CN106816717A - 锥形波束的圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锥形波束的圆极化天线，应用于通信技术领域，比如车载卫星通信等。天线整体为圆台形，外导体壁上开互相垂直的矩形缝隙，上下2列组成为天线辐射段。通过类同轴线结构给天线馈电，类同轴线结构外导体厚度随天线外辐射体倾斜角度渐变，从而实现较好的匹配。类同轴线外导体与天线辐射体之间填充介质。锥形波束的指向与圆台母线(辐射外导体表面)垂直，锥形波束圆极化性能良好，且通过改变母线倾角可以方便的实现任意角度的锥形波束。

Description

锥形波束的圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种天线，具体地，涉及一种锥形波束的圆极化天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，与移动卫星通信作为一种常用的通信情况变得越来越普遍。通常同步卫星和与之通信的车、船等的直线路径与地面有一个较为稳定的角度，为了实现稳定的通信，就要求在这个角度附近天线增益较高。锥形波束天线可以较好的实现这个功能。此外，圆极化天线可以接收任意极化波的特性对于移动卫星通信这种位置变动较为频繁的通信场合也至关重要。
经文献检索，K.L.Lau，K.M.Luk等人2006年在IEEE Trans.Antennas Propag.期刊上发表的文章“A Wideband Circularly Polarized Conical-Beam Patch Antenna”提出了一种宽带圆极化锥形波束天线，但是其混合馈电结构较为复杂。D.Zhou等人2008年在Microwave And Optical Techonlogy Letters期刊发表的文章“New Circularly-polarized Conical-beam Microstrip Patch Antenna Array For Short-rangeCommunication Systems”提出用4个切角矩形圆极化贴片天线构成阵列实现圆极化锥形波束，该天线馈电结构较为简单，但是波束最大增益在方向360度内变化起伏较大，会对实际的通信质量造成影响。Jeen等人2010年在IEEE Trans.Antennas Propag.期刊上发表的文章“Reconfigurable Circularly-polarized Patch Antenna With Conical Beam”以两种线极化天线组合的方式实现了锥形波束圆极化天线，但是使用了较复杂的微扰技术。类似的，Xudong Bai，Xianling Liang等人2015年在IEEE Antenna And WirelessPropagation期刊上发表的文章“Dual-Circularly Polarized Conical-Beam MicrostripAntenna”使用了较为复杂的耦合馈电结构。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种锥形波束的圆极化天线。该天线阻抗带宽大，圆极化轴比带宽大，在垂直辐射结构外导体方向的增益高。
根据本发明提供的一种锥形波束的圆极化天线，其特征在于，包括辐射结构、馈电结构；
辐射结构包括中空的圆台形壳体；
辐射结构上设置有上层辐射单元、下层辐射单元；
辐射结构与馈电结构之间填充有填充介质结构；
馈电结构包括馈电结构外导体、馈电结构内导体；
馈电结构外导体与馈电结构内导体之间填充有馈电结构介质；
馈电结构内导体的上端与辐射结构的顶部连接。
优选地，上层辐射单元、下层辐射单元均为开设在圆台形壳体壁上的具有夹角的矩形缝隙对。
优选地，馈电结构外导体的厚度随圆台形壳体侧面的倾斜角度线性渐变；
馈电结构下端连接SMA接头。
优选地，馈电结构外导体为圆台形，馈电结构外导体的外表面与圆台形壳体内壁面之间的距离基本不变，即馈电结构外导体的外表面与圆台形壳体内壁面之间的距离变化很小；馈电结构外导体沿中心轴线设置有通孔，馈电结构内导体和馈电结构介质设置在通孔内。
优选地，辐射结构的锥形波束的指向与辐射结构的圆台形壳体表面垂直；缝隙对的两个缝隙之间互相垂直；下层辐射单元的数量为上层辐射单元的数量的整数倍。
优选地，上层辐射单元、下层辐射单元之间缝隙的最短距离基本为一个介质波长，即上层辐射单元、下层辐射单元之间缝隙的距离为一个介质波长左右。
优选地，馈电结构内导体的上端与辐射结构的顶部平滑过渡连接。
上层辐射单元、下层辐射单元组成为天线辐射段；上层辐射单元有6个，即6对缝隙对；下层辐射单元有12个，即12对缝隙对。通过类同轴线结构的馈电结构给天线馈电，因此馈电结构可认为是类同轴线。类同轴线结构外导体厚度随天线外辐射体倾斜角度渐变，从而实现较好的匹配。类同轴线下方可以直接连接SMA头进行馈电。馈电结构外导体与天线辐射结构之间填充介质。锥形波束的指向与圆台母线(辐射结构的圆台形壳体表面)垂直，锥形波束圆极化性能良好，且通过改变母线倾角可以方便的实现任意角度的锥形波束。所述天线辐射结构为圆台侧面，由金属构成。辐射结构外壁开互成一定角度的矩形缝隙，从而能激励出圆极化波。为了提高天线的增益，在圆台外表面开两圈缝隙。由于两圈缝隙的高度不同，所在圆平面的半径不同，故上下两圈开的缝隙对个数不同。上圈开6个缝隙对，下圈开12个缝隙对，上下倍数关系使结构更加对称。所述辐射结构上下两圈缝隙之间距离为一个介质波长左右，从而在激励时保持同向叠加，使系统增益达到最大化。上辐射缝隙距离圆台上表面的距离以及下辐射缝隙距离圆台下表面的距离在天线制作过程中可以适当调整，以期实现较好的阻抗带宽。此外，由于上下两圈辐射缝隙对的个数不同以及馈电位置的不同，在天线制作过程中适当得调整缝隙宽度可以实现等功率辐射，也可以提高系统的增益。馈电结构为类同轴结构。馈电类同轴结构内导体、介质与同轴线完全相同，外导体随圆台侧面倾斜角度渐变。这样外导体与辐射结构构成渐变同轴线结构，便于实现阻抗匹配。此外，馈电内导体与天线顶部连接做平滑过渡，仿真结果表明，平滑过渡可以有效展宽阻抗带宽。调节圆台侧面倾斜角度，可以改变锥形波束最大辐射方向的角度。此外，在天线制作过程中适当调整两圈缝隙之间的距离，增加缝隙的圈数等都可以进一步提高天线的性能。下文中的一个实施例中将会以45度指向的锥形波束圆极化天线为例进行说明。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明锥形波束的圆极化天线效率较高，具有较高的增益。
2、本发明最大波束方向增益平坦度较好。
3、本发明的馈电方式较为简单。
4、本发明可以根据需要的最大波束指向调整圆台侧面的倾角，实现任意方向的最大波束指向。
5、天线馈电结构较为简单，最大辐射角度增益在圆周方向起伏小，圆极化性能良好。且通过改变圆台侧面(天线辐射面)的倾角，可以方便地改变最大辐射方向在俯仰方向的指向，具有较好的通用性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1、图2为本发明锥形波束的圆极化天线的结构示意图；
图3为本发明锥形波束的圆极化天线的主视图；
图4为馈电部分细节图及局部A-A剖视图；
图5为本发明锥形波束的圆极化天线的俯视图；
图6为沿B-B向反向的剖视图；
图7为本发明实施例的锥形波束的圆极化天线的回波损耗图；
图8为本发明实施例的5.3GHz～5.85GHz频点的θ为45度的增益图；
图9为本发明实施例的5.3GHz～5.85GHz频点的θ为45度的轴比图。
图10、图11、图12为本发明实施例的5.3GHz、5.6GHz、5.85GHz频点的方向图。
图中：1为辐射结构，2为上层辐射单元，3为下层辐射单元，4为填充介质结构，5为馈电结构外导体，6为馈电结构介质，7为馈电结构内导体，8为馈电点，9为馈电结构内导体与辐射结构顶部连接做平滑过渡的结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种锥形波束的圆极化天线，应用于通信技术领域，比如车载卫星通信等。天线整体为圆台形，外导体壁上开互相垂直的矩形缝隙，上下2列组成为天线辐射段。通过类同轴线结构给天线馈电，类同轴线结构外导体厚度随天线外辐射体倾斜角度渐变，从而实现较好的匹配。类同轴线外导体与天线辐射体之间填充介质。锥形波束的指向与圆台母线(辐射外导体表面)垂直，锥形波束圆极化性能良好，且通过改变母线倾角可以方便的实现任意角度的锥形波束。
请同时参阅图1和图2，一种锥形波束的圆极化天线，天线整体为圆台形，圆台形壳体构成的外辐射体壁上开互相垂直的矩形缝隙，上下2列组成为天线辐射段。通过类同轴线结构给天线馈电，类同轴线结构外导体厚度随天线外辐射体侧面倾斜角度渐变。类同轴线下方可以直接连接SMA头进行馈电。类同轴线外导体与天线辐射体之间填充介质。锥形波束的指向与圆台母线(外辐射体侧面表面)垂直，锥形波束圆极化性能良好，且通过改变母线倾角可以方便的实现任意角度的锥形波束。
进一步地，天线的辐射结构1为圆台形结构，由金属构成，厚度1.5mm。圆台上底直径12mm，下底直径64mm，高度49mm。在辐射结构1上开互相垂直(夹角90度)的矩形缝隙构成辐射单元，上层辐射单元2分布一圈有6个缝隙对，下层辐射单元3分布一圈有12个缝隙对。上下2组辐射单元构成辐射缝隙阵。两组缝隙阵之间距离为一个介质波长左右，这里设计为33.6mm。其中下缝隙阵距离圆台底部19.8mm，上层缝隙距离天线顶部4.4mm，调整这两个距离可以改变系统的阻抗带宽。
进一步地，馈电结构为类同轴线结构。馈电结构外导体由上往下半径线性增大，与辐射外导体半径之差大致为一个常数。设计思想是：能量由馈电同轴线上升至类同轴结构外导体与辐射体组成的外类同轴结构中，边传播边辐射。为了使传播路径尽量一致，保持类同轴结构外导体与辐射外导体半径之差保持基本不变。由此带来阻抗变换的问题，通过馈电结构内导体与辐射结构顶部连接做平滑过渡的结构9做调整，对调节阻抗匹配有重要作用。类同轴结构外导体半径最小处为2.49mm，最大处为51.3mm。馈电结构介质6是Teflon，介电常数为2.1，内径为0.5mm。进一步地，类同轴结构内导体与天线顶部金属圆片直接相连，外导体高度距离顶部金属圆3.2mm，此距离对于阻抗带宽有较大的影响。
本发明全向双圆极化的工作原理如下：
如图1至图6所示，其为本发明锥形波束的圆极化天线的主视图以及剖面图。
射频激励信号通过图2中下侧馈电点8对天线馈电，信号先通过类同轴线结构内的馈电结构介质向上传播，到达天线顶部后向外扩散，开始沿馈电结构外导体与填充介质结构向下传播。边传播边辐射能量。能量从第一圈缝隙开始向外辐射，到第二圈缝隙基本将能量辐射完，天线的效率较高。由于合理得设计了上下组缝隙的数量、间距、缝隙宽度，使得最大辐射角度垂直圆台侧面且增益较大。
如图7所示是本实施例的仿真得到的回波损耗图。从图中可以看出，在4.95GHz～6.23GHz频段内回波损耗小于-10dB。
如图8所示是本实例的仿真得到的5.3GHz～5.85GHz频点的θ为45度方向增益图。从图中可以看出，增益基本都在5dB以上。
如图9所示是本实例的仿真得到的在5.3GHz～5.85GHz频点的θ为45度方向轴比图。从图中可以看出，轴比值都在3dB以下。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种锥形波束的圆极化天线，其特征在于，包括辐射结构(1)、馈电结构；
辐射结构(1)包括中空的圆台形壳体；
辐射结构(1)上设置有上层辐射单元(2)、下层辐射单元(3)；
辐射结构(1)与馈电结构之间填充有填充介质结构(4)；
馈电结构包括馈电结构外导体(5)、馈电结构内导体(7)；
馈电结构外导体(5)与馈电结构内导体(7)之间填充有馈电结构介质(6)；
馈电结构内导体(7)的上端与辐射结构(1)的顶部连接。
2.根据权利要求1所述的锥形波束的圆极化天线，其特征在于，上层辐射单元(2)、下层辐射单元(3)均为开设在圆台形壳体壁上的具有夹角的矩形缝隙对。
3.根据权利要求1所述的锥形波束的圆极化天线，其特征在于，馈电结构外导体(5)的厚度随圆台形壳体侧面的倾斜角度线性渐变；
馈电结构下端连接SMA接头。
4.根据权利要求1所述的锥形波束的圆极化天线，其特征在于，馈电结构外导体(5)为圆台形，馈电结构外导体(5)的外表面与圆台形壳体内壁面之间的距离基本不变；馈电结构外导体(5)沿中心轴线设置有通孔，馈电结构内导体(7)和馈电结构介质(6)设置在通孔内。
5.根据权利要求2所述的锥形波束的圆极化天线，其特征在于，辐射结构(1)的锥形波束的指向与辐射结构的圆台形壳体表面垂直；缝隙对的两个缝隙之间互相垂直；下层辐射单元(3)的数量为上层辐射单元(2)的数量的整数倍。
6.根据权利要求1所述的锥形波束的圆极化天线，其特征在于，上层辐射单元(2)、下层辐射单元(3)之间缝隙的距离基本为一个介质波长。
7.根据权利要求1所述的锥形波束的圆极化天线，其特征在于，馈电结构内导体(7)的上端与辐射结构(1)的顶部平滑过渡连接。
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