一种低剖面宽带锥状波束天线

本发明涉及一种锥状波束天线，尤其是涉及一种低剖面宽带锥状波束天线。

背景技术：

1、与传统的笔状波束天线不同，锥状波束天线(conical beam antennas)在孔径的法线方向上辐射较弱，最大辐射方向在与法线成一定倾角的锥面上，并且其辐射方向图和极化均具有周向对称性，基于其辐射方向图的特殊性，锥状波束天线已经被广泛应用于地面卫星通信终端、室内wlan微基站及无线电引信等系统中。地面卫星通信终端的载体包括人、车等多种移动载体，载体的运动是杂乱无章的，在这种情况下要保证地面卫星通信终端与卫星始终处于良好的连接状态，地面卫星通信终端上的天线的辐射方向图应具有周向全向性。南北半球的地面卫星通信终端始终处于地球同步卫星的斜下方，即使是与低轨卫星等非同步卫星通信，由于低轨卫星的运行速度很快，终端处于卫星正下方的时间也很短。综合以上两个因素，为了使地面卫星通信终端上的天线波束的主瓣能够尽可能对准卫星以保持通信的稳定性，显然锥状波束天线比传统的笔状波束天线更合适。

2、室内wlan微基站的运行场景中，通信终端与微基站的位置关系与卫星通信类似。此外在弹载应用中，由于引战配合的需要，要求采用具有一定倾角的锥状波束。现代战争中空中目标的速度变化范围很大，武装直升机可以悬停，轰炸机可以超音速，地面各种目标的机动性能也非常高，解决引战配合的效率问题更显得突出。对于高速目标，需要锥状波束指向与弹轴夹角较小，而对于低速目标，则需要锥状波束指向与弹轴夹角较大，以简化信号处理系统的复杂度。因此为了使引信兼顾多种不同运动速度的目标，提高毁伤效率，需要给引信装配可重构锥状波束天线，以大幅提升引信系统的战场适应性。

3、低剖面锥状波束天线在便携式卫星通信设备、无线局域网接入端设备等应用中有着重要的作用。这些场合要求天线具有重量轻、体积小、易调整、易共形、占用空间少、风阻小、效率高等优点。虽然单锥天线结构也可以实现锥状波束，但是传统的单锥天线结构在二分之一波长高度时才具有良好的宽带，不符合目前无线通信小型化的趋势，在降低剖面的时候，天线的带宽和增益也随之降低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种在能够产生锥状波束的同时，具有宽带宽、低剖面和高增益的低剖面宽带锥状波束天线。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低剖面宽带锥状波束天线，包括圆柱型金属背腔、圆形铜皮、完全相同的四个l型铜皮、金属单圆锥和sma同轴探头，所述的圆柱型金属背腔上开设有圆台型空腔，所述的圆台型空腔与所述的圆柱型金属背腔同轴，所述的圆台型空腔的下底面和所述的圆柱形金属背腔的下底面位于同一平面，所述的圆台型空腔的上底面和所述的圆柱形金属背腔的上底面位于同一平面，所述的圆台型空腔的上底面直径大于其下底面直径，且小于所述的圆柱型金属背腔的直径，所述的圆形铜皮设置在所述的圆台型空腔内，所述的圆形铜皮的直径等于所述的圆台型空腔的下底面直径，所述的圆形铜皮与所述的圆柱形金属背腔同轴，所述的圆形铜皮的下底面与所述的圆柱形金属背腔的下底面位于同一平面，所述的金属单圆锥位于所述的圆台型空腔内，所述的金属单圆锥包括第一圆台、第二圆台、圆柱型铜皮和完全相同的四个长方型铜皮，所述的第一圆台、所述的第二圆台和所述的圆柱型铜皮按照从下到上顺序依次设置，所述的第一圆台、所述的第二圆台和所述的圆柱型铜皮均与所述的圆台型空腔同轴，所述的第一圆台的上底面直径大于其下底面直径，且小于所述的圆形铜皮的直径，所述的第一圆台的下底面与所述的圆形铜皮的上端面贴合且固定连接，所述的第二圆台的下底面与所述的第一圆台的上底面贴合且固定连接，所述的第二圆台的下底面直径等于所述的第一圆台的上底面直径，所述的第二圆台的上底面直径大于其下底面直径，所述的第二圆台的上底面直径小于所述的圆台型空腔的上底面直径，所述的第一圆台的高度大于所述的第二圆台的高度，所述的圆柱型铜皮的下底面与所述的第二圆台的上底面贴合且固定连接，所述的圆柱型铜皮的直径大于所述的第二圆台的上底面直径，所述的圆柱型铜皮的直径小于所述的圆台型空腔的上底面直径，所述的圆柱型铜皮的高度小于所述的第二圆台的高度，所述的圆柱型铜皮的上底面与所述的圆台型空腔的上底面位于同一平面，四个长方型铜皮沿一圈均匀间隔分布在所述的圆柱型铜皮的周围，每个长方型铜皮的长边长度大于其宽边长度，每个长方型铜皮的一条长边均靠近所述的圆柱型铜皮，且该条长边处设置有深度小于该长方型铜皮的宽边长度的弧形凹槽，所述的圆柱型铜皮嵌入四个长方型铜皮的弧形凹槽内，所述的圆柱型铜皮的外侧壁与四个长方型铜皮处弧形凹槽的侧壁完全贴合且固定连接，四个长方型铜皮的上端面与所述的圆柱型铜皮的上端面位于同一平面，四个长方型铜皮的下端面与所述的圆柱型铜皮的下端面位于同一平面，所述的长方型铜皮的宽边长度和所述的圆柱型铜皮的直径之和小于所述的圆台型空腔的上底面直径；四个l型铜皮位于所述的圆台型空腔内，且沿一圈均匀间隔分布在所述的金属单圆锥四周，每个所述的l型铜皮分别包括第一铜皮和第二铜皮，所述的第二铜皮在所述的第一铜皮的上方，所述的第一铜皮的长度大于所述的第二铜皮的长度，所述的第一铜皮的上底面和所述的第二铜皮的下底面连接且两者呈贴合状态；每个l型铜皮中的第一铜皮的下底面与所述的圆形铜皮上端面固定连接，每个l型铜皮中的第二铜皮的上底面与所述的金属单圆锥的第二圆台的外侧面固定连接，每个l型铜皮中的第一铜皮与所述的圆形铜皮之间的夹角与该l型铜皮中的第二铜皮与所述的圆形铜皮之间的夹角互补；所述的sma同轴探头穿过所述的圆形铜皮中心后与所述的第一圆台的下底面中心处固定连接。

3、所述的圆柱型金属背腔的直径为50mm，高度为3mm，所述的圆台型空腔的下底面直径为31mm，上底面直径为39mm，高度为3mm，所述的圆形铜皮的直径为31mm，所述的第一圆台的下底面直径为2.8mm，上底面直径为7.8mm，高度为1.8mm，所述的第二圆台的下底面直径为7.8mm，上底面直径为16.115mm，高度为1mm，所述的圆柱型铜皮的直径为20.5mm，高度为0.2mm，所述的长方型铜皮的长边长度6mm，宽边宽度为1.2mm，弧形凹槽的弧度33.4°，深度为0.448mm。

4、每个所述的l型铜皮分别由一根横截面为正方形的直铜皮弯折一次后形成，该正方形的边长为1.2mm，所述的第一铜皮和所述的第二铜皮为该直铜皮的两个弯折段，所述的第一铜皮长度为4mm，所述的第二铜皮长度为3.6mm，其中所述的第一铜皮与所述的圆形铜皮之间的夹角为21.8°，所述的第二铜皮与所述的圆形铜皮之间的夹角为158.2°。

5、与现有技术相比，本发明的优点在于通过圆柱型金属背腔、圆形铜皮、完全相同的四个l型铜皮、金属单圆锥和sma同轴探头构建低剖面宽带锥状波束天线，圆柱型金属背腔上开设有圆台型空腔，圆台型空腔与圆柱型金属背腔同轴，圆台型空腔的下底面和圆柱形金属背腔的下底面位于同一平面，圆台型空腔的上底面和圆柱形金属背腔的上底面位于同一平面，圆台型空腔的上底面直径大于其下底面直径，且小于圆柱型金属背腔的直径，圆形铜皮设置在圆台型空腔内，圆形铜皮的直径等于圆台型空腔的下底面直径，圆形铜皮与圆柱形金属背腔同轴，圆形铜皮的下底面与圆柱形金属背腔的下底面位于同一平面，金属单圆锥位于圆台型空腔内，金属单圆锥包括第一圆台、第二圆台、圆柱型铜皮和完全相同的四个长方型铜皮，第一圆台、第二圆台和圆柱型铜皮按照从下到上顺序依次设置，第一圆台、第二圆台和圆柱型铜皮均与圆台型空腔同轴，第一圆台的上底面直径大于其下底面直径，且小于圆形铜皮的直径，第一圆台的下底面与圆形铜皮的上端面贴合且固定连接，第二圆台的下底面与第一圆台的上底面贴合且固定连接，第二圆台的下底面直径等于第一圆台的上底面直径，第二圆台的上底面直径大于其下底面直径，第二圆台的上底面直径小于圆台型空腔的上底面直径，第一圆台的高度大于第二圆台的高度，圆柱型铜皮的下底面与第二圆台的上底面贴合且固定连接，圆柱型铜皮的直径大于第二圆台的上底面直径，圆柱型铜皮的直径小于圆台型空腔的上底面直径，圆柱型铜皮的高度小于第二圆台的高度，圆柱型铜皮的上底面与圆台型空腔的上底面位于同一平面，四个长方型铜皮沿一圈均匀间隔分布在圆柱型铜皮的周围，每个长方型铜皮的长边长度大于其宽边长度，每个长方型铜皮的一条长边均靠近圆柱型铜皮，且该条长边处设置有深度小于该长方型铜皮的宽边长度的弧形凹槽，圆柱型铜皮嵌入四个长方型铜皮的弧形凹槽内，圆柱型铜皮的外侧壁与四个长方型铜皮处弧形凹槽的侧壁完全贴合且固定连接，四个长方型铜皮的上端面与圆柱型铜皮的上端面位于同一平面，四个长方型铜皮的下端面与圆柱型铜皮的下端面位于同一平面，长方型铜皮的宽边长度和圆柱型铜皮的直径之和小于圆台型空腔的上底面直径；四个l型铜皮位于圆台型空腔内，且沿一圈均匀间隔分布在金属单圆锥四周，每个l型铜皮分别包括第一铜皮和第二铜皮，第二铜皮在第一铜皮的上方，第一铜皮的长度大于第二铜皮的长度，第一铜皮的上底面和第二铜皮的下底面连接且两者呈贴合状态；每个l型铜皮中的第一铜皮的下底面与圆形铜皮上端面固定连接，每个l型铜皮中的第二铜皮的上底面与金属单圆锥的第二圆台的外侧面固定连接，每个l型铜皮中的第一铜皮与圆形铜皮之间的夹角与该l型铜皮中的第二铜皮与圆形铜皮之间的夹角互补；sma同轴探头穿过圆形铜皮中心后与第一圆台的下底面中心处固定连接，第一圆台、第二圆台和圆柱型铜皮组成了渐变型的金属单圆锥，金属单圆锥直径渐变可以有效地实现金属单圆锥阻抗到自由空间的平滑过渡，减少不必要的反射和辐射，圆柱型铜皮外侧面嵌入的四个长方型铜皮的设计可以使天线的阻抗带宽向更低频移动，长方型铜皮对金属单圆锥表面电流起到了引导作用，使得金属单圆锥表面上的电流流经的路径增长，改变了天线的谐振频率，可以有效地改变天线的低频特性，在金属单圆锥和圆形铜皮，之间连接四个l型铜皮都是关于金属单圆锥中心旋转对称分布的，实验结果表明l型铜皮可以将金属单圆锥短路，相当于引入了电感，所以可以改善天线低频端驻波特性，l型铜皮可以调整金属单圆锥和圆形铜皮，表面的电流分布，实现宽带小型化的设计目标，l型铜皮围绕着金属单圆锥中心四周均匀对称分布的结构，则保证了天线的水平全向辐射性能不发生明显变化，圆柱型金属背腔相当于套筒结构，用于拓宽阻抗带宽，圆柱形金属背腔的设计增加天线的辐射孔径，提高天线的辐射增益，圆台型空腔主要用来调节天线在中高频处的阻抗带宽，根据实际加工与焊接原理，将sma同轴探头穿过圆形铜皮中心焊接到金属单圆锥中第一圆台的下底部中心，通过对天线各个部件的设计，最终天线达到了宽带的性能指标，并且在整个频带范围内全向型保持良好。实验仿真结果证实，当天线的回波损耗值小于-10db时，该天线的带宽实现了6.05ghz-19.82ghz的宽带范围，并且增益得到提高，有利于远距离的信号传输，在能够产生锥状波束的同时，具有宽带宽、低剖面和高增益。