一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，属于天线技术领 域。
【背景技术】
[0002] 常用宽带天线主要有行波天线、非频变天线、多模天线、组合天线四种类型。行波 天线，如长线天线、表面波天线、漏波天线、脊波导天线等主要存在天线尺寸大，材料损耗 大，天线增益低等问题。非频变天线，如阿基米得平面螺旋天线、对数天线、镜向天线等主要 存在材料损耗大，馈电困难、天线增益低等问题。多模天线，如脊变波导断面天线等，主要 存在方向性随频率变化而变化等问题。组合天线，如多频组合天线等，主要存在馈电困难， 方向性多变，调试困难等问题。
[0003] 经论文和专利检索表明，目前在国内外都没有工作频带范围覆盖1-20GHZ、定向 辐射，并在整个频段内均具有高达IOdBi以上增益的小型天线的研究文献报道和产品生 产。根据各种文献和国内外产品的调查结果，目前国内外超宽带天线产品主要存在两个不 足：一是天线工作频带范围覆盖1-18GHZ，二是天线增益一般较低，尤其是低频段一般低于 7-8dBi〇
[0004] 从技术、应用和可靠性出发，基于多模脊渐变喇叭天线设计方案是性能较好的，但 是其不足之处在于现有的多模脊渐变喇叭天线的驻波系数、工作带宽和天线增益都还达不 到较高的设计要求。基于多模脊渐变喇叭天线能够在电压驻波比VSWR〈3:1内具有的最大 频率宽度仅为1-18GHZ，且在低频段的天线增益最大只有7-8dBi，这是最接近工作带宽大 于1-20GHZ，定向辐射，并在整个频段内均具有高达IOdBi以上增益设计要求的天线，也是 业界应用最广、效果最好的超宽带高增益小型微波天线，常被用于微波暗室的宽带天线测 试和电磁兼容室的宽带EMC测试。2009年发表在国际IEEE-AP杂志上的"A Novel Compact Ultra Wideband Anternna"论文中介绍了一种超宽带天线设计方法，采用增加圆球的馈电 结构设计，实现了 3-lOOGHz的超宽带内的高增益，虽然该天线具有极宽的工作频带，但由 于其天线在水平面上的最大辐射方向随工作频率发生变化，不能用于对天线有定向要求的 平台。
[0005] 现有的多模脊渐变喇叭天线设计方法难以在1-20GHZ极宽频率范围内实现较高 增益的定向辐射和天线的阻抗匹配，当天线工作到相对于最低频率较高的频率范围时，由 于基于最低频率设计的脊波导中出现高次模式的电磁波，使得天线高段频率的电磁波辐射 方向图发生波瓣分裂。同时，还由于高次模式的原因，使得脊波导与同轴馈电线间的阻抗匹 配发生恶化。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于径向盘阻抗变 换器的超宽带高增益天线，解决影响多模脊变喇叭天线性能的关键技术壁皇，大大扩展了 天线的工作频率范围，改善天线的阻抗匹配和提高天线的辐射增益。
[0007] 本发明的技术解决方案是：
[0008] -种基于径向盘阻抗变换器的超宽带高增益天线，包括短路面、脊波导、矩形喇 口八、第一渐变脊、第二渐变脊、馈电柱、馈电接头、三角脊和挡盖；
[0009] 脊波导的腔体内，E面对称设置有斜坡状反射面，H面对称设置有三角脊，脊波导 的一端为一平面，与短路面连接，脊波导的另一端与矩形喇叭相连接；矩形喇叭内部的两个 宽面上对称安装第一渐变脊和第二渐变脊，第一渐变脊和第二渐变脊的端部均为直径相同 的圆柱状过渡，其上设置有垂直于脊波导E面的贯通孔，第一渐变脊和第二渐变脊的端部 均与脊波导腔体内的斜坡状反射面固定连接，第一渐变脊和第二渐变脊端部的贯通孔同轴 相对，且与设置在脊波导腔体内的斜坡状反射面上的通孔连通；馈电接头下端的馈电探针 从脊波导E面外侧插入，馈电探针依次穿过脊波导E面上的贯通孔、第一渐变脊端部的贯通 孔以及第一渐变脊和第二渐变脊端部贯通孔之间的缝隙，伸入到第二渐变脊端部的贯通孔 中，与馈电柱相接；馈电柱为圆柱状结构，从所述第二渐变脊端部的贯通孔插入；第一渐变 脊贯通孔的下端部所在的圆环形端面与第二渐变脊贯通孔的上端部所在的圆环形端面形 成径向盘阻抗变换器；挡盖安装在矩形喇叭开口处，将矩形喇叭封闭。
[0010] 所述短路面上有圆柱状凸起，在该凸起的中心盲孔中安装有定位螺栓，用于所述 天线安装后的定位，中心盲孔周边均匀分布若干个安装孔，该若干个安装孔分布在同一个 圆周上。
[0011] 第一渐变脊和第二渐变脊位于同一个平面内，且该平面为所述天线的对称面。
[0012] 第一渐变脊端部贯通孔的直径大于第二渐变脊端部贯通孔的直径。
[0013] 馈电柱的直径与第二渐变脊端部贯通孔的直径相同，馈电接头下端的馈电探针的 直径与馈电柱的直径相同。
[0014] 所述径向盘阻抗变换器包括圆环状上平板和圆环状下平板，上平板为第一渐变脊 贯通孔下端部所在端面上直径为D的圆盘，所述第一渐变脊端部的圆柱状过渡位于上平板 的圆周上；下平板为第二渐变脊贯通孔上端部所在上端面上直径为D的圆盘，所述第二渐 变脊端部的圆柱状过渡位于下平板的圆周上；上平板与下平板之间的距离h满足关系式
:，其中，V1为径向盘阻抗变换器上下平板之 间的电压，I1为径向盘阻抗变换器内的位移电流，Ez为径向盘阻抗变换器内的电场，#@为 径向盘阻抗变换器内的磁场，Zin= V1Zl1, Zin为径向盘阻抗变换器的输入阻抗。
[0015] 所述上平板与下平板之间的距离0. 8mm〈h〈l. 2mm，直径3mm〈D〈5mm，
[0016] 脊波导腔的宽边长度a为所述天线最低工作频率对应的波长的1/4~1/2,窄边 长度b小于宽边长度a，所述宽边长度a取值范围为100_-120_，窄边长度b取值范围为 70mm-90mm〇
[0017] 矩形喇叭的口径宽边长度al为430~470mm，窄边长度bl为330~370mm。
[0018] 所述挡盖采用聚四氟乙烯材料制作，短路面、脊波导、矩形喇叭、第一渐变脊、第二 渐变脊和三角脊均采用铝制作，馈电柱材料为铜。
[0019] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0020] (1)可以在非常宽的工作频率范围内实现高增益工作，有效提高整个系统的工作 性能。
[0021] (2)可以在超宽工作频带内实现定向辐射，且波束宽度和相位中心随频率的变化 较之对数周期天线和喇叭天线都要小很多，作为大型天线的馈源使用时，可大大提高整个 天线的效率。
[0022] (3)由于馈电采用同轴线馈电，可以方便的用于许多移动场合。
[0023] (4)天线结构相对简单、整体尺寸小，这对于应用在任务平台相对紧凑的情况下， 该优势将非常宝贵。
[0024] (5)本发明天线技术覆盖频段非常宽、增益相对较高、结构简单、整体尺寸小，非常 便于安装使用。该天线技术可广泛用于通信、信号侦察、预警探测、电子对抗以及遥测遥控 等业务领域，特别是对于基于航空、航天平台宽带调频通迅、信号侦察、预警探测、电子对抗 等系统建设，既可作为独立天线使用，也可作为大型天线的馈源使用，安装非常方便。由于 这样一个天线可以代替以往的多个分段天线，因此可以很好地解决以往由于受天线宽带技 术限制，需要在许多航天、航空、地面机动等侦察、探测平台上需要安装使用多个天线，采用 多个频段天线拼接，从而引起平台选型难、改造复杂，使用受限，影响系统性能等问题。
[0025] (6)本发明天线结构将径向盘阻抗变换器技术应用于超宽带天线设计当中，完美 地解决了超宽带天线的阻抗匹配问题。采用径向盘技术的多模脊渐变喇叭天线的相对频率 宽度已达到了 192%，较现有同类天线179 %的相对频率宽度提高了 13 %以上。
[0026] (7)本发明天线结构中添加了三角脊，大大扩展天线的截止频率，从而极大地扩展 天线的工作带宽。脊波导腔内的E面斜坡使得能够形成虚拟反射面，提高阻抗匹配能力。
【附图说明】
[0027] 图1是天线组成结构示意图
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