基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的超宽带天线
本发明属于但不限于天线，尤其涉及一种基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线。
背景技术：
1、天线是所有无线电通信系统中不可或缺的重要组成部分，主要用于发射和接收电磁波信号。在高信息传输量的情况下，诸如雷达、电视、卫星通信和遥测系统等现代通信系统，需要较宽的工作频带以确保传输质量，这是传统窄带天线无法胜任的。此外，在军事通信系统中，天线之间的干扰问题严重影响了通信质量，这是窄带天线的局限。因此，宽带天线的发展是必然趋势。
2、对数周期天线(lpda)是一种典型的宽带天线，最早于20世纪60年代初提出，结构简单、性能优良，常用于室内覆盖和电梯信号。由于其出色的性能，常被用于各种测试场合，如电磁兼容和缩距测试场等。传统对数周期天线由圆柱振子制成，存在重量大、制作复杂、精度低等问题。随着平面电路技术的发展，要求天线轻巧、制作简单、精度高。因此，印刷对数周期天线的研究逐渐增多。
3、紧耦合偶极子阵列依赖于单元之间的强互耦产生作用，相比于传统偶极子单元，紧耦合偶极子通过加强耦合的方法提高天线性能。wheeler在1948年提出，当无限大阵列单元间距小于一个波长时。组成无限大连续电流片阵列的每个天线单元，都可等效成放置于一个支持传输tem模式的“矩形波导传输线”中，其上下表面可等效成理想电壁边界，两侧表面可等效成理想磁壁边界，这些条件可定义一个假设的波导，它能传播横向电磁模式，这意味着它不存在截止波长，所有波长以相同的速度传播。因此紧耦合偶极子天线阵列具有极宽带的阻抗带宽。并且紧耦合偶极子具有单元尺寸不受到于半波长约束的特点。
4、传统紧耦合偶极子依赖于阵列环境形成紧耦合效果，无法实现单元天线工作。在应用传统紧耦合偶极子和对数周期天线混合型超宽带天线时，存在单元间距超过高频一倍波长的现象，因此会在高频部分产生栅瓣，不利于天线使用。等效紧耦合偶极子通过采用等效电壁和磁壁的方式模拟阵列环境，从而使得单个单元获得超宽带特性，从而避免了高频栅瓣问题。
5、对数周期天线因为其宽带特性，具有广泛的应用，例如：对数周期天线可以作为有线电视天线；可以作为接收电台信号的接受天线；可以作为数字基站的发射天线；还可以用于辐射测量等。
6、目前现有的对数周期天线设计均为依赖于传统的天线设计思路实现小型化和宽带化的特点。受限于传统对数周期天线所采用的延长电流路径进行天线小型化的手段，传统的对数周期天线相对尺寸为0.3倍最大波长以上。受限于天线本身的限制，对数周期天线的工作带宽通常小于15倍频程。因此采用对数周期天线作为小型化超宽带测向单元受到尺寸和带宽两方面的限制。
7、朱海兵等人2021年在电子信息对抗技术上发表了题为《一种末端加载对数周期天线》的论文，该论文采用分形原理实现天线的小型化，其横向尺寸为0.35λl，带宽为3.3倍频程。张青等人在2021年全国天线年会上提出了一款0.8-2ghz的小型化对数周期天线，尺寸为0.26λl*0.8λl。蒋翔俊等人在2023.2.24申请了一款《一种基于软振子的可收纳对数周期天线》的发明专利，该专利提出了一种工作在27-110mhz的可收叠对数周期天线，尺寸为5m*5m。该天线尺寸接近0.5λl，并且仅有四倍频程的工作带宽。西安电子科技大学李蕊在2022.7.4提出了《一种带有n形弯折单元的小型化对数周期天线》的发明专利，该专利提供的实例可以实现在2490mm*2000mm的尺寸实现50-200mhz的工作带宽，该发明的例子中，天线尺寸为0.4λl*0.33λl，工作频带为四倍频。
8、从他人发表的论文和专利中可以看出，传统的对数周期天线普遍具有带宽较窄，难以达到数十倍频程的超宽带性能，并且受限于非频变天线中，尺寸和波长比拟的要求，其小型化程度也较差。现有的采用对数周期天线的宽带天线，仅能实现不超过20倍频程的性能，并且尺寸普遍在0.3λl*0.5λl以上。
9、对数周期天线(log-periodic antenna,lpa)以其宽带和方向性特征，在许多应用中得到了广泛使用。然而，传统设计在实现小型化和超宽带性能方面存在一定的局限性。为了克服这些问题，近年来，研究人员尝试采用多种创新方法，包括分形技术、软振子结构和带有n形弯折单元等。
10、传统对数周期天线的局限性：
11、1.小型化难度：传统对数周期天线通过延长电流路径来实现小型化，但其相对尺寸通常不小于0.3倍最大波长。这限制了天线在小型化方面的进一步优化。
12、2.带宽限制：传统对数周期天线的工作带宽通常小于15倍频程，难以满足超宽带应用的需求。
13、3.增益受限：由于天线结构本身的限制，传统对数周期天线在侦测和高增益接收方面的性能也受到一定限制。
14、新型对数周期天线设计：
15、1.末端加载对数周期天线(朱海兵等人，2021年)：采用分形原理进行设计，实现天线的小型化。其横向尺寸为0.35λl，带宽为3.3倍频程。
16、2.小型化对数周期天线(张青等人，2021年)：提出了一款0.8-2ghz的小型化对数周期天线，尺寸为0.26λl*0.8λl。
17、3.基于软振子的可收纳对数周期天线(蒋翔俊等人，2023年)：提出了一种工作在27-110mhz的可收叠对数周期天线，尺寸为5m*5m，接近0.5λl，带宽为四倍频程。
18、4.带有n形弯折单元的小型化对数周期天线(李蕊，2022年)：该专利提供了在2490mm*2000mm的尺寸下，实现50-200mhz的工作带宽，天线尺寸为0.4λl*0.33λl，带宽为四倍频。
19、现有技术的缺点总结：
20、带宽相对不足：现有超宽带天线通常只能实现不超过20倍频程的性能。
21、尺寸偏大：现有天线尺寸普遍在0.3λl*0.5λl以上，难以实现更小型化的设计。
22、对数周期天线的工作原理：
23、对数周期天线是一种频率独立的天线，其结构基于对数周期函数。主要特点如下：
24、1.结构设计：对数周期天线由一系列不同长度的辐射元件组成，这些元件按照对数周期规律排列。
25、2.工作原理：当天线工作在不同频率时，不同长度的元件会起主要作用，从而实现宽带覆盖。每个辐射元件之间的长度比和间距比是恒定的，这种设计确保了天线的频率响应特性在宽带范围内基本保持不变。
26、3.辐射特性：对数周期天线具有良好的方向性和增益，适用于宽带应用，如短波通信、测向和雷达等。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线。
2、本发明是这样实现的，一种基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线，该天线包括：辐射低频电磁波的等效紧耦合偶极子，模拟紧耦合阵列环境的等效电壁，使天线定向辐射的反射挡板，辐射高频电磁波的对数周期天线部分；
3、所述挡板用于将低频辐射单元，低频辐射单元指的是辐射低频电磁波的单元，在本发明中指代紧耦合偶极子振子，产生的全向方向图转化为定向方向图；
4、通过一个平行双线实现紧耦合偶极子和对数周期天线的匹配，天线馈电端口可以直接采用同轴线对其进行馈电。
5、进一步，所述辐射单元分为低频辐射单元的紧耦合偶极子和高频辐射dna元的对数周期天线两部分。
6、进一步，所述紧耦合偶极子天线部分后加载反射背板。
7、进一步，所述紧耦合偶极子部分加载匹配层，拓展天线低频部分的工作带宽。
8、进一步，所述辐射高频电磁波的对数周期天线部分进行末端加载。
9、进一步，所述辐射低频电磁波的等效紧耦合偶极子部分通过加载电壁模拟周期环境，实现紧耦合偶极子的超宽带特性，等效紧耦合偶极子通过加载反射背板实现定向辐射，改善天线方向图。
10、本发明另一目的在于提供一种加工所述基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线的方法，该方法包括：
11、s1：使用tsm-ds3介质基板印刷工艺制作的基板作为天线基板；
12、s2：将对数周期天线设计为印刷偶极子对数周期天线的形式，设计出低频的紧耦合偶极子天线部分；
13、s3：将设计好的天线打印在相应尺寸pcb基板上；
14、s4：使用同轴探针对天线进行馈电，外壳和天线的地相连接，内芯和传输线相连接，通过焊盘进行固定，视天线的使用场景；
15、s5：完成天线的加工制造。
16、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
17、第一、本发明通过结合紧耦合偶极子天线和对数周期天线的宽带性能，提出了一款0.6-37.8ghz带宽的基于紧耦合天线和对数周期天线的混合型超宽带天线，并且通过加载金属挡板，使得该天线具有良好的端射性能。本发明低频辐射由等效紧耦合偶极子产生，高频方向图由对数周期天线产生。且本发明提出的天线尺寸为100×220×100mm，相对尺寸为0.18×0.4×0.18λl，具有突出的小型化优势。此外，通过将对数周期天线的低频电流直接引导进入等效紧耦合偶极子部分，从而消除了传统对数周期天线所需要的耗散区部分，减小了天线的纵向尺寸。
18、相比于采用传统的分型结构、末端加载等方法来延长电流路径实现小型化对数周期天线的手段，受限于波长和电流路径长度，其横向尺寸小型化受限，通常为0.3λl及以上，纵向尺寸小型化收到对数周期结构本身特点的影响，通常在0.4λl及以上。这是因为对数周期天线结构通常将天线分为传输区、辐射区和耗散区，导致为了实现低频天线的辐射，需要在低频天线外增加数节耗散区偶极子，极大增加了天线尺寸。
19、本发明中设计的天线，首次提出将紧耦合偶极子单元和对数周期天线单元结合起来，从而实现了超宽带天线。通过仿真实例可知，该天线阻抗带宽可以达到60倍频程及以上，且在加载挡板后，天线辐射方向图均保持端射。
20、该天线通过平行双线将原本在对数周期天线中产生的低频辐射转移到等效紧耦合偶极子中产生，从而避免了对数周期天线低频辐射区和耗散区的尺寸。另一方面通过利用紧耦合偶极子的特点，实现了横向尺寸的小型化，避免了常规的非频变天线尺寸收到λl/2约束的问题。
21、该天线在低频采用等效紧耦合偶极子的传输模式，通过在偶极子后加地板，增加了偶极子天线的定向性，可以用于雷达侦测系统功能。高频部分采用对数周期天线传输，可以定向接收到高频信号，从而实现雷达侦测、信号中继放大等功能。
22、第二，本发明可以作为一款超宽带侦测天线使用，当激励本发明设计的天线后，即可产生超过60倍频的端射方向的信号，可产生定向端射方向图，从而实现信号侦测和测向功能。此外，该天线还可以作为接收天线，用于接收全向的空间来波信号，将天线组成沿圆形排布的天线阵列，将复数个该天线排布成一个圆形，即可实现宽带全向辐射，实现宽带全向侦测系统。
23、本发明还可以用于信能一体化设备，得益于天线的超宽带特性，将天线分频复用，低频在取消后方挡板后，具有全向辐射的特性，可以用于信号的接收和发射，高频部分具有高增益特点，可以用于能量的收集和发射。在将本天线用于信能一体化设备时，仅需按照天线工作频带，区分出来偶极子工作频带和对数周期天线的工作频带，之后利用整流电路和双工器等器件分别接收不同频率的来波信号。通过调整本天线的工作频率，可以使得紧耦合偶极子的工作频率覆盖全部常用通信频带，如700-2600mhz，因此该天线具有良好的信号接收和发射功能，可以用于信能一体化设备的信号部分。在通过调整天线紧耦合偶极子部分频率用于信号传输后，相应的，高频部分可以依赖于其高增益和高定向性功能，用来为信号发射部分实现无线供能作用。即可以将自由空间中游离的电磁能量收集起来，通过整流电路储存在蓄电池中，增加系统能量储备。
24、本发明天线还可以用于绿色通信系统。他是这样实现的，通过利用该天线去掉低频挡板后具有的的低频全向性，实现系统的通信功能，通过利用该天线的高频定向功能，实现空间中的能量收集，并且将收集的能量通过整流电路储存到蓄电池中。该系统应包括整流电路、信号增强器、蓄电池和本天线。该系统可以通过收集空间中游离的电磁信号，储存能量，实现绿色通信。通过该天线高频能量收集，可以实现一款自供电的通讯设备，实现低碳通信，绿色通信。
25、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：
26、本发明可以用于超宽带侦测设备使用，应用于超宽带侦测系统，通过覆盖60倍频程以上的工作带宽，实现对于不同频段的来波信号的侦测。本发明技术转化之后的产品也可以应用于军用侦测系统，从而具有市场前景、经济价值和国防价值。
27、本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明使用等效紧耦合偶极子天线和对数周期天线相结合的形式，极大地拓展了天线带宽，实现了一款极超宽带的测向天线。使用超宽带天线作为测向单元，可以极大的提升测向系统的侦测灵敏度和工作范围，对测试系统的宽带化具有重要意义。
28、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明通过串联馈电等效紧耦合偶极子和对数周期天线的方案，结合两款天线具有的超宽带特性，实现了超宽带的测向天线。传统测向天线通常采用传统对数周期天线的形式，现有的采用对数周期天线的宽带天线，仅能实现不超过20倍频程的性能，并且尺寸普遍在0.3λl*0.5λl。而本发明设计实例提供的天线，具有突出的小型化优势，天线辐射部分横向尺寸仅为0.18λl，并且天线纵向尺寸仅为0.4λl。
技术特征：
1.一种基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线，其特征在于，该天线包括：辐射低频电磁波的等效紧耦合偶极子，模拟紧耦合阵列环境的等效电壁，使天线定向辐射的反射挡板，辐射高频电磁波的对数周期天线部分；
2.根据权利要求1所述的基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线，其特征在于，所述低频辐射单元分为紧耦合偶极子和对数周期天线两部分。
3.根据权利要求1所述的基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线，其特征在于，所述紧耦合偶极子天线部分后加载反射背板。
4.根据权利要求1所述的基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线，其特征在于，所述紧耦合偶极子部分加载匹配层，拓展天线低频部分的工作带宽。
5.根据权利要求1所述的基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线，其特征在于，所述辐射高频电磁波的对数周期天线部分进行末端加载。
6.根据权利要求1所述的基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线，其特征在于，所述辐射低频电磁波的等效紧耦合偶极子部分通过加载电壁模拟周期环境，实现紧耦合偶极子的超宽带特性，等效紧耦合偶极子通过加载反射背板实现定向辐射，改善天线方向图。
7.一种加工如权利要求1-6任意一项所述基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线的方法，其特征在于，该方法包括：
技术总结
本发明属于天线技术领域，公开了一种基于等效紧耦合偶极子和对数周期阵子的混合型超宽带天线，该天线包括：辐射低频电磁波的等效紧耦合偶极子，模拟紧耦合阵列环境的等效电壁，使天线定向辐射的反射挡板，辐射高频电磁波的对数周期天线部分；所述挡板用于将低频辐射单元产生的全向方向图转化为定向方向图；通过一个平行双线实现紧耦合偶极子和对数周期天线的匹配，天线馈电端口可以直接采用同轴线对其进行馈电。本发明低频辐射由等效紧耦合偶极子产生，高频方向图由对数周期天线产生。本发明通过将对数周期天线的低频电流直接引导进入等效紧耦合偶极子部分，从而消除了传统对数周期天线所需要的耗散区部分，减小了天线的纵向尺寸。
技术研发人员：杨歆汨,张曙麒,刘昊,周冶迪,於阳,林先其
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23