CN102780091B - 一种高低仰角增益圆极化螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高低仰角增益圆极化螺旋天线，包括圆柱形螺旋天线辐射体、十字形交叉振子寄生单元和功分移相宽带微带馈电网络，所述功分移相宽带微带馈电网络位于圆柱形螺旋天线辐射体的下方，并与圆柱形螺旋天线辐射体的底部连接；所述十字形交叉振子寄生单元位于圆柱形螺旋天线辐射体的上方，包括两个相互垂直的振子，当振子作为天线引向器时，振子的长度小于半个波长；当振子作为天线反射器时，振子的长度大于半个波长。本天线具有工作频带宽，方向图性能良好，低仰角增益高，同时具有结构紧凑，重量轻的优点。
Description
技术领域
本发明涉及圆极化螺旋天线，特别涉及一种高低仰角增益圆极化螺旋天线。
背景技术
目前，全球定位导航系统的应用越来越广泛，中国的北斗二代系统服务范围也已基本覆盖亚太地区并预计在未来十年内覆盖全球，而圆极化天线对该系统起到至关重要的作用。根据定位原理，接近地面的低仰角信号对定位精度的贡献最大，而天顶信号虽易于接受但对定位精度的贡献不大。随着对定位精度要求的提高，一般要求天线具有较高的低仰角增益，尤其对于北斗系统，卫星比较少，对低仰角增益提出了苛刻的要求，有时要求5°仰角增益大于-0.5dB，然而目前的圆极化天线普遍存在低仰角增益不足的问题。
目前圆极化天线使用最多的是微带天线和螺旋天线。微带天线剖面低，制造简单，成本低，然而方向图和轴比性能相对于螺旋天线稍显逊色，其波瓣宽度较窄，难以满足实际使用中较高的指标要求。
传统螺旋天线具有良好的上半球面方向图，波瓣宽度宽，但低仰角增益一般不够高，难以达到比较高的指标要求。而且方向图一般通过螺旋参数来调节，而这些参数又会同时影响天线其他性能，有时难以平衡兼顾，设计过程繁琐费时。
为了改善低仰角增益，最简单的办法是改变地板形状和大小，但这种方法的效果是很有限的，而且会带来体积和重量增大的缺点。
另外，采用锥形螺旋天线可以增加波束宽度，提高低仰角增益，但是提高范围也是很有限，并且存在体积大，结构复杂的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有较高的低仰角增益圆极化四臂螺旋天线。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高低仰角增益圆极化螺旋天线，包括圆柱形螺旋天线辐射体、十字形交叉振子寄生单元和功分移相宽带微带馈电网络，所述功分移相宽带微带馈电网络位于圆柱形螺旋天线辐射体的下方，并与圆柱形螺旋天线辐射体的底部连接；所述功分移相宽带微带馈电网络用于将同轴馈电信号分解为四个幅度相等，相位依次正交的输出信号，对圆柱形螺旋天线辐射体的螺旋臂进行馈电。
所述十字形交叉振子寄生单元位于圆柱形螺旋天线辐射体的上方，包括两个相互垂直的振子，两个振子所在的平面垂直于圆柱形螺旋天线辐射体的轴线，两个振子的交叉点位于圆柱形螺旋天线辐射体的轴线上；
当振子作为天线引向器时，振子的长度小于半个波长；
当振子作为天线反射器时，振子的长度大于半个波长。
所述十字形交叉振子寄生单元与圆柱形螺旋天线辐射体的距离小于半个波长。
所述圆柱形螺旋天线辐射体包括四个金属螺旋臂，所述四个金属螺旋臂沿圆柱体侧面在空间正交放置，螺旋缠绕；四个金属螺旋臂的顶部相互短路连接，底部分别设有馈电点。
当振子作为天线引向器时，振子的长度小于半个波长，且大于或等于0.4个波长。
当振子作为天线反射器时，振子的长度大于半个波长，且小于或等于0.7个波长。
所述金属螺旋臂的长度为0.25个波长的整数倍。
本发明的工作原理如下：四臂螺旋天线辐射体的圆极化电磁波在十字形交叉振子上形成感应电流，可以分解为沿两个互相垂直的振子方向的电流，这两个电流幅度相等相位正交。该感应电流同时也能辐射圆极化波，但在此，该交叉振子并不是作为独立的天线单元，而是作为一个寄生单元，改善四臂螺旋天线辐射的方向图。当振子长度略小于半个波长时，辐射电磁波相位滞后于下方的螺旋天线，所以振子作为天线引向器，起到增加轴向增益，减小后瓣的作用，只要尺寸调节合适，也可以使低仰角增益提高。当振子长度略大于半个波长时，辐射电磁波相位超前于下方的螺旋天线，所以作为天线反射器，起到抑制轴向增益，增加低仰角处增益的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有优点和有益效果：
（1）本发明通过调节十字形交叉振子寄生单元的振子长度，在保持圆极化天线良好的辐射性能的同时，提高低仰角5°处增益到0dB以上。
（2）本发明通过调节十字形交叉振子寄生单元的振子长度及振子到螺旋天线顶部的垂直距离，可以方便地控制天线辐射方向图，实现所要达到的最佳效果。
（3）本发明结构简单，结构紧凑，重量轻，调试方便。
（4）本发明采用宽带功分馈电网络，具有带宽宽的特点，10dB阻抗带宽从2GHz到2.8GHz，达到800MHz的带宽。
附图说明
图1为本发明第一个实施例的结构示意图。
图2为本发明的第一个实施例的上层微带电路示意图。
图3为本发明的第一个实施例的下层微带电路示意图。
图4为本发明的第一个实施例的右旋增益曲线图。
图5为本发明的第一个实施例的回波损耗曲线图。
图6为本发明的第二个实施例的右旋增益曲线图。
图7为本发明的第三个实施例的右旋增益曲线图。
图8为本发明的第四个实施例的右旋增益曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本发明一种高低仰角增益圆极化螺旋天线，包括圆柱形螺旋天线辐射体、十字形交叉振子寄生单元23和功分移相宽带微带馈电网络8，所述十字形交叉振子寄生单元23位于圆柱形螺旋天线辐射体的上方，所述十字形交叉振子寄生单元23与圆柱形螺旋天线辐射体的距离为0.25个波长，所述功分移相宽带微带馈电网络8位于圆柱形螺旋天线辐射体的下方，并与圆柱形螺旋天线辐射体的底部连接。
所述圆柱形螺旋天线辐射体包括四个金属螺旋臂4~7，所述四个金属螺旋臂4~7沿圆柱体侧面在空间正交放置，螺旋缠绕；四个金属螺旋臂4~7的顶部通过圆环3相互短路连接，底部分别设有馈电点；金属螺旋臂的长度为半个波长。这样，两个位置相对的螺旋臂可以看成一个天线，长度为一个波长，四个螺旋臂可以看成两个空间正交放置的天线，又由于这两个天线馈电相位正交，因此产生具有上半空间覆盖方向图的圆极化辐射。该辐射体结构中的螺旋臂可以用细铜丝或者其他导体材料制作，不需要支撑体，也可以采用介质加载印刷金属带，则对于同一频率相应的尺寸需减小。
所述功分移相微带馈电网络8包括如图2所示的上层微带电路9和如图3所示的下层微带电路11。所述上层微带电路9上设有上层威尔金森功分器12；下层微带电路11上设有下层威尔金森功分器22，上层威尔金森功分器12和下层威尔金森功分器22相同。上层微带电路9的地板朝下，下层微带电路11的地板朝上，两块地板都为圆形，大小一样，中间的地板互相贴和，构成共同地板10。为了将同轴馈电信号馈到上层微带电路9，在共同地板10中间开方形缝隙13，在介质板上开小圆过孔，便于同轴线内导体通过。同轴线内导体穿过过孔连接到上层威尔金森功分器12输入端的功分器馈电线14，外导体连接到下层威尔金森功分器22输入端的馈电线24。这样馈到每个功分器的信号幅度相等，相位相差180°。对于每个威尔金森功分器，输入端处都有一段功分器馈线，输入阻抗均为25欧姆，这样上下两端馈线的串联电阻为50欧姆，便于与馈电端50欧姆的同轴线相匹配。对于上层微带电路9，功分器馈线14后接上层威尔金森功分器12，输出两路等副信号，传输线17比传输线16长四分之一波长，则输出端口19的信号比输出端口18的信号滞后90°，实现相位正交。传输线16和传输线17之间接有隔离电阻15。对于下层微带电路11，功分器馈线24后接下层威尔金森功分器22，输出两路等副信号，传输线27比传输线26长四分之一波长，则输出端口29的信号比输出端口28的信号滞后90°，实现相位正交。传输线26和输线27之间接有隔离电阻25。功分移相微带馈电网络通过两个威尔金森功分器将源输入信号分解为四个幅度相等，相位依次正交的输出信号，对螺旋臂4~7进行馈电，公共地板10同时作为天线的反射板。
所述十字形交叉振子寄生单元23包括相互垂直的振子1和振子2，两个振子所在的平面垂直于圆柱形螺旋天线辐射体的轴线，两个振子的交叉点位于圆柱形螺旋天线辐射体的轴线上；本实施例中采用四个垂直于天线地板平面的绝缘柱子30~33固定。
十字形交叉振子寄生单元改变高低仰角增益的原理如下：四臂螺旋天线辐射的圆极化电磁波在十字形交叉振子上形成感应电流，可以分解为沿两个互相垂直的振子方向的电流，这两个电流幅度相等相位正交。该感应电流同时也能辐射圆极化波，但在此，该交叉振子并不是作为独立的天线单元，而是作为一个寄生单元，改善四臂螺旋天线辐射的方向图。当振子长度略小于半个波长时，辐射电磁波相位滞后于下方的螺旋天线，所以振子作为天线引向器，起到增加轴向增益，减小后瓣的作用，只要尺寸调节合适，也可以使低仰角增益提高。当振子长度略大于半个波长时，辐射电磁波相位超前于下方的螺旋天线，所以作为天线反射器，起到抑制轴向增益，增加低仰角处增益的作用。通过调节振子长度以及振子到螺旋天线顶部的垂直距离，可以方便地控制天线辐射方向图，实现所要达到的最佳效果。该交叉振子形状可作适当变化，只有长度满足要求即可，如可稍微弯曲变形，也可达到同样效果。
本实施例的振子作为天线反射器，振子的长度为0.58个波长，其右旋增益曲线如图4。
本实施例的回波损耗曲线如图5所示。
实施例2
本实施例除十字形交叉振子寄生单元与圆柱形螺旋天线辐射体的距离、振子的长度外，其余特征均与实施例1同。
本实施例除十字形交叉振子寄生单元与圆柱形螺旋天线辐射体的距离为0.4个波长。
本实施例的振子作为天线引向器，长度为0.42个波长，其右旋增益曲线如图6所示。
实施例3
本实施例的振子的长度外，其余特征均与实施例1同。
本实施例的振子作为天线反射器，长度为0.7个波长，其右旋增益曲线如图7所示。
实施例4
本实施例的振子的长度外，其余特征均与实施例2同。
本实施例的振子作为天线引向器，长度为0.48个波长，其右旋增益曲线如图8所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，如螺旋臂的长度还可以取0.25、0.75或1个波长，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高低仰角增益圆极化螺旋天线，其特征在于，包括圆柱形螺旋天线辐射体、十字形交叉振子寄生单元和功分移相宽带微带馈电网络，
所述功分移相宽带微带馈电网络位于圆柱形螺旋天线辐射体的下方，并与圆柱形螺旋天线辐射体的底部连接；
所述十字形交叉振子寄生单元位于圆柱形螺旋天线辐射体的上方，包括两个相互垂直的振子，两个振子所在的平面垂直于圆柱形螺旋天线辐射体的轴线，两个振子的交叉点位于圆柱形螺旋天线辐射体的轴线上；
当振子作为天线引向器时，振子的长度小于半个波长且大于或等于0.4个波长；
当振子作为天线反射器时，振子的长度大于半个波长，且小于或等于0.7个波长。
2.根据权利要求1所述的高低仰角增益圆极化螺旋天线，其特征在于，所述十字形交叉振子寄生单元与圆柱形螺旋天线辐射体的距离小于半个波长。
3.根据权利要求1所述的高低仰角增益圆极化螺旋天线，其特征在于，所述圆柱形螺旋天线辐射体包括四个金属螺旋臂，所述四个金属螺旋臂沿圆柱体侧面在空间正交放置，螺旋缠绕；四个金属螺旋臂的顶部相互短路连接，底部分别设有馈电点。
4.根据权利要求3所述的高低仰角增益圆极化螺旋天线，其特征在于，所述金属螺旋臂的长度为0.25个波长的整数倍。
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