CN107154529B - 一种超小型低剖面全向圆极化天线 - Google Patents

一种超小型低剖面全向圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于全向圆极化天线技术领域，公开了一种超小型低剖面全向圆极化天线，包括：辐射部分；所述辐射部分由上层介质板、四个耦合片、金属圆环、金属圆盘和中心金属柱构成，耦合片、金属圆环和金属圆盘印刷在上层介质板的上层表面。本发明在耦合片的末端与金属地板之间连接了四个金属短路柱，从而延长了耦合片上电流的传播路径，有效的减小了天线的横向尺寸，同时降低了天线的剖面高度；在外耦合片的内部加载了内耦合片，增强了天线各单元间的能量耦合，与现有技术相比，在保证方向图性能的同时，极大的减小了天线的尺寸，同时可以通过调节内、外耦合片间的距离和内耦合片的长度来很好的控制单元间的耦合能量强弱，从而调节天线的工作频率。

Description

一种超小型低剖面全向圆极化天线
技术领域
本发明属于全向圆极化天线技术领域，尤其涉及一种超小型低剖面全向圆极化天线。
背景技术
全向圆极化天线既具有圆极化天线抗干扰和抑制多径效应的优点，又具有全向天线能够全方位辐射的特性，因此全向圆极化天线在遥感遥测、空间飞行器、海上通信以及无线通信等领域有着广泛的应用。目前，国内外对全向圆极化天线已作了大量研究。全向圆极化天线是全向天线的一种。所谓全向天线，是指水平方向图上表现为360°都均匀辐射，即无方向性。按照极化方式，可以分为水平极化全向天线、垂直极化全向天线和全向圆极化天线。天线的极化是描述天线辐射电磁波矢量空间指向的参数。由于电场和磁场有恒定的关系，故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。天线的极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。当电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。在电场的水平分量和垂直分量幅度相等，相位相差90°或270°时，可以得到圆极化。根据两个电场分量的相位超前或滞后的关系，又可以分为左旋圆极化和右旋圆极化。天线的方向图是天线的辐射参量随空间方向变化的图形表示，一般表征天线辐射能量的空间分布情况。按方向特性分，天线可以分为强方向性天线，弱方向性天线，定向天线，全向天线，针形波束天线，扇形波束天线等。天线的全向辐射一般指的是天线在水平面的各个方向能量均匀分布，能量大小与方位角无关，只与俯仰角有关。其方向图在水平面的截面是一个圆，在垂直面的截面是一个倒8字形。天线在水平面的全向性能一般由不圆度来描述，不圆度是水平面天线增益的最大值与最小值之差。不圆度越小，天线辐射能量在水平面越均匀。全向圆极化天线既具有圆极化天线抗干扰和抑制多径效应的优点，又具有全向天线能够全方位辐射的特性，因此得到了广泛应用。但是在很多情况天线的剖面会对天线的应用起到很大的限制。当天线嵌入天线载体内部或者安装在天线载体表面时，低剖面天线能够更好的与天线载体组合在一起。比如天线安装在飞行器表面时，低剖面天线能够和飞行器表面很好的共形。低剖面天线以其轮廓低、风阻小、易于实现和载体共形等特点，在现代无线通信技术中得到越来越多的应用和重视。而现有的全向圆极化天线的剖面普遍很高，极大的限制了其应用。与此同时，随着现代通信的飞速发展，通信设备和飞行器等向着越来越小的方向发展，因此对其上安装的天线也提出了小型化的需求。现有的全向圆极化天线普遍具有结构复杂和尺寸大等特点，难以满足许多对天线尺寸有要求的应用环境，如小型无人机无线通信。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的全向圆极化天线普遍具有结构复杂和尺寸大，难以满足许多对天线尺寸有要求的应用环境。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超小型低剖面全向圆极化天线。
本发明是这样实现的，一种超小型低剖面全向圆极化天线，所述超小型低剖面全向圆极化天线包括：
辐射部分；
所述辐射部分由上层介质板、四个耦合片、金属圆环、金属圆盘和中心金属柱构成，耦合片、金属圆环和金属圆盘印刷在上层介质板的上层表面；
四个耦合片成旋转对称分布在圆形的上层介质板上，其一端都连接在金属圆环上，另一端与四个金属短路柱连接；金属圆盘加载在中心金属柱的顶部，通过与金属圆环之间的耦合将能量传递给耦合片。
进一步，所述四个金属短路柱采用金属铜材料，其一端分别连接在四个耦合片的末端，另一端与金属地板连接。
进一步，所述耦合片包括外耦合片和内耦合片，内耦合片的一端与外耦合片相连接，另一端与相邻的外耦合片平行；
所述内耦合片长度为0.07λ0，其中λ0为中心频率空气波长。
进一步，所述超小型低剖面全向圆极化天线进一包括：中间连接部分和馈电部分；
所述中间连接部分为金属短路柱；
所述馈电部分为匹配网络、下层介质板和金属地板；
所述匹配网络印刷在下层介质板上，与中心金属柱连接馈电，能量再通过加载在中心金属柱上的金属圆盘给耦合片耦合馈电。
进一步，所述匹配网络为阻抗变换段，长度为0.25λ1，其中λ1为中心频率介质波长。
进一步，所述金属短路柱一端连接在外耦合片的末端，另一端与金属地板相连接短路。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述超小型低剖面全向圆极化天线的小型无人机无线通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述超小型低剖面全向圆极化天线的无人机。
本发明的优点及积极效果为：四个金属短路柱采用金属铜材料，其一端分别连接在四个耦合片的末端，另一端与金属地板连接，延长了耦合片上的电流路径，从而减小了天线的横向尺寸，同时还能降低天线的剖面高度，天线的最终剖面高度为0.03λ0。2012年，在AntennasWirelessPropagationLetters上提出的一种折叠单极子形式的天线是目前电尺寸最小的全向圆极化天线，其电尺寸为0.22λ0*0.22λ0*0.076λ0。与折叠单极子形式的天线中的小型化天线相比较，本发明提出的天线的剖面要小于折叠单极子形式的天线中所述天线的0.076λ0。四个耦合片旋转对称的印刷上层介质板的上层表面，相邻单元互相靠近，可以增大单元间的耦合，从而减小天线的尺寸；其中耦合片包括外耦合片和内耦合片，内耦合片的一端与外耦合片相连接，另一端与相邻的外耦合片平行且相距很近，通过这样的方式可以进一步增强辐射单元间的能量耦合，从而减小天线尺寸；本发明提出的天线的最终尺寸为0.16λ0*0.16λ0*0.03λ0，其横向尺寸比折叠单极子形式的天线中提出的折叠单极子形式天线的尺寸要小。四个耦合片辐射的水平极化水平全向方向图与馈电金属柱辐射的垂直极化水平全向方向图合成产生了全向圆极化的方向图
本发明在耦合片的末端与金属地板之间连接了四个金属短路柱，从而延长了耦合片上电流的传播路径，有效的减小了天线的横向尺寸，同时降低了天线的剖面高度，天线的最终剖面高度为0.03λ0，小于折叠单极子形式的天线中提出的小型化天线的0.076λ0；在外耦合片的内部加载了内耦合片，增强了天线各单元间的能量耦合，与现有技术相比，在保证方向图性能的同时，极大的减小了天线的尺寸，同时可以通过调节内、外耦合片间的距离和内耦合片的长度来很好的控制单元间的耦合能量强弱，从而调节天线的工作频率。本发明提出的天线的最终尺寸为0.16λ0*0.16λ0*0.03λ0，要小于折叠单极子形式的天线中提出的小型化天线的尺寸(0.22λ0*0.22λ0*0.076λ0)。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超小型低剖面全向圆极化天线结构示意图。
图2是本发明实施例提供的图1的正视图。
图3是本发明实施例提供的图1的侧视图。
图4是本发明实施例提供匹配网络的结构示意图。
图5是本发明实施例的电压驻波比曲线图。
图6是本发明实施例的全频带轴比曲线图。
图7是本发明实施例的全频带增益曲线图。
图8是本发明实施例的方位面(XOY面)和俯仰面(XOZ面)的归一化方向图；
图中：(a)方位面归一化方向图；(b)俯仰面归一化方向图。
图中：1、辐射部分；11、上层介质板；12、耦合片；121、外耦合片；122、内耦合片13、金属圆环；14、金属圆盘；15、中心金属柱；2、中间连接部分；21、金属短路柱；3、馈电部分；31、匹配网络；32、下层介质板；33、金属地板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的超小型低剖面全向圆极化天线包括：辐射部分12、中间连接部分2、馈电部分3。
辐射部分1由上层介质板11、四个耦合片12、金属圆环13、金属圆盘14和中心金属柱15构成；中间连接部分2为四个金属短路柱21；馈电部分3由匹配网络31、下层介质板32和金属地板33构成。匹配网络31与中心金属柱15连接馈电；在中心金属柱15的顶端加载有金属圆盘14，然后通过耦合的方式将能量传递给耦合片12，同时中心金属圆柱15与金属圆盘14组成一个短单极子会辐射能量；四个耦合片12旋转对称印刷在上层介质板的上层表面，组成一个小电流环进行辐射。
如图2所示，所述上层介质板11的介电常数为2.65、损耗角正切为0.002，其厚度为m＝1mm，半径R1＝16.7mm。在上层介质板11的上层表面印刷有耦合片12、金属圆环13及金属圆盘14。四个耦合片的一端均连接在金属圆环13上，能量从金属圆盘14上通过耦合的形式传递到金属圆环13上，然后在传递给耦合片12进行辐射。所述耦合片12由外耦合片121和内耦合片122组合而成。外耦合片121形状类似于希腊字母Γ，总长度为L1＝42mm，长度约为0.2λ0(λ0为中心频率1.435GHz对应的自由空间波长)。四个外耦合片121旋转对称分布，组成一个小电流环，产生水平极化全向方向图。中心金属柱15长度为L3＝6.5mm，在其顶端加载有半径为1.8mm的金属圆盘14，组成一个短单极子，产生垂直极化全向方向图。由于同相馈电的单极子与电流环所产生的场自身会存在90°的相位差，因此外耦合片121辐射的水平极化能量与心中金属柱15及金属圆盘14辐射的垂直极化能量组合产生全向圆极化的方向图。在四个外耦合片121的内部分别加载有四个内耦合片122，内耦合片122的长度为L2＝13.5mm，其一端连接在外耦合片121上，另一端与相邻的外耦合片121相平行且相距很近，内耦合片122与相邻外耦合片121之间的距离为W1＝0.7mm。通过这样的方式可以增强辐射单元间的能量耦合，这种能量耦合可以极大的减小天线的电尺寸，天线的最终尺寸可以减小到0.16λ0*0.16λ0*0.03λ0。
如图3所示，所述的金属短路柱21的长度为L4＝6.5mm，其一端连接在耦合片12的末端，另一端与金属地板33连接，起到连接和支撑上下两部分的作用。与此同时，金属短路柱21延长了耦合片12上的电流传播路径，有效的减小的天线的横向尺寸和剖面高度。
如图4所示，所述下层介质板32的介电常数为2.65、损耗角正切为0.002，其厚度为m＝0.5mm，半径R1＝16.7mm。所述金属地板33印刷在下层介质板的上层表面，其作为天线和匹配网络31的地。所述匹配网络31印刷在下层介质板32的下层表面，总长度为L5＝32mm，长度约为0.25λ1(λ1为中心频率1.435GHz对应的介质波长)。小型化的天线的阻抗值通常比较小，难以与50欧姆的同轴线匹配。因此加入匹配网络31可以将天线的阻抗进行变换，从而更好的与50欧姆同轴线匹配。匹配网络31通过金属地板33中间的圆孔与中心金属柱15连接，为上面的辐射部分馈电。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1、仿真内容
1.1)利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例与参考天线的电压驻波比进行仿真计算，结果如图5所示。
1.2)利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例与参考天线的全频带轴比进行仿真计算，结果如图6所示。
1.3)利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例与参考天线的全频带增益进行仿真计算，结果如图7所示。
1.4)利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述实施例与参考天线在1.435GHz的方向图进行仿真计算，计算结果如图8所示。
2、仿真结果
如图5所示，本发明与参考天线的电压驻波比满足全向圆极化天线用于无线通信时的要求。在1.429GHz到1.442GHz的工作频带内，电压驻波比都小于2。
如图6所示，是对实物馈源天线测试得到的全频带轴比曲线图，可以看出在工作频带内(1.429GHz-1.442GHz)轴比均小于3dB，能较好的满足圆极化天线工作的需求。
如图7所示，是对实物馈源天线测试得到的全频带增益曲线图，可以看出全频带增益大于0.8dBic，最大增益为1.01dBic，能较好的满足全向圆极化天线的工作需求。
如图8所示，是对实物馈源天线测试得到的中心频点1.435GHz处的方位面(XOY面)和俯仰面(XOZ面)的归一化方向图。方向图表征工作频带内天线在空间的能量分布，归一化方向图则是将方向图的结果相对于其最大值进行归一化处理后得到的结果。图8(a)为表明天线在方位面360°内均有能量辐射，且不圆度小于1dB，说明天线在方位面360°内的能量分布均匀，能很好的满足全向天线的需求。图8(a)还表明天线的主极化为右旋圆极化，交叉极化为左旋圆极化，且主极化与交叉极化的差值在方位面360°内均大于15dB，说明天线在方位面360°内均有较好的圆极化特性，很好的实现了全向圆极化性能。图8(b)表明天线在俯仰面的增益最大值指向中心位置，没有出现方向图上翘或者下倾的现象。
本发明提出的超小型低剖面全向圆极化天线具有良好的电性能指标，满足了全向圆极化工作的基本要求，同时天线具有低剖面和小型化的特性，天线的电尺寸为0.16λ0*0.16λ0*0.03λ0(λ0为中心频率1.435GHz对应的自由空间波长)，其尺寸小于现有全向圆极化天线的尺寸。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超小型低剖面全向圆极化天线，其特征在于，所述超小型低剖面全向圆极化天线包括：
辐射部分；
所述辐射部分由上层介质板、四个耦合片、金属圆环、金属圆盘和中心金属柱构成，耦合片、金属圆环和金属圆盘印刷在上层介质板的上层表面；
四个耦合片成旋转对称分布在圆形的上层介质板上，其一端都连接在金属圆环上，另一端与四个金属短路柱连接；金属圆盘加载在中心金属柱的顶部，通过与金属圆环之间的耦合将能量传递给耦合片；
所述耦合片包括外耦合片和内耦合片，内耦合片的一端与外耦合片相连接，另一端与相邻的外耦合片平行；
所述内耦合片长度为0.07λ0，其中λ0为中心频率空气波长；
所述四个金属短路柱采用金属铜材料，其一端分别连接在外耦合片的末端，另一端与金属地板连接短路；
所述超小型低剖面全向圆极化天线进一包括：中间连接部分和馈电部分；
所述中间连接部分为中心金属柱；
所述馈电部分为匹配网络、下层介质板和金属地板；
所述匹配网络印刷在下层介质板上，与中心金属柱连接馈电，能量再通过加载在中心金属柱上的金属圆盘给耦合片耦合馈电。
2.如权利要求1所述的超小型低剖面全向圆极化天线，其特征在于，所述匹配网络为阻抗变换段，长度为0.25λ1，其中λ1为中心频率介质波长。
3.一种安装有权利要求1～2任意一项所述超小型低剖面全向圆极化天线的小型无人机无线通信系统。
4.一种安装有权利要求1～2任意一项所述超小型低剖面全向圆极化天线的无人机。
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