CN107181050B - 碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，包括：正交偶极子单元、碗形金属反射器、金属环、微波介质板；正交偶极子单元的正交偶极子印刷在微波介质板上；正交偶极子单元设置在碗形金属反射器的底面；碗形金属反射器的内侧壁设置有金属环。本发明具有21％的‑15dB阻抗带宽，且本发明所用的高阻抗碗形反射器相比于具有相同口径尺寸的内壁无高阻抗表面的碗形反射器及平面反射器，使得天线增益最大分别提高了3.1dB和4.2dB。此外，该阵列天线的副瓣电平比同口径的平面反射器阵列天线低约5dB。该增益提高方法亦适用于提高其他形式的天线增益。

Description

碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线
技术领域
本发明涉及喇叭天线领域，具体地，涉及结构简洁的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线。
背景技术
现代通信技术的发展和应用对天线的性能提出了更多的要求。圆极化天线由于其独特的优势得到越来越广泛的应用。圆极化相比于线极化可以减小多径效应带来的对信道的干扰，可以减少极化失配造成的能量损失，可以为天线的取向提供更多的自由度，这些都使得现代通信系统对圆极化天线的需求越来约大。
目前，圆极化天线已经被应用在雷达、电子对抗、通信、遥感遥测等诸多领域。除此之外，现代通信系统对天线的增益也提出了更多的要求，在微波远程传输、机载通信等系统中都要求天线在所要求的方向对电磁波有较强的收、发能力，而在其余方向对杂波信号有这较强的抑制能力，这就对高增益、强方向性的天线提出了要求。天线增益的提高也意味着发射机所需的发射功率得到减小，从而降低了系统成本并减小了对环境的电磁污染。高增益的天线对提高通信系统的信噪比也有显著的作用。
目前已经有多种提高天线增益的方法，有在天线上方加载基板或者加载方形环，有通过采用异性材料制作天线利用材料特性来实现天线的增益，例如专利文献CN202977719U采用陶瓷介质基板和环形辐射贴片来提高天线增益。但是这些方法大多都是对单元结构进行了改进，对于特定的天线需要提高增益时该方法便不再适用。因此，找到一种能广泛适用的提高天线增益的方法是有必要的。
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碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线。
根据本发明提供的一种碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，包括：正交偶极子单元、碗形金属反射器、金属环、微波介质板；
正交偶极子单元的正交偶极子印刷在微波介质板上；
正交偶极子单元设置在碗形金属反射器的底面；
碗形金属反射器的内侧壁设置有金属环。
优选地，多个金属环等高度、等间距设置在碗形金属反射器的内侧壁上。
优选地，正交偶极子单元包括金属腔、同轴线、同轴接头；
微波介质板下方为一与微波介质板等边长的金属腔，正交偶极子单元的正交偶极子馈电点通过下方一段同轴线穿过金属腔连接至同轴接头。
优选地，正交偶极子单元的边长为λ/2且高度为λ/4，金属腔的深度为λ/4，同轴线长λ/4，金属环高度为λ/4；
其中，λ为工作频率中心频点对应的自由空间波长。
优选地，四个正交偶极子单元中心旋转对称嵌入在碗形金属反射器的金属圆盘底面上；其中，每个正交偶极子单元馈电幅度相同且馈电相位沿周向逆时针依次为0°、-90°、-180°、-270°；金属环有四个。
优选地，正交偶极子单元与碗形金属反射器采用公共地板。
优选地，碗形金属反射器具有张角，碗形金属反射器的金属底面作为四个正交偶极子单元的公共反射板。
优选地，金属腔底端与碗形金属反射器的金属底面在同一平面上。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供一种碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，该阵列天线具有21％的-15dB阻抗带宽，且本发明所用的高阻抗碗形反射器相比于具有相同口径尺寸的内壁无高阻抗表面的碗形反射器及平面反射器，使得天线增益最大分别提高了3.1dB和4.2dB。此外，该阵列天线的副瓣电平比同口径的平面反射器阵列天线低约5dB。该增益提高方法亦适用于提高其他形式的天线增益。
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是本发明提供的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线的三维结构示意图。
图2是本发明提供的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线的三维结构分解示意图。
图3是本发明提供的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线的有源S参数图。
图4是本发明提供的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线与具有相同口径尺寸的无高阻抗表面碗形反射器、平面反射器的阵列天线增益随频率变化情况。
图5是本发明提供的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线与具有相同口径尺寸的无高阻抗表面碗形反射器、平面反射器的阵列天线在8.55GHz频点Phi＝0°的方向图。
图6是本发明提供的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线与具有相同口径尺寸的无高阻抗表面碗形反射器、平面反射器的阵列天线在8.55GHz频点Phi＝45°的方向图。
图中示出：
圆极化折叠正交偶极子单元1
同轴接头2
碗形金属反射器3
金属环4
微波介质板5
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。
本发明提供一种结构简洁的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，通过在碗形金属反射器3内壁施加四条等高度等间距的金属带条所构成的金属环4来形成等效的高阻抗表面，减小爬行波所造成的电磁波泄露，从而提高天线的增益。
所述高增益圆极化阵列天线包括：四个边长约为λ/2、高度约为λ/4的圆极化折叠正交偶极子单元1，其中，λ为工作频率中心频点对应的自由空间波长。所述高增益圆极化阵列天线还包括：一个碗形金属反射器3、在碗形金属反射器3内壁上的四个等高度等间距的金属环4。四个圆极化折叠正交偶极子单元1置于碗形金属反射器3的底面，碗形金属反射器3的内侧壁上的四条等高度等间距的金属环4形成高阻抗表面。金属环高度为λ/4，使得金属环之间的槽底部的短路金属壁通过该段λ/4长度变换为槽开口端等效的开路并具有很大的表面阻抗。该高阻抗表面可以抑制爬行波的传播并同相地反射电磁波使得阵列天线更有效地辐射并减小电磁泄露，从而阵列的增益得到提高，副瓣电平得到改善。
圆极化折叠正交偶极子单元1中负责辐射的偶极子印刷在微波介质板5上，微波介质板5下方为一与微波介质板5等边长、深度为λ/4的金属腔，偶极子馈电点通过下方一段约λ/4长同轴线穿过金属腔连接至同轴接头2，四个圆极化折叠正交偶极子单元1采用圆极化连续旋转技术，四个圆极化折叠正交偶极子单元1中心旋转对称，每个圆极化折叠正交偶极子单元1馈电幅度相同且馈电相位沿周向逆时针依次为0°、-90°、-180°、-270°，从而来获得更好的增益及轴比带宽。通过调节圆极化折叠正交偶极子单元1之间的间距，使阵列天线具有高增益及较低副瓣。
碗形金属反射器3及四个圆极化折叠正交偶极子单元1采用公共地板用来减小电磁波后向辐射并减小电磁波泄露，四个金属环4之间等间距、等高度放置在碗形金属反射器3内壁上来形成等效的高阻抗表面。通过调节金属侧壁的张角来获得阵列天线增益的提高。
具体地，圆极化折叠正交偶极子单元1的边长23mm，金属腔的腔体壁厚2mm，金属腔的腔内侧深度9mm，四个圆极化折叠正交偶极子单元1之间间距24.5mm，正交偶极子印刷在厚度为0.508mm、介电常数为4.5的Arlon AD450微波介质板5上。金属腔的腔体地平面与碗形金属反射器3底面平行。碗形金属反射器3的底面圆盘直径72mm，碗形金属反射器3的侧壁与水平面的夹角为36°，金属环4距碗形金属反射器3底面距离为18mm，金属环4的高度及宽度分为6mm和4mm，金属环4之间的间距为3mm。金属环的高度是指相对于碗形金属反射器的内侧壁的高度，即从内侧壁延伸出的距离。
本发明阵列天线具有21％的-15dB阻抗带宽，且本发明所用的高阻抗碗形反射器相比于具有相同口径尺寸的内壁无高阻抗表面的碗形反射器及平面反射器，使得天线增益最大分别提高了3.1dB和4.2dB。除此之外，本发明所采用的高阻抗碗形反射器的副瓣电平比同口径尺寸平面反射器天线降低约5dB。该提升增益方法亦可以用于其余类型的阵列天线。
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)

1.一种碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，其特征在于，包括：正交偶极子单元、碗形金属反射器、金属环、微波介质板；
正交偶极子单元的正交偶极子印刷在微波介质板上；
正交偶极子单元设置在碗形金属反射器的底面；
碗形金属反射器的内侧壁设置有金属环；
多个金属环等高度、等间距设置在碗形金属反射器的内侧壁上，形成高阻抗表面。
2.根据权利要求1所述的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，其特征在于，正交偶极子单元包括金属腔、同轴线、同轴接头；
微波介质板下方为一与微波介质板等边长的金属腔，正交偶极子单元的正交偶极子馈电点通过下方一段同轴线穿过金属腔连接至同轴接头。
3.根据权利要求2所述的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，其特征在于，正交偶极子单元的边长为λ/2且高度为λ/4，金属腔的深度为λ/4，同轴线长λ/4，金属环高度为λ/4；
其中，λ为工作频率中心频点对应的自由空间波长。
4.根据权利要求1所述的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，其特征在于，四个正交偶极子单元中心旋转对称嵌入在碗形金属反射器的金属圆盘底面上；其中，每个正交偶极子单元的馈电幅度相同且馈电相位沿周向逆时针依次为0°、-90°、-180°、-270°；金属环有四个。
5.根据权利要求1所述的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，其特征在于，正交偶极子单元与碗形金属反射器采用公共地板。
6.根据权利要求1所述的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，其特征在于，碗形金属反射器具有张角，碗形金属反射器的金属底面作为四个正交偶极子单元的公共反射板。
7.根据权利要求2所述的碗形高阻抗反射器的高增益圆极化阵列天线，其特征在于，金属腔底端与碗形金属反射器的金属底面在同一平面上。
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