CN103022705A - 介质加载宽带小型化双圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介质加载宽带小型化双圆极化天线，特别涉及一种应用于发射和接收双圆极化波的宽频带、低驻波、高增益、功率容量大的双圆极化天线。包括双圆极化辐射器(1)和锥台反射面(2)；双圆极化辐射器(1)包括介质(3)、方波导(4)、阶梯隔板(5)、同轴接头(6、7)；所述的介质(3)为聚四氟乙烯。本发明是使用隔板圆极化器直接馈电，经过介质加载和反射面的反射，将信号辐射到空间中，在保证良好的驻波特性的基础上，展宽了波束，确保±65°俯仰角范围内的增益、轴比达到要求，且带宽宽；同时采用对称结构保证了左、右旋圆极化波在辐射性能上保持一致性。

Description

介质加载宽带小型化双圆极化天线

技术领域

本发明涉及一种介质加载宽带小型化双圆极化天线，特别涉及一种应用于发射和接收双圆极化波的宽频带、低驻波、高增益、功率容量大的双圆极化天线。

背景技术

近年来，双圆极化天线在卫星导航、通信系统、雷达、电子对抗得到了越来越广泛的应用，起到的作用也越来越重要；圆极化天线可以接受任意极化形式的线极化波，提高了天线接收信号的能力；双圆极化天线的好处在于一副天线可以发射和接收左旋圆极化波、右旋圆极化波，收发一体，实现收发隔离，减小收发端口之间的干扰；另外它可以实现极化分集接收；目前常用的双圆极化天线包括偶极子天线、螺旋天线、微带天线等，其中微带天线是主要形式，但是微带天线固有的工作频带窄、功率容量低、增益低。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，解决了微波波段圆极化天线宽波束覆盖时增益低、工作频带窄、功率容量低的问题，可提供一种能够稳定工作在微波波段宽频带、低驻波比、高增益、功率容量大且结构紧凑、成本低、体积小、一致性好的介质加载宽波束双圆极化天线。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的介质加载宽带小型化双圆极化天线，包括双圆极化辐射器和锥台反射面；双圆极化辐射器包括介质、方波导、阶梯隔板、同轴接头；所述的介质为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯为一种耐高温、耐气候、低损耗、低成本的介质材料，且易于加工成型，其介电常数为2.1左右；

双圆极化辐射器主体是基于金属波导的隔板圆极化器；双圆极化辐射器金属部分分两部分加工，配合安装，双圆极化辐射器两侧通过螺钉分别与同轴接头固定在一起；

介质一部分填充在方波导的内腔，一部分加载在方波导口面处；在方波导口面处加载介质时，波在介质中传播速度与空气中不同导致方波导口面处场的分布和相位的变化，故加载的介质既改善阻抗匹配又起到展宽了波束；调节锥台反射面中圆台的高度可以提高天线辐射角度范围内的增益；

双圆极化辐射器材料为铜，表面镀金处理；

锥台反射面材料为铝，表面发黑处理；同轴接头采用SMA接头，

双圆极化辐射器长38.8mm，方波导的内腔边长为14.65mm，方波导的金属壁厚为2mm，方波导的内腔为了便于加工作圆角处理，方波导的内腔的半径为2mm；方波导的内腔中间开上下两道宽槽，每道槽宽均为2mm，深均为0.5mm，用于阶梯隔板的定位和固定；同轴接头距方波导的底部距离为4.8mm，同轴接头的探针插入深度为8.4mm；

方波导内腔的聚四氟乙烯边长14.63mm，圆角半径为2mm；

加载在方波导口面处的聚四氟乙烯上底面边长为10.63mm，下底面边长为14.63mm，高度为2mm；介质中间开槽宽度为2mm，介质所开槽的阶梯尺寸与阶梯隔板尺寸对应，介质分两块加工，然后拼合在一起；阶梯隔板和方波导的底部一体设计加工，与方波导配合安装时采用方波导的内腔中间开的两道槽定位和固定；

锥台反射面包括上面的圆锥部分和下面的圆柱部分，圆锥部分和圆柱部分一体化加工成型，锥台反射面的中心沿高度方向开有通孔，通孔为正方形，通孔的边长为18.65mm，通孔的高为21mm；圆锥部分上、下底半径分别为18mm、50mm，高度为17mm；圆柱部分半径为68mm，高度为4mm；

双圆极化辐射器与锥台反射面共轴放置，使双圆极化辐射器与锥台反射面在垂直于轴线的平面内平齐。

有益效果

本发明工作在微波波段，在整个设计频带内，驻波小于1.6，在方位面360°，俯仰面-65°～+65°的波束范围内增益均大于-3dBi，在方位面360°，俯仰面-50°～+50°的波束范围内轴比小于6dB，在方位面360°，俯仰面-65°～+65°的波束范围内轴比小于8dB；左、右旋圆极化端口隔离度小于-12dB；

本发明是使用隔板圆极化器直接馈电，经过介质加载和反射面的反射，将信号辐射到空间中，在保证良好的驻波特性的基础上，展宽了波束，确保±65°俯仰角范围内的增益、轴比达到要求，且带宽宽；同时采用对称结构保证了左、右旋圆极化波在辐射性能上保持一致性。

附图说明

图1是本发明的天线俯仰面结构示意图及内剖面图；

图2是本发明的双圆极化辐射器结构示意图(包含隔板放置与圆极化的对应关系)；

图3是阶梯隔板的结构和尺寸示意图；

图4是天线在f0±2GHz的左旋圆极化端口、右旋圆极化端口的电压驻波比曲线；

图5是本发明在f0±2GHz的端口隔离度曲线；

图6是在f0-2GHz频点左旋圆极化端口馈电的两个正交的俯仰面方向图；

图7是在f0频点左旋圆极化端口馈电的两个正交的俯仰面方向图；

图8是在f0+2GHz频点左旋圆极化端口馈电的两个正交的俯仰面方向图；

图9是在f0-2GHz频点右旋圆极化端口馈电的两个正交的俯仰面方向图；

图10是在f0频点右旋圆极化端口馈电的两个正交的俯仰面方向图；

图11是在f0+2GHz频点右旋圆极化端口馈电的两个正交的俯仰面方向图；

图12是本发明在f0-2GHz频点两个正交的俯仰面轴比方向图曲线；

图13是本发明在f0频点两个正交的俯仰面轴比方向图曲线；

图14是本发明在f0+2GHz频点两个正交的俯仰面轴比方向图曲线；

图中：

1-双圆极化辐射器

2-锥台反射面

3-聚四氟乙烯填充物

4-方波导

5-阶梯隔板

6-同轴接头

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例

如图1所示，介质加载宽带小型化双圆极化天线，包括双圆极化辐射器1和锥台反射面2；

如图2所示，双圆极化辐射器1包括介质3、方波导4、阶梯隔板5、同轴接头6、7；所述的介质3为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯为一种耐高温、耐气候、低损耗、低成本的介质材料，且易于加工成型，其介电常数为2.1左右；

双圆极化辐射器1主体是基于金属波导的隔板圆极化器；双圆极化辐射器1金属部分分两部分加工，配合安装，双圆极化辐射器1两侧通过螺钉分别与同轴接头6、7固定在一起；

介质3一部分填充在方波导4的内腔，一部分加载在方波导4口面处；在方波导4口面处加载介质3时，波在介质3中传播速度与空气中不同导致方波导4口面处场的分布和相位的变化，故加载的介质3既改善阻抗匹配又起到展宽了波束；调节锥台反射面2中圆台的高度可以提高天线辐射角度范围内的增益；

双圆极化辐射器1材料为铜，表面镀金处理；

锥台反射面2材料为铝，表面发黑处理；同轴接头6、7采用SMA接头，

双圆极化辐射器1长38.8mm，方波导4的内腔边长为14.65mm，方波导4的金属壁厚为2mm，方波导4的内腔为了便于加工作圆角处理，方波导4的内腔的半径为2mm；方波导4的内腔中间开上下两道宽槽，每道槽宽均为2mm，深均为0.5mm，用于阶梯隔板5的定位和固定；同轴接头6、7距方波导4的底部距离为4.8mm，同轴接头6、7的探针插入深度为8.4mm；

方波导4内腔的聚四氟乙烯边长14.63mm，圆角半径为2mm；加载在方波导口面处的聚四氟乙烯上底面边长为10.63mm，下底面边长为14.63mm，高度为2mm；

加载在方波导4口面处的聚四氟乙烯上底面边长为10.63mm，下底面边长为14.63mm，高度为2mm；介质3中间开槽宽度为2mm，介质3所开槽的阶梯尺寸与阶梯隔板5尺寸对应，介质3分两块加工，然后拼合在一起；阶梯隔板5和方波导4的底部一体设计加工，与方波导4配合安装时采用方波导4的内腔中间开的两道槽定位和固定；

锥台反射面2包括上面的圆锥部分和下面的圆柱部分，圆锥部分和圆柱部分一体化加工成型，锥台反射面2的中心沿高度方向开有通孔，通孔为正方形，通孔的边长为18.65mm，通孔的高为21mm；圆锥部分上、下底半径分别为18mm、50mm，高度为17mm；圆柱部分半径为68mm，高度为4mm；

双圆极化辐射器1与锥台反射面2共轴放置，使双圆极化辐射器1与锥台反射面2在垂直于轴线的平面内平齐。

双圆极化辐射器1与锥台反射面2配合共轴放置，通过螺钉固定安装；

方波导4与同轴接头6、7通过螺钉固定安装；

如图3所示，阶梯隔板5的尺寸为L1=7.07mm，L2=9.09mm，L3=15.15mm，L4=23.21mm，L5=29.79mm，W1=2.48mm，W2=4.54mm，W3=6.56mm，W4=10.61mm，W5=15.65mm；阶梯隔板5的厚度为2mm；如图3放置时，左边的同轴接头6馈电时对应辐射出来的信号为左旋圆极化波，右边的同轴接头7馈电时对应辐射出来的信号为右旋圆极化波；

采用聚四氟乙烯的原因是使双圆极化辐射器的结构更加紧凑，同时通过对介质加载的结构设计可改变波束宽度，提高较宽波束范围内的增益同时对隔离度其一定改善作用；

将天线在微波暗室中进行电压驻波比、隔离度、方向图和增益轴比的测试，所使用的仪器为矢量网络分析仪，测试结果如图4-14所示；

如图4所示，天线工作在f0±2GHz频段内，电压驻波比小于1.6；

由图5可以看出，天线工作在f0±2GHz频段内，同轴接头6、7的隔离度小于-12dB；

由图6到图14可以看出，在f0-2GHz、f0和f0+2GHz频点上，在方位面360°，俯仰面-65°～+65°的波束范围内增益均大于-3dBi；在方位面360°，俯仰面-50°～+50°的波束范围内轴比小于6dB，在方位面360°，俯仰面-65°～+65°的波束范围内轴比小于8dB；

在f0-2GHz、f0和f0+2GHz频点上的测试增益如表1所示：

表1为天线在f0-2GHz、f0和f0+2GHz频点上的测试增益

频率(GHz)	f0-2GHz	f0	f0+2GHz
				左旋圆极化增益(dBi)	-0.7	-1.5	-2.1
右旋圆极化增益(dBi)	-0.7	-1.5	-2.1

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (1)

1.介质加载宽带小型化双圆极化天线，其特征在于：包括双圆极化辐射器(1)和锥台反射面(2)；双圆极化辐射器(1)包括介质(3)、方波导(4)、阶梯隔板(5)、同轴接头(6、7)；所述的介质(3)为聚四氟乙烯；

双圆极化辐射器(1)两侧通过螺钉分别与同轴接头(6、7)固定在一起；

介质(3)一部分填充在方波导(4)的内腔，一部分加载在方波导(4)口面处；

双圆极化辐射器(1)材料为铜，表面镀金处理；

锥台反射面(2)材料为铝，表面发黑处理；

同轴接头(6、7)采用SMA接头；

双圆极化辐射器(1)长38.8mm；

方波导(4)的内腔边长为14.65mm，方波导(4)的金属壁厚为2mm，方波导(4)的内腔的半径为2mm；方波导(4)的内腔中间开上下两道宽槽，每道槽宽均为2mm，深均为0.5mm，用于阶梯隔板(5)的定位和固定；同轴接头(6、7)距方波导(4)的底部距离为4.8mm，同轴接头(6、7)的探针插入深度为8.4mm；

方波导(4)内腔的聚四氟乙烯边长14.63mm，圆角半径为2mm；

加载在方波导(4)口面处的聚四氟乙烯上底面边长为10.63mm，下底面边长为14.63mm，高度为2mm；介质(3)中间开槽宽度为2mm，介质(3)所开槽的阶梯尺寸与阶梯隔板(5)尺寸对应；

锥台反射面(2)包括上面的圆锥部分和下面的圆柱部分，圆锥部分和圆柱部分一体化加工成型，锥台反射面(2)的中心沿高度方向开有通孔，通孔为正方形，通孔的边长为18.65mm，通孔的高为21mm；圆锥部分上、下底半径分别为18mm、50mm，高度为17mm；圆柱部分半径为68mm，高度为4mm；

双圆极化辐射器(1)与锥台反射面(2)共轴放置。

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