CN102299399B

CN102299399B - 宽波束高增益双频圆极化组合天线

Info

Publication number: CN102299399B
Application number: CN 201110141216
Authority: CN
Inventors: 曹振新; 汤燕; 夏继钢; 经林; 左金康
Original assignee: Yangzhou Baojun Electronic Co Ltd Zhongdian Science & Technology; Southeast University
Current assignee: Yangzhou Baojun Electronic Co Ltd Zhongdian Science & Technology; Southeast University; CETC Yangzhou Baojun Electronic Co Ltd
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: CN102299399A

Abstract

本发明公开了一种宽波束高增益双频圆极化组合天线，包括：金属基座，在金属基座上设有金属锥台和十字振子天线，在金属锥台上设有微带天线，所述的微带天线由依次叠加的金属底板、介质基板及金属贴片组成，所述金属贴片的形状为切除了一个对角线上的两个等边角的正方形，在金属贴片上连接有同轴电缆且同轴电缆的内芯与金属贴片连接，在所述的微带天线中心设有通孔，十字振子天线包括设在金属基座上的硬同轴电缆，硬同轴电缆穿过金属锥台及微带天线的通孔，在硬同轴电缆的末端设有缝且缝的长度为四分之一工作波长，在硬同轴电缆的末端还设有十字振子，所述的十字振子由两个短臂和两个长臂组成，硬同轴电缆的内芯与其中一个短臂和一个长臂连接。

Description

宽波束高增益双频圆极化组合天线

技术领域

一般情况下，用于接收卫星下行信号或者发射信号到卫星，都要求天线具有很宽的波束，因为除了同步卫星之外，一般通信卫星、导航卫星处于通过轨道之下，其相对于地面不是静止的，而是在不断的运动，为了保证接收设备能够全天候接收卫星的信号，保证具有宽波束属于基本要求。

为此，本发明涉及一种双频圆极化组合天线，其中一个天线采用弯曲十字振子构成，一组采用微带天线构成，通过合适的组合，并且设计了特定的金属锥台和金属地，从而使其具有优良的驻波比、轴比、半球状辐射图，可以应用于卫星导航定位接收机、卫星通信接收机等设备上。

背景技术

目前，卫星定位系统、卫星通信系统已经获得了非常广泛的应用。由于卫星不断的在轨道上运行，因此通常要求卫星定位系统、卫星通信系统中接收通信设备的天线具有半球状辐射图，良好的驻波比、轴比以及低剖面，并具有良好的轴比带宽等要求。目前已经具有多种实用的各种天线，可以应用于这些技术领域，包括螺旋天线、微带天线等，一般而言其波束宽度难以做得很宽。

发明内容

本发明提供一种能够提高天线性能的宽波束高增益双频圆极化组合天线。

本发明采用如下技术方案：

一种宽波束高增益双频圆极化组合天线，包括：金属基座，在金属基座上设有金属锥台和十字振子天线，在金属锥台上设有微带天线，

所述的微带天线由依次叠加的金属底板、介质基板及金属贴片组成，所述金属贴片的形状为切除了一个对角线上的两个等边角的正方形，在金属贴片上连接有同轴电缆且同轴电缆的内芯与金属贴片连接，在所述的微带天线中心设有通孔，

所述的十字振子天线包括设在金属基座上的硬同轴电缆，硬同轴电缆穿过金属锥台及微带天线的通孔，在硬同轴电缆的末端设有缝且缝的长度为四分之一工作波长，在硬同轴电缆的末端还设有十字振子，所述的十字振子由两个短臂和两个长臂组成，硬同轴电缆的内芯与其中一个短臂和一个长臂连接。

本天线属于振子与微带组合天线，且由于振子采用了弯曲结构、末梢采用变异结构，对应的接收天线无需通过匹配电路就可以直接获得很好的驻波特性，同时微带天线部分位于锥台面上，通过优化金属基座直径、锥台高度和梯度、馈电同轴高度，能够使得增益、轴比等多项指标得到有效改善。

本发明的十字振子形成一个天线，贴片4、介质基板3和金属地板13形成微带天线，由此形成了两组组合在一起的工作于两个频点组合天线。由于采取了锥台结构2和金属基座1，通过采取合适锥台的锥度、高度和硬同轴电缆的长度，有效的增宽了两个天线的波束宽度，也即压低了高仰角增益，增加了低仰角增益，保证了在仰角－90°～＋90°内增益的平坦性，很好的满足了卫星导航接收设备的使用要求。

本发明中采用结构和方法与天线性能的关系描述如下：

采用两对振子，一对振子对应长臂6，另一对振子对应短臂7，臂长的不同用于天线的圆极化；

采用两对振子，对应长臂6和短臂7，同时以一定弧度向下弯曲，其中长臂6向下弯曲的曲率小于短臂7的弯曲曲率，该结构有效的展宽了天线的波束；

采用的两对振子末梢采用了变异结构，末端一段距离内宽度、厚度与振子本身结构相比，变窄或者变薄，或者同时变窄和变薄，该结构有效的改善了该天线的输入阻抗匹配；

两对振子6和7通过端口开口四分之一工作波长的硬同轴电缆9连接穿过贴片4、介质基板3、金属地板13和金属基座1，并在金属基座上形成SMA接口11；

锥台之上贴片4、介质基板3、金属地板13形成微带天线，在贴片对角线两端切去三角形10或者其它形状部分，实现该天线的圆极化，该天线中馈电点5通过同轴电缆穿过金属基座1，并在金属基座上形成SMA接口12，该部分的圆极化不仅可以通过贴片切角实现，也可以通过多馈源实现圆极化，其中相邻的馈源相位相差90°；

两个天线构成的整体组合结构，即由金属基座1、金属锥台2、金属底板13、介质基板3、贴片4、变形十字振子6和7、硬同轴电缆9、两个同轴接头11和12组成，该整体结构中，通过优化电缆9高度、锥台2高度、锥度和金属基座直径1，可以进一步改善天线的波束宽度，从而保证天线在－90°～＋90°范围内的增益保持平坦，更好的满足卫星导航接收设备的要求。

附图说明

在结合附图阅读下列详细描述后，本发明的上述目的、其它特征和优点都会更明显，其中：

图1是本发明的结构俯视图。

图2是本发明的结构主视图。

图3是本发明的天线振子部分和微带部分结构图，对应的长振子末端部分的厚度不同。

图4是本发明的天线振子部分和微带部分结构图，对应的长振子末端部分的宽度不同。

图5是本发明的天线振子的局部结构图，两根长振子的弯曲半径为r_l。

图6是本发明的天线振子的局部结构图，两根短振子的弯曲半径为r_s。

图7是本发明的微带天线部分结构图。

图8给出了常规的振子和微带组合天线接收部分的驻波特性。

图9给出了本发明天线接收部分的驻波特性。

图10给出了本发明中微带天线的辐射方向图。

图11给出了本发明中振子天线的辐射方向图。

具体实施方式

一种宽波束高增益双频圆极化组合天线，包括：金属基座1，在金属基座1上设有金属锥台2和十字振子天线，在金属锥台2上设有微带天线，

所述的微带天线由依次叠加的金属底板13、介质基板3及金属贴片4组成，所述金属贴片4的形状为切除了一个对角线上的两个等边角10的正方形，在金属贴片4上连接有同轴电缆5且同轴电缆5的内芯与金属贴片4连接，在所述的微带天线中心设有通孔8，

所述的十字振子天线包括设在金属基座1上的硬同轴电缆9，硬同轴电缆9穿过金属锥台2及微带天线的通孔8，在硬同轴电缆9的末端设有缝15且缝15的长度为四分之一工作波长，在硬同轴电缆9的末端还设有十字振子，所述的十字振子由两个短臂7和两个长臂6组成，硬同轴电缆9的内芯与其中一个短臂和一个长臂连接。

在本实施例中，所述十字振子的长臂的主体厚度大于十字振子的长臂的末梢厚度，十字振子的长臂的主体宽度大于十字振子的长臂的末梢宽度，两长臂末端之间的距离为24mm，两短臂末端之间的距离为16 mm。

下面是本发明的一个优选实施例的详细内容，实施例结合附图进行说明。在可能的情况下，用于所有附图和说明的同一标号表示相同或相似的部分。该实施例是一种导航定位接收机中采用的天线，其具有特别代表性，因为它具有两个频点，一个是发射频率，一个是接收频率，因此设计中不仅需要考虑两个频点、圆极化等双频微带天线要考虑的问题，还需要考虑接收端口和发射端口的隔离问题。此外该类型的接收机不仅需要正常的接收卫星信号，而且还需要发射信号，实现与卫星的双向通信。因此即代表了卫星通信系统中接收机天线的特征，也代表了卫星定位系统中接收机天线的特征。应用本发明的天线可以方便的应用于其它卫星通信接收机中，也可以方便用于其它定位系统中，如GPS定位接收机、加利略定位接收机等多种定位接收设备中。

图1到图4示出了根据本发明一种新型导航定位接收机双频天线的结构图，相应的图1示出了天线的总体结构图；图2示出了天线的振子部分和微带部分结构图；图3示出了天线的介质基板俯视图；图4示出了天线的金属底座的俯视图。

金属锥台2位于金属基座1上，金属底板13位于金属锥台上2，一个介质基板3位于金属底板13上，一个贴片4位于介质基板3上；一根硬同轴电缆9从馈点口11穿过金属底板13的中心圆孔16、介质基板3的中心圆孔18、贴片4的中心方孔8的中心向上与变形十字振子两个短臂7和两个长臂6相接，同时长臂和短臂的弯曲半径变异，即长臂的弯曲半径和短臂的弯曲半径不相同，并且该硬同轴电缆9与金属贴片4不相连；其中金属锥台2为一空腔体，硬电缆9外层金属层从与十字振子相接处向下一段距离进行了开缝15，作为巴伦以实现平衡不平衡的转换；变形十字振子的两个臂7较短，另外两个臂6较长，以实现圆极化，同时两个长臂6的末端有一段14厚度、宽度进行了变异（在该种结构下，十字振子的长臂没有采用规则结构而是采用了变异结构即末端部分的厚度由t变为t1；同时长臂和短臂的弯曲半径变异，即长臂的弯曲半径和短臂的弯曲半径不相同，分别为r_l和r_s），以实现阻抗匹配，且四个臂以一定弧度向下弯曲；贴片4为正方形，并且切除了一个对角线上的两个等边角10，以实现圆极化，馈点电缆12位于其中一个轴线的某个位置,穿过孔17和孔19与贴片4的孔5上焊接。该结构中金属底板13、介质基板3和贴片4实现了一个天线功能，作为发射信号使用；十字振子的两个长臂6（末端为变异结构14）、两个短臂7实现了另一个天线功能，作为接收信号使用；金属基座1、金属锥台2用于改善发射和接收天线的部分性能。

在该实施例中，金属基座1为铝合金，半径95毫米，厚度为40mm；金属锥台2为铜皮，厚度1mm，上口半径41mm，下口半径65mm，高度33mm，上口面和下口面均为漏空；金属底板13为铜皮，半径41mm，厚度为18um，中心圆孔18半径3mm，穿孔19半径1.6mm；介质基板3为Rogers4350B，半径41mm，厚度1.524mm，中心圆孔16半径3mm，穿孔17半径1.6mm；贴片4为铜皮，厚度18um，长度和宽度为23.2mm，在如图1所示的等边切角10的边长为3.5mm，用于实现左旋圆极化，同轴电缆的内芯穿过孔19、孔17和孔5与贴片4焊接在一起；硬同轴电缆9为标准同轴电缆，外半径为2.5mm，内芯半径为0.45mm，高度50mm，上端狭缝宽度1mm，长度20mm；十字振子的两个短臂7的长度为26.9mm，宽度1mm，厚度0.5mm，弯曲曲率半径r_s为8mm，两个长臂6的长度为32.8mm，长度1mm，厚度0.5mm，弯曲曲率半径r_l为12mm，对应末端14变异部分长度为5mm，宽度1mm，厚度0.1mm，其中相邻的一个长臂和一个短臂相连，另一对相邻的长臂和短臂相连，两对长短臂组合相距1mm，硬同轴电缆9内芯与其中一对长臂和短臂连接处相连，长臂和短臂安放的位置和方式如图1和图2，以实现右旋圆极化。

由于本发明专利是在常规振子和微带组合天线上改进，为说明本天线的优点，同时给出了长短臂弯曲曲率为10mm，长臂没有变异，其它参数与本发明相同的普通组合天线的接收部分的驻波特性图5以及本发明的接收部分的驻波特性图6。比较图5和图6，图5中在中心工作频点2.49GHz对应的驻波为2.91，图6中在中心工作频点2.49GHz对应的驻波为1.03，本发明极大的改善了接收部分的驻波特性。图8和图9表明，由于采取本发明中的结构，无论是振子天线还是微带天线的波束宽度得到了有效展宽。

尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化，和等同物有所附的权利要求书的内容涵盖。

Claims

1.一种宽波束高增益双频圆极化组合天线，其特征在于，包括：金属基座（1），在金属基座（1）上设有金属锥台（2）和十字振子天线，在金属锥台（2）上设有微带天线，

所述的微带天线由依次叠加的金属底板（13）、介质基板（3）及金属贴片（4）组成，所述金属贴片（4）的形状为切除了一个对角线上的两个等边角（10）的正方形，在金属贴片（4）上连接有同轴电缆（5）且同轴电缆（5）的内芯与金属贴片（4）连接，在所述的微带天线中心设有通孔（8），

所述的十字振子天线包括设在金属基座（1）上的硬同轴电缆（9），硬同轴电缆（9）穿过金属锥台（2）及微带天线的通孔（8），在硬同轴电缆（9）的末端设有缝（15）且缝（15）的长度为四分之一工作波长，在硬同轴电缆（9）的末端还设有十字振子，所述的十字振子由两个短臂（7）和两个长臂（6）组成，硬同轴电缆（9）的内芯与其中一个短臂和一个长臂连接。

2.根据权利要求1所述的宽波束高增益双频圆极化组合天线，其特征在于，所述十字振子的长臂的主体厚度大于十字振子的长臂的末梢厚度，十字振子的长臂的主体宽度大于十字振子的长臂的末梢宽度，两长臂末端之间的距离为24mm，两短臂末端之间的距离为16mm。