一種小型化s波段垂直極化寬帶偶極子天線的製作方法

2023-09-20 13:22:05

專利名稱：一種小型化s波段垂直極化寬帶偶極子天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種S波段寬頻帶垂直極化偶極子天線。
背景技術：
目前，在高速無線移動通信領域中，數據傳輸及測控系統的前端天線多以偶極子形式如普通套筒單極子天線、螺旋法向模輻射天線、刀形天線等為主。這些天線往往增益較低(OdB以下)、工作頻帶帶寬較窄(小於5%)，同時天線波束在俯仰方向很難滿足3dB波束寬度在正負25度俯仰的要求。而在機載、高速列車等移動通信領域中為了擴展通信距離，滿足天線垂直極化輻射、寬頻帶通信要求，同時也要滿足小型化、製作安裝簡便等特性，新的垂直極化、全向輻射、寬頻帶、具有較高增益的天線的設計日趨重要。對於普通的套筒單極子天線，如王元坤在《線天線的寬頻帶技術》(王元坤、李玉權，線天線的寬頻帶技術[M]. 西安西安電子科技大學出版社，1995年)書中所述，普通的套筒單極子天線採用同軸線饋電，同軸線的內導體伸出作為輻射體，外導體與一四分之一波長的金屬套筒相連，或是由外導體直接充當套筒，一般情況下套筒單極子天線可以具有將近10%左右的帶寬。但是，普通的套筒單極子天線在製作時不宜加工實現，尤其是在低頻段設計時套筒的尺寸過長，加工、安裝、調試都不方便，極大地限制了該天線的使用頻段範圍。螺旋法向模輻射天線實際上就是一種螺旋天線，當螺旋直徑與工作波長之比小於0. 18倍時，螺旋天線呈現出與偶極子相似的輻射方向。螺旋法向模輻射天線的優勢在於節省空間，可以在較小的安裝空間內工作在較低的頻率上，但是也存在天線輻射效率較低，工作頻帶較窄(小於2%)等缺點。刀形天線屬於變形偶極子天線，其常用於高速飛行器的通信，考慮到高速運動的氣流影響做成「馬刀」形式，但是由於天線本身輻射體相對於標準偶極子天線變形較大，使方向圖發生較大畸變，且工作帶寬也受到一定程度的影響，因此刀形天線適用於對天線方向圖及工作帶寬要求不是特別嚴格的通信場合，如有人飛行器中的語音電臺通信等。

發明內容
為了克服現有技術不能滿足S波段通信系統天線在高速移動平臺上小型化、寬頻帶快速安裝要求的不足，本發明提供一種垂直極化寬帶S波段天線，採用分段式設計改變原有天線中心有源陣子的輻射形式，在原有套筒內部加載介質隔套，以較小的套筒高度尺寸(小於五分之一波長)、反射底盤直徑(小於三分之一波長)和安裝結構達到了小型化、寬頻帶工作的要求。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是包括天線罩、有源陣子、介質隔套、絕緣墊片、套筒及反射底盤組件和射頻連接件。天線罩使用環氧層壓玻璃布製作，為中空的圓柱形筒狀結構，上端為封閉面，下端開口 ；套筒及反射底盤組件為三層臺階圓柱體，自上而下直徑逐級增大，上圓柱內部承載介質隔套，中間圓柱固定天線罩，套筒及反射底盤組件中心處開有一個通孔，通孔直徑與射頻連接件內部的絕緣介質直徑相同，其中放置絕緣墊片，絕緣墊片的上表面與中間圓柱體的上表面齊平；有源陣子為上下兩節圓柱體，上圓柱為天線的主輻射體，下圓柱為有源陣子次輻射體及有源與射頻連接件內導體相接的饋電埠 ；有源陣子垂直於反射底盤的上表面，下輻射體垂直穿過介質隔套，底部端面與絕緣墊片表面相切，射頻連接件的內導體穿過絕緣墊片和有源陣子底部的安裝通孔固定連接。射頻連接件將銅軸電纜與天線可靠連接。所述的天線罩壁厚為天線工作波長的千分之一，直徑為二分之一波長，高度為四分之三波長。所述的套筒及反射底盤組件的上圓柱壁厚千分之二波長，直徑尺寸為二分之一波長，高度為五分之一波長；中間圓柱直徑尺寸比上圓柱直徑大百分之二波長；下圓柱直徑尺寸比中間圓柱直徑大百分之二波長，中間圓柱與下圓柱的厚度之和能夠保證射頻連接件的內導體伸出中間圓柱表面至少5_。所述的有源陣子的上圓柱為天線直徑為波長的百分之十，高度為四分之一波長，下圓柱直徑為波長的百分之二，高度與套筒及反射底盤組件中的上圓柱或介質隔套高度相 同。所述的波長為天線的工作波長。所述的介質隔套為特氟隆材質的圓柱體，直徑為套筒及反射底盤組件中上圓柱中空部分的直徑尺寸，中心處開有一個直徑與有源陣子下輻射體直徑相同的通孔，介質隔套放置於套筒及反射底盤組件中上圓柱的中空部分，放置後其上表面與組件中上圓柱端面齊平。所述的絕緣墊片為特氟隆材質的圓柱體，直徑與套筒及反射底盤組件中心通孔直徑相同，厚度為套筒及反射底盤組件中間及下圓柱厚度之和，中心開有一個直徑與射頻連接件內導體直徑大小相同的通孔。所述的有源陣子、套筒及反射底盤組件採用硬質鋁材料。本發明的有益效果是採用有源陣子分段階梯設計方式，並在天線套筒結構內部加入加載介質，將天線整體結構尺寸縮小的同時，進一步展寬工作頻帶。通過採用以上設計使得天線滿足垂直極化、全向輻射要求，天線增益達I. 5dB，天線3dB波束寬度為70°，駐波2以下頻帶寬度近35%。


圖I是本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線結構示意圖。圖2是本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線安裝結構裝置示意圖。圖3是本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線結構裝置的裝配效果透視圖。圖4是本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線結構的底視圖。圖5是本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線的駐波曲線圖。圖6是本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線的E面方向圖。圖7是本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線的H面方向圖。圖中，I.天線罩，2.有源陣子，3.介質隔套，4.絕緣墊片，5.套筒及反射底盤組件，6.天線罩固定螺栓組件，7.射頻連接器固定螺栓組件，8.射頻連接件。
具體實施例方式本發明包括天線罩、有源陣子、介質隔套、絕緣墊片、套筒及反射底盤組件和射頻連接件。天線罩使用環氧層壓玻璃布製作，為中空的圓柱形筒狀結構，上端為封閉面，下端開口，天線罩壁厚為天線工作波長的千分之一，在距天線罩下端千分之二波長處，天線罩壁的圓周方向上等間距開有若干個固定孔。天線罩的直徑為二分之一波長，高度為四分之三波長。套筒及反射底盤組件採用一體化設計為天線系統的電流平衡匹配部件，並對天線陣子、介質隔套等起到支撐及固定作用，其整體設計為三層臺階圓柱體，上圓柱為壁厚千分之二波長的中空管狀，內部承載介質隔套，其在電路形式上構成了天線的套筒，直徑尺寸在二分之一波長，高度為五分之一波長。位於中間的圓柱直徑尺寸比上圓柱直徑大百分之二波長，作為天線罩的固定部分，下圓柱直徑尺寸比中間圓柱直徑大百分之二波長，中間圓柱與下圓柱在機械結構上組成了天線罩和有源陣子的支撐結構，在電路關係上形成了天線的電流平衡底盤，它們的厚度之和應保證射頻連接件的內導體伸出中間圓柱表面至少5mm。在套筒及反射底盤組件的中間圓柱體的圓周方向上開有與天線罩的固定孔相對應的固定孔。套筒及反射底盤中心處開有一個通孔，通孔直徑要求與射頻連接件內部的絕緣介質直徑相同，其中放置絕緣墊片，絕緣墊片的上表面應與中間圓柱體的上表面齊平，絕緣墊片起到對 天線有源陣子的支撐和防止與反射底盤短路的作用。套筒及反射底盤組件起到對天線匹配及對天線方向圖的調整作用。為了展寬工作帶寬，有源陣子整體採用上下兩節圓柱體設計，可使天線整體諧振工作在兩個頻點上。上圓柱為天線的主輻射體，直徑為波長的百分之十，高度為四分之一波長，下圓柱為有源陣子次輻射體及有源與射頻連接件內導體相接的饋電埠，其直徑為波長的百分之二，高度與套筒及反射底盤組件中的上圓柱或介質隔套高度相同。有源陣子垂直於反射底盤的上表面，下輻射體垂直穿過介質隔套，底部端面與絕緣墊片表面相切，射頻連接件的內導體穿過絕緣墊片和有源陣子底部的安裝通孔固定連接。射頻連接件起到將50歐的銅軸電纜與天線可靠連接的作用。上文所述的波長為天線的工作波長。上文所述的介質隔套為特氟隆材質的圓柱體，作為減縮天線尺寸的加載介質及支撐有源陣子的結構部件，直徑為套筒及反射底盤組件中上圓柱中空部分的直徑尺寸，中心處開有一個直徑與有源陣子下輻射體直徑相同的通孔，介質隔套放置於套筒及反射底盤組件中上圓柱的中空部分，放置後應保證其上表面與組件中上圓柱端面齊平。所述的絕緣墊片為特氟隆材質的圓柱體，直徑與套筒及反射底盤組件中心通孔直徑相同，厚度為套筒及反射底盤組件中間及下圓柱厚度之和，中心開有一個直徑與射頻連接件內導體直徑大小相同的通孔。為減輕天線的整體重量，又能保證天線的結構強度，有源陣子、套筒及反射底盤組件採用硬質鋁材料。根據射頻連接件安裝要求在套筒及反射底盤組件的最底層端面中心孔位的兩邊各開兩個孔作為射頻連接件的安裝孔。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。通過不斷地優化調整有源陣子的高度、套筒及反射底盤組件直徑大小、可以獲得滿足駐波及方向圖要求的天線方案，具體實施方式
如下圖I為本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線天線結構的示意圖。天線罩I採用厚度為Imm厚的環氧層壓玻璃布製作，天線罩內徑為49mm,外徑為47mm,高度為62mm0圖2、3是本發明一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線安裝結構裝置及裝配示意圖。距天線罩I底端I. 5mm處，在天線罩端面的圓周方向上開有6個等間距標稱為Ml. 6的定位孔。有源陣子2整體採用上下兩節圓柱體設計，上圓柱為天線的主輻射體，直徑為20mm，高度為45mm，下圓柱為有源陣子次輻射體及有源與射頻連接件內導體相接的饋電埠，其直徑為5mm,高度為9mm,並在有源陣子2下圓柱底端中心部位開有大小為M2孔徑的固定安裝孔。射頻連接件8採用SMA-KFD108，其內芯穿過絕緣墊片4和有源陣子2下圓柱的底端孔並通過射頻連接器固定螺栓組件7與有源陣子2緊密連接。絕緣墊片4置於套筒及反射底盤組件5中心的安裝孔內，起到對有源陣子2的支撐及絕緣隔離作用。套筒及反射底盤組件5設計為三層臺階圓柱體，上圓柱為壁厚2mm的中空管狀，內部承載介質隔套3，直徑為38mm，高度為12mm，上圓柱在電路形式上構成天線的套筒結構。中間圓柱臺與底面圓柱臺兩層總厚度為7mm，中間圓柱臺厚5mm,底面圓柱臺厚度為2mm。中間圓柱臺直徑47mm,底面圓柱臺直徑為59mm,中間圓柱臺與底面圓柱臺起到對天線罩I固定支撐的作用 和調整方向圖及電流平衡作用。套筒及反射底盤組件5中心處開有一個通孔，直徑為6_，為絕緣墊片4的預留放置孔及射頻連接件8SMA-KFD108內導體的安裝預留孔。在套筒及反射底盤組件5底面中心孔位的兩邊開有兩個直徑大小為3_的通孔，各相鄰的通孔中心間距為10mm，兩個通孔作為射頻連接件8SMA-KFD108的定位安裝孔。套筒及反射底盤組件5中，中間圓柱距下圓柱上表面I. 5mm處開有與天線罩6個定位孔位置相同的6個定位孔，並通過天線罩固定螺栓組件6固定。射頻連接件8SMA-KFD108為市售標準射頻連接件，通過射頻連接器固定螺栓組件7固定安裝於套筒及反射底盤組件5上。絕緣墊片4為特氟隆材質的圓柱體，直徑為6mm,厚度為3mm,中心開有一個直徑為M2大小的通孔。介質隔套3為特氟隆材質的圓柱體，直徑為34mm,厚度為12mm,中心開有一個直徑為5mm大小的通孔。
權利要求
1.一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，包括天線罩、有源陣子、介質隔套、絕緣墊片、套筒及反射底盤組件和射頻連接件，其特徵在於天線罩使用環氧層壓玻璃布製作，為中空的圓柱形筒狀結構，上端為封閉面，下端開口 ；套筒及反射底盤組件為三層臺階圓柱體，自上而下直徑逐級增大，上圓柱內部承載介質隔套，中間圓柱固定天線罩，套筒及反射底盤組件中心處開有一個通孔，通孔直徑與射頻連接件內部的絕緣介質直徑相同，其中放置絕緣墊片，絕緣墊片的上表面與中間圓柱體的上表面齊平；有源陣子為上下兩節圓柱體，上圓柱為天線的主輻射體，下圓柱為有源陣子次輻射體及有源與射頻連接件內導體相接的饋電埠 ；有源陣子垂直於反射底盤的上表面，下輻射體垂直穿過介質隔套，底部端面與絕緣墊片表面相切，射頻連接件的內導體穿過絕緣墊片和有源陣子底部的安裝通孔固定連接；射頻連接件將銅軸電纜與天線可靠連接。
2.根據權利要求I所述的小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，其特徵在於所述的天線罩壁厚為天線工作波長的千分之一，直徑為二分之一波長，高度為四分之三波長。
3.根據權利要求I所述的小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，其特徵在於所述的套筒及反射底盤組件的上圓柱壁厚千分之二波長，直徑尺寸為二分之一波長，高度為五分之一波長；中間圓柱直徑尺寸比上圓柱直徑大百分之二波長；下圓柱直徑尺寸比中間圓柱直徑大百分之二波長，中間圓柱與下圓柱的厚度之和能夠保證射頻連接件的內導體伸出中間圓柱表面至少5_。
4.根據權利要求I所述的小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，其特徵在於所述的有源陣子的上圓柱為天線直徑為波長的百分之十，高度為四分之一波長，下圓柱直徑為波長的百分之二，高度與套筒及反射底盤組件中的上圓柱或介質隔套高度相同。
5.根據權利要求2、3或4所述的小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，其特徵在於所述的波長為天線的工作波長。
6.根據權利要求I所述的小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，其特徵在於所述的介質隔套為特氟隆材質的圓柱體，直徑為套筒及反射底盤組件中上圓柱中空部分的直徑尺寸，中心處開有一個直徑與有源陣子下輻射體直徑相同的通孔，介質隔套放置於套筒及反射底盤組件中上圓柱的中空部分，放置後其上表面與組件中上圓柱端面齊平。
7.根據權利要求I所述的小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，其特徵在於所述的絕緣墊片為特氟隆材質的圓柱體，直徑與套筒及反射底盤組件中心通孔直徑相同，厚度為套筒及反射底盤組件中間及下圓柱厚度之和，中心開有一個直徑與射頻連接件內導體直徑大小相同的通孔。
8.根據權利要求I所述的小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，其特徵在於所述的有源陣子、套筒及反射底盤組件採用硬質鋁材料。
全文摘要
本發明公開了一種小型化S波段垂直極化寬帶偶極子天線，天線罩為中空的圓柱形筒狀結構，套筒及反射底盤組件為三層臺階圓柱體，自上而下直徑逐級增大，套筒及反射底盤組件中心處開有一個通孔，其中放置絕緣墊片，有源陣子為上下兩節圓柱體，垂直於反射底盤的上表面，下輻射體垂直穿過介質隔套，射頻連接件的內導體穿過絕緣墊片和有源陣子底部的安裝通孔固定連接。本發明以較小的套筒高度尺寸、反射底盤直徑和安裝結構達到了小型化、寬頻帶工作的要求。
文檔編號H01Q19/10GK102709678SQ20121016176
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者劉春陽, 張朋, 袁俊 申請人:西北工業大學