一种可安装在金属圆柱体表面的宽带横电磁喇叭天线

1.本发明涉及一种可安装在金属圆柱体表面的宽带横电磁喇叭天线，属于宽带天线技术领域。


背景技术：

2.根据系统和应用的不同，可以将超宽带天线分为三类：第一种是全频段天线，这类天线的带宽很宽经常用于探地雷达(grrs)、天线方向图测试、电磁兼容(emc)等等。其设计目标为尽可能覆盖多的频段；第二种是多窄带天线，该天线被设计为扫描天线或是智能天线，用于接收和检测某个宽频带内窄带信号，其设计目标也是覆盖多的频段，只是在任意时间内，只使用很小的一段频带；第三种是现代超宽带天线，工作于fcc所划定的3.1ghz～10.6ghz的通信频段其应用在超宽带(uwb)通信系统中。超宽带(uwb)技术是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在10m以内，使用1ghz以上带宽。uwb不采用载波，而是利用短脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。
3.uwb技术具有以下特点：很好的共存性，因为其发射功率很小，设备间的干扰较小，因此可以共享频率；高速的传输速率，因为uwb通信系统很宽，所以其传输速率超过目前传统的传输技术的传输速率；较强的抗干扰性，因为uwb系统进行传输时，能量分布在较宽的频带里，其相较于窄带系统可以更准确的恢复发射的信号，抗干扰性更强。
4.在uwb系统中，超宽带天线是一个重要组成部分。常用的超宽带天线包括：单极子天线、对数周期天线、宽带喇叭天线等等。而uwb系统中存在将天线放置在金属表面的场景，将宽带天线放置在金属柱体表面时，由于天线和金属柱体之间的耦合会导致天线的驻波和方向图性能会恶化。在此场景下可以使用宽带喇叭天线，但其带宽一般不会超过10：1；可以使用单极子天线，但其方向图在高频段会出现杂乱的特点；也可以使用表面波天线，但其带宽很难超过5：1。因此在此场景下，设计出带宽超过10：1的天线并保持其在带宽内具有稳定的辐射方向图是一个需要解决的问题。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明的目的是克服现有技术的存在天线的带宽较窄和方向图畸变问题，提供一种可以安装在金属柱体表面的横电磁喇叭天线的设计方法，使其在具有宽频带工作的同时，保持良好的辐射方向图、简单的结构，提高天线的实用性。
6.技术方案：为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。
7.一种可安装在金属圆柱体表面的宽带横电磁喇叭天线，其特征在于，包括一个金属圆柱载体和安装在圆柱表面的四个横电磁喇叭天线，这四个天线结构完全一致并且独立工作。横电磁喇叭天线和圆柱体通过两个尼龙隔离柱和横电磁喇叭天线的倒l型接地线进行紧固连接。
8.进一步地，本发明的每个横电磁喇叭天线包括辐射结构、脊结构、同轴探针和倒l型接地线。辐射结构用于宽带辐射能量，脊结构用于保护高频能量的传输拓展天线的工作
带宽，倒l型接地线用于天线结构和金属圆柱载体的连接。同轴探针穿过脊结构和渐变结构连接，用于天线馈电。辐射结构由渐变曲线和上盖板组成。
9.进一步地，倒l型接地线的底部安装有螺纹孔，用于和金属圆柱形载体进行紧固安装。
10.进一步地，金属圆柱形的载体安装有16个螺纹孔，用于固定8个尼龙隔离柱，4个同轴连接器。
11.进一步地，每个横电磁喇叭天线的倒l形结构上都有三个螺纹孔，用于和金属圆柱形的载体进行连接。
12.本发明提供的可安装在金属柱体表面的宽带横电磁喇叭天线的性能指标如下：
13.频带：1ghz～16ghz；极化方式：线极化；辐射方向：定向；电压驻波比：2(1ghz～16ghz)；天线增益：4dbi～11dbi；标称阻抗：50ω。
14.有益效果：相比于现有技术，本发明提供的天线在安置在金属圆柱表面的情况下工作频段宽，方向性好，便于安置，可用于uwb通信系统、emc测试与无线电频谱检测领域；脊结构和天线的辐射结构形成一个传输线结构，电磁波沿着此双线系统往前传播，使得天线的带宽得到显著的提升；辐射结构由而金属渐变曲线和上盖板组成，在电磁波经过此渐变结构时能量就可顺利进行辐射完成天线的辐射功能，上盖板可以降低天线的低频工作点因为电流路径增加并且低频电磁波被传导至上盖板进行辐射。实验结果表明本发明的天线可以在1ghz到16ghz满足驻波小于2，在工作频带内天线具有良好的方向图并且具有简单的结构很好地克服宽带天线安装在金属柱体表面存在的带宽缩减和方向图畸变问题。
附图说明
15.图1为本发明的结构的装配示意图。
16.图2为本发明的结构的俯视图。
17.图3为本发明的天线结构图。
18.图4为本发明的天线加工模型图。
19.图5为本发明的天线驻波测试和仿真对比图。
20.图6为本发明的天线耦合测试和仿真对比图。
21.图7为本发明的天线增益测试和仿真对比图。
22.图8为本发明的天线在1ghz处e面和h面的测试和仿真的增益方向图。
23.图9为本发明的天线在4ghz处e面和h面的测试和仿真的增益方向图。
24.图10为本发明的天线在8ghz处e面和h面的测试和仿真的增益方向图。
25.图11为本发明的天线在12ghz处e面和h面的测试和仿真的增益方向图。
26.图12为本发明的天线在16ghz处e面和h面的测试和仿真的增益方向图。
27.附图标记：1为载体的金属圆柱柱体，2为横电磁喇叭天线a，3为横电磁喇叭天线b，4为横电磁喇叭天线c，5为横电磁喇叭天线d，6为尼龙隔离柱，7为加强筋a，8为加强筋b，9为同轴探针a，10为同轴探针b，11为同轴探针c，12为同轴探针d，13为倒l形接地结构，14为横电磁喇叭天线的辐射部分，15为脊，16为安装使用的螺钉，17为金属渐变曲线，18为上盖板。
具体实施方式
28.下面结合附图具体和实施例，对本发明做进一步的说明。
29.图1为发明的结构装配图，图2为发明的结构的俯视图。具体地，模型包括：安装载体为金属圆柱柱体1，横电磁喇叭天线a 2、横电磁喇叭天线b 3，横电磁喇叭天线c 4，横电磁喇叭天线d 5，同轴探针a 9，同轴探针b10，同轴探针c11和同轴探针d12。天线通过尼龙隔离柱6和螺钉16和金属圆柱柱体1紧固连接，同轴探针穿过脊15结构和横电磁喇叭天线的辐射部分14连接。四个天线对称的摆放在载体上，每两个天线的间距都是一样的。确定了一个天线安装位置以后，可以通过围绕圆柱面的中心点旋转第一个天线90度，180度，270度确定其他三个天线的位置。
30.具体地，在金属圆柱柱体1内带有加强筋a 7和加强筋b 8用来增强金属圆柱柱体1的结构强度，在实际应用如果金属圆柱1具有足够的强度这两个结构可以根据需要去掉。金属圆柱1表面安装有16个螺纹孔，用于安装尼龙隔离柱6和同轴连接器。
31.图3为横电磁喇叭的细节图，横电磁喇叭结构由倒l形接地结构13、辐射部分14和脊15构成。天线工作原理如下：同轴探针9穿过脊结构15，其中同轴探针9和横电磁喇叭天线的辐射部分14连接。此时脊结构15和天线的辐射结构14形成一个传输线结构，电磁波沿着此双线系统往前传播。辐射结构14主要由而金属渐变曲线17和上盖板18组成。金属渐变曲线17包含有一段渐变曲线该曲线可以设置为多次曲线，指数曲线等等，在电磁波经过此渐变结构17时能量就可顺利进行辐射完成天线的辐射功能。辐射结构14还包含一个上盖板18，此结构可以降低天线的低频工作点因为电流路径增加并且低频电磁波被传导至上盖板18进行辐射，上盖板18的外形为一次曲线。横电磁喇叭天线还包含一个倒l形结构13用于和金属圆柱柱体1进行连接。
32.在进行加工前，为了验证天线的性能首先采用了cst全波仿真软件对天线的驻波和辐射性能进行了仿真，达到预期后进行了天线的加工。
33.图4为天线加工的实物图，首先测试了天线的驻波性能，图5给出了天线测试的驻波和仿真的驻波曲线。从图中可以看出仿真和测试结构较为一致，天线驻波在1ghz到16ghz满足驻波小于2。图6测试了天线之间的耦合，在1ghz到3ghz耦合大小在-20db和-30db之间，大于3ghz时耦合小于-30db，在天线工作的频带天线耦合较小。
34.图7给出了天线实测的增益和仿真增益的变化曲线，可以看出加工的天线增益变化曲线和仿真较为一致，但在5ghz到19ghz小于仿真天线。这可能由于天线表面电阻较大，加工误差，安装误差和测试系统误差所引起的。
35.图8、图9、图10、图11和图12给出了天线在1ghz、4ghz、8ghz、12ghz和16ghz处的增益方向图的测试结果和仿真结果的对比。方向图的外形测试和仿真较为一致。可以观察到e面的方向图有一点朝上不具备对称性而h面的方向图比较对称。主要的原因在于天线的对称性，在h面上天线结构是对称的而e面上由于金属圆柱柱体1的存在天线的对称性被破坏导致e面辐射方向图不对称。
36.本发明针对宽带天线安装在金属柱体表面上性能恶化的问题，提出了一种在可在金属柱体表面安装的宽带横电磁喇叭天线。在一个金属圆柱柱体上安装了四个横电磁喇叭线，利用仿真软件cst和实物加工等方式对天线的性能进行了验证。实验结果表明设计的天线可以在1ghz到16ghz满足驻波小于2，在工作频带内天线具有良好的方向图并且具有简单
的结构很好地克服宽带天线安装在金属柱体表面存在的带宽缩减和方向图畸变问题。在可用于uwb通信系统、emc测试与无线电频谱检测领域具有一定的应用价值。