CN107196053A - 小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线 - Google Patents

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刘思豪
孙凯
杨德强
陈波
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q15/242—Polarisation converters

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Abstract

本发明公开了一种小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，由下至上依次包括金属地板、金属微带馈电结构、金属微带贴片和位于所述结构之间的介质板，所述介质板设置有连接所述金属微带贴片和所述金属微带馈电结构的金属化孔，其特征在于，所述金属微带贴片设置开槽和缝隙；所述金属微带馈电结构设置有正交混合电桥。开槽和缝隙的设计可以有效减少天线的尺寸；采用正交混合电桥馈电，实现天线的双圆极化特性，天线能工作在左旋和右旋圆极化状态，使得天线能够适应更多的使用环境，增加了天线的通用性；同时该天线结构简单、易于加工。

Description

小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线
技术领域
本发明涉及圆极化天线，尤其是一种小尺寸低仰角全向辐射圆极化天线。
背景技术
随着卫星技术通信与定位技术的发展，人们对圆极化天线需求越来越大。由于微带圆极化天线具有馈电简单，易加工，剖面低等优点，往往被用于车载卫星通信系统。但是传统的微带圆极化天线其辐射方向都是轴向方向，也就是垂直于水平面的，但是在高纬度地区，这样的辐射方向图不利于接收卫星信号。因此需要设计具有低仰角全向辐射辐射特性的圆极化天线。
申请号为201410767546.X的专利公开的一个天线，包括水平极化偶极子天线阵、垂直极化单极子天线和功分网络，四个水平极化的微带偶极子天线以正方形基板为中心，分布在正方形基板的四个边方向上，水平极化天线阵与垂直极化天线通过功分网络连接。功分网络具有90°相差，使得水平极化天线阵与垂直极化天线组合产生圆极化辐射。该发明天线尺寸为0.58λ×0.58λ×0.25λ，λ为中心频率对应的真空中波长。该发明实现了全向辐射特性，但是天线尺寸较大，不适用于车载系统等对天线尺寸具有严格限制的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种小型化的低仰角全向辐射双圆极化天线。
本发明采用的技术方案如下：
小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，由下至上依次包括金属地板、金属微带馈电结构、金属微带贴片和位于所述结构之间的介质板，所述介质板设置有连接所述金属微带贴片和所述金属微带馈电结构的金属化孔，其特征在于，所述金属微带贴片设置开槽和缝隙；所述金属微带馈电结构设置有正交混合电桥。
进一步地，所述正交混合电桥包括两个输入端口和两个馈电端口，所述馈电端口到任一所述输入端口的路径长度相差1/4波长，所述波长为中心频率对应的波长。
进一步地，所述金属微带贴片设置有以金属微带贴片边缘为起点缝隙。
进一步地，所述金属微带贴片设置有以凹槽边缘为起点缝隙。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：金属微带贴片设置有开槽和缝隙，切断了原先金属微带贴片表面电流路径，使电流绕开槽边缘和缝隙边缘流过的路径变长，在天线等效电路中相当于引入级联电路，开槽和缝隙的设计可以有效减少天线的尺寸；采用正交混合电桥馈电，实现天线的双圆极化特性，天线能工作在左旋和右旋圆极化状态，使得天线能够适应更多的使用环境，增加了天线的通用性；同时该天线结构简单、易于加工。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明实施例提供的圆极化天线的侧视图。
其中1-金属微带贴片、2-介质板(1)、3-金属微带馈电结构、4-介质板(2)、5-金属地板
图2为本发明实施例提供的金属微带贴片示意图。
其中，6-开槽、7-以金属微带贴片边缘为起点的缝隙、8-以开槽边缘为起点的缝隙
图3为本发明实施例提供的金属微带馈电结构示意图。
其中，9(1)-输入端口、9(2)-输入端口、10(1)-馈电端口、10(2)-馈电端口
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
图1为本发明实施例提供的圆极化天线的侧视图，如图1所示，小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，由下至上依次包括金属地板、金属微带馈电结构、金属微带贴片和位于所述结构之间的介质板，所述介质板设置有连接所述金属微带贴片和所述金属微带馈电结构的金属化孔，其特征在于，所述金属微带贴片设置开槽和缝隙；所述金属微带馈电结构设置有正交混合电桥。
所述天线采用微带天线形式，使得天线具有很低的剖面高度。
图3为本发明实施例提供的金属微带馈电结构示意图。如图3所示，所述正交混合电桥包括两个输入端口9(1)、9(2)和两个馈电端口10(1)、10(2)，所述馈电端口10(1)、10(2)到任一所述输入端口的路径长度相差1/4波长，所述波长为中心频率对应的波长。两馈电端口10(1)、10(2)对微带天线进行馈电，馈电端口10(1)、10(2)到任一所述输入端口的路径长度相差1/4波长，馈电端口10(1)、10(2)输出的信号有90°的相位差。
所述正交混合电桥是一种直通臂和耦合臂具有90°相位差的3dB定向耦合器。信号从输入端口9(1)输入时，输入信号的功率在馈电端口10(1)、10(2)间平分，馈电端口10(2)到输入端口9(1)的路径长度比馈电端口10(1)到输入端口9(1)的路径长度长1/4波长，所述波长为中心频率对应的波长，馈电端口10(2)比馈电端口10(1)相位滞后90°，输入端口9(2)用作隔离端口；信号从输入端口9(2)输入时，输入信号的功率在馈电端口10(1)、10(2)间平分，馈电端口10(1)到输入端口9(2)的路径长度比馈电端口10(2)到输入端口9(2)的路径长度长1/4波长，所述波长为中心频率对应的波长，馈电端口10(1)比馈电端口10(2)相位滞后90°，输入端口9(1)用作隔离端口。用作隔离端口的所述输入端口连接匹配负载实现天线的左旋圆极化或右旋圆极化。
图2为本发明实施例提供的金属微带贴片示意图，如图2所示，所述金属微带贴片1设置有以金属微带贴片1边缘为起点缝隙7和以开槽6边缘为起点的缝隙8，以所述金属微带贴片1边缘为起点的缝隙7关于所述金属微带贴片1的圆心中心对称，以所述开槽6边缘为起点的缝隙8关于所述金属微带贴片1的圆心中心对称。优化地，所述开槽6为圆形开槽。开槽和缝隙的设计切断了原先金属微带贴片表面电流路径，使电流绕开槽边缘和缝隙边缘流过的路径变长，在天线等效电路中相当于引入级联电路，开槽和缝隙的设计可以有效减少天线的尺寸。
本发明天线形成水平全向辐射的原理：圆形微带天线的谐振频率可以表示为
其中C代表光速，εr代表相对介电常数，ae代表圆形贴片的有效半径，Xmn代表第m次零阶贝塞尔函数，n代表角波模，m代表辐射模式。
圆形微带天线在球坐标中的远区场表示为
Eθn(φ，θ)＝jncosnφ[Jn+1(K0αsinθ)-Jn-1(K0αsinθ)]
Eφn(φ，θ)＝jncosθsinnφ[Jn+1(K0αsinθ)+Jn-1(K0αsinθ)]
从表达式可知，TM21模的最大辐射方向在45°附近，符合我们需要的低仰角特性，为了激励TM21模式，以所述金属微带馈电结构圆心为顶点经过所述馈电端口的夹角的大小为135°。
优化地，所述两个微带线支路的末端通过金属化孔与所述金属微带贴片相连，即所述馈电端口设置在所述金属微带馈电结构的金属化孔处。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，由下至上依次包括金属地板、金属微带馈电结构、金属微带贴片和位于所述结构之间的介质板，所述介质板设置有连接所述金属微带贴片和所述金属微带馈电结构的金属化孔，其特征在于，所述金属微带贴片设置开槽和缝隙；所述金属微带馈电结构设置有正交混合电桥。
2.根据权利要求1所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，所述正交混合电桥包括两个输入端口和两个馈电端口，所述馈电端口到任一所述输入端口的路径长度相差1/4波长，所述波长为中心频率对应的波长。
3.根据权利要求1所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，从任一所述输入端口输入信号时，另一输入端口为隔离端口。
4.根据权利要求3所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，用作隔离端口的所述输入端口连接匹配负载。
5.根据权利要求1所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，所述金属微带贴片设置有以金属微带贴片边缘为起点缝隙。
6.根据权利要求1所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，所述金属微带贴片设置有以凹槽边缘为起点缝隙。
7.根据权利要求5所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，以所述金属微带贴片边缘为起点的缝隙关于所述金属微带贴片的圆心中心对称。
8.根据权利要求6所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，以所述开槽边缘为起点的缝隙关于所述金属微带贴片的圆心中心对称。
9.根据权利要求1所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，所述开槽为圆形开槽。
10.根据权利要求1所述的小尺寸低仰角全向辐射双圆极化天线，其特征在于，以所述金属微带馈电结构圆心为顶点经过所述馈电端口的夹角的大小为135°。
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