对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法及偶极子天线

1.本发明涉及天线领域，特别是涉及一种对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法及一种对数周期偶极子天线。


背景技术：

2.对数周期偶极子阵列(lpda)天线是一种经典的非变频天线，具有宽带宽的特性。已广泛应用于高频(hf)通信、超高频(uhf)地面电视、电磁兼容(emc)测量等领域。
3.随着技术革新和市场需求，天线的小型化需求越发广泛，但天线的性能在很大程度上是由尺寸来决定的，在天线小型化的同时，还需要考虑到天线的极化、带内方向图稳定性、增益稳定性以及满足宽频带的特性等诸多问题。
4.目前对数周期偶极子天线的尺寸缩减，大多数都侧重于以工程方式为小型化添加新结构，从而缩减偶极子天线的尺寸，并且基本都是横向尺寸的缩减，但对于轴向尺寸的缩减，目前还为没有较好的方式，是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供一种对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法及一种对数周期偶极子天线，在没有任何新结构或经典辐射元件的变化的前提下，满足对数周期偶极子天线正常工作需求带宽和辐射特性的同时，极大的缩小了对数周期偶极子天线的轴向长度。
6.本发明实施例提供一种对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法，所述方法包括：
7.调整所述天线中除特定的两对偶极子以外的每一对偶极子的参数，所述参数包括：所述每一对偶极子的长度、宽度以及所述每一对偶极子之间的间距，所述特定的两对偶极子包括：所述天线中偶极子长度最长的一对偶极子，和偶极子长度最短的一对偶极子；
8.确定第一偶极子天线的带宽是否满足预设带宽，所述第一偶极子天线为调整参数后的偶极子天线；
9.在所述第一偶极子天线的带宽满足所述预设带宽的情况下，减少所述第一偶极子天线的偶极子的数目，得到第二偶极子天线；
10.确定所述第二偶极子天线的带宽是否满足所述预设带宽；
11.在所述第二偶极子天线的带宽满足所述预设带宽的情况下，确定所述第二偶极子天线的轴向长度。
12.可选地，调整所述天线的每一对偶极子的参数，包括：
13.减小所述每一对偶极子的长度；
14.根据长度减小后的每一对偶极子，确定长度减小后的每一对偶极子的宽度；
15.根据长度减小后的每一对偶极子，确定长度减小后的每一对偶极子之间的间距。
16.可选地，根据长度减小后的每一对偶极子，确定长度减小后的每一对偶极子的宽
度，包括：
17.根据长度减小后的每一对偶极子，结合偶极子长宽比固定关系，确定长度减小后的每一对偶极子的宽度减小。
18.可选地，根据长度减小后的每一对偶极子，确定长度减小后的每一对偶极子之间的间距，包括：
19.根据长度减小后的每一对偶极子，结合偶极子长度和偶极子间距线性关系，确定长度减小后的每一对偶极子之间的间距减小。
20.可选地，确定所述第二偶极子天线的轴向长度，包括：
21.对所述第二偶极子天线的每一对偶极子的宽度进行求和运算，得到宽度和值；
22.对所述第二偶极子天线的每一对偶极子之间的间距进行求和运算，得到间距和值；
23.对所述宽度和值、所述间距和值、所述第二偶极子天线中最长偶极子与衬底边缘之间的距离值，以及所述第二偶极子天线的馈电结构的长度值进行求和运算，得到所述第二偶极子天线的轴向长度。
24.可选地，确定第一偶极子天线的带宽是否满足预设带宽之后，还包括：
25.在所述第一偶极子天线的带宽不满足所述预设带宽的情况下，重新调整所述天线的每一对偶极子的参数，所述重新调整包括：进一步减小所述每一对偶极子的长度，或者，增大所述每一对偶极子的长度。
26.可选地，确定所述第二偶极子天线的带宽是否满足所述预设带宽之后，还包括：
27.在所述第二偶极子天线的带宽不满足所述预设带宽的情况下，进一步减少所述第一偶极子天线的偶极子的数目，或者，增加所述第一偶极子天线的偶极子的数目。
28.可选地，所述第二偶极子天线的带宽基于百分比带宽衡量，和频率正相关。
29.可选地，所述第二偶极子天线的每一对偶极子之间存在耦合，每一对偶极子满足预设相位关系。
30.本发明实施例还提供一种对数周期偶极子天线，所述对数周期偶极子天线为基于权利要求1
‑
9任一所述的对数周期偶极子天线轴向长度优化方法，进行轴向长度优化后的对数周期偶极子天线。
31.本发明提供的对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法，首先调整天线中除特定的两对偶极子以外的每一对偶极子的参数，该参数包括：每一对偶极子的长度、宽度以及每一对偶极子之间的间距；所谓特定的两对偶极子是指：偶极子天线中，偶极子长度最长的一对偶极子，和偶极子长度最短的一对偶极子。之后确定第一偶极子天线的带宽是否满足预设带宽，在第一偶极子天线的带宽满足预设带宽的情况下，再减少第一偶极子天线的偶极子的数目，得到第二偶极子天线；确定第二偶极子天线的带宽是否满足预设带宽；在第二偶极子天线的带宽满足预设带宽的情况下，确定第二偶极子天线的轴向长度。
32.本发明的轴向长度优化方法，没有任何新结构或经典辐射元件的变化，但由于调整了每一对偶极子的长度、宽度、每一对偶极子之间的间距以及减少了偶极子天下的数目，因此就缩小了对数周期偶极子天线的轴向长度，并且该偶极子天线满足正常工作需求带宽和辐射特性，本发明的方法为对数周期偶极子天线的进一步小型化提供了更优的设计方向。
附图说明
33.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
34.图1是针对某一预设带宽下，目前对数周期偶极子天线的谐振点呈现的指数分布示意图；
35.图2是本发明实施例一种对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法的流程图；
36.图3是针对某一预设带宽下，目前对数周期偶极子天线的谐振点分布，和利用本发明的优化方法优化后的对数周期偶极子天线的谐振点分布对比示意图。
具体实施方式
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
38.发明人发现，针对某一预设带宽，对数周期偶极子天线的每一对偶极子产生一个谐振点，那么假设偶极子的长度为：l
n
，则有下式：
[0039][0040]
上式中，l
n
为偶极子天线上偶极子的长度，λ
n
为总长度为l
n
的偶极子的工作波长，0<n≤n，n为偶极子天线上偶极子的数目，l1为最长偶极子的长度，τ为比例因子。
[0041]
所以谐振点为指数分布，有下式：
[0042][0043]
上式中，f
n
表示频率，c表示光速，n＝1，2，3
……
n。
[0044]
上述谐振点呈现的指数分布参见图1所示，即fn
‑
1与fn之间的间隔越来越大，频率越高，谐振点间隔越大，在低频时出现谐振点冗余。
[0045]
由于目前的对数周期偶极子天线的谐振点是指数分布，当高频谐振点的带宽刚好连成连续的带宽时，低频谐振点的带宽已经有重叠了，因此消除掉重叠的这部分带宽，就能起到轴向尺寸缩减的目的。
[0046]
发明人基于上述研究发现，创造性的提出了本发明的一种对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法及一种对数周期偶极子天线，以下对本发明的技术方案进行详细说明。
[0047]
参照图2，示出了本发明实施例一种对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法的流程图。该方法包括：
[0048]
步骤201：调整天线中除特定的两对偶极子以外的每一对偶极子的参数，参数包括：每一对偶极子的长度、宽度以及每一对偶极子之间的间距，特定的两对偶极子包括：天线中偶极子长度最长的一对偶极子，和偶极子长度最短的一对偶极子。
[0049]
本发明实施例中，对于指定带宽要求(即预设带宽)的对数周期偶极子天线，为了消除低频谐振点的带宽重叠，需要为对数周期偶极子天线重新分谐振点，即，消除低频谐振点冗余。
[0050]
因此，首先调整天线中除特定的两对偶极子以外的每一对偶极子的参数，该参数包括：每一对偶极子的长度、宽度以及每一对偶极子之间的间距。所谓特定的两对偶极子包括：天线中偶极子长度最长的一对偶极子，和偶极子长度最短的一对偶极子，由于最长和最短的两对偶极子，分别是谐振点的下界和上界，即偶极子天线带宽的下界和上界，因此，一般不对其参数进行调整。调整参数具体的包括如下步骤：
[0051]
步骤s1：减小每一对偶极子的长度；
[0052]
步骤s2：根据长度减小后的每一对偶极子，确定长度减小后的每一对偶极子的宽度；
[0053]
步骤s3：根据长度减小后的每一对偶极子，确定长度减小后的每一对偶极子之间的间距。
[0054]
调整对数周期偶极子天线的参数，就是减小每一对偶极子的长度，即减小l
n
，l
n
减小后，即可根据长度减小后的每一对偶极子，确定长度减小后的每一对偶极子的宽度及其之间的间距。
[0055]
假设偶极子的宽度为w
n
，每一对偶极子之间的间距为d
n
。那么l
n
减小后，结合偶极子长宽比固定关系(即固定的l
n
/w
n
比)，确定l
n
减小后的每一对偶极子的宽度w
n
也减小。l
n
减小后，结合偶极子长度l
n
和偶极子间距d
n
线性关系，确定l
n
减小后的每一对偶极子之间的间距d
n
也减小。偶极子长度l
n
和偶极子间距d
n
线性关系有下式：
[0056]
d
n
＝2l
n
·
σ
[0057]
上式中，σ为常数，称为间隔因子。
[0058]
对于对数周期偶极子天线的轴向长度l，其计算方法为：
[0059]
l＝l
w
+l
d
+l
f
+l
s
[0060]
上式中，l
w
表示所有对偶极子的宽度之和，即假设对数周期天线有5对偶极子，每一对偶极子的宽度分别为：w1、w2、w3、w4、w5、那么l
w
＝w1+w2+w3+w4+w5。类似地，l
d
表示所有对偶极子之间的间距之和，综合起来可以有下三式表示：
[0061][0062]
l
f
表示对数周期天线中的最长偶极子与衬底边缘之间的距离。l
s
表示对数周期天线的馈电结构的长度。
[0063]
可以理解的是，l
f
和l
s
是常数，那么只要l
w
和l
d
减小了，自然对数周期天线的轴向长度就减小了。通过上述方法，减小了每一对偶极子长度，自然就达到了l
w
和l
d
减小的目标。
[0064]
步骤202：确定第一偶极子天线的带宽是否满足预设带宽，第一偶极子天线为调整参数后的偶极子天线。
[0065]
本发明实施例中，调整参数后的偶极子天线为第一偶极子天线，即l
w
和l
d
减小后的天线即为第一偶极子天线。对于第一偶极子天线，还需确定其带宽是否满足预设带宽，否则的话，只是单纯的调整参数，并不能保证第一偶极子天线满足预设带宽。
[0066]
步骤203：在第一偶极子天线的带宽满足预设带宽的情况下，减少第一偶极子天线的偶极子的数目，得到第二偶极子天线。
[0067]
本发明实施例中，对于第一偶极子天线，还需确定其带宽是否满足预设带宽，否则的话，只是单纯的调整参数，并不能保证第一偶极子天线满足预设带宽。假若第一偶极子天线不能满足预设带宽，则表示第一偶极子天线不符合工作需求，此时就需要重新调整天线的每一对偶极子的参数，所谓重新调整包括：进一步减小每一对偶极子的长度，即，在第一次减小过一次偶极子长度的基础上，再进一步减小每一对偶极子的长度。或者，可能因为第一次减小的每一对偶极子长度过大，因此可以在第一次减小的基础上，再增大每一对偶极子的长度，当然，不能增大到和目前已知对数周期偶极子天线一样的偶极子长度，否则轴向长度就不能缩减。上述过程需要反复进行，在实际的操作过程中，每调整一次参数，都需要经过仿真、实测等手段，确定调整参数后的天线的带宽是否满足预设带宽。
[0068]
假若第一偶极子天线的带宽满足预设带宽，则可以进一步减少第一偶极子天线的偶极子的数目，得到第二偶极子天线。根据前述公式，可以明确知晓，偶极子数目减少，自然l
w
和l
d
会减小，所以减少偶极子数目，可以进一步缩减对数周期天线的轴向长度。
[0069]
步骤204：确定第二偶极子天线的带宽是否满足预设带宽。
[0070]
本发明实施例中，和第一偶极子天线一样的，对于第二偶极子天线，同样需要确定第二偶极子天线的带宽是否满足预设带宽，以确定第二偶极子天下是否满足工作需求。
[0071]
步骤205：在第二偶极子天线的带宽满足预设带宽的情况下，确定第二偶极子天线的轴向长度。
[0072]
本发明实施例中，假若第二偶极子天线不能满足预设带宽，则表示第二偶极子天线不符合工作需求，此时就需要进一步减少第一偶极子天线的偶极子的数目，即，在第一次减少偶极子数目的基础上，再进一步减少偶极子的数目。或者，可能因为第一次减少的偶极子数目过大，因此可以在第一次减少的基础上，再增加偶极子的数目，当然，如果增加到和第一偶极子天线一样的偶极子数码，那么实质上就是针对预设带宽，没有办法进一步减少偶极子数目，只能以第一偶极子天线的偶极子数目为准。上述过程需要反复进行，在实际的操作过程中，每调整一次偶极子数目，都需要经过仿真、实测等手段，确定调整偶极子数目后的天线的带宽是否满足预设带宽。
[0073]
假若第二偶极子天线的带宽满足预设带宽，则可以确定第二偶极子天线的轴向长度，和步骤201中的轴向长度运算方法相同，对第二偶极子天线的每一对偶极子的宽度进行求和运算，得到宽度和值；对第二偶极子天线的每一对偶极子之间的间距进行求和运算，得到间距和值；对宽度和值、间距和值、第二偶极子天线中最长偶极子与衬底边缘之间的距离值，以及第二偶极子天线的馈电结构的长度值进行求和运算，得到第二偶极子天线的轴向长度，该轴向长度就是预设带宽下，轴向长度最优的对数周期偶极子天线。
[0074]
为了表明本发明的优化方法有效性，参照图3，示出了针对某一预设带宽下，目前对数周期偶极子天线的谐振点分布，和利用本发明的优化方法优化后的对数周期偶极子天线的谐振点分布对比示意图。圆形表示目前对数周期偶极子天线的谐振点分布，三角形表示利用本发明的优化方法优化后的对数周期偶极子天线的谐振点分布。可以知晓，在频率4ghz以下，目前对数周期偶极子天线的谐振点出现冗余，而利用本发明的优化方法优化后的对数周期偶极子天线的谐振点，在整个1～10ghz频率内，分布较为均匀，没有出现冗余。
[0075]
还需说明的是，利用本发明的优化方法优化后的对数周期偶极子天线，其工作的带宽基于百分比带宽衡量，和频率正相关，高频谐振点的带宽会稍宽一些。并且，每一对偶
极子之间存在耦合，每一对偶极子满足预设相位关系才能有良好的阻抗匹配(|s11|参数)和辐射特性。
[0076]
基于上述对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法，本发明实施例还提出一种对数周期偶极子天线，所述对数周期偶极子天线为基于上述任一所述的对数周期偶极子天线轴向长度优化方法，进行轴向长度优化后的对数周期偶极子天线。
[0077]
综上所述，本发明提供的对数周期偶极子天线轴向长度优化的方法，首先调整天线的每一对偶极子的参数，具体是减小每一对偶极子的长度，再结合偶极子长度和宽度固定比关系，以及每一对偶极子长度和间距的线性关系，确定每一对偶极子的宽度及其间距；之后确定第一偶极子天线的带宽是否满足预设带宽，在第一偶极子天线的带宽满足预设带宽的情况下，再减少第一偶极子天线的偶极子的数目，得到第二偶极子天线；确定第二偶极子天线的带宽是否满足预设带宽；在第二偶极子天线的带宽满足预设带宽的情况下，确定第二偶极子天线的轴向长度。
[0078]
本发明的轴向长度优化方法，没有任何新结构或经典辐射元件的变化，但由于减小了每一对偶极子的长度，进而减小了每一对偶极子的宽度以及每一对偶极子之间的间距，这已经缩减了对数周期天线的轴向长度，而在此基础上，进一步减少了偶极子天下的数目，再一次间接的缩小了对数周期偶极子天线的轴向长度，从而整体上极大的缩减了对数周期偶极子天线的轴向长度。并且该偶极子天线满足正常工作需求带宽和辐射特性，本发明的方法为对数周期偶极子天线的进一步小型化提供了更优的设计方向。
[0079]
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。
[0080]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。