基于周期金属超结构的V/UHF频段轻小型高增益天线设计方法与流程

基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线设计方法
技术领域
1.本发明涉及双频段高增益天线设计技术，具体涉及基于周期金属超结构的低频段双频段高增益天线设计方法。


背景技术：

2.在无线对空通信的超短波设备中，通常采用直立天线在全向范围内接收或发射无线电信号，从而可以实现地面与空中飞行器平台的有效通信。但传统的直立天线往往存在体积大、质量重、频带窄、增益低等问题，很难满足无线通信便携化、小型化、质量轻以及宽频带等未来应用需求。为了拓展超短波无线通信天线的工作带宽，2017年唐世荣等人设计了一种阶梯结构、加载辐射体、双弧形金属片围成半管状的开放式结构为套筒的开放式套筒单极子天线，该天线在400mhz～700mhz频带内的驻波比均小于2，其水平方向的增益小于0db(唐世荣，乔玮，高喜，宋浠瑜，电波科学学报，2017，vol.32，no.1，pp.79
‑
83.)。但该天线的相对带宽为54.5％，带宽拓展仍有较大空间。为进一步实现v/uhf频段天线的宽带和高增益，王忍等学者设计出一款变形套筒式天线，天线的驻波比在110
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550mhz范围内均小于3，在110
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250mhz范围内天线增益大于
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3db，在250
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550mhz范围增益大于0db(王忍，张涛，陈伶路，飞机设计，2019，vol.39，no.1，pp.39
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41)。这一天线取得了较好的宽带和高增益效果，但其天线为了实现良好匹配在固定安装位置增加了电容
‑
电感匹配网络(lc匹配网络)，天线的复杂度和整体体积明显增加。作为超材料的重要结构之一，金属周期结构的出现为单极子天线带宽的拓展以及高增益的实现提供了一种新的方法。2020年won bin park等学者将五单元的对称金属结构与单极子天线有机结合(won bin park，son trinh
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van，youngoo yang，kang
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yoon lee，byunggil yu，jinwoo park，hojeong you，and keum cheol hwang，applied sciences，2020，vol.10，pp.1642)，实现了30
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300mhz范围内的良好匹配，同时其增益在
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31.48db至
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2.44db之间。该天线可与应用的载体平台共形，天线辐射方向图具有定向性，同时也具有很好的低剖面特性。从以上研究的内容可以看出，一方面现有的v/uhf频段天线往往是通过增加匹配网络或者通过套筒变形实现天线的宽频带和高增益效果，但这些方法存在增大天线结构、增加天线复杂度等问题；另一方面，金属周期结构的出现为天线宽带、高增益、小型化和便携化的实现提供了新的途径，因此巧妙利用周期金属结构拓展带宽、提高增益，实现双频宽带全向天线的小型化、全向性、轻量化和天线收拢展开一体化设计具有重要的研究意义。


技术实现要素：

3.为了实现宽带、小型化、轻质量和全向辐射的v/uhf频段高增益天线，本发明提供一种基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线，以下简称为“天线”，能够收拢和展开，其特征在于，包括中心杆、卡盘、振子座、加载阻抗匹配器的前向周期金属振子、后向周期金属振子以及馈电连接线；
4.天线收拢后整体呈大致圆柱体形状，展开后整体呈双锥形状；展开后整个单元自上而下看大致依次为：前向周期金属振子、振子座、中心杆、后向周期金属振子、两个卡盘、中心杆内部的馈电连接线；中心杆外部有两个卡盘，用于m1个前向周期金属振子和m2个后向周期金属振子的收拢；其中
5.m1个前向周期金属振子形状和结构相同，每一个振子均为柱状结构，m1个前向周期金属振子均匀布置在振子座顶部端面上靠近该端面外圆周处，m1个前向周期金属振子的中心靠近末端的适当位置加载有阻抗匹配器；m1个前向周期金属振子的另一端具有第一活动连接装置，第一活动连接装置与振子座顶部端面活动连接；当天线展开时，第一活动连接装置能够保证m1个前向周期金属振子从贴服中心杆状态，此时前向周期金属振子与天线轴线平行，绕与振子座顶部端面活动连接点沿轴向转动，直至最终停止在其与天线轴线呈一定角度α处；当天线收拢时，第一活动连接装置能够保证m1个前向周期金属振子从与天线轴线呈一定角度α处，绕与振子座顶部端面活动连接点沿逆轴向转动，直至最终停止于贴服中心杆状态，此时前向周期金属振子与天线轴线平行；天线轴线和中心杆轴线重合；无论展开还是收拢，m1个前向周期金属振子在振子座所在平面的投影均呈中心对称图案，该中心对称图案的对称中心在天线的轴线上；
6.振子座为金属圆盘结构，内部是空心的，套在中心杆顶部，振子座与中心杆固定连接，振子座和中心杆的顶部基本齐平；振子座与前向周期金属振子和后向周期金属振子电连接；
7.中心杆是中空圆柱杆；
8.m2个后向周期金属振子形状和结构相同，每一个振子均为柱状结构，m2个后向周期金属振子均匀布置在振子座底部端面上靠近该端面外圆周处，m2个后向周期金属振子的一端具有第二活动连接装置，第二活动连接装置与振子座底部端面活动连接；该结构的作用是，当天线展开时，铜丝能够保证m2个后向周期金属振子从贴服中心杆状态，此时后向周期金属振子与天线轴线平行，绕与振子座底部端面活动连接点沿俯仰面朝外向转动，直至最终停止在其与天线轴线呈一定角度β处；当天线收拢时，铜丝能够保证m2个后向周期金属振子从与天线轴线呈一定角度β处，绕与振子座底部端面活动连接点沿俯仰面朝内向转动，直至最终停止于贴服中心杆状态，此时后向周期金属振子与天线轴线平行；后向周期金属振子与天线轴线之间所夹锐角为β；
9.卡盘1套在中心杆上，位于中心杆靠近振子座底部端面处；卡盘1具有圆形齿，当天线收拢时，利用圆形齿将m2个后向周期金属振子和m1个前向周期金属振子卡住，固定二者的位置，使其不晃动；
10.天线的中心杆为金属中空圆柱体；
11.馈电连接线位于中心杆内部，馈电连接线的一端和振子座连接，通过振子座为前向周期金属振子和后向周期金属振子提供电流激励；馈电连接线的另一端连接到中心杆的底部。
12.在本发明的一个实施例中，
13.第一活动连接装置为铜丝，第一活动连接装置一头和振子座顶部端面固定连接，另一头和前向周期金属振子的头部固定连接，通过弯折第一活动连接装置达到收放前向周期金属振子的目的；
14.第二活动连接装置一头和振子座底部端面固定连接，另一头和后向周期金属振子的头部固定连接，通过弯折第二活动连接装置达到收放前向周期金属振子的目的。
15.在本发明的另一个实施例中，前向周期金属振子的个数m1取值在4
‑
20范围内；前向周期金属振子的长度a1在50mm
‑
900mm范围内；前向周期金属振子的半径r1在0.5mm
‑
10mm范围内；阻抗匹配器与前向周期金属振子的末端距离b1在10mm
‑
100mm范围内；当天线展开时，前向周期金属振子天线轴线所夹锐角α在5
°‑
85
°
范围内。
16.在本发明的一个具体实施例中，前向周期金属振子的个数m1取值为6；前向周期金属振子的长度a1为330mm；前向周期金属振子的半径r1为4mm；阻抗匹配器与前向周期金属振子的末端距离b1为65mm；当天线展开时，前向周期金属振子天线轴线所夹锐角α为20
°
。
17.在本发明的又一个实施例中，振子座的半径r1在10mm
‑
120mm范围内；振子座的厚度h1在1mm
‑
200mm范围内。
18.在本发明的再一个实施例中，后向周期金属振子的个数m2在4
‑
20范围内；后向周期金属振子长度a2在50mm
‑
900mm范围内；后向周期金属振子半径r2在0.5mm
‑
10mm范围内；后向周期金属振子与天线轴线所夹锐角β在5
°‑
85
°
范围内。
19.在本发明的又一个具体实施例中，后向周期金属振子的个数m2为6；后向周期金属振子长度a2为280mm；后向周期金属振子半径r2为280mm；后向周期金属振子与天线轴线所夹锐角β为20
°
。
20.在本发明的还一个实施例中，卡盘1的厚度h2取值在0.5mm
‑
10mm范围内；卡盘1与振子座的间距l01取值在10mm
‑
400mm范围内；卡盘2与卡盘1结构完全相同，同样是套在中心杆上，位于中心杆中央靠下的位置；卡盘2的厚度h3取值在0.5mm
‑
10mm范围内；卡盘1与卡盘2之间的间距l12取值在20mm
‑
800mm范围内。
21.在本发明的另外一个具体实施例中，中心杆内径r3取值在0.5mm
‑
50mm范围内；外径r4取值在1.0mm
‑
50mm范围内；天线的中心杆长度l取值在30mm
‑
1000mm范围内。
22.在本发明的再一个具体实施例中，中心杆内径r3为4mm；外径r4为5mm；天线的中心杆长度l为680mm；中心杆内外均涂有油漆。
23.本发明的基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线能够实现天线在vhf和uhf两个频段的宽带工作，并通过周期金属超结构引导了天线的电磁波定向辐射，提高了天线的增益，设计的天线在高度集成的通信设备中有重要的应用价值。
附图说明
24.图1示出本发明提出的基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线的示意图；其中图1(a)示出基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线收拢后的示意图，图1(b)示出基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线展开后的示意图；
25.图2示出本发明提出的基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线的驻波曲线和增益曲线；其中图2(a)是天线驻波随频率变化的曲线，图2(b)是天线增益随频率变化的曲线；
26.图3示出本发明提出的基于周期金属超结构的轻小型高增益天线在vhf和uhf频段的e面和h面方向图；其中图3(a)、(b)分别表示的是天线108mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(c)、(d)分别表示的是天线138mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化
曲线，图3(e)、(f)分别表示的是天线174mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(g)、(h)分别表示的是天线225mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(i)、(j)分别表示的是天线312mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(k)、(1)分别表示的是天线400mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线；
27.图4示出本发明提出的基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线加工样品；图4(a)表示的是天线加工样品收拢后的示意图，图4(b)表示的是天线加工样品展开后的示意图；
28.图5(a)表示的是天线样品在108mhz～174mhz频段的驻波测试曲线，图5(b)表示的是天线样品在225mhz～400mhz频段的驻波测试曲线，从图中的测试结果可知，基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线样品在108mhz～174mhz和225mhz～400mhz的驻波均小于3，在这两个频带内天线具有较好的阻抗匹配效果；
29.图6示出本发明提出的轻小型高增益天线样品在100mhz～400mhz频段的增益测试曲线；
30.图7示出本发明提出的轻小型高增益天线样品在100mhz～400mhz频段的不圆度测试曲线。
具体实施方式
31.本发明提出基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线，基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线(以下简称为“天线”)收拢后的立体结构图如图1(a)所示，天线展开后的结构图如图1(b)所示。天线由中心杆、卡盘、振子座、加载阻抗匹配器的前向周期金属振子、后向周期金属振子以及馈电连接线(例如图中示出的bnc
‑
j插头)组成。天线收拢后整体呈大致圆柱体形状，展开后整体呈双锥形状。展开后整个单元自上而下看依次为：前向周期金属振子、振子座、后向周期金属振子、2个卡盘、中心杆、中心杆内部的馈电连接线。中心杆外部有两个卡盘，用于m1个前向周期金属振子和m2个后向周期金属振子的收拢。
32.具体如下：
33.m1个前向周期金属振子形状和结构相同，每一个振子均为柱状结构，m1个前向周期金属振子均匀布置在振子座顶部端面上靠近该端面外圆周处，m1个前向周期金属振子的中心靠近末端(也就是展开后距离振子座结构最远距离的那端)适当位置加载有阻抗匹配器(磨权生，电力系统通信，1995，no.4，pp.35
‑
37)，该结构的作用是拓展天线的工作带宽。m1个前向周期金属振子的另一端具有例如直径0.4mm的铜丝，铜丝与振子座顶部端面活动连接。当天线展开时，铜丝能够保证m1个前向周期金属振子从贴服中心杆状态(此时前向周期金属振子与天线轴线平行)，绕与振子座顶部端面活动连接点沿轴向转动，直至最终停止在其与天线轴线呈一定角度α处；当天线收拢时，铜丝能够保证m1个前向周期金属振子从与天线轴线呈一定角度α处，绕与振子座顶部端面活动连接点沿逆轴向转动，直至最终停止于贴服中心杆状态(此时前向周期金属振子与天线轴线平行)。铜丝一头和振子座顶部端面固定连接，另一头和前向周期金属振子的头部固定连接，通过弯折铜丝就可以达到收放前向周期金属振子的目的。天线轴线和中心杆轴线重合。前向周期金属振子的个数m1取值在4
‑
20范围内，优选值为6。前向周期金属振子的长度a1在50mm
‑
900mm范围内，优选值为330mm；
前向周期金属振子的半径r1在0.5mm
‑
10mm范围内，优选值为4mm。阻抗匹配器与前向周期金属振子的末端距离b1在10mm
‑
100mm范围内，优选值为65mm。当天线展开时，前向周期金属振子天线轴线所夹锐角α在5
°‑
85
°
范围内，优选值为20
°
。无论展开还是收拢，m1个前向周期金属振子在振子座所在平面的投影均呈中心对称图案，该中心对称图案的对称中心在天线的轴线上。
34.振子座为金属圆盘结构，内部是空心的，套在中心杆顶部，振子座与中心杆固定连接，振子座和中心杆的顶部基本齐平，其半径r1在10mm
‑
120mm范围内，优选值为32mm；振子座的厚度h1在1mm
‑
200mm范围内，优选值为10mm；振子座材质为金属铜。振子座与前向周期金属振子和后向周期金属振子电连接。
35.中心杆是中空圆柱杆。在本发明的一个具体实施例中，中心杆是铜制金属杆，内外镀绝缘漆，只是中空圆柱，没有打孔。
36.m2个后向周期金属振子形状和结构相同，每一个振子均为柱状结构，m2个后向周期金属振子均匀布置在振子座底部端面上靠近该端面外圆周处，m2个后向周期金属振子的一端具有例如直径0.4mm的铜丝，铜丝与振子座底部端面活动连接。该结构的作用是，当天线展开时，铜丝能够保证m2个后向周期金属振子从贴服中心杆状态(此时后向周期金属振子与天线轴线平行)，绕与振子座底部端面活动连接点沿俯仰面朝外向转动，直至最终停止在其与天线轴线呈一定角度β处；当天线收拢时，铜丝能够保证m2个后向周期金属振子从与天线轴线呈一定角度β处，绕与振子座底部端面活动连接点沿俯仰面朝内向转动，直至最终停止于贴服中心杆状态(此时后向周期金属振子与天线轴线平行)。后向周期金属振子的个数m2在4
‑
20范围内，优选值为6。后向周期金属振子长度a2在50mm
‑
900mm范围内，优选值为280mm；后向周期金属振子半径r2在0.5mm
‑
10mm范围内，优选值为280mm。后向周期金属振子与天线轴线所夹锐角β在5
°‑
85
°
范围内，优选值为20
°
。铜丝一头和振子座底部端面固定连接，另一头和后向周期金属振子的头部固定连接，通过弯折铜丝就可以达到收放前向周期金属振子的目的。
37.卡盘1为类似齿轮状结构，套在中心杆上，位于中心杆靠近振子座底部端面处。卡盘1具有圆形齿，当天线收拢时，利用圆形齿将m2个后向周期金属振子和m1个前向周期金属振子卡住，固定二者的位置，使其不晃动。卡盘1的厚度(沿天线轴线方向的长度)h2取值在0.5mm
‑
10mm范围内，优选值为1mm。卡盘1与振子座的间距l01取值在10mm
‑
400mm范围内，优选值为90mm。卡盘2与卡盘1结构完全相同，同样是套在中心杆上，位于中心杆中央靠下的位置。其作用与卡盘1相同，不再累述。卡盘2的厚度h3取值在0.5mm
‑
10mm范围内，优选值为1mm。卡盘1与卡盘2之间的间距l12取值在20mm
‑
800mm范围内，优选值为90mm。
38.天线的中心杆为金属中空圆柱体。中心杆内径r3取值在0.5mm
‑
50mm范围内，优选值为4mm；外径r4取值在1.0mm
‑
50mm范围内，优选值为5mm；天线的中心杆长度l取值在30mm
‑
1000mm范围内，优选值为680mm。一般中心杆内外均涂有油漆。
39.馈电连接线位于中心杆内部，馈电连接线的一端和振子座连接，通过振子座为前向周期金属振子和后向周期金属振子提供电流激励；馈电连接线的另一端连接到中心杆的底部，在本发明的一个实施例中，馈电连接线底部留有bnc
‑
j插头。在本发明的一个实施例中，馈电连接线选取syv50
‑
5射频同轴连接线。
40.对上述基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线进行仿真设计与优
化，图1(a)示出基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线收拢后的示意图，图1(b)示出基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线展开后的示意图。其中天线展开后的前向振子和后向振子主要是基于周期金属超结构引导了电磁波定向辐射的原理，提高天线的增益，同时前向周期金属振子上的阻抗匹配器更易于拓展天线的工作带宽。仿真软件采用hfss 2017。图2(a)是天线驻波随频率变化的曲线，图2(b)是天线增益随频率变化的曲线。从图中的仿真结果可以看出，天线在108～174mhz和225～400mhz两个频段的天线驻波均小于3；说明天线在这两个频段范围均具有良好的阻抗匹配效果。同时天线在108～174mhz频段的增益均大于
‑
3dbi，天线在225～400mhz频段的增益均大于
‑
1dbi。
41.图3(a)、(b)分别表示的是天线108mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(c)、(d)分别表示的是天线138mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(e)、(f)分别表示的是天线174mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(g)、(h)分别表示的是天线225mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(i)、(j)分别表示的是天线312mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线，图3(k)、(l)分别表示的是天线400mhz的e面和h面方向图主极化与交叉极化曲线。从图中结果可知：天线在108mhz、138mhz和174mhz的e面方向图均为全向辐射，而h面方向图均为倒“8”字形状的辐射，同时天线的交叉极化非常低，均小于
‑
40db。天线在vhf的108mhz、138mhz和174mhz的e面方向图均为全向辐射，而h面方向图均为倒“8”字形状的辐射，同时天线的交叉极化非常低，均小于
‑
40db。天线在uhf的225mhz、312mhz和400mhz的e面方向图均为全向辐射，而h面方向图均为倒“8”字形状的辐射，天线的交叉极化低，均小于
‑
30db。
42.图4(a)表示的是本发明提出的基于周期金属超结构的v/uhf频段轻小型高增益天线加工样品收拢后的示意图，图4(b)表示的是天线加工样品展开后的示意图。
43.图5(a)表示天线样品在108mhz～174mhz频段的驻波测试曲线，图5(b)表示的是天线样品在225mhz～400mhz频段的驻波测试曲线；从图中的测试曲线可知：天线样品在110mhz～174mhz和225mhz～400mhz频段的驻波都小于3，在108mhz～110mhz天线样品的驻波略微大于3，天线的测试结果略微差于仿真结果，天线样品在vhf频段的驻波相对带宽为46.8％，在uhf频段的驻波相对带宽为56％。
44.图6示出本发明提出的轻小型高增益天线样品在100mhz～400mhz频段的增益测试曲线，由图中的测试曲线可知：天线样件在100mhz～400mhz范围内的增益均大于
‑
7dbi，在225mhz～400mhz频段的增益均大于
‑
1dbi，测试结果略微比测试结果差，主要是由于100mhz的驻波效果本身差一些。
45.图7示出本发明提出的轻小型高增益天线样品在100mhz～400mhz频段的不圆度测试曲线，由图可知天线样件在100mhz～400mhz频段的不圆度均在3.5db以内，在108mhz～400mhz范围内的天线不圆度均测试结果均在3db以内，说明天线在主辐射方向具有优异的全向辐射效果。