CN105938936A - 用于克服姿态变化衰落的宽波束天线 - Google Patents

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吕文俊
李玲
朱洪波
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Abstract

本发明公开了一种用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，在介质基板上分别设计结构相同、反对称布置的顶层水平振子和底层水平振子、顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元、顶层匹配枝节与底层匹配枝节，再引入一个非全封闭谐振腔，通过控制V形辐射单元臂长与水平振子单元臂长的长度差，使天线产生垂直于天线平面的圆极化波束，通过控制谐振腔与水平振子单元的大小，使天线在xoy面的波束得到展宽，并且在极化失配的情况下，增益反而有所提高，这是以往贴片天线不能实现的特性。本发明具有结构简单，体积小，制作成本低廉等优点。

Description

用于克服姿态变化衰落的宽波束天线
技术领域
本发明涉及一种用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，属于微波技术领域。
背景技术
随着卫星技术的发展，卫星导航已经在军事和民用领域得到了广泛应用。目前全球投入商业应用的导航系统有：美国的全球定位系统(Global Positioning System)、俄罗斯的全球导航卫星系统 (Global Navigation System)、欧洲的伽利略卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统。
在卫星通信应用中，通常要求地面移动通信终端天线具有宽波束、圆极化性能特点，以满足通信要求。目前卫星通信应用较多的是轴向模螺旋天线，该天线具有增益高、频带宽的特点，但是其波束宽度窄，半功率波束宽度通常在80°左右，当卫星所处位置低于地面接收天线的特定俯仰角时，到达天线的信号会因为多径衰落等原因而变得极其微弱，从而导致地面系统停止接收信号，为了弥补低仰角增益通常设计为有源天线，大大提高了产品成本。
微波应用系统中最常用的天线形式是微带贴片天线。与其他形式的天线相比，微带贴片天线具有尺寸小、重量轻、易于与载体共形、可与电路模块集成设计以及适合大规模生产和低成本等优势。但是，普通微带贴片天线的辐射（接收)波束较窄，在天顶与水平方向的增益差为10dB以上，不能满足卫星导航天线的宽波束要求。当用户姿态（特别是天线穿戴在人体上的情况）发生变化时，不能确保天线波束指向能带来足够的链路增益。因此，必须设计一种波束较宽的天线，该天线能在较大的俯仰范围内提供更为均匀的幅度响应，能够在天顶方向具有与卫星导航/定位系统相匹配的圆极化特性，而在低仰角和水平方位上具有高于天顶方向增益，用于补偿姿态变化带来的极化失配。上述设计思路，可望克服用户姿态变化引起的系统链路增益下降问题。
发明内容
根据上述思路，本发明所要解决的技术问题，提出一种用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，该天线在整个俯仰角范围内具有均匀的幅度响应特性，天顶方向具有圆极化特性，低仰角方向的增益比天顶方向高3-4dB，具有结构简单、体积小、剖面尺寸低、易于穿戴且便于制作实现。
本发明为解决上述技术问题而采用如下技术方案：
本发明提供一种用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，包括介质基板；介质基板的上表面设置有顶层水平振子单元、顶层对跖V形辐射单元、顶层匹配枝节，顶层对跖V形辐射单元的V形结点与顶层水平振子单元相连，顶层对跖V形辐射单元的一端与顶层匹配枝节相连；介质基板的下表面设置有底层水平振子单元、底层对跖V形辐射单元、底层匹配枝节，底层对跖V形辐射单元的V形结点与底层水平振子单元相连，底层对跖V形辐射单元的一端与底层匹配枝节相连；其中，顶层水平振子单元与底层水平振子单元具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板的中心横轴反对称排布；顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板的中心横轴反对称排布；顶层匹配枝节与底层匹配枝节具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板的中心横轴反对称排布；介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔，该谐振腔的非封闭面垂直于介质基板的表面，该谐振腔的非封闭面的上端和下端分别与顶层匹配枝节、底层匹配枝节相连；顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元构成开口环单元，且开口环在介质基板上的投影位置与谐振腔的位置不重叠。
作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元的V形夹角为60°至140°。
作为本发明的进一步优化方案，顶层对跖V形辐射单元和底层对跖V形辐射单元的臂长与顶层水平振子单元和底层水平振子单元的臂长之差为十六分之一至四分之一波长。
作为本发明的进一步优化方案，谐振腔、顶层对跖V形辐射单元与底层对跖V形辐射单元采用同轴线进行激发，其中，谐振腔的上表面与同轴线的内导体相连，谐振腔的下表面与同轴线的外导体相连。
作为本发明的进一步优化方案，介质基板的介电常数为1至20。
本发明采用上述技术方案，具有以下技术效果：本发明在垂直于天线平面方向有圆极化性能，在平行于天线平面方向有线极化性能且3dB波束张角可展宽至100°，在不同极化方向的增益差较小，适用于克服姿态变化引起的衰落，结构简单、体积小、剖面尺寸低且便于制作实现。
附图说明
图1是天线的正面结构与参考坐标示意图。
图2是天线的三维立体示意图与参考坐标示意图。
其中，1是介质基板，2是谐振腔，3是顶层水平振子单元，4是底层水平振子单元，5是顶层对跖V形辐射单元，6是底层对跖V形辐射单元，7是顶层匹配枝节，8是底层匹配枝节，9是V形夹角，21是谐振腔上表面，22是谐振腔下表面，23是同轴线内导体，24是同轴线外导体。
图3是采用IE3D软件计算的天线轴比示意图，其中，（a）是+z轴的轴比示意图，（b）是+x轴的轴比示意图。
图4是采用IE3D软件计算的天线反射系数特性。
图5是采用IE3D软件计算的天线方向图，其中，（a）是xoy-平面的方向图，（b）是xoz-平面的方向图。
图6是采用IE3D软件计算的天线增益图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
对照附图1、图2，本发明用于克服姿态变化衰落的宽波束天线的结构是：包括介质基板1；介质基板1的上表面设置有顶层水平振子单元3、顶层对跖V形辐射单元5、顶层匹配枝节7，顶层对跖V形辐射单元5的V形结点与顶层水平振子单元3相连，顶层对跖V形辐射单元5的一端与顶层匹配枝节7相连；介质基板1的下表面设置有底层水平振子单元4、底层对跖V形辐射单元6、底层匹配枝节8，底层对跖V形辐射单元6的V形结点与底层水平振子单元4相连，底层对跖V形辐射单元6的一端与底层匹配枝节8相连。其中，顶层水平振子单元3与底层水平振子单元4具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板1的中心横轴反对称排布；顶层对跖V形辐射单元5与底层对跖V形辐射单元6具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板1的中心横轴反对称排布；顶层匹配枝节7与底层匹配枝节8具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板1的中心横轴反对称排布。介质基板1的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔2，该谐振腔2的非封闭面垂直于介质基板1的表面，该谐振腔的非封闭面的上端和下端分别与顶层匹配枝节7、底层匹配枝节8相连；顶层对跖V形辐射单元5与底层对跖V形辐射单元6构成开口环单元，且开口环在介质基板1上的投影位置与谐振腔2的位置不重叠。
本发明中，顶层水平振子单元3与底层水平振子单元4的长度、宽度均可改变；顶层匹配枝节7与底层匹配枝节8的长度、宽度均可改变；顶层对跖V形辐射单元5与底层对跖V形辐射单元6的V形夹角可改变，夹角改变范围为60°至140°；顶层对跖V形辐射单元和底层对跖V形辐射单元的臂长与顶层水平振子单元和底层水平振子单元的臂长之差可改变，其差值变化范围为十六分之一至四分之一波长。
本发明通过控制对跖V形辐射单元的臂长与水平振子单元的臂长的长度差，得到+z方向（垂直于介质基板的方向）的圆极化特性；通过控制谐振腔2与水平振子单元的大小，该天线在xoy面的波束得到展宽。
对照附图3，图3中(a)和(b)是介质基板（1）按照相对介电常数为1.0、厚为4毫米，V形辐射单元夹角为120º ，V形辐射单元臂长与水平振子单元臂长差值为十六分之一波长，利用IE3D软件仿真计算得到的天线在+z轴和+x轴方向的轴比特性。其中，（a）表示该天线在+z轴的轴比特性，（b）表示该天线在+x轴的轴比特性，由图中(a)和(b)可见，该天线在+z方向（垂直于介质基板的方向）的极化模式为圆极化，在+x方向（平行于介质基板的方向）的极化模式为线极化。其圆极化模式用于接收来自天顶方向的卫星导航或定位信号，线极化模式既可用于地面通信，又可在用户姿态变化时，提供足够增益，接收到来自天顶方向的导航或定位信息。
对照附图4，图4是采用IE3D软件计算的天线反射系数特性，由图可知，该天线带宽覆盖了2.41-2.47GHz频段，相对带宽为2.5%，中心频率在2.44GHz，该天线具有一定的阻抗带宽。
对照附图5，图5中(a)和(b)给出了2.44GHz的两个主工作面方向图（xoy-平面与xoz-平面），其中，（a）表示xoy-平面的方向图，（b）表示xoz-平面的方向图，图中的实线为主极化分量，虚线为交叉极化分量。
对照附图6，图6给出了工作频段内的增益特性，图中的实线表示天线在+x方向（平行于介质基板的方向）的增益曲线，虚线表示天线在+z方向（垂直于介质基板的方向）的增益曲线。由图可见，该天线在+x方向（平行于介质基板的方向）的增益比+z方向（垂直于介质基板的方向）的增益高3-4dB。
由图5和图6可见，在中心频率2.44GHz处，天线在最大辐射方向上的3dB波束张角已达到100°， 并且在+x方向（平行于介质基板的方向）的增益高于+z方向（垂直于介质基板的方向）的增益，弥补了极化失配。
综上所述，本发明用于克服姿态衰落的宽波束天线，其圆极化波束垂直于天线所在平面，最大辐射方向平行于天线平面，3dB波束张角可达100°，并且随着圆极化的失配，增益反而有所提高，因此该天线适用于穿戴在人体接收不同方向的来波，可以克服姿态变化引起的衰落，应用前景非常广泛。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，其特征在于：包括介质基板（1）；
介质基板（1）的上表面设置有顶层水平振子单元（3）、顶层对跖V形辐射单元（5）、顶层匹配枝节（7），顶层对跖V形辐射单元（5）的V形结点与顶层水平振子单元（3）相连，顶层对跖V形辐射单元（5）的一端与顶层匹配枝节（7）相连；
介质基板（1）的下表面设置有底层水平振子单元（4）、底层对跖V形辐射单元（6）、底层匹配枝节（8），底层对跖V形辐射单元（6）的V形结点与底层水平振子单元（4）相连，底层对跖V形辐射单元（6）的一端与底层匹配枝节（8）相连；
其中，顶层水平振子单元（3）与底层水平振子单元（4）具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板（1）的中心横轴反对称排布；顶层对跖V形辐射单元（5）与底层对跖V形辐射单元（6）具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板（1）的中心横轴反对称排布；顶层匹配枝节（7）与底层匹配枝节（8）具有相同的结构与尺寸，且相对于介质基板（1）的中心横轴反对称排布；
介质基板的上下表面之间形成一个一面非封闭的长方体谐振腔（2），该谐振腔（2）的非封闭面垂直于介质基板（1）的表面，该谐振腔（2）的非封闭面的上端和下端分别与顶层匹配枝节（7）、底层匹配枝节（8）相连；
顶层对跖V形辐射单元（5）与底层对跖V形辐射单元（6）构成开口环单元，且开口环在介质基板（1）上的投影位置与谐振腔（2）的位置不重叠。
2.根据权利要求1所述的用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，其特征在于：顶层对跖V形辐射单元（5）与底层对跖V形辐射单元（6）的V形夹角为60°至140°。
3.根据权利要求1所述的用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，其特征在于：顶层对跖V形辐射单元（5）和底层对跖V形辐射单元（6）的臂长与顶层水平振子单元（3）和底层水平振子单元（4）的臂长之差为十六分之一至四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，其特征在于：谐振腔（2）、顶层对跖V形辐射单元（5）与底层对跖V形辐射单元（6）采用同轴线进行激发，其中，谐振腔（2）的上表面与同轴线的内导体（23）相连，谐振腔（2）的下表面与同轴线的外导体（24）相连。
5.根据权利要求1所述的用于克服姿态变化衰落的宽波束天线，其特征在于：介质基板（1）的介电常数为1至20。
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