CN103700924B - 圆极化角度分集天线 - Google Patents

Abstract

圆极化角度分集天线，包括上层介质板、下层介质板、第一折叠金属线、第二折叠金属线、金属柱、金属平板地；第一折叠金属线印刷于上层介质板的上表面和下层介质板的下表面；第一折叠金属线在上层介质板上的部分和在下层介质板上的部分通过4个金属柱相连接；第一折叠金属线通过中心的金属柱进行馈电；第二折叠金属线印刷于下层介质板上；第二折叠金属线包括一个串行馈电网络、第一L形单极子、第二L形单极子、第三L形单极子和第四L形单极子；第一折叠金属线提供水平全向的圆极化辐射方向图；第二折叠金属线提供天顶的圆极化辐射方向图；联合两种辐射方向图，该天线可以提供上半球面的圆极化覆盖；本发明具有小型化、低剖面、宽带和易于制作的优点，适用于机载卫星通信的设计。

Description

圆极化角度分集天线

技术领域

本发明属于无线通信技术的天线设计技术领域，涉及一种圆极化角度分集天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，卫星通信与导航系统得到了广泛的研究和应用。天线作为发送、接收电磁波的装置，其性能直接决定了整个无线通信系统的性能。卫星通信用的天线通常需要满足两个要求。第一是极化为圆极化。这是由于电磁波在通过电离层时极化方向会发生旋转，需要用圆极化来克服这种法拉第旋转效应。第二是低仰角覆盖。这是由于卫星相对于地球通常是运动的，在一定观察时间内，卫星与观测点会经历不可见到可见、再到不可见的过程。低仰角覆盖可以使观测点无需追踪卫星的运行状态，在可见区域内均可以接收和发射电磁信号。

相对于陆地用天线，机载天线的要求更严格。由于飞机的运行速度非常快，风阻非常大，而且飞机的飞行姿势会不断调整，这些限制要求机载天线在满足上述两个要求的同时，还需要满足小尺寸、轻重量、低剖面、高机械强度的要求。

设计一款满足上述要求的机载天线目前仍是一个挑战。当前的研究通常采用四臂螺旋天线。这种天线能够提供低仰角覆盖的圆极化电磁波。但是低仰角覆盖是以天线高度的增加为代价的，而且天线的重量较重，不适合用做机载天线。

模式分集技术是解决空间覆盖的有效技术之一。它的基本思想是利用互补的方向图实现信号的覆盖。假设天线1可提供天顶方向的圆极化覆盖，天线2可提供水平方向的圆极化覆盖。当观测点在天顶方向时，天线1可为其提供圆极化信号；当观测点在水平方向时，天线2可为其提供圆极化信号；当观测点从天顶往水平方向运动时，天线1和天线2作为MIMO天线，可为其提供两个独立的圆极化信道，而且随着观测点往水平点移动，天线1的贡献减少、天线2的贡献增大。实验表明，将天线1和天线2联合起来，保证两天线的高隔离度，可提供上半球面的圆极化覆盖。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可覆盖上半球面的圆极化角度分集天线。通过将两种天线组合起来，本发明实现了小型化、低剖面、宽带的特点，满足了机载天线的要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

圆极化角度分集天线，其特征在于，包含上层介质板1、下层介质板2、第一折叠金属线3、第二折叠金属线4、金属柱5、金属平板地6、第二馈电端口7和第二馈电端口8，其中：

上层介质板1与下层介质板2之间有一层空气层；

第一折叠金属线3印刷在上层介质板1的上表面和下层介质板2的下表面，通过四根金属柱5a、5b、5c、5d连接；

第一折叠金属线3通过中心短路柱5e与第二馈电端口7连接；

第二折叠金属线4印刷在下层介质板2的上表面；

第二折叠金属线4与第二馈电端口8连接；

金属平板地6印刷在下层介质板2的下表面。

所述第一折叠金属线3的4个分支3a、3b、3c、3d和连接金属柱5的4个分支5a、5b、5c、5d均关于中心旋转对称。

所述第二折叠金属线4的馈电网络4a是一个串行馈电的网络；

第二折叠金属线4的4a分支和4b分支、4c分支、4d分支、4e分支相连，且4个分支4b、4c、4d、4e关于中心旋转对称；

4a分支的每一段微带线长度均为1/16中心波长的整数倍；

4e分支、4d分支和4c分支到第二馈电端口（8）的折叠微带线长度依次比4b分支到第二馈电端口（8）的折叠微带线长度要长1/4中心波长、1/2中心波长和3/4中心波长。通过所述馈电网络（4a）的阻抗变换，第二馈电端口（8）的输入信号到4b分支、4e分支、4d分支、4c变成4路幅度相等、相位依次相差0°、90°、180°和270°的信号。

所述第一折叠金属线3的4个分支3a、3b、3c、3d的线宽均相等；第二折叠金属线4的馈电网络4a和4个分支4b、4c、4d、4e的线宽均相等，金属柱5的5个分支5a、5b、5c、5d、5e的半径均相等。

所述第二折叠金属线4的馈电网络4a的特征阻抗为50欧姆。

所述第二馈电端口7和第二馈电端口8均为同轴端口。

当所述第二馈电端口7激励时，提供水平全向的圆极化覆盖；当所述第二馈电端口8激励时，提供天顶的圆极化覆盖；结合这两种覆盖，所述天线可提供上半球面的圆极化覆盖。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）第一次将两种互补的方向图联合起来实现上半球面的圆极化覆盖，而且实现了高隔离度；

（2）在提供圆极化和上半球面覆盖的同时，具有小尺寸、低剖面（约0.38λ×0.38λ×0.07λ，其中0.07λ剖面高度，λ为自由空间中的波长）、轻重量、低成本的优点；

（3）具有宽带的特点，覆盖了GPS系统、GLONASS系统和Galileo系统的L2频段。

附图说明

图1为本发明中天线的三维结构图。

图2为图1中天线的仰视图，图上标注的尺寸单位均为毫米（mm）。

图3为图1中天线下层介质板的俯视图，图上标注的尺寸单位均为毫米（mm）。

图4为图1中天线的侧视图，图上标注的尺寸单位均为毫米（mm）。

图5为图1中天线实施实例的反射系数仿真图，其中：——表示第二馈电端口7的反射系数，表示第二馈电端口8的反射系数，----表示第二馈电端口7和第二馈电端口8的隔离度系数。

图6为图1中天线的轴比仿真图，其中：——表示端口7馈电时水平方向的轴比，----表示端口8馈电时天顶方向的轴比。

图7为图1中天线在端口7馈电时1.575GHz处的轴比在上半球面的等高线分布图，其中黑色曲线代表3dB轴比的分界线。

图8为图1中天线在端口8馈电时1.575GHz处的轴比在上半球面的等高线分布图，其中黑色曲线代表3dB轴比的分界线。

图9为图1中天线在端口7馈电时1.575GHz处的左旋圆极化增益在上半球面的等高线分布图。

图10为图1中天线在端口8馈电时1.575GHz处的左旋圆极化增益在上半球面的等高线分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明所述圆极化角度分集天线的三维结构图。天线的结构包括上层介质板1、下层介质板2以及两块介质板之间的空气层。上层介质板1的上表面印刷有第一折叠金属线3的一部分。下层介质板2的下表面印刷有第一折叠金属线3的另一部分。第一折叠金属线3的这两部分通过4个金属柱分支5a、5b、5c、5d连接。第一折叠金属线3通过中心短路柱5e连接到下层介质板2，与第一馈电端口7相接。下层介质板2的上表面印刷有第二折叠金属线4，下表面印刷有金属平板地6。第一折叠金属线3通过同轴接头7馈电，第二折叠金属线4通过同轴接头8馈电。

图2为本发明所述圆极化角度分集天线的俯视图。第一折叠金属线3的4个分支形状相同，均包括一个斜线和连接该斜线一端的L形折线，四个斜线的一端在上层介质板1的中心处十字交叉相接，任意一个分支的斜线与上层介质板1的边的夹角为45°，L形折线与上层介质板1的边沿走向一致，4个分支关于上层介质板1的中心旋转对称。

图3为本发明所述圆极化角度分集天线下层介质板2的俯视图。第一折叠金属线3的4个分支3a、3b、3c、3d印刷于下层介质板2的下表面，关于中心旋转对称。第二折叠金属线4的中心部分4a为串行馈电网络。馈电网络的每一段微带线均为十六分之一中心波长的整数倍。通过阻抗变换，该馈电网络可以将第二馈电端口8的信号变换为4路幅度相等，相位按圆周方向依次相差90°的信号。第二折叠金属线4的4个L形单极子分支4b、4c、4d、4e与馈电网络4a的4个信号输出口相连。第二折叠金属线4的4个L形单极子分支4b、4c、4d、4e关于中心旋转对称。

图2为本发明所述圆极化角度分集天线的侧视图。上层介质板1和下层介质板2均采用相对介电常数4.4的FR4板材。上层介质板1和下层介质板2的厚度均为0.8mm，两层介质板的空气层厚度为12mm。

本发明的技术方案是这样实现的：

第一折叠金属线3通过第二馈电端口7激励信号产生驻波分布。第一折叠金属线3水平方向的金属线提供水平方向的电场，竖直方向的金属线提供竖直方向的电场。从位于水平方向的观测点观察，第一折叠金属线3可产生水平和竖直的两个电场分量，由于第一折叠金属线3的各个分支离观测点的距离不相等可提供空间相位差，因此第一折叠金属线3可产生水平方向的圆极化波。

第二折叠金属线4的中心部分4a是一个串行馈电网络。通过阻抗变换，该网络可以将第二馈电端口8的激励信号分为4路幅度相等，相位沿时针方向依次相差90°的信号。第二折叠金属线4的4个L形单极子分支4b、4c、4d、4e与馈电网络4a的4个信号输出口相连。根据旋转场理论，当4个L形单极子分支4b、4c、4d、4e的馈入信号幅度相等、相对相位差依次为0°、90°、180°和270°，可以在天顶方向产生圆极化。

当观测点在天顶方向时，第二折叠金属线4可为其提供圆极化信号；当观测点在水平方向时，第一折叠金属线3可为其提供圆极化信号；当观测点从天顶往水平方向运动时，第一折叠金属线3和第二折叠金属线4作为模式分集的MIMO天线，可为其提供两个独立的圆极化信道。而且随着观测点往水平方向移动，第二折叠金属线4的贡献减少、第一折叠金属线3的贡献增大。联合两天线的辐射方向图，保证两天线的高隔离度，该圆极化角度分集天线可提供上半球面的圆极化覆盖。

该发明的实施例的具体结果说明如下：

根据图1结构和图2、图3、图4所示尺寸制作天线，该天线的仿真结果如图5、图6、图7、图8、图9、图10所示。

该天线的S参数曲线如图5所示。第二馈电端口7的反射系数S11曲线显示-10dB的阻抗带宽为6.5%（1.515～1.62GHz，相对于中心频率1.575GHz

为105MHz）。第二馈电端口8的反射系数S22曲线显示-10dB的阻抗带宽为17.8%（1.445～1.725GHz，相对于中心频率1.575GHz为280MHz）。两个端口重合的-10dB的阻抗带宽为6.5%（1.515～1.62GHz）。在重合带宽内端口7和端口8的隔离度在-30dB以下，保证两天线有非常高的隔离度。

该天线的轴比曲线如图6所示。当激励第一折叠金属线3时，在水平面内的轴比在整个频段内均在3dB以下；当激励第二折叠金属线4时，在天顶方向的3dB轴比带宽为8.9%（1.51～1.65GHz，相对于中心频率1.575GHz为140MHz）。这两金属线提供的重合3dB轴比带宽为8.9%（1.51～1.65GHz）。同时满足两端口的反射系数均在-10dB以下、两金属线的轴比均在3dB以下的重合带宽为6.5%（1.515～1.62GHz），该带宽可以覆盖GPS系统、GLONASS系统和Galileo系统的L2频段。

当激励端口7时，图7显示了在1.575GHz处上半球面的轴比分布。黑色曲线代表了3dB轴比分界线。在θ=15°到θ=90°的空间内，轴比均小于3dB。当激励端口8时，图8显示了在1.575GHz处上半球面的轴比分布。黑色曲线代表了3dB轴比分界线。在θ=0°到θ=40°的空间内，轴比均小于3dB。结合两种激励，该天线可以覆盖整个上半球面。

当激励端口7时，图9显示了在1.575GHz处上半球面的左旋圆极化增益分布。在θ=40°到θ=90°的空间内，左旋圆极化增益均在-1dBic以上。当激励端口8时，图10显示了在1.575GHz处上半球面的左旋圆极化增益分布。在θ=0°到θ=45°的空间内，左旋圆极化增益均在0dBic以上。如果以θ=40°为两种激励辐射方向图的分界面，则该天线能在整个上半球面提供增益在-1dBic以上的左旋圆极化波。

所述圆极化角度分集天线可以在0.38λ×0.38λ×0.07λ的体积内实现宽带的上半球面圆极化覆盖。

Claims (9)

1.圆极化角度分集天线，其特征在于，包含上层介质板(1)、下层介质板(2)、第一折叠金属线(3)、第二折叠金属线(4)、金属柱(5)、金属平板地(6)、第一馈电端口(7)和第二馈电端口(8)，其中：

上层介质板(1)与下层介质板(2)之间有一层空气层；

第一折叠金属线(3)有两个，分别印刷在上层介质板(1)的上表面和下层介质板(2)的下表面，通过四根金属柱分支(5a、5b、5c、5d)连接；

第一折叠金属线(3)通过中心短路柱(5e)与第一馈电端口(7)连接；

第二折叠金属线(4)印刷在下层介质板(2)的上表面；

第二折叠金属线(4)与第二馈电端口(8)连接；

金属平板地(6)印刷在下层介质板(2)的下表面。

2.根据权利要求1所述的圆极化角度分集天线，其特征在于，第一折叠金属线(3)由关于上层介质板上表面的中心旋转对称4个分支(3a、3b、3c、3d)交叉连接而成，任意一个分支的斜线与上层介质板(1)的边的夹角为45°；所述金属柱(5)由平行的4个金属柱分支(5a、5b、5c、5d)组成，四个金属柱分支(5a、5b、5c、5d)分别连接上下两个第一折叠金属线(3)的端头。

3.根据权利要求2所述的圆极化角度分集天线，其特征在于，第二折叠金属线(4)的中心馈电网络(4a)和4个分支(4b、4c、4d、4e)相连，且4个分支(4b、4c、4d、4e)关于下层介质板上表面的中心旋转对称。

4.根据权利要求3所述的圆极化角度分集天线，其特征在于，所述馈电网络(4a)的每一段微带线长度均为1/16中心波长的整数倍；第二折叠金属线(4)的4e分支、4d分支和4c分支到第二馈电端口(8)的折叠微带线长度依次比4b分支到第二馈电端口(8)的折叠微带线长度要长1/4中心波长、1/2中心波长和3/4中心波长；通过所述馈电网络(4a)的阻抗变换，第二馈电端口(8)的输入信号到4b分支、4e分支、4d分支、4c分支变成4路幅度相等、相位依次相差90°的信号。

5.根据权利要求3所述的圆极化角度分集天线，其特征在于，所述第二折叠金属线(4)的4个分支(4b、4c、4d、4e)结构相同，均为L形单极子分支。

6.根据权利要求3所述的圆极化角度分集天线，其特征在于，第一折叠金属线(3)的4个分支(3a、3b、3c、3d)的线宽均相等；第二折叠金属线(4)的馈电网络(4a)和4个分支(4b、4c、4d、4e)的线宽均相等，金属柱(5)的4个分支(5a、5b、5c、5d)的半径均相等。

7.根据权利要求6所述的圆极化角度分集天线，其特征在于，第二折叠金属线(4)的馈电网络(4a)的特征阻抗为50欧姆。

8.根据权利要求6所述的圆极化角度分集天线，其特征在于，第一馈电端口(7)和第二馈电端口(8)均为同轴端口。

9.根据权利要求6或8所述的圆极化角度分集天线，其特征在于，当第一馈电端口(7)激励时，提供水平全向的圆极化覆盖；当第二馈电端口(8)激励时，提供天顶的圆极化覆盖；结合这两种覆盖，所述天线可提供上半球面的圆极化覆盖。