CN114976656A - 一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对数周期天线技术领域，特别涉及一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，包括金属集合线，对称振子序列、金属片、连接电阻和同轴馈线；所述金属集合线包括第一金属集合线和第二金属集合线，所述第一金属集合线和第二金属集合线的底部位置之间通过第一金属片、连接电阻和第二金属片连接，所述第一金属集合线和第二金属集合线的顶部位置之间连接有同轴馈线；所述振子序列包括多组振子对，多组所述振子对沿所述金属集合线的长度方向顺序间隔安装在所述金属集合线上；多组所述振子对包括一组弯折金属振子对和六组直金属振子对。
Description
技术领域
本发明涉及对数周期天线技术领域，特别涉及一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线。
背景技术
对数周期天线是经典的宽带天线，它在很宽的频带内可以保持稳定、良好的电特性(包括电路匹配特性和辐射特性，电路匹配特性是指能量从馈电端传送到天线上并被天线所利用的特性，常用电压驻波比VSWR或反射系数S11来度量，辐射特性是指天线向空间特定方向辐射能量的特性，常用增益来度量)，它是一种非频变天线(天线的阻抗、方向图、增益、驻波比等电特性随频率的对数成周期性变化，即在很宽的频带内基本保持不变，即电特性与频率无关的天线)。为达到以上特性，对数周期天线往往具有周期性结构，即按照固有的比例因子进行放大或缩小，结构始终保持不变，是离散的自相似结构。在离散的频率点上，天线的工作特性保持不变，并且在这些离散频点中间的频带内，也保持了稳定的电特性。对数周期天线具有多种结构形式，其中最为广泛应用的是单向辐射的对数周期天线(也称为端射对数周期天线，最大辐射方向是沿集合线短振子方向的一侧)。它由长短不一的对称振子和连接各个振子的集合线组成，天线从最短振子的一侧馈电，集合线在相邻振子间交叉馈电(即同一侧两根相邻的长度不同的振子分别固定在两条不同的集合线上)，相邻振子长度和相邻振子间的距离都沿着集合线等比例增加。短振子起到了引向器的作用，长振子起到了反射器的作用，这提高了天线的增益。此类天线将电磁能量从长振子端向短振子端辐射，因其天线的波束指向(天线的辐射方向)固定不变，是被广泛应用的定向天线(在特定方向辐射，在其他方向辐射较小)。因其工作原理与结构简单，加工安装方便，对数周期天线的应用遍布各个频段(常用于30MHz～30GHz)，其无论接收还是发射电磁波都表现出良好的性能。凭借以上优点，对数周期天线在军事和民用领域都得到了广泛的应用，包括但不限于通信、测向、电子对抗、电磁测试等。
传统的对数周期天线呈现出优良的宽带端射特性(端射是指最大辐射方向与振子轴方向相当，此处振子轴是集合线)，在工作频段内，它的电路匹配性能良好，辐射性能稳定。但是，这种良好稳定的性能往往是以增大其尺寸为代价的。图1所示是常用对数周期天线的主视图，对数周期天线的最短振子长度Ln决定了天线的最高工作频率，而最长振子长度L1决定了天线的最低工作频率。通常，对数周期天线最长振子的长度L1取最长工作波长的一半及以上，这往往是天线的最大横向尺寸。为了实现宽频段内的阻抗匹配和稳定增益，往往会使用多组振子以实现辐射区内多个频点的响应，多组振子安装在集合线上，直接的后果是使得集合线过长，从而使得对数周期天线的纵向尺寸变长，加工额外的振子也使得制作成本增加。即便如此，天线的匹配性能也不是特别完美，常见对数周期天线产品VSWR驻波比小于3(驻波比越接近1，从馈电端传输至天线的能量损耗越小，天线从馈电端口获得的能量越高)，增益在频带内的波动也较大。此外，馈电的端口在集合线的顶部位置，同轴线外芯略微伸出并与一根集合线相连，内芯焊接至另一根集合线顶部，这也增加了一定的纵向尺寸。在某些体积受限的使用条件下，对数周期天线的最长振子的长度超出了横向尺寸限制，集合线的高度超出了纵向尺寸限制。在甚高频频段(30MHz～300MHz)，对数周期天线的尺寸往往达到数几米，振子的重量也不容忽视。因此有效缩小其尺寸和优化电性能，将利于其进一步的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，使对数周期天线最长的一对管状金属振子进行两段n形弯折处理，弯折处理减小了天线的横向尺寸，采用管状振子减轻了天线的重量；在两根空心长方体金属集合线底部用一个电阻进行短接，实现了宽频段内的良好匹配，也使得振子数目减少，进而减小了其纵向尺寸。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：包括金属集合线1，对称振子序列、金属片4、连接电阻5和同轴馈线6；
所述金属集合线1包括第一金属集合线101和第二金属集合线102，所述第一金属集合线101和第二金属集合线102的底部位置之间通过第一金属片401、连接电阻5和第二金属片402连接，所述第一金属集合线101和第二金属集合线102的顶部位置之间连接有同轴馈线6；
所述振子序列包括多组振子对，多组所述振子对沿所述金属集合线1的长度方向顺序间隔安装在所述金属集合线1上；
多组所述振子对包括一组弯折金属振子对2和六组直金属振子对3；
每组所述振子对均包括有两个金属振子单体，两个所述金属振子单体分别安装在第一金属集合线101和第二金属集合线102上。
一组所述弯折金属振子对2安装在六组所述直金属振子对3下方。
六组所述直金属振子对3的长度及所有相邻振子对之间的距离(此处的距离为各振子圆心之间的纵向长度)按照固定的比例因子进行缩放。
六组所述直金属振子对3的长度沿金属集合线1从下到上的方向依次递减。
所述第一金属集合线101和第二金属集合线102为横截面为矩形的空心长方体管。
所述弯折金属振子对2和直金属振子对3采用空心圆管。
所述弯折金属振子对2和直金属振子对3的直径与金属集合线1的底边边长相等。
所述连接电阻5的两端分别连接有第一金属片401和第二金属片402，所述第一金属片401的另一端连接有第一金属集合线101，所述第二金属片402的另一端连接有第二金属集合线102。
所述弯折金属振子对2的横向尺寸与金属集合线1最底部的直金属振子对3的横向尺寸相当。
集合线的顶部位置高于最后一对振子的位置，在集合线顶部的侧壁上进行同轴馈电，所述同轴馈线6的外芯601略微伸出并与第一金属集合线101相接，所述同轴馈线6的内芯602焊接至第二金属集合线102，所述外芯601和内芯602之间的材料为特氟龙(Telfon)。
本发明具有以下有益效果：本发明使对数周期天线最长的一对管状金属振子进行两段n形弯折处理，弯折处理减小了天线的横向尺寸，采用管状振子减轻了天线的重量；在两根空心长方体金属集合线底部用一个电阻进行短接，实现了宽频段内的良好匹配，也使得振子数目减少，进而减小了其纵向尺寸。
附图说明
图1为现有技术中对数周期天线的结构示意图；
图2为本发明中对数周期天线的结构示意图；
图3为本发明中弯折金属振子对的结构示意图；
图4为本发明中金属集合线底部的结构示意图；
图5为本发明中金属集合线顶部的结构示意图；
图6为本发明实施例3中VSWR随频率的变化图；
图7为本发明实施例3中增益随频率的变化图；
图8为本发明实施例3中50MHz E面方向图；
图9为本发明实施例3中50MHz H面方向图；
图10为本发明实施例3中125MHz E面方向图；
图11为本发明实施例3中125MHz H面方向图；
图12为本发明实施例3中200MHz E面方向图；
图13为本发明实施例3中200MHz H面方向图。
图中所示：金属集合线1、弯折金属振子对2、直金属振子对3、金属片4、连接电阻5、同轴馈线6、第一金属集合线101、第二金属集合线102、第一金属片401、第二金属片402、外芯601、内芯602。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，如图2所示，包括金属集合线1，对称振子序列、金属片4、连接电阻5和同轴馈线6；所述金属集合线1包括第一金属集合线101和第二金属集合线102，所述第一金属集合线101和第二金属集合线102的底部位置之间通过第一金属片401、连接电阻5和第二金属片402连接，所述第一金属集合线101和第二金属集合线102的顶部位置之间连接有同轴馈线6；所述振子序列包括多组振子对，多组所述振子对沿所述金属集合线1的长度方向顺序间隔安装在所述金属集合线1上；多组所述振子对包括一组弯折金属振子对2和六组直金属振子对3；每组所述振子对均包括有两个金属振子单体，两个所述金属振子单体分别安装在第一金属集合线101和第二金属集合线102上。
一组所述弯折金属振子对2安装在六组所述直金属振子对3下方。
六组所述直金属振子对3的长度及所有相邻振子对之间的距离(此处的距离为各振子圆心之间的纵向长度)按照固定的比例因子进行缩放。
六组所述直金属振子对3的长度沿金属集合线1从下到上的方向依次递减。
所述第一金属集合线101和第二金属集合线102为横截面为矩形的空心长方体管。
所述弯折金属振子对2和直金属振子对3采用空心圆管。
所述弯折金属振子对2和直金属振子对3的直径与金属集合线1的底边边长相等。
如图4所示，所述连接电阻5的两端分别连接有第一金属片401和第二金属片402，所述第一金属片401的另一端连接有第一金属集合线101，所述第二金属片402的另一端连接有第二金属集合线102。
所述弯折金属振子对2的横向尺寸与金属集合线1最底部的直金属振子对3的横向尺寸相当。
如图5所示，集合线的顶部位置高于最后一对振子的位置，在集合线顶部的侧壁上进行同轴馈电，所述同轴馈线6的外芯601略微伸出并与第一金属集合线101相接，所述同轴馈线6的内芯602焊接至第二金属集合线102，所述外芯601和内芯602之间的材料为特氟龙(Telfon)。
本发明对传统对数周期天线的最长一对金属振子进行了两段n形弯折处理，使得在不改变低频电特性的情况下，横向尺寸缩小至与第一对直金属振子相当。每对振子都采用管状金属振子，其直径与集合线的底边边长相等，并且都分别固定至两根集合线的中心位置。弯折的管状金属振子与集合线三面相切。第一对至第六对直振子的长度及所有相邻振子之间的距离(此处的距离为各振子圆心之间的纵向长度)按照固定的比例因子进行缩放。各振子与集合线都进行了空心化处理，这减轻了天线的重量，方便天线的安装与拆卸。仅对第一对振子进行弯折也避免了多余的加工工序(对其它振子进行弯折并不会有效减少横向尺寸)。
在两根空心长方体金属集合线的底部，两块矩形金属片分别向集合线的中心位置延伸，在中心位置与一个电阻进行短接。参照传输线理论，此举可对天线的阻抗进行调整，以实现宽频段内的良好匹配。此设计在四倍频(最高频率比最低频率)的带宽内实现了驻波比小于2的匹配性能，从另一个角度来说，因为仅仅使用了七对振子，因而减小了其纵向尺寸，节省了物料。
集合线的顶部位置高于最后一对振子的位置，在集合线顶部的侧壁上进行同轴馈电，同轴线外芯略微伸出并与一个集合线相接，内芯焊接至另一根集合线，内芯外芯之间的材料为特氟龙(Telfon)。
实施例2
本实施例设计了一个工作在50MHz～200MHz的四倍频对数周期天线，下面是它优化后的具体参数。
弯折振子部分：a＝275mm,b＝150.8mm,c＝275mm,d＝338mm,e＝307.5mm,振子直径f＝65mm.
集合线部分：金属片宽度g＝45.5mm,金属片长度h＝65mm,所加电阻的阻值为80欧姆。集合线及管状振子的金属厚度i＝2mm,集合线间距离j＝29mm,馈电端口中心距集合线顶部距离k＝10mm,集合线高度H＝2015mm.
比例因子t＝0.7168,第一根直振子长度L1＝2544.8mm,与弯折振子间的距离(此处的距离为第一根直振子的圆心与弯折振子的圆心之间的纵向长度)d1＝634mm,其余振子长度及其间距离以此类推，L2＝L1*t,d2＝d1*t…
馈线部分：外芯半径为1.5mm,内芯半径为0.4mm,内外芯之间的材料为特氟龙(Telfon)，相对介电常数为2.1，因此特征阻抗为50Ω。
实施例3
利用HFSS进行仿真分析，结果如下：
该对数周期天线实现了四倍频的阻抗带宽(VSWR≤2)，其工作频带覆盖了50MHz～200MHz，在工作频带内具有良好的阻抗匹配特性，如图6所示；增益稳定，在整个工作频带内的平均增益为6.5dBi，如图7所示，125MHz以下增益稳定在6dBi，125Mhz以上增益稳定在7dBi。在整个工作频带内有稳定的辐射方向图，最大辐射方向与集合线短振子一侧一致，前后比高于20dB，极化纯度高，交叉极化电平控制在-20dB以下，具体如图8、9、10、11、12、13所示。
按照如图1所示的传统对数周期天线设计方法，横向尺寸大约为3000mm及以上，振子数目至少为8～9根，纵向尺寸大约为2500mm，经优化所设计出的对数周期天线在带宽内的驻波比VSWR小于3，增益在4.5～7.5dBi之间波动。
本设计中，将最后一对振子经过弯折处理后，天线的最大横向尺寸仅为2490mm，为之前的83％；因为底部短接电阻的作用，匹配性能较之前大幅提升(VSWR在频段内均小于2)，并且使得仅仅使用七对振子便实现了频带内的稳定辐射，纵向尺寸约为2000mm左右，为之前的80％。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：包括金属集合线(1)，对称振子序列、金属片(4)、连接电阻(5)和同轴馈线(6)；
所述金属集合线(1)包括第一金属集合线(101)和第二金属集合线(102)，所述第一金属集合线(101)和第二金属集合线(102)的底部位置之间通过第一金属片(401)、连接电阻(5)和第二金属片(402)连接，所述第一金属集合线(101)和第二金属集合线(102)的顶部位置之间连接有同轴馈线(6)；
所述振子序列包括多组振子对，多组所述振子对沿所述金属集合线(1)的长度方向顺序间隔安装在所述金属集合线(1)上；
多组所述振子对包括一组弯折金属振子对(2)和六组直金属振子对(3)；
每组所述振子对均包括有两个金属振子单体，两个所述金属振子单体分别安装在第一金属集合线(101)和第二金属集合线(102)上。
2.根据权利要求1所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：一组所述弯折金属振子对(2)安装在六组所述直金属振子对(3)下方。
3.根据权利要求1所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：六组所述直金属振子对(3)的长度及所有相邻振子对之间的距离按照固定的比例因子进行缩放。
4.根据权利要求3所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：六组所述直金属振子对(3)的长度沿金属集合线(1)从下到上的方向依次递减。
5.根据权利要求1所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：所述第一金属集合线(101)和第二金属集合线(102)为横截面为矩形的空心长方体管。
6.根据权利要求1所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：所述弯折金属振子对(2)和直金属振子对(3)采用空心圆管。
7.根据权利要求1所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：所述弯折金属振子对(2)和直金属振子对(3)的直径与金属集合线(1)的底边边长相等。
8.根据权利要求1所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：所述连接电阻(5)的两端分别连接有第一金属片(401)和第二金属片(402)，所述第一金属片(401)的另一端连接有第一金属集合线(101)，所述第二金属片(402)的另一端连接有第二金属集合线(102)。
9.根据权利要求1所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：所述弯折金属振子对(2)的横向尺寸与金属集合线(1)最底部的直金属振子对(3)的横向尺寸相当。
10.根据权利要求1所述的一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线，其特征在于：所述同轴馈线(6)的外芯(601)略微伸出并与第一金属集合线(101)相接，所述同轴馈线(6)的内芯(602)焊接至第二金属集合线(102)，所述外芯(601)和内芯(602)之间的材料为特氟龙。
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