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CN114843754B - 一种低剖面圆极化天线 - Google Patents

一种低剖面圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种低剖面圆极化天线，属于天线技术领域；其包括金属振子、介质支撑、金属加载层、金属反射板和圆极化网络的低剖面圆极化天线。金属振子为正交排列的两对。每对金属振子包含两根金属振子，单根金属振子由两部分组成，内、外侧振子为夹角不同的扇形形状，内侧振子与介质支撑预埋的同轴结构内、外导体连接。外侧振子在介质支撑边缘向下弯折与反射板短路连接。在介质支撑轴线方向中间有金属加载层，金属加载层为环状排布的扇形网格加载层。金属反射板为中空结构，上层开有圆孔与介质支撑中同轴结构外导体连接，圆极化网络固定在金属反射板内部。本发明的电气性能优良，天线体积小。

Description

一种低剖面圆极化天线
技术领域
本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种低剖面圆极化天线。
背景技术
无线通信是是现代通信系统中重要的通信方式，利用电磁波在自由空间中自由传播的特性来交换信息。天线是无线通信系统的重要组成部分，是电磁能量从设备到自由空间转换的重要装置，实现电磁信号的辐射和接收。
现在的无线通信系统的系统结构愈加复杂、系统性能更加优异，这就对天线的电性能和机械性能提出了更加苛刻的要求。线极化波在自由空间传播过程期间容易受周围环境和多径影响造成失真。与线极化线极化天线相比，圆极化天线可以接收任何形式的线极化波和旋向相同的圆极化波，并且当圆极化波经过障碍物反射后，其旋向发生改变，不会被相同极化的天线接收，对信号的传输影响较小。所以现代无线通信系统中天线多采用圆极化天线，以保证通信链路的畅通和传输信号的良好质量。同时，无线通信系统的一个发展趋势是集成化、小型化，这也对天线提出严格的小型化要求。
目前在圆极化宽波束天线的使用中，主要是采用的有微带天线、螺旋天线，振子天线等天线形式。微带天线具有结构简单，剖面低的优点，通常采用高介电常数印制板或缝隙天线来减小天线口面尺寸，达到小型化的要求，微带天线或缝隙天线的谐振边长约为λg/2，其中，λg为天线的工作波长，根据文献内容可知：
其中：λ0是真空中中心频率对应的波长，εr是微带介质基板或填充介质的有效介电常数。
但采用这样的方式会造成天线损耗增大，天线的效率较低。
螺旋天线作为宽波束天线使用时，通常采用的形式为四臂螺旋天线或双臂螺旋天线，四臂螺旋天线尺寸小，结构紧凑，可实现半球辐射波束及良好的宽角轴比特性，其辐射性能受载体影响较小，但天线带宽较窄，不适用于宽带天线的使用要求；双臂螺旋天线结构紧凑，可实现半球辐射波束及良好的宽角轴比特性，其辐射性能受载体影响较小，同时具有良好的带宽特性，但天线通常需要有一定的圈数，因此高度较高。
振子天线作为圆极化天线使用时，通常采用十字振子型天线线，实现圆极化的方式通常有两种，一种是采用等长的十字振子和圆极化网络实现圆极化辐射，这种形式可以实现2:1的带宽特性，但需要射频线缆连接天线和圆极化网络，天线复杂，损耗较大，另外一种方式通过不同振子长度的相位变化实现圆极化，通过开槽巴伦是实现天线的阻抗匹配，这种形式结构简单、紧凑，但天线带宽较窄。同时，由于振子天线需要与反射板距离0.25λ来实现良好的阻抗匹配，因此振子天线通常高度较高。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种低剖面圆极化天线。该天线有体积小，具有优良的电气性能。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种低剖面圆极化天线，包括金属振子、介质支撑、金属加载层、金属反射板和圆极化网络；所述介质支撑为圆柱形结构，介质支撑的中心区域预埋有两个同轴结构；所述金属振子位于介质支撑的上表面，且金属振子为金属板状结构或金属涂层；所述金属振子设有两对，且两对金属振子正交；每对金属振子均包括位于同一直径上的两个内侧振子和两个外侧耦合振子，外侧耦合振子位于对应的内侧振子的外侧，其中内侧振子为扇形形状；所述内侧振子外侧的边缘弧线与外侧耦合振子内侧的边缘弧线具有间距，且分属外侧耦合振子和内侧振子的相邻两条边缘弧线的圆心相同；所述外侧耦合振子为倒L形状弯折结构，包括水平部分和垂直部分；所述外侧耦合振子的水平部分为扇环形，且扇环形的内端边缘圆弧与内侧振子外端边缘圆弧相对应，外端边缘圆弧与金属反射板的圆心和直径均相同；所述外侧耦合振子的垂直部分为紧贴在介质支撑侧壁的弧形金属带，弧形金属带圆弧与水平部分外端圆弧相同，且弧形金属带上端与水平部分短路，下端与金属反射板短路；
所述金属反射板位于介质支撑的下表面，金属反射板的内部为空腔结构；所述圆极化网络位于空腔结构的内部；金属反射板的顶部开有圆孔与介质支撑中同轴结构底部的外导体连接；
两个同轴结构和两个金属振子一一对应；同轴结构顶部的内导体连接金属振子的其中一内侧振子，外导体连接同一金属振子的另一内侧振子；
所述金属加载层位于介质支撑内部，且金属加载层垂直于介质支撑的中轴线；所述金属加载层为环状排布的扇形网格加载层；金属加载层为由内到外排布的M层金属圆环，每层金属圆环平均分成N份部分圆环，部分圆环之间具有缝隙，其中M和N均为大于等于2的正整数。
进一步的，所述M为2，N为12。
进一步的，相邻的金属圆环的部分圆环一一对应。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明提供的天线，由金属振子、介质支撑、金属加载层、金属反射板和圆极化网络组成。天线小于2的驻波比带宽大于13％，天线增益在±60°范围内大于0dB。
2.本发明通过末端接地的耦合振子和环状分布金属加载层相结合的结构形式，有效的降低了天线高度，天线最终体积小于Φ0.35λ×0.05λ。
3.本发明天线结构简单、紧凑、辐射效率高，可以作为各种小型化通信系统辐射天线使用，也可作为大型阵列天线单元使用。
附图说明
图1是本发明实施例的外形结构示意图。
图2是本发明实施例的剖面结构示意图。
图3是本发明实施例的金属加载结构示意图。
图4是本发明实施例的中心频点方向图。
1：外侧耦合振子；2：介质支撑；3：外导体；4:内导体；5：内侧振子；6：同轴结构；7：金属加载层；8：圆极化网络；9：金属反射板；10：部分圆环。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
一种低剖面圆极化天线，包括金属振子、介质支撑2、金属加载层、金属反射板9和圆极化网络8；所述介质支撑为圆柱形结构，介质支撑的中心区域预埋有两个同轴结构；所述金属振子位于介质支撑的上表面，且金属振子为金属板状结构或金属涂层；所述金属振子设有两对，且两对金属振子正交；每对金属振子均包括位于同一直径上的两个内侧振子和两个外侧耦合振子1，外侧耦合振子位于对应的内侧振子的外侧，其中内侧振子为扇形形状；所述内侧振子外侧的边缘弧线与外侧耦合振子内侧的边缘弧线具有间距，且分属外侧耦合振子和内侧振子的相邻两条边缘弧线的圆心相同；所述外侧耦合振子为倒L形状弯折结构，包括水平部分和垂直部分；所述外侧耦合振子的水平部分为扇环形，且扇环形的内端边缘圆弧与内侧振子外端边缘圆弧相对应，外端边缘圆弧与金属反射板的圆心和直径均相同；所述外侧耦合振子的垂直部分为紧贴在介质支撑侧壁的弧形金属带，弧形金属带圆弧与水平部分外端圆弧相同，且弧形金属带上端与水平部分短路，下端与金属反射板短路；
所述金属反射板位于介质支撑的下表面，金属反射板的内部为空腔结构；所述圆极化网络位于空腔结构的内部；金属反射板的顶部开有圆孔与介质支撑中同轴结构底部的外导体连接；
两个同轴结构6和两个金属振子一一对应；同轴结构顶部的内导体4连接金属振子的其中一内侧振子5，外导体3连接同一金属振子的另一内侧振子；
所述金属加载层7位于介质支撑内部，且金属加载层垂直于介质支撑的中轴线；所述金属加载层为环状排布的扇形网格加载层；金属加载层为由内到外排布的M层金属圆环，每层金属圆环平均分成N份部分圆环，部分圆环10之间具有缝隙，其中M和N均为大于等于2的正整数。
进一步的，所述M为2，N为12。
进一步的，相邻的金属圆环的部分圆环一一对应。
下面为一更具体的实施例：
如图1～图3所示，本实施例包括金属振子、介质支撑、金属加载层、金属反射板和圆极化网络的低剖面圆极化天线。所述金属振子为两组正交排列的振子，金属振子在介质支撑的上表面。金属振子为金属板状结构或金属涂覆。每组金属振子包括两个内侧振子和两个外侧耦合振子组成。内侧振子为扇形形状，圆心为天线轴线，圆心角为75°，直径为0.07λ。两个内侧振子靠近天线中心一端分别与介质支撑中预埋的同轴结构内、外导体连接。内侧振子另外一端的边缘弧线与外侧振子内端的边缘弧线有一定间距，间距为0.01λ,两条弧线圆心相同、外侧振子内端边缘弧线圆心角为55°；外侧振子为倒L形状弯折结构，水平部分为部分圆弧形状，内端边缘圆弧与内侧振子外端边缘圆弧相对应，外端边缘圆弧与金属反射板的圆心和直径相同,圆心角为58°，垂直部分为共形在介质支撑侧壁的弧形金属带，金属带圆弧与水平部分外端圆弧相同。弧形金属带上端与水平部分短路，下端与金属反射板短路。
金属振子内侧振子和外侧振子之间的缝隙形状也可以为直线或其他曲线。
介质支撑为圆柱形结构，中心区域预埋有两个同轴结构，其中同轴结构上端与金属振子内侧振子连接，下端外导体与金属反射板连接，内导体与圆极化网络连接。
在介质支撑轴线方向中间有金属加载层，金属加载层为环状排布的扇形网格加载层，如图3所示，加载层为内外两层金属圆环，每层金属圆环被平均分成12份，不同部分圆环之间有缝隙，缝隙间距为0.01λ。
金属反射板为中空金属腔，直径为0.35λ，上层开有圆孔与介质支撑中同轴结构外导体连接，同轴结构内道体通过上层开孔与圆极化网络相连，圆极化网络固定在金属反射板内部。
上述天线最终实现天线体积小于Φ0.35λ×0.05λ。参照图4，天线小于2的驻波比带宽大于13％，天线增益在±60°范围内大于0dB。
本发明的简要工作原理：
一种低剖面圆极化天线，包括金属振子、介质支撑、金属加载层、金属反射板和圆极化网络的低剖面圆极化天线。当发射信号时，发射机将电磁信号通过圆极化器进入天线圆极化网络，通过预埋在介质支撑中的同轴结构输送给天线的金属振子，在金属振子表面激励起电流，最终在远场区形成功率辐射方向图，实现圆极化射频信号的辐射，天线的接收与发射为互易过程。常规带金属反射板的振子天线为实现良好的阻抗特性，通常振子距离金属反射板高度约为0.22λ～0.25λ，这样天线的高度较高，为改善这一缺点，通过改变金属振子结构，在原金属振子外侧增加与金属反射板短路的耦合金属振子，改变天线振子的电流分布，实现降低天线高度的目的，为进一步降低天线的高度，通过在振子和反射板之间填充介质和金属加载层，改变振子在经过反射板发射的能量的相位，进一步降低天线的高度。
该天线通过采用末端接地的耦合振子和环状分布金属加载层相结合的天线形式，得到一种低剖面的宽带圆极化天线。天线小于2的驻波比带宽大于13％，天线增益在±60°范围内大于0dB。与常规振子天线相比，有效的降低了天线高度，天线最终体积小于Φ0.35λ×0.05λ。此外，天线结构简单、紧凑、辐射效率高，可以作为各种小型化通信系统辐射天线使用，适合大规模制造。

Claims (3)

1.一种低剖面圆极化天线，包括金属振子、介质支撑、金属加载层、金属反射板和圆极化网络；其特征在于，所述介质支撑为圆柱形结构，介质支撑的中心区域预埋有两个同轴结构；所述金属振子位于介质支撑的上表面，且金属振子为金属板状结构或金属涂层；所述金属振子设有两对，且两对金属振子正交；每对金属振子均包括位于同一直径上的两个内侧振子和两个外侧耦合振子，外侧耦合振子位于对应的内侧振子的外侧，其中内侧振子为扇形形状；所述内侧振子外侧的边缘弧线与外侧耦合振子内侧的边缘弧线具有间距，且分属外侧耦合振子和内侧振子的相邻两条边缘弧线的圆心相同；所述外侧耦合振子为倒L形状弯折结构，包括水平部分和垂直部分；所述外侧耦合振子的水平部分为扇环形，且扇环形的内端边缘圆弧与内侧振子外端边缘圆弧相对应，外端边缘圆弧与金属反射板的圆心和直径均相同；所述外侧耦合振子的垂直部分为紧贴在介质支撑侧壁的弧形金属带，弧形金属带圆弧与水平部分外端圆弧相同，且弧形金属带上端与水平部分短路，下端与金属反射板短路；
所述金属反射板位于介质支撑的下表面，金属反射板的内部为空腔结构；所述圆极化网络位于空腔结构的内部；金属反射板的顶部开有圆孔与介质支撑中同轴结构底部的外导体连接；
两个同轴结构和两对金属振子一一对应；同轴结构顶部的内导体连接金属振子的其中一内侧振子，外导体连接同一对金属振子的另一内侧振子；
所述金属加载层位于介质支撑内部，且金属加载层垂直于介质支撑的中轴线；所述金属加载层为环状排布的扇形网格加载层；金属加载层为由内到外排布的M层金属圆环，每层金属圆环平均分成N份部分圆环，部分圆环之间具有缝隙，其中M和N均为大于等于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面圆极化天线，其特征在于，所述M为2，N为12。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面圆极化天线，其特征在于，相邻的金属圆环的部分圆环一一对应。
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