一种可波束赋形的盘锥通信天线
阅读说明：本技术 一种可波束赋形的盘锥通信天线 (Disc cone communication antenna capable of beam forming ) 是由 吴聿轩 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可波束赋形的盘锥通信天线,包括通过外部接口接收电磁波的呈同轴线结构的馈电巴伦,呈圆锥形状的且小端与馈电巴伦输出端的内导体相连接的天线辐射器,与馈电巴伦输出端的外导体相连接的呈圆盘形状的天线反射腔,以及连接于天线辐射器大端边缘和天线反射腔之间的呈弧形状的天线定向辐射器,其中,所述天线定向辐射器的弧形状曲面与天线辐射器大端边缘的曲率相匹配。本发明实现了一个天线覆盖L、S、C波段,具有超宽带特点,解决了现有通信技术中分频段、多天线的缺点,并采用了波束赋形技术使其波束宽度可以根据技术要求而作相应的参数优化达到相应宽波束的要求。(The invention discloses a disk cone communication antenna capable of beam forming, which comprises a feed balun, an antenna radiator, an antenna reflection cavity and an arc-shaped antenna directional radiator, wherein the feed balun is of a coaxial line structure and receives electromagnetic waves through an external interface, the antenna radiator is of a conical shape, the small end of the antenna radiator is connected with an inner conductor of an output end of the feed balun, the antenna reflection cavity is connected with an outer conductor of the output end of the feed balun, the antenna directional radiator is connected between the edge of the large end of the antenna radiator and the antenna reflection cavity and is of an arc shape, and the arc-shaped curved surface of the antenna directional radiator is matched with the curvature of the edge of the large end of the antenna radiator. The invention realizes that one antenna covers L, S, C wave bands, has the characteristic of ultra wide band, solves the defects of frequency division bands and multiple antennas in the prior communication technology, and adopts the beam forming technology to ensure that the beam width can be optimized according to corresponding parameters according to the technical requirements to meet the requirements of corresponding wide beams.)
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，具体地讲，是涉及一种可波束赋形的盘锥通信天线。
背景技术
随着国内经济的快速、持续发展，改革开放以来，通信产业发生了巨大变化，这是众所周知的。通信技术和经济效益的推进，使得通信产业成为国内最大产业之一，为了适应这一新兴产业的发展，国家也在通信领域进行了重大机构改革。随着通信本身向信息经济的发展，信息实际上是现代经济的生命线。因此，通信已成为商业和工业甚至农业等其他行业持续发展的关键因素。在通信这一领域内，移动通信的发展更加耀眼夺目，人们已不满足在固定场所处理信息流。在外出旅游、度假、访问等途中也需要通信，因此移动通信有了契机，它将被工程师们完善地开发并成功地发展。国内最大的GSM蜂窝移动网的用户已逾两千万；为了实现村村通电话这一宏伟目标，无线接入系统蓬勃发展，为农村，尤其是偏远村庄的经济发展提供了信息保障。移动通信的新技术、新器件令人耳目一新，对天线设计师也提出了前所未有的要求。因此天线设计师们必须研制小型乃至电子天线以适应现代技术。然而，对于天线设计师，不能停留在这种意义上的设计，还有更高的要求，先进的天线设计能使天线产生另外的系统功能，如分集接收能力，降低多路径衰落，或极化特性的选择功能等。尤其移动天线设计不再局限于在一个轮廓分明的平坦基面上实现小型化、轻重量、薄剖面的全向天线，而是建立一个复杂的电磁结构，使其在无线信道中发挥重要作用，并成为系统设计的有机部分，涉及传播特性、本地环境条件、系统组成和性能、信噪比、带宽特性、天线本身的机械结构、制作技术的适应性以及使用安装的方便性等。移动系统本身的种类对天线设计影响也很大，陆地、海面、天空和卫星系统之间就有很大不同。
为适应现代通信设备的需求，天线的研发主要朝几个方面进行，即减少天线尺寸、扩展带宽和多波段工作、提高天线增益等方面。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也越来越小，这时就需要天线减少自身尺寸。然而，在不明显影响天线的增益和效率的同时减少天线的尺寸却是一项艰巨的工作，电子设备集成度提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线频段服务，带宽和多波段天线能满足这样的需求。
因此，通信天线的小型化、多波段、高增益的实现是通信设备发展中一个关键的技术和难点，从国内外文献中来分析，目前通信天线还很难同时具备多波段、小型化、高增益的要求，着严重制约着通信设备的集成度的发展。
现有技术的缺陷和不足：
1、现有通信天线无法同时兼具小型化、多波段和高增益的要求；
2、传统盘锥形式的天线高度较高，无法适应目前电子设备集成度提高对设备体积的高要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种实现较高控制精度的可波束赋形的盘锥通信天线。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可波束赋形的盘锥通信天线，包括通过外部接口接收电磁波的呈同轴线结构的馈电巴伦，呈圆锥形状的且小端与馈电巴伦输出端的内导体相连接的天线辐射器，与馈电巴伦输出端的外导体相连接的呈圆盘形状的天线反射腔，以及连接于天线辐射器大端边缘和天线反射腔之间的呈弧形状的天线定向辐射器，其中，所述天线定向辐射器的弧形状曲面与天线辐射器大端边缘的曲率相匹配，电磁波在天线辐射器表面形成电流，和天线反射腔共同作用形成电磁场分布，并通过天线定向辐射器对天线电磁场分布进行调整，实现对天线波束赋形的功能，完成电磁波的辐射。
具体地，所述馈电巴伦采用过模激励模式传输TEM模，在所述天线辐射器末端激励起高次模，产生反射波，使天线激励状态处于TEM模和高次模的混合状态，TEM基模和高次模的叠加，导致了辐射场对方位角的依赖性，场的极化在垂直方向。
进一步地，所述天线反射腔上配置有多个同心的扼流环。
具体地，所述扼流环的高度H2配置为0.1*λmax≤H2≤0.25*λmax，其中λmax为天线工作频段内最大波长；所述扼流环的直径用于阻挡天线反射腔的表面电流，减小电磁波在天线E面沿反射腔表面产生的绕射，控制并调节天线E面方向图形状，提高天线在水平方向的增益。
进一步地，所述天线辐射器的圆锥形状的侧面配置为沿轴向基于指数曲线函数的曲面。
进一步地，所述指数曲线函数的表达式如下：
F(x)＝A*exp(Bx2+Cx+D)+E
其中，F(x)为自变量x的函数值，A、B、C、D均为设定常数，且A与天线辐射器的大端圆形半径相关，E为调节曲线的平滑度参数。
具体地，所述天线辐射器的大端直径D1用于控制天线工作频段、改善天线阻抗匹配，配置为D1≥0.2*λmax，所述天线辐射器的小端和大端之间的高度H1用于控制天线工作频段，配置为H1≥0.2*λmax，其中λmax为天线工作频段内最大波长；所述天线辐射器的小端直径D2和小端与天线反射腔之间的高度H3用于控制天线匹配特性、调节天线阻抗特性。
具体地，所述天线反射腔的圆盘形状的外径D3用于控制天线工作频段、控制天线E面方向图形状，配置为D3≥0.25*λmax，其中λmax为天线工作频段内最大波长。
具体地，所述天线定向辐射器配置为一Y轴方向的截平面绕Y轴旋转而成的弧形状立体结构，该Y轴方向的截平面下端与天线反射腔上表面齐平，其长度L＝D1/2–R1，截平面上端为匹配指数曲线函数F(x)的楔形状，截平面两侧边垂直于天线反射腔上表面，该绕Y轴旋转的角度α配置为30°≤α≤150°，其中D1为天线辐射器的大端直径，R1为天线定向辐射器与天线辐射器的间隙，且0＜R1＜D1/2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用圆锥形状的天线辐射器和圆盘形状的天线反射腔以及天线定向辐射器的配合，有效实现了一个天线覆盖L、S、C波段，具有超宽带特点，解决了现有通信技术中分频段、多天线的缺点，并采用了波束赋形技术使其波束宽度可以根据技术要求而作相应的参数优化达到相应宽波束的要求，实现可控电磁波的波束形状。本发明设计巧妙，结构简单，使用方便，具有宽波束、高增益的功能，适于在通信天线中应用。
(2)本发明的天线反射腔采用扼流环设计，可对天线波束形状的进行控制和调整，达到提高该天线在水平方向辐射时的增益值，实现通信设备通信距离的提升。
(3)本发明采用曲线指数曲线函数代替现有直线的方式对天线辐射器外形进行改进，可将天线高度进一步降低20％，本发明具有的超宽度、小型化特点，可方便本发明移植于相关的通信平台使用。
附图说明
图1为本发明-实施例的整体结构示意图。
图2为本发明-实施例的剖面结构示意图。
图3为本发明-实施例中天线辐射器的侧面结构示意图。
图4为本发明-实施例中天线反射腔的侧面剖视结构示意图。
图5为本发明-实施例中天线反射腔的俯视结构示意图。
图6为本发明-实施例的一种参数的天线测试方向图。
图7为本发明-实施例的另一种参数的天线测试方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图5所示，该可波束赋形的盘锥通信天线，包括通过外部接口接收电磁波的呈同轴线结构的馈电巴伦1，呈圆锥形状的且小端与馈电巴伦输出端的内导体相连接的天线辐射器2，与馈电巴伦输出端的外导体相连接的呈圆盘形状的天线反射腔3，以及连接于天线辐射器大端边缘和天线反射腔之间的呈弧形状的天线定向辐射器4，其中，所述天线定向辐射器的弧形状曲面与天线辐射器大端边缘的曲率相匹配，所述天线反射腔上配置有多个同心的扼流环5，本实施例中可配置2个扼流环。电磁波通过外部接口进入馈电巴伦1，从馈电巴伦1的内导体连通至天线辐射器2，电磁波在天线辐射器2表面形成电流，和天线反射腔3共同作用可形成电磁场分布，并通过天线定向辐射器4对天线电磁场分布进行调整，实现对天线波束赋形的功能，最终完成电磁波的辐射。
该天线结构传输的是TEM模，但该天线非无限长结构，在天线辐射器2末端将激励起高次模，产生反射波，且馈电巴伦1采用过模激励模式，此时，天线激励状态处于TEM模和高次模的混合状态，TEM基模和高次模的叠加，导致了辐射场对方位角的依赖性，场的极化在垂直方向。通过天线辐射器2、天线反射腔3和天线定向辐射器4共同作用，形成电磁波辐射，并可控制电磁波的波束形状。
该盘锥通信天线中，天线辐射器2的侧边采用指数曲线函数代替传统直线的方式，通过指数曲线函数控制调整优化天线辐射器2的外形结构，较传统方式的通信天线可实现超宽带辐射及小型化设计的能力，天线剖面高度可降低20％。通过调整反射腔中多个扼流环的结构，可对天线波束形状进行控制和调整，达到提高该天线在水平方向辐射时的增益值，实现通信设备通信距离的提升。通过控制天线定向辐射器4结构控制优化因子，实现宽波束、高增益的功能，进一步达到提高通信距离的目的。
具体来说，如图2所示，馈电巴伦1安装在天线反射腔3的下表面，馈电巴伦1的内导体穿过天线反射腔3中心与位于反射腔上方的天线辐射器2底部连接，天线定向辐射器4安装在天线辐射器2的任意一侧，天线定向辐射器4下表面与天线反射腔3上表面连接，天线定向辐射器上表面为曲面且与天线辐射器2的侧面曲率完全一致，天线定向辐射器上表面与天线辐射器侧边连接。
如图2和图3所示，对于天线辐射器2的实现，其呈圆锥形状，顶部(大端)圆形直径为D1，底部(小端)圆形直径为D2，顶部至底部的高度为H1，底部与反射腔3的距离为H3，传统设计中将天线辐射器的侧边设为直线形式，本发明中将天线辐射器2的侧边采用指数曲线函数代替直线的方式，可以有效地增加天线的辐射带宽，保证天线的超宽带性能，其次采用指数曲线函数代替直线的方式，也可降低天线高度减少天线尺寸，传统天线辐射器的设计通常高度为工作频率的四分之一波长，但本发明采用指数曲线函数优化结构设计后可将天线辐射器的高度降低至工作频率的五分之一波长，即达到了降低20％高度的效果。
本发明中的该指数曲线函数采用以下表达式：
F(x)＝A*exp(Bx2+Cx+D)+E
其中，F(x)为自变量x的函数值，A、B、C、D均为设定常数，且A与天线辐射器的大端圆形半径相关，B、C、D可根据设计需求进行调整，该值主要决定天线辐射器的结构形状，E为调节曲线的平滑度参数，根据工程经验可取值为0.01-0.06。
所述天线辐射器的大端直径D1用于控制天线工作频段、改善天线阻抗匹配，配置为D1≥0.2*λmax，所述天线辐射器的小端和大端之间的高度H1用于控制天线工作频段，配置为H1≥0.2*λmax，其中λmax为天线工作频段内最大波长；所述天线辐射器的小端直径D2和小端与天线反射腔之间的高度H3用于控制天线匹配特性、调节天线阻抗特性。
如图4和图5所示，对于天线反射腔3的实现，本实施例中将其配置由一个圆形平板和两个扼流环一体加工成型，该圆形平板的直径D3用于控制天线工作频段、控制天线E面方向图形状，配置为D3≥0.25*λmax，其中λmax为天线工作频段内最大波长。从内往外的两个扼流环的直径分别为D4和D5，其高度H2配置为0.1*λmax≤H2≤0.25*λmax，其中λmax为天线工作频段内最大波长；所述扼流环的直径用于阻挡天线反射腔的表面电流，减小电磁波在天线E面沿反射腔表面产生的绕射，控制并调节天线E面方向图形状，提高天线在水平方向的增益。
如图2所示，对于天线定向辐射器4的实现，本实施例按照其特定的楔形状结构控制优化因子函数给出其几何结构：所述天线定向辐射器配置为一Y轴方向的截平面绕Y轴旋转而成的弧形状立体结构；该Y轴方向的截平面下端与天线反射腔上表面齐平，其长度L＝D1/2–R1，截平面上端为匹配指数曲线函数F(x)的楔形状，截平面两侧边垂直于天线反射腔上表面，其中D1为天线辐射器的大端直径，R1为天线定向辐射器与天线辐射器的间隙，且0＜R1＜D1/2。该绕Y轴旋转的角度α配置为30°≤α≤150°，该旋转角度主要是控制天线在H面的方向形状，旋转角度越大，天线的定向性越强，轴向增益越高，反之旋转角度越小，天线定向性降低，天线轴向增益降低，H面波束宽度增加。
在电磁场仿真软件环境中，根据给定的优化函数，建立天线的三维结构模型，结合电磁场仿真软件的有限元计算电磁算法，在软件中设置电磁场边界条件，使其满足实际天线所处的电磁环境条件，由此可以计算得出天线各个参数的最优值。并可结合工程的实际要求，修正电磁仿真软件的偏差。如图6和图7所示，分别表示L频段和S频段中某一频点的方向图，图中两条曲线分别为垂直面和水平面方向图，该方向图对应的天线参数为：
A＝0.5；B＝0.0011；C＝0.02；D＝0.1676；E＝5.5；
D1＝80mm；H1＝55mm；D2＝6.09mm；H3＝5mm；R1＝15mm；α＝90°；
D3＝120mm；H2＝20mm；D4＝85mm；D5＝105mm。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。