一种宽波束宽带双极化的双层磁电偶极子天线的制作方法

1.本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种宽波束宽带双极化的双层磁电偶极子天线。


背景技术：

2.微波射频技术的迅猛发展，使得移动通信、军事雷达和电子对抗等众多无线电系统的数量与日俱增，频谱资源也随之日趋紧张。为了在复杂的电磁环境中保证电子侦察、雷达探测等系统的准确性，需要天线具有较宽的波束宽度，并且为了保证通信系统的有效性及可靠性，常常也需要天线具有宽波束性能。
3.常规的磁电偶极子天线在e面和h面上的hpbw为70
°
左右，当磁电偶极子天线的反射地为金属腔时其辐射方向图的hpbw会更窄(一般在45
°
左右)。因此，对于需要辐射范围为大角度覆盖的应用场景，常规的磁电偶极子波束宽度远远不够，天线设计者们针对应用需求，对宽波束天线进行了大量的设计研究。
4.现有技术提出了一种h面宽波束双线极化磁电偶极子天线，由两个改进的γ型馈电结构、四个v形结构、两对折叠电偶极子、四个垂直短路贴片及一个反射地组成，该天线通过折叠电偶极子壁与地面边缘固定的四个垂直壁引入额外的等效磁偶极子来拓宽了天线h面的波束宽度，该磁电偶极子天线在66.7％(vswr《1.5)的阻抗带宽内，两个极化面的h面hpbw最大分别为214.03
°
及212.16
°
。
5.现有技术中还提出了一种宽波束磁电偶极子天线，该磁电偶极子天线通过将地平面中间部分向上折叠并将垂直短路贴片和水平贴片分成三个部分对天线h面波束宽度进行了展宽，该宽波束磁电偶极子天线能够在vswr《2的41％的阻抗带宽内，实现h面的hpbw稳定在120
°
左右，具有良好的辐射特性，对称的单向辐射方向图、低交叉极化及低后瓣辐射。
6.综上，已有的磁电偶极子天线宽波束设计，在宽波束设计时大多仅对一个面的波束宽度进行了展宽。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种宽波束宽带双极化的双层磁电偶极子天线解决了常规磁电偶极子天线波束宽度较窄，对于需要辐射范围为大角度覆盖的应用场景较为受限的问题。
8.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种宽波束宽带双极化的双层磁电偶极子天线，包括：双层电偶极子、磁偶极子、馈电结构以及异形反射腔；
9.所述磁偶极子的上端与所述双层电偶极子连接，所述磁偶极子的下端与所述异形反射腔连接；所述馈电结构为一对正交放置的渐变式γ型金属条进行耦合馈电。
10.本发明的有益效果是：本发明使用异形反射腔结构对天线波束宽度进行展宽，使得其波束覆盖范围增大；本发明采用双层电偶极子结构使得天线在高低频段具有不同的工作模式，且高频段较低频段多了一个工作模式，拓宽天线工作带宽，解决了常规磁电偶极子
天线波束宽度较窄，对于需要辐射范围为大角度覆盖的应用场景较为受限的问题。
11.进一步地，所述双层电偶极子为双层结构，所述双层电偶极子包括上层大振子和下层小振子，其中，所述上层大振子为折叠空心结构。
12.上述进一步方案的有益效果是：本发明通过使用双层振子，与传统磁电偶极子天线相比，双层振子结构在高频工作频带引入了一个新的谐振模式，从而获得更宽的天线带宽，将上层大振子进行了折叠，增加了天线波束宽度，并且上层大振子为空心结构以减少对下层小振子的电磁遮挡。
13.再进一步地，所述磁偶极子为一对垂直矩形短路贴片，所述垂直矩形短路贴片的上端与所述双层电偶极子连接，所述垂直矩形短路贴片的下端与所述异形反射腔连接。
14.再进一步地，所述上层大振子边缘处设有矩形槽，所述上层大振子和所述垂直矩形短路贴片的连接处设有两个切口，所述下层小振子与所述垂直矩形短路贴片的切口边缘处连接。
15.上述进一步方案的有益效果是：本发明在大振子边缘与垂直矩形短路贴片连接处开切口能够使得下层小振子更好地被馈电结构所激励，并且上层大振子不会遮挡下层小振子的辐射。
16.再进一步地，所述异形反射腔为双腔式圆形腔，在所述异形反射腔外沿边缘部分沿着上层大振子和下层小振子之间的空隙对称设有四个向内折叠的扇环形结构，且在所述异形反射腔的内腔上设置有突起锯齿。
17.上述进一步方案的有益效果是：本发明使用的异形反射腔较规则圆腔来说，能够使其在异形反射腔处形成二次辐射，从而扩展天线的波束宽度，并且异形反射腔设置的向内折叠的扇形结构减小了天线辐射口径，同样也拓展了天线的波束宽度。
18.再进一步地，所述双层磁电偶极子天线使用两个sma同轴连接器进行馈电，所述sma同轴连接器的内导体与渐变式γ型金属条的馈电底端连接，所述sma同轴连接器的外导体与异形反射腔连接。
附图说明
19.图1为天线3d结构图。
20.图2为天线侧视图。
21.图3为天线俯视图。
22.图4为渐变馈电结构。
23.图5为异形反射腔。
24.图6为天线实物图。
25.图7为仿真与实测的驻波比曲线图。
26.图8为仿真与实测的隔离度。
27.图9为天线在不同频点处仿真与实测归一化e面辐射方向图。
28.图10天线在不同频点处仿真与实测归一化h面辐射方向图。
29.其中，1-双层电偶极子，2-磁偶极子，3-馈电结构，4-异形反射腔，5-双层电偶极子的侧面结构，6-上层大振子和垂直矩形短路贴片连接处的两个切口。
具体实施方式
30.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
31.如图1所示，本发明提供了一种宽波束宽带双极化的双层磁电偶极子天线，包括：双层电偶极子1、磁偶极子2、馈电结构3以及异形反射腔4；
32.所述磁偶极子2的上端与所述双层电偶极子1连接，所述磁偶极子2的下端与所述异形反射腔4连接；所述馈电结构3为一对正交放置的渐变式γ型金属条进行耦合馈电。所述双层电偶极子1为双层结构，所述双层电偶极子1包括上层大振子和下层小振子，其中，所述上层大振子为折叠空心结构。所述磁偶极子2为一对垂直矩形短路贴片，所述垂直矩形短路贴片的上端与所述双层电偶极子1连接，所述垂直矩形短路贴片的下端与所述异形反射腔4连接。所述上层大振子边缘处设有矩形槽，所述上层大振子和所述垂直矩形短路贴片的连接处设有两个切口，所述下层小振子与所述垂直矩形短路贴片的切口边缘处连接。所述异形反射腔4为双腔式圆形腔，在所述异形反射腔4外沿边缘部分沿着上层大振子和下层小振子之间的空隙对称设有四个向内折叠的扇环形结构，且在异形反射腔的内腔上设置有突起锯齿。所述双层磁电偶极子天线使用两个sma同轴连接器进行馈电，所述sma同轴连接器的内导体与渐变式γ型金属条的馈电底端连接，所述sma同轴连接器的外导体与异形反射腔4连接。其中，如图2-图5所示，双层磁电偶极子天线的各参数如下：
33.所述双层电偶极子1中上层大振子的高度h1为19mm；
34.所述双层电偶极子1中下层小振子的高度h2为15mm；
35.所述异形反射腔4的外腔高度ho为14mm；
36.所述异形反射腔4的内腔高度hi为19mm；
37.所述异形反射腔4的外腔直径do为86mm；
38.所述异形反射腔4的内腔直径di为61.6mm；
39.所述异形反射腔4中内腔上开口圆环的角度θ1为40
°
；
40.所述异形反射腔4中内腔上突起锯齿间隔的角度θ2为6
°
；
41.所述异形反射腔4中内腔上开口圆环的高度hs为10mm；
42.所述双层电偶极子1中上层大振子的长度l1为19mm；
43.所述双层电偶极子1中下层小振子的长度l2为7.7mm；
44.所述双层电偶极子1中上层大振子切口长度l3为10mm；
45.所述垂直矩形短路贴片的切口高度h3为3mm；
46.所述异形反射腔4向内折叠的扇环结构离中心原点的距离ly为28mm；
47.所述馈电结构3的高度hf为16mm；
48.所述馈电结构3的长度lf为12mm；
49.所述馈电结构3的宽度wf为4mm。
50.在本发明的一个实施例中，对双层磁电偶极子天线的上层大振子结构和规则腔进行了改良和创新设计，最终实现了宽波束性能。如图1所示，图1给出了宽波束设计后的磁电偶极子天线的具体结构，其中，图1为天线的3d结构图，图2和图3分别为天线的侧视图和俯
视图，图2为双层电偶极子的侧面结构5。该双层磁电偶极子天线包括由双层电偶极子1、磁偶极子2、馈电结构3及异形反射腔4，且在双层电偶极子1的上层大振子和磁偶极子2的连接处开有两个切口，即，上层大振子和垂直矩形短路贴片连接处的两个切口6，下层小振子连接到垂直矩形短路贴片切口边缘。本发明中双层电偶极子1设计为包含上层大振子和下层小振子的双层结构，并且上层大振子为空心结构以减少对下层小振子的电磁遮挡。与传统磁电偶极子天线相比，双层振子结构在高频工作频带引入了一个新的谐振模式，从而获得更宽的天线带宽，为了增加天线波束宽度，将上层大振子进行了折叠。磁偶极子2则为两对垂直矩形短路贴片，其上端与双层电偶极子1相连，下端与反射腔3相连；双层磁电偶极子天线的馈电结构3则使用一对正交放置的渐变式γ型金属条进行耦合馈电。双层磁电偶极子天线使用两个50ωsma同轴连接器对双层磁电偶极子天线进行馈电，sma同轴连接器的内导体与渐变式γ型金属条的馈电底端相连，sma同轴连接器的外导体与异形射腔4相连，宽波束双层磁电偶极子天线的馈电结构3如图4所示。异形反射腔4为双腔式的圆形腔，在外腔边缘部分沿着振子之间的空隙对称地设置了四个向内折叠的扇环形结构，且在异形反射腔的内腔上设置有突起锯齿。
51.在本发明的一个实施例中，对设计的宽波束天线进行了加工实测，采用机械精加工的方式进行加工制作，天线整体均采用铝合金材料进行加工，在天线底部使用聚四氟乙烯对天线辐射结构及馈电部分进行支撑固定，天线底部使用两个sma同轴连接器进行馈电。天线组装后的实物如图5所示。
52.在本发明的一个实施例中，使用矢量网络分析仪对天线两个端口驻波比及隔离度进行测量，天线两个端口仿真与实测的驻波比曲线如图6所示，从图中可以看出，仿真与实测的驻波比曲线在高频段略微向低频方向有所偏移，且谐振深度有所变化，在4.5、8、9ghz附近vswr有略微大于2，其余频点吻合良好，仿真与实测的差距在可接受范围内。图7给出了天线两个端口仿真与实测隔离度曲线对比，实测曲线在高频段较仿真曲线有所偏移，在低频段实测隔离度曲线波动较大。上述误差可能来源于天线结构过于紧凑，辐射结构与异形腔距离较近，加工精度对天线的测试结果影响较大，天线辐射结构与腔体连接为镶嵌式，可能会导致接触不良，导致测试结果有误差。两个端口的实测平均阻抗带宽为128％(2.32-10.57ghz)(vswr《2)，在工作带宽内，天线两个端口隔离度大于15db。
53.在本发明的一个实施例中，使用微波暗室对设计的宽波束磁电偶极子天线的两个端口辐射方向图分别进行了测试。图8及图9分别给出了天线两个端口e面及h面归一化辐射方向图的仿真与实测对比，图8中，(a)(b)(c)为端口一仿真实测结果，(d)(e)(f)为端口二仿真实测结果，图9中，(a)(b)(c)为端口一仿真实测结果，(d)(e)(f)为端口二仿真实测结果，从图中可以看出，天线在典型频点处仿真与实测结果基本一致，在天线宽波束设计频带内，天线方向图在e面及h面的波束宽度较宽，e面辐射方向图在相对带宽为64.9％(2.5-4.9ghz)的频带内实现了良好的宽波束性能，h面辐射方向图在相对带宽为32.6％(4.1-5.7ghz)的频带内实现了良好的宽波束性能。
54.在本发明的一个实施例中，使用双层振子结构拓宽了天线的工作带宽，使其具有128％的阻抗带宽(vswr《2)，使用双腔式异形腔及折叠振子结构展宽了天线e面及h面的波束宽度，能够分别在64.9％(2.5-4.9ghz)及32.6％(4.1-5.7ghz)频带内实现良好的宽波束性能。