一種介質杆天線的製作方法

2023-05-27 00:29:41

一種介質杆天線的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種介質杆天線，包括介質杆本體，所述介質杆本體依次包括模式變換段、阻抗匹配段和曲線變換段；其中模式變換段的後端面與阻抗匹配段的前端面相接，阻抗匹配段的後端面與曲線變換段的前端面相接；模式變換段和阻抗匹配段向前延伸並嵌入金屬圓波導的內部，曲線變換段向後延伸並位於金屬圓波導的外部；模式變換段呈前小後大的圓錐狀棒體；阻抗匹配段呈前小後大的圓臺狀棒體；曲線變換段呈前大後小的類圓臺狀棒體，且該曲線變換段的母線為一內凹的曲線。本實用新型能夠實現介質內部的能量分布優化，減少能量損耗，提高介質杆天線的輻射性能。
【專利說明】一種介質杆天線

【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及天線【技術領域】，具體涉及一種介質杆天線。

【背景技術】
[0002]介質杆天線是用介質作為輻射媒體的天線。傳統的介質杆天線，如圖1所示，其一般由低損耗高頻介質材料製成，介質杆天線整體呈規則的圓柱形或規則的圓臺形的棒體，即棒體的母線為直線，且棒體的前端面和後端面均為平面。介質杆天線的一端通過金屬圓波導連接在同軸線的末端，同軸線內導體的延伸部分形成一個振子，用以激發電磁波，該電磁波沿介質杆天線傳播並在終端向自由空間輻射。連接介質杆天線和同軸線的金屬圓波導的作用除了夾住介質杆天線外，更主要的是傳輸TEll模電磁波，從而保證由同軸線的內導體激勵電磁波，並向介質杆天線的自由端傳播。雖然現有介質杆天線具有體積小的特點，但由於介質有損耗，因而效率不高。可見，如何能夠在有限的長度和有限的橫截面積的前提下，儘可能地改善介質杆天線內部能量分布，減少介質損耗，是提高介質杆天線的福射性能的所需解決的關鍵問題之一。
實用新型內容
[0003]本實用新型所要解決的技術問題是傳統介質杆天線易出現能量損耗的問題，而提供一種介質杆天線，其能夠實現介質內部的能量分布優化，減少能量損耗，提高介質杆天線的輻射性能。
[0004]為解決上述問題，本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0005]一種介質杆天線，包括介質杆本體，所述介質杆本體依次包括模式變換段、阻抗匹配段和曲線變換段；其中模式變換段的後端面與阻抗匹配段的前端面相接，阻抗匹配段的後端面與曲線變換段的前端面相接；模式變換段和阻抗匹配段向前延伸並嵌入金屬圓波導的內部，曲線變換段向後延伸並位於金屬圓波導的外部；模式變換段呈前小後大的圓錐狀棒體；阻抗匹配段呈前小後大的圓臺狀棒體；曲線變換段呈前大後小的類圓臺狀棒體，且該曲線變換段的母線為一內凹的曲線。
[0006]上述方案中，所述類圓臺狀棒體的母線的曲線方程為:
[0007]企①
n ^dA-tA
[0008]式中，L為曲線變換段的長度；D為曲線變換段的前端面直徑；T為曲線變換段的後端面直徑；η為正整數。
[0009]上述方案中，所述阻抗匹配段由2級或2級以上的分棒體組合而成；這些分棒體均圓柱狀，且順次依次相接，即第一級分棒體的前端面與模式變換段的後端面相接，前一級分棒體的後端面與後一級分棒體的前端面相接，最後一級分棒體的後端面與曲線變換段的前端面相接；且位於前一級的分棒體的直徑小於後一級的分棒體的直徑。上述阻抗匹配段的母線為階梯線。
[0010]與現有技術相比，本實用新型具有如下特點:
[0011]1、模式變換段呈圓錐狀。採用圓錐錐狀模型能夠使電磁波的TEll模平緩的過渡到HEll模，極大的減小了電磁波的反射。該圓錐結構也可以用在只存在TElO模的矩形波導中，只需在矩形波導處加個矩圓模式變換段(總長度16_)就可實現和圓波導同樣的效果。而通常的模式變換段部分為圓柱狀或燕尾狀，這兩種結構會使金屬圓波導中的電磁波由空氣進入到介質中產生大量的反射。
[0012]2、阻抗匹配段呈圓臺狀或階梯臺狀。首先階梯變化採用了微波傳輸線的1/4λ阻抗變換特性使電磁波由金屬圓波導順利進入到空氣中，實現了阻抗匹配，拓寬了介質杆天線的工作帶寬(工程要求相對帶寬6%，本饋源仿真相對帶寬是14%)。其次通過階梯變換擴大了饋電器(金屬圓波導)的口徑，改善了饋電器的輻射性能，但是階梯變換隻是略微增加了介質杆天線的橫截面尺寸，這就提高了介質杆天線的陣列緊湊性。最後加入了階梯的介質杆天線固定性更強。與喇叭狀饋電器相比，當介質杆天線水平放置時不會滑落，這就不需要通過粘合劑來固定，加入粘合劑會降低天線的輻射性能，階梯狀的設計並沒有加大饋電器的加工難度。而傳統的饋電器口徑為圓波導狀或喇叭狀的，但是存在著一定的缺陷，單階圓波導無法解決電磁波由金屬波導進入到空氣時產生阻抗失配問題，這就導致了電磁波的大量反射，直接影響天線的輻射性能。喇叭狀的饋電器雖然實現了好的輻射性能但是使得介質棒的橫截面尺寸大幅度增加，這樣就降低了介質杆天線陣列的緊湊性。
[0013]3、曲線變換段呈類圓臺狀棒體。曲線變換段是內凹的曲線型，桿身平滑，這樣的介質杆形狀能減小天線E面H面方向圖的差異，使天線的輻射方向圖更加旋轉對稱，同時降低天線的副瓣。介質杆頂端截面直徑約為0.2 λ電磁波能從頂端順利輻射有效的減小了電磁波的反射。基於曲線方程①生成的曲線還具有更廣的適用性，通過改變η的值該曲線形狀會適用於不同介電常數的介質杆，而且呈現η值越大適用介電常數值越大的趨勢。該曲線方程①生成的曲線近似表達了電磁波在不同介質中傳輸時v/c與D/λ的關係曲線。其中，V是電磁波在介質中傳輸的速度，C為光速，D為介質杆的直徑，λ為電磁波在自由空間中的波長。而傳統的介質杆天線桿身主要由棒體漸變和終端漸變兩部分組成(兩部分均是圓錐狀)，但是兩部分連接處有尺寸的突變這就導致電磁波在此處的傳輸發生一定的變化影響介質杆天線的輻射性能。本實用新型採用的

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為現有的傳統介質杆天線的結構示意圖。
[0015]圖2為本實用新型的介質杆天線的結構示意圖。
[0016]圖中標號:L1、金屬圓波導；L2、模式變換段；L3、阻抗匹配段；L4、曲線變換段。

【具體實施方式】
[0017]一種介質杆天線，如圖2所示，包括介質杆本體，所述介質杆本體依次包括模式變換段L2、阻抗匹配段L3和曲線變換段L4。其中模式變換段L2的後端面與阻抗匹配段L3的前端面相接，阻抗匹配段L3的後端面與曲線變換段L4的前端面相接。模式變換段L2和阻抗匹配段L3向前延伸並嵌入金屬圓波導LI的內部，曲線變換段L4向後延伸並位於金屬圓波導LI的外部。
[0018]模式變換段L2呈前小後大的圓錐狀棒體，該模式變換段L2的母線為直線。作為拋物面天線的饋源應該具備以下特點，輻射方向圖旋轉對稱，較低的副瓣，較高的前後比。介質杆中的HEll模電磁波能夠產生旋轉對稱的方向圖，本實用新型採用單模TEll傳輸的金屬波導來激勵起介質杆中的HEll模。介質杆的尾端插入到金屬圓波導LI內，電磁波在有介質的金屬圓波導LI中傳播會產生其他模式的電磁波，本實用新型採用了錐狀結構錐長1.5-2.5 λ，該錐狀結構橫截面尺寸的選擇保證介質杆中HEll模單模傳輸，這樣就使得金屬波導中的電磁波模式順利轉換成介質杆中需要的模式。介質杆天線要想獲得旋轉對稱的方向圖必須保證介質杆中的電磁波是單獨的HEll模。本實用新型中的金屬圓波導LI中只有TEll模存在，介質杆天線插入到金屬圓波導LI中。
[0019]阻抗匹配段L3呈前小後大的圓臺狀棒體。所述阻抗匹配段L3可以為一母線呈直線的規則圓臺，也可以如本實用新型新優選實施例一樣，阻抗匹配段L3為母線呈階梯線的階梯圓臺，即阻抗匹配段L3由2級或2級以上的分棒體組合而成。這些分棒體均圓柱狀，且順次依次相接，即第一級分棒體的前端面與模式變換段L2的後端面相接，前一級分棒體的後端面與後一級分棒體的前端面相接，最後一級分棒體的後端面與曲線變換段L4的前端面相接。位於前一級的分棒體的直徑小於後一級的分棒體的直徑。電磁波由填充介質的金屬波導傳輸到沒有金屬包圍的介質杆時，由於不連續性導致了阻抗的不匹配，電磁波在金屬波導和介質杆的輻射段連接處會產生大量反射。本實用新型利用傳輸線的1/4 λ阻抗變換特性，實現了阻抗的匹配，拓寬了天線的工作帶寬。介質杆天線的輻射方向圖由兩部分組成一部分是轉化為介質杆中的表面波福射另一部分為未轉換的電磁波由饋電器福射。為了實現較好的輻射性能饋電器的口徑要變大。
[0020]曲線變換段L4呈前大後小的類圓臺狀棒體，且該曲線變換段L4的母線為一內凹的曲線。在本實用新型優選實施例中，所述類圓臺狀棒體的母線的曲線方程為:
W y 1
[0021]_ DA~X ①
[0022]式中，L為曲線變換段的總長度(即前端面到後端面的軸向長度)；D為曲線變換段的前端面直徑；T為曲線變換段的後端面直徑；η為正整數。
[0023]當曲線方程①中m取值為7時，介電常數為3.7的介質杆天線在工作頻帶內回波損耗為_24dB，在中心頻率處的增益達到16.3dB,副瓣小於_25dB，交叉極化為29dB，而且方向圖是旋轉對稱的，當曲線方程①中m取值為5時，介電常數為2.56的介質杆天線在工作頻帶內回波損耗為-20dB，在中心頻率處的增益達到16.3dB，交叉極化為29dB，且方向圖旋轉對稱。
【權利要求】
1.一種介質杆天線，包括介質杆本體，其特徵在於:所述介質杆本體依次包括模式變換段(L2)、阻抗匹配段(L3)和曲線變換段(L4);其中模式變換段(L2)的後端面與阻抗匹配段(L3)的前端面相接，阻抗匹配段(L3)的後端面與曲線變換段(L4)的前端面相接；模式變換段(L2)和阻抗匹配段(L3)向前延伸並嵌入金屬圓波導(LI)的內部，曲線變換段(L4)向後延伸並位於金屬圓波導(LI)的外部；模式變換段(L2)呈前小後大的圓錐狀棒體；阻抗匹配段(L3)呈前小後大的圓臺狀棒體；曲線變換段(L4)呈前大後小的類圓臺狀棒體，且該曲線變換段(L4)的母線為一內凹的曲線。
2.根據權利要求1所述的一種介質杆天線，其特徵在於:所述類圓臺狀棒體的母線的曲線方程為: E(f) 士1 ψ_χ^ n=l L 二 /2 X① 式中，L為曲線變換段的長度；D為曲線變換段的前端面直徑^為曲線變換段的後端面直徑；n為正整數。
3.根據權利要求1所述的一種介質杆天線，其特徵在於:所述阻抗匹配段(L3)的母線為階梯線；即阻抗匹配段(L3)由2級或2級以上的分棒體組合而成；這些分棒體均圓柱狀，且順次依次相接，即第一級分棒體的前端面與模式變換段(L2)的後端面相接，前一級分棒體的後端面與後一級分棒體的前端面相接，最後一級分棒體的後端面與曲線變換段(L4)的前端面相接；且位於前一級的分棒體的直徑小於後一級的分棒體的直徑。
【文檔編號】H01Q1/36GK204118256SQ201420575795
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】曹衛平, 胡晉峰, 於新華, 高立業, 李明傑 申請人:桂林電子科技大學