CN105742792A - 一种水平全方向辐射的圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平全方向辐射的圆极化天线,包括水平极化偶极子天线阵、垂直极化单极子天线和功分网络，本发明天线的辐射方向是一种面向水平面的全向天线，其方向图类似一种苹果形状，本发明与传统的垂直辐射方向天线不同，其发射和接收的信号为水平方向，可用于地面通信，同时，由于圆极化天线可以接收各种极化方向的电磁波，因此，本发明在水平地波通信中优势明显。

Description

一种水平全方向辐射的圆极化天线

技术领域

本发明涉及一种水平全方向辐射的圆极化天线,属于天线设计和制造技术领域。

背景技术

目前，传统的全向圆极化天线从其原理上来看，主要是分以下两类：

1.采用多个圆极化天线单元的排列组合，每个圆极化天线单元覆盖一定的方向角，这样多个单元通过一定的方式组合起来，实现全向的圆极化。

2.采用具有全向辐射特性的天线，通过馈入圆极化波或其他方式，实现天线的全向圆极化。第一种类型的天线以导弹上应用的共形圆极化天线居多。第二种天线，还包括：(1)单绕轴向模螺旋天线；(2)沿轴向加载有等幅而相位正交的电流交叉的偶极子产生的轴向圆极化天线；(3)由两根同相交叉偶极子在空间相隔所组成的圆极化天线。

上述这些传统的天线都是圆极化天线，天线结构简单，由于都是与卫星进行通信，因此天线的方向图都是轴向的，即在天线的竖直方向上增益最大。

目前，大多数传统的圆极化天线都是垂直方向发射或接收信号的，其辐射方向是垂直于水平面的以方便接收卫星的信号，其方向图的主瓣垂直于天线的水平面。

例如，申请号为CN201420248500.2的专利公开了一种天线，其天线本体包括接地部、自接地部延伸的第一连接部与第二连接部及自第一连接部与第二连接部分别延伸的第一臂部与第二臂部，第一臂部包括自第一连接部沿水平方向朝向第二连接部延伸的第一横臂、自第一横臂沿竖直方向朝向接地部延伸的第一竖臂及自第一竖臂沿水平方向朝向第二连接部延伸的第二横臂，第一臂部与接地部之间形成第一间隙，第二臂部包括自第二连接部沿竖直方向远离接地部延伸的第二竖臂及自第二竖臂沿水平方向朝向第一连接部延伸的第三横臂，第三横臂与第二横臂之间形成第二间隙，第二横臂位于第三横臂与接地部之间，第二竖臂的自由末端为信号馈入点。

例如，申请号为CN201320882403.4的专利公开了一种天线，包括：接地层、宽带辐射元件、馈送件以及接地腿部，其中，该宽带辐射元件安装在接地层上并且包括馈送点，该馈送点具有第一阻抗，该馈送件用于在馈送点处馈送宽带辐射元件，该馈送件具有第二阻抗，该接地腿部在宽带辐射元件与接地层之间延伸以将第一阻抗阻抗匹配至第二阻抗，该接地腿部以电容的方式耦合至宽带辐射元件。

目前传统的垂直方向辐射天线结构一般有几种：一是采用微带结构，为产生圆极化的特性，在微带贴片天线上切去对角；二是采用螺旋天线或螺旋天线阵的结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的水平全方向辐射的圆极化天线。

本发明的一种水平方向辐射的圆极化天线用于接收和发射与此天线位于同一水平面的发射和接收信号，本发明的一种水平方向辐射的圆极化天线的工作频段为L频段，在本发明的实施例中为1.6GHz，带宽40MHz。本发明的天线为一种正方体结构，分别由三部分组成，即水平极化偶极子天线阵、垂直极化单极子天线以及功分网络。根据天线极化理论，两种等幅而相位正交的水平极化和垂直极化的天线合成为圆极化天线，所以，本发明天线的方向图与单极子天线的方向图相似，是水平全向天线，其作用是接收或发射水平方向的圆极化波信号。

本发明用于发射和接收水平方向信号，本发明为一种正方体结构，本发明由三部分组成，本发明包括连接在一起的水平极化偶极子天线阵、垂直极化单极子天线和功分网络。根据不同的使用要求能够将天线设计成不同频率，不同极化(左旋圆极化或右旋圆极化)的天线。

本发明天线的辐射方向是一种面向水平面的全向天线，本发明与传统的垂直辐射方向天线不同，其发射和接收的信号为水平方向，能够用于地面通信，同时，由于圆极化天线能够接收各种极化方向的电磁波，因此，本发明在水平地波通信中优势明显。

附图说明

图1是本发明一实施例的圆极化天线阵的结构示意图；

图2是本发明一实施例的圆极化天线的功分网络的结构示意图；

图3是本发明一实施例的圆极化天线阵中的水平极化偶极子的天线单元的结构示意图；

图4是本发明一实施例的四端口水平极化天线阵的方向示意图；

图5是本发明一实施例的圆极化天线的回波损耗S11的示意图；

图6是本发明一实施例的圆极化天线的轴比的示意图；

图7是本发明一实施例的圆极化天线的方向示意图；

其中，图7(a)为1600MHz圆极化天线Z-X面的方向图，图7(b)为1600MHz圆极化天线X-Y面的方向图)；

图8是本发明一实施例的圆极化天线阵的详细结构示意图；

其中，1-介质基板；2-水平极化偶极子天线单元；3-水平极化偶极子天线单元；4-水平极化偶极子天线单元；5-水平极化偶极子天线单元；6-垂直极化单极子天线；7-垂直极化单极子天线馈点；8-垂直极化单极子天线接地板；9-水平极化偶极子馈电点；10-水平极化偶极子馈电点；11-水平极化偶极子馈电点；12-水平极化偶极子馈电点；

图9是本发明一实施例的圆极化天线功分网络的详细说明图；

其中，13-圆极化天线输入输出接口；14-连接垂直极化天线的接口；15-连接水平极化天线的接口；16-连接水平极化天线的接口；17-连接水平极化天线的接口；18-连接水平极化天线的接口；

图10是本发明一实施例的圆极化天线中水平极化偶极天线单元的详细说明图；

其中，19-水平偶极子天线单元臂；20-通孔；21-天线单元馈电线；22-水平偶极子天线单元臂；23-水平偶极子天线单元巴伦；24-天线介质基板；25-天线接地板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

本发明是一种接收和发射水平方向极化波的圆极化天线；本发明由三部分组成，包括连接在一起的水平极化偶极子天线阵、垂直极化单极子天线和功分网络。所述水平极化偶极子天线阵和所述垂直极化单极子天线的结构如图1所示，所述功分网络如图2所示，图3为圆极化天线阵中的水平极化偶极子的天线单元的结构示意图。

图8为发明一实施例的圆极化天线阵的详细结构示意图，图8中，2、3、4、5为四个水平极化的微带偶极子天线，天线的正方形基板为FR4材质，四个水平极化的微带偶极子天线以正方形基板为中心，分布在正方形基板的四个边方向上。这种天线的排列方式相当于一个圆阵，因此，四个水平极化的微带偶极子天线组成一个全向的水平极化天线阵，其方向图如图4所示。四个水平极化的微带偶极子天线的馈点分别为9、10、11、12。

图8中，正方形天线阵的中心是垂直极化的的单极子天线，其中，7为垂直极化天线本体，8为垂直极化天线的接地部分。

水平极化天线阵与垂直极化天线通过功分网络(如图9所示)连接，最后通过图9中的馈点13输出/输入。

功分网络形成圆极化天线的工作原理依据是：在获得圆极化波，通过两矢量进行合成，并且两矢量必须振幅相等、空间正交，其间的相位差相差90°。

当E_1m＝E_2m，

时，合成波为圆极化波。

其中，E₁(t)和E₂(t)为两个线极化信号的矢量；

E_1m(t)和E_2m(t)为两个线极化信号的振幅值；

和为单位矢量；

ω为矢量信号的角频率；

δ为两线极化信号的相位差。

对于水平极化的微带偶极子天线单元的详细说明，如图10所示，19和22分别为偶极子天线的两个谐振天线臂，21为馈电线，23为微带巴伦线，24为基质板，25为接地板，20为通孔。天线臂19、微带巴伦线23和接地板25均处于基质板底层，馈电线21处于基质板顶层，底层与顶层的馈电线通过通孔20相连。每个微带偶极子天线输入阻抗为：

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{Z_d{Z}_b}{Z_d+Z_b}---\left(1\right)$

式中：Z_d为偶极子天线臂19、22的等效阻抗；

Z_b为微带巴伦线23的等效阻抗。

$Z_d=120(\ln \frac{{8l}_d}{b_d}-1)[\frac{\sinh \left(2{\mathrm{\αl}}_d\right)-(\mathrm{\α}/\mathrm{\β})\sin \left(2{\mathrm{\βl}}_d\right)}{\cosh \left(2{\mathrm{\αl}}_d\right)-\cos \left(2{\mathrm{\βl}}_d\right)}-j\frac{\left(\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}\right)\sinh \left(2{\mathrm{\αl}}_d\right)+\sin \left(2{\mathrm{\βl}}_d\right)}{\cosh \left(2{\mathrm{\αl}}_d\right)-\cos 2\left(2{\mathrm{\βl}}_d\right)}]---\left(2\right)$

式中：α和β分别为偶极子表面电流的衰减常数和相移常数，b_d和l_d分别为偶极了天线臂19、的宽和长，根据微带线的基本理论，其等效阻抗为：

Zb＝jZ_abtankL(3)

式中为波数；

λ_e为等效波长，能够由天线中心频率确定；

L为微带巴伦线23的长度；

Z_ab为偶极子振子两臂之间由于开缝而形成的共面波导的等效特征阻抗。

图10中，水平极化的微带偶极子天线的谐振频率主要由偶极子天线臂的长度l_d决定。

图8中水平极化天线阵的四个馈电点的阻抗为50欧姆，四个馈电点通过50欧姆同轴线与功分网络(如图9所示)中的15、16、17、18接口相连接，图8中的垂直极化的单极子天线的馈电点7与图9功分网络的接口14连接。功分网络的作用是通过功率分配和阻抗匹配达到水平极化波和垂直极化波振幅相等、空间正交的目的，通过调节功分网络中接口14的馈线长度使水平极化波和垂直极化波相位差90°。

本发明的全向圆极化天线与传统圆极化天线不同，其天线的辐射方向为水平方向360°。其方向如图4所示。图8为本发明的一实施例的天线阵结构详细说明，天线阵为一边长为110mm的正方形。在图8中，本发明的天线阵为PCB结构，介质基板1为聚四氟乙炔板，基板的厚度为1.6mm。基板的顶层和底层分别为履铜线，线的厚度0.018mm，介质基板主要用来支撑水平极化偶极子天线阵，基板的底层为偶极子天线本体、微带巴伦和接地板，偶极子天线的天线臂长为34mm、宽5mm，微带巴伦长25mm、宽8mm，基板的顶层为微带馈电线，线宽为3mm，因此馈电点的阻抗为50欧姆，垂直单极子天线为四分之一波长单极子天线，馈电点为7，接地板为8。

图9为连接天线阵的功分网络，其连接方式为图8的中馈电点7、9、10、11、12分别连接图9中的馈点接口14、15、16、17、18。在图9的功分网络中设计了阻抗变换微带线，同时，调整连接接口14微带线的长度，达到圆极化天线的目的。图10为水平极化偶极子天线单元。

图5为根据图8、图9所示的本发明一实施例的圆极化天线的回波损耗S11的实验数据图，从图中看出，天线的回波损耗小于等于-10dB时，频率为1400～1800MHz。

图6为根据图8、图9所示的本发明一实施例的圆极化天线的轴比实验数据图，图7(a)为1600MHz圆极化天线Z-X面的方向图，图7(b)为1600MHz圆极化天线X-Y面的方向图，从图中能看出，天线在X-Y面为全向天线。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种水平全方向辐射的圆极化天线，其特征在于，包括连接在一起的水平极化偶极子天线阵、垂直极化单极子天线和功分网络。

2.根据权利要求1所述的一种水平全方向辐射的圆极化天线，其特征在于，所述水平全方向辐射的圆极化天线为一种正方体结构。

3.根据权利要求1所述的一种水平全方向辐射的圆极化天线，其特征在于，所述水平全方向辐射的圆极化天线为水平全向天线。

4.根据权利要求1所述的一种水平全方向辐射的圆极化天线，其特征在于，所述水平全方向辐射的圆极化天线的工作频段为L频段。