CN106602255A - 小型单平面单馈全向圆极化天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了小型单平面单馈全向圆极化天线及其设计方法，包括顶层贴片、地板、馈电点和单负零阶谐振器，所述顶层贴片通过金属化过孔连接到地板，所述顶层贴片的中心为馈电点，所述单负零阶谐振器由2×2个蘑菇阵列构成，所述金属化过孔的数量为4个。本发明所设计的基于单负零阶谐振器的全向圆极化天线，尺寸小，具有方位面内的全向辐射方向图，能够覆盖大的服务区域，同时具有良好的圆极化性能。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种小型单平面单馈全向圆极化天线及其设计方法。
背景技术
全向圆极化天线是指同时具有全向辐射特性和圆极化辐射特性的一类天线，由于此类天线具有这两个特殊的性能而被广泛应用于通讯、雷达、遥感遥测、电子侦察与电子干扰等方面。全向圆极化天线应用于航天通信、遥测遥感以及天文设备中，可减小信号的损失，有效地消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响；全向圆极化天线应用于电子对抗中，可侦察和干扰敌方除反向纯圆极化信号以外的各种极化方式的无线电波；将全向圆极化天线装置于高速运动、剧烈摆动或滚动的物体上，如航天器、飞机、舰艇及汽车等，可在任何运动状态下都能接收到无线电信号；全向圆极化天线应用于广播电视系统中，能够有效扩大信号的覆盖范围，并能在一定程度上克服重影重音；部分通信系统采用方位面全向天线，可提高通信的及时性和可靠性。因此，研究全向圆极化天线具有重要的实用价值。
目前对全向圆极化天线的研究工作很大程度上集中在单个圆极化天线上，在需要全向圆极化天线时，只是将多个圆极化天线按照一定方式进行排列组合，从而实现全向性。采用这种方法所得到的天线性能往往无法达到最佳。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供小型单平面单馈全向圆极化天线及其设计方法，所设计的基于单负零阶谐振器的全向圆极化天线，尺寸小，具有方位面内的全向辐射方向图，能够覆盖大的服务区域，同时具有良好的圆极化性能。
其具体技术方案为：
小型单平面单馈全向圆极化天线，包括顶层贴片、地板、馈电点和单负零阶谐振器，所述顶层贴片通过金属化过孔连接到地板，所述顶层贴片的中心为馈电点，所述单负零阶谐振器由2×2个蘑菇阵列构成，所述金属化过孔的数量为4个。
进一步，所述蘑菇阵列的蘑菇单元有一个正方形的金属片，通过中心的金属柱与地板相连，左手电感效应由接地的金属柱提供，右手电容效应由金属片和地板之间的耦合提供，右手电感效应由金属片上的电流提供。
进一步，天线的尺寸为：l1＝48mm，l2＝46mm，l3＝5mm，l4＝3mm，l5＝26.5mm，l6＝7mm，4个金属化过孔的直径为1mm，馈电点位于天线中心位置。
小型单平面单馈全向圆极化天线的设计方法，具体步骤如下：
步骤1、根据单负零阶谐振天线良好的全向辐射特性，设计蘑菇阵列的小型全向辐射天线。单负零阶谐振天线具有更对称的方向图和更低的交叉极化，原因在于双负天线的馈电点偏离天线中心，造成方向图的不对称和交叉极化的增大，而单负天线的馈电点位于天线中心，因此方向图更加对称，具有更低的交叉极化。
步骤2、在蘑菇阵列的小型全向辐射天线的基础上，在地板上加载环形枝节，实现方位面的全向圆极化天线。蘑菇结构的单负零阶谐振天线可等效为电偶极子天线，地板上加载环形枝节可获得环向电流，环向电流可等效为磁偶极子天线；通过调节加载枝节，使等效的电、磁偶极子天线具有相同的幅度和90°的相位差，可在方位面实现全向圆极化辐射。
步骤3、经过仿真计算，天线最终的尺寸优化设计为：l1＝48mm，l2＝46mm，l3＝5mm，l4＝3mm，l5＝26.5mm，l6＝7mm，4个金属化过孔的直径为1mm，馈电点位于天线中心位置。为了和50Ω馈线相匹配，采用一个容性耦合片来进行阻抗匹配，容性耦合片的半径为3mm。
步骤4、实物加工并测量。测试结果表明：天线的零阶谐振频率为1.61GHz(中心频率)；整个天线的尺寸为0.3λ0×0.3λ0×0.01λ0；测试的10dB相对带宽为1.3％；天线在xoy面(方位面)实现了全向辐射，方位面内的不圆度小于0.32dB；在xoz面和yoz面(俯仰面)具有类似偶极子天线的辐射方向图；在中心频率1.61GHz处的轴比为2.1dB，天线3dB轴比带宽为1.4GHz～1.75GHz(相对带宽为22.2％)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、尺寸小，由于零阶谐振器的谐振频率和谐振腔的物理长度之间没有绝对依赖关系，因此可以设计小型化天线，且地板上所加枝节可以进一步降低谐振频率。
2、单平面单馈电结构，不需要传统天线实现全向圆极化所需的90°移相器和双馈电网络，更容易设计和加工；不需要双负零阶谐振所需的容性缝隙，容性缝隙增加了计算时间和加工难度，而所设计的天线不需要该缝隙，使计算速度更快，加工更精确。
3、与双负零阶谐振全向圆极化天线相比，提出天线不需要缝隙电容，馈电点可位于天线几何中心，使方向图的对称性更好，圆极化度也更好；由于馈电点固定，只需通过容性耦合片的直径调节匹配，设计和实现更简单。
附图说明
图1是2×2蘑菇阵列结构图，其中图1(a)是双负，图1(b)是单负；
图2是蘑菇结构等效电路模型，其中图2(a)是双负，图2(b)是单负；
图3是基于单负零阶谐振的全向圆极化天线结构；
图4是天线顶层贴片的电场和地板上的电流分布图，其中图4(a)t＝0，图4(b)t＝T/4，图4(c)t＝T/2，图4(d)t＝3T/4；
图5是反射系数计算结果；
图6是中心频率处天线xoy面方向图计算结果；
图7是中心频率处天线xoz面方向图计算结果；
图8是中心频率处天线yoz面方向图计算结果；
图9是θ＝90°方向轴比随频率变化曲线计算结果；
图10是θ＝90°面轴比随方位角的变化曲线计算结果；
图11是面轴比随俯仰角的变化曲线计算结果；
图12是θ＝90°方向增益随频率变化曲线计算结果；
图13是反射系数测试结果；
图14是中心频率处天线xoy面方向图实验结果；
图15是中心频率处天线xoz面方向图实验结果；
图16是中心频率处天线yoz面方向图实验结果；
图17是θ＝90°方向轴比随频率变化曲线实验结果；
图18是θ＝90°面轴比随方位角的变化曲线实验结果；
图19是面轴比随俯仰角的变化曲线实验结果；
图20是θ＝90°方向增益随频率变化曲线实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
1蘑菇结构零阶谐振器
左右手传输线具有零阶谐振特性，即在非零频率实现波长的无穷大。由于左右手传输线构成的零阶谐振器的谐振频率与物理尺寸无关，被广泛用于微波器件的小型化设计。左右手传输线的等效电路模型中零阶谐振频率取决于并联谐振，去掉串联电容后不影响零阶谐振频率，将这种情况称为单负零阶谐振器，为便于对比，将传统零阶谐振器称为双负零阶谐振器。单负零阶谐振器的谐振频率同样与物理尺寸无关，并且与双负零阶谐振器相比，单负零阶谐振器具有更简单的结构，更容易实现。
蘑菇结构是一种常见的零阶谐振器形式，它由一个矩形的金属贴片通过一个金属化过孔连接到地面构成，N×N个蘑菇阵列仍然是一个零阶谐振结构。由2×2个蘑菇阵列构成的双负和单负零阶谐振器分别如图1(a)和(b)所示。由图1(a)所示的双负蘑菇阵列可看出，蘑菇单元有一个正方形的金属片，通过中心的金属柱与地板相连，左手电容效应由相邻金属片间的耦合提供，左手电感效应由接地的金属柱提供，右手电容效应由金属片和地板之间的耦合提供，右手电感效应由金属片上的电流提供。由图1(b)所示的单负蘑菇阵列可看出，单负零阶谐振器缺少了相邻金属片间的耦合所提供的左手电容，其他均与双负蘑菇阵列相同。通过图1可以很容易得到双负和单负蘑菇阵列零阶谐振器的等效电路图，如图2所示。
2全向圆极化天线设计
双负和单负零阶谐振天线均可实现方位面(xoy)的全向辐射，在xoz和yoz面具有类似偶极子天线的辐射方向图。经理论分析和仿真计算可知，单负零阶谐振天线具有更对称的方向图和更低的交叉极化，原因在于双负天线的馈电点偏离天线中心，造成方向图的不对称和交叉极化的增大，而单负天线的馈电点位于天线中心，因此方向图更加对称，具有更低的交叉极化。
蘑菇结构的零阶谐振器在零阶谐振下的辐射模式可等效为一电偶极子天线，若在地板上加载环形枝节，则可获得环向电流，这个环向电流可等效为一磁偶极子天线，等效的电、磁偶极子天线具有相同的相位中心，通过调节地板上的加载枝节，可使等效的电、磁偶极子天线具有相同的幅度和90°的相位差，这样就可在方位面实现全向圆极化。
图3显示了所设计的全向圆极化天线的结构图，图中的深色区域为顶层贴片，浅色区域为地板。图4给出了一个周期内贴片电场分布和地板电流分布图(左侧是贴片电场分布，右侧是地板电流分布)。
由图4可看出，由于天线是通过零阶谐振模式进行辐射的，此时天线类似于一个电容器，电场能量和磁场能量进行周期性的转换。在零阶谐振模式下，天线上的电流分布包括径向电流和环向电流，径向电流的辐射可看作电偶极子天线的辐射，而环向电流的辐射可看作磁偶极子天线的辐射。影响磁偶极子天线辐射功率的是环向电流的幅度，而环向电流的幅度取决于枝节宽度的大小。电偶极子天线和磁偶极子天线的初始相位差是由加载枝节的长度决定的，因此影响天线轴比的两个因素均和加载枝节的尺寸有关。图3所示的天线结构工作于右旋圆极化模式，如果枝节沿着相反的方向加载，天线则工作于左旋圆极化模式。
本设计对天线增益要求不高，但相当重要的一点是保证天线增益最大处辐射圆极化波，即天线主瓣方向应与天线极化最好的方位角一致。
经过优化设计，天线最终的尺寸为：l1＝48mm，l2＝46mm，l3＝5mm，l4＝3mm，l5＝26.5mm，l6＝7mm，4个金属化过孔的直径为1mm，馈电点位于天线中心位置。为了和50Ω馈线相匹配，采用一个容性耦合片来进行阻抗匹配，容性耦合片的半径为3mm。需要说明的是，地板上所加枝节的长度对零阶谐振频率是有影响的，且枝节越长，零阶谐振频率越低，其原因是枝节长度增大使并联电容增大，而零阶谐振频率由并联谐振频率决定，因此随着枝节的增加，零阶谐振频率降低。
图5为反射系数的计算结果；图6～图8为中心频率处天线在xoy面、xoz面和yoz面归一化方向图的计算结果；图9为θ＝90°方向上天线轴比随频率的变化曲线；图10为中心频率处θ＝90°面内的天线轴比随方位角的变化曲线；图11为中心频率处面内的天线轴比随俯仰角的变化曲线；图12为θ＝90°方向上天线增益随频率的变化曲线。
由图5所示的反射系数计算结果可知，天线的零阶谐振频率为1.63GHz(中心频率)；由图6～8所示中心频率的天线方向图可知，天线在xoy面(方位面)实现了全向辐射，方位面的不圆度小于0.23dB，同时，在xoz面和yoz面(俯仰面)具有类似偶极子天线的辐射方向图。
由图9所示的轴比随频率的变化曲线可知，在中心频率1.63GHz处的轴比为1.8dB，天线3dB轴比范围为1.35GHz～1.74GHz(相对带宽为25.2％)；由图10所示中心频率处天线轴比随方位角的变化曲线可知，在整个方位面内，轴比均小于2dB；由图11所示中心频率处天线轴比随俯仰角的变化曲线可知，轴比小于3dB的波束范围为78°～126°，波束宽度达到48°；由图12所示的天线增益随频率的变化曲线可知，在中心频率1.63GHz处，天线最大增益为1.54dB。
3实验结果
图13为反射系数实验结果,图14～图16为零阶谐振频率处天线分别在xoy面、xoz面和yoz面内归一化方向图的测试结果；图17为θ＝90°方向上天线轴比随频率变化曲线的测试结果；图18为中心频率处θ＝90°面内天线轴比随方位角变化曲线的测试结果；图19为中心频率处面内天线轴比随俯仰角变化曲线的测试结果；图20为θ＝90°方向上天线增益随频率变化曲线的测试结果。
整个天线的尺寸为0.3λ0×0.3λ0×0.01λ0，与传统谐振天线相比，所设计天线实现了小型化；由图13所示的反射系数实验结果可知，天线的零阶谐振频率为1.61GHz(中心频率)，计算结果为1.63GHz，测试的10dB相对带宽为1.3％；由图14～16所示中心频率处天线方向图可知，天线在xoy面(方位面)实现了全向辐射，方位面内的不圆度小于0.32dB，同时，在xoz面和yoz面(俯仰面)具有类似偶极子天线的辐射方向图，与计算方向图一致；可看出实验结果与计算结果一致，测试方向图较仿真结果稍差，主要是由于天线尺寸比较小，架设过程中很难保证天线平面完全处于水平位置，从而影响天线的辐射方向图。
由图17所示的轴比随频率的变化曲线可知，在中心频率1.61GHz处的轴比为2.1dB，天线3dB轴比带宽为1.4GHz～1.75GHz(相对带宽为22.2％)；比计算结果稍差，主要是由于制造误差和测试环境引起的。由图18所示中心频率处天线轴比随方位角的变化曲线可知，在整个方位面内，轴比均小于2.1dB。由图19所示中心频率处天线轴比随俯仰角的变化曲线可知，轴比小于3dB的波束范围为78°～120°，波束宽度达到42°。由图20所示的天线增益随频率的变化曲线可知，在中心频率1.61GHz处，天线最大增益为1.11dB。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.小型单平面单馈全向圆极化天线，其特征在于，包括顶层贴片、地板、馈电点和单负零阶谐振器，所述顶层贴片通过金属化过孔连接到地板，所述顶层贴片的中心为馈电点，所述单负零阶谐振器由2×2个蘑菇阵列构成，所述金属化过孔的数量为4个。
2.根据权利要求1所述的小型单平面单馈全向圆极化天线，其特征在于，所述蘑菇阵列的蘑菇单元有一个正方形的金属片，通过中心的金属柱与地板相连，左手电感效应由接地的金属柱提供，右手电容效应由金属片和地板之间的耦合提供，右手电感效应由金属片上的电流提供。
3.根据权利要求1所述的小型单平面单馈全向圆极化天线，其特征在于，天线的尺寸为：l1＝48mm，l2＝46mm，l3＝5mm，l4＝3mm，l5＝26.5mm，l6＝7mm，4个金属化过孔的直径为1mm，馈电点位于天线中心位置。
4.小型单平面单馈全向圆极化天线的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、根据单负零阶谐振天线良好的全向辐射特性，设计蘑菇阵列的小型全向辐射天线，单负零阶谐振天线具有更对称的方向图和更低的交叉极化，双负天线的馈电点偏离天线中心，造成方向图的不对称和交叉极化的增大，而单负天线的馈电点位于天线中心，方向图更加对称，具有更低的交叉极化；
步骤2、在蘑菇阵列的小型全向辐射天线的基础上，在地板上加载环形枝节，实现方位面的全向圆极化天线，蘑菇结构的单负零阶谐振天线可等效为电偶极子天线，地板上加载环形枝节可获得环向电流，环向电流可等效为磁偶极子天线；通过调节加载枝节，使等效的电、磁偶极子天线具有相同的幅度和90°的相位差，在方位面实现全向圆极化辐射；
步骤3、经过仿真计算，天线最终的尺寸优化设计为：l1＝48mm，l2＝46mm，l3＝5mm，l4＝3mm，l5＝26.5mm，l6＝7mm，4个金属化过孔的直径为1mm，馈电点位于天线中心位置，为了和50Ω馈线相匹配，采用一个容性耦合片来进行阻抗匹配，容性耦合片的半径为3mm；
步骤4、实物加工并测量，测试结果表明：天线的零阶谐振频率为1.61GHz；整个天线的尺寸为0.3λ0×0.3λ0×0.01λ0；测试的10dB相对带宽为1.3％；天线在xoy面实现了全向辐射，方位面内的不圆度小于0.32dB；在xoz面和yoz面具有类似偶极子天线的辐射方向图；在中心频率1.61GHz处的轴比为2.1dB，天线3dB轴比带宽为1.4GHz～1.75GHz。
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