻波分布。这对实际工程产生的误差是可以忽略的。
59.应当说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件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发明的限制。
60.此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
61.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。