CN107425268A - 高增益双模宽带圆极化天线 - Google Patents

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梁仙灵
贺冲
耿军平
朱卫仁
金荣洪
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Abstract

本发明提供了一种高增益双模宽带圆极化天线，包括：天线辐射部、同轴馈线、金属腔以及同轴接头，其中：天线辐射部包括多个L形辐射器，多个L形辐射器紧固在介质板上；天线辐射部连接所述同轴馈线；同轴馈线穿过金属腔连接同轴接头。本发明具有如下优点：本发明通过四个L形辐射器来代替传统直线型正交偶极子辐射器，该天线可以同时产生两种圆极化工作模式从而使得天线的圆极化带宽得到展宽；本发明的阻抗带宽为72.6％，圆极化轴比带宽为62.5％，最大增益为12.5dB；本发明通过结合L形辐射器及环形移相线实现了天线的双模宽带工作，并且结构简单设计方便，单一端口馈电，不需要复杂的馈电网络且具有高增益特性、具有广泛的应用前景。

Description

高增益双模宽带圆极化天线
技术领域
本发明涉及圆极化天线领域，具体地，涉及一种高增益双模宽带圆极化天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，通信系统对天线性能的要求也变得越来高，传统的天线已经无法满足日益增长的需求。为了提高系统的可靠性，可以采用圆极化天线来代替传统的线极化天线。相比于传统的线极化天线，圆极化天线有着诸多优点：可以对抗多径效应带来的对通信线路的干扰，可以减少信号传输时的极化失配带来的能量损失，可以给通信系统带来更高的增益也给天线的取向提供了更多的自由度。随着通信技术的进步圆极化天线的带宽要求也越来越高。与此同时，很多场合由于信号传输距离较远会有较大的路径衰减，为了将信号传输更远的距离，对天线的高增益也提出了更高的要求。
实现宽带圆极化天线的技术有很多，如将多个窄带的圆极化单元通过带有移相功能的馈电网络组合到一起来展宽阻抗及轴比带宽，有通过多馈点技术向单元贴片同时多点馈电来展宽阻抗及轴比带宽；为简化馈电有通过向圆极化单元引入寄生单元的方法以及通过正交偶极子来实现圆极化带宽的展宽。近些年来，出现了一种通过一对环形移相线来实现圆极化正交偶极子天线的方法，使得天线获得了较大的圆极化工作带宽，但是这种方式实现的天线增益不是很高。以上这些方法一般都需要复杂的馈电网络或者参数设计起来非常耗时。因此设计一种馈电方式简单、调节参数简单并且具有较宽的圆极化带宽及较高的增益的天线是非常有必要的。
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高增益双模宽带圆极化天线。
根据本发明提供的一种高增益双模宽带圆极化天线，包括：天线辐射部、同轴馈线、金属腔以及同轴接头，其中：所述天线辐射部包括多个L形辐射器，所述多个L形辐射器紧固在介质板上；所述天线辐射部连接所述同轴馈线；所述同轴馈线穿过金属腔连接所述同轴接头。
优选地，L形辐射器的数量为四个，其中，所述介质板上下两侧分别设置有两个L形辐射器；
四个L形辐射器靠近中心区域的一端通过环形移相线紧固在介质板上，环形移相线印刷在介质板的两侧。
优选地，所述环形移相线为四分之三周长的圆环，所述环形移相线包括两个端口，用于分别连接两个L形辐射器。
优选地，介质板上侧的两个L形辐射器具有90°相位差；
介质板下侧的两个L形辐射器具有90°相位差；
介质板上侧的两个L形辐射器和介质板下侧的两个L形辐射器关于同轴馈线所在的对称轴中心对称；
沿周向方向，四个L形辐射器以0°、90°、180°、270°的相位连续旋转排列形成2×2阵列。
优选地，同轴馈线包括内导体和外导体，分别连接所述介质板上侧的环形移相线和介质板下侧的环形移相线。
优选地，所述金属腔的底面和所述介质板的形状和大小相同。
优选地，所述同轴馈线的高度为0.21λ，其中，λ为圆极化带宽中心频点对应的自由空间波长。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过四个L形辐射器来代替传统直线型正交偶极子辐射器，该天线可以同时产生两种圆极化工作模式从而使得天线的圆极化带宽得到展宽；
2、本发明的阻抗带宽为72.6％，圆极化轴比带宽为62.5％，最大增益为12.5dB；
3、本发明通过结合L形辐射器及环形移相线实现了天线的双模宽带工作，并且结构简单设计方便，单一端口馈电，不需要复杂的馈电网络且具有高增益特性、具有广泛的应用前景。
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为高增益双模宽带圆极化天线结构爆炸图；
图2为高增益双模宽带圆极化天线的俯视图；
图3为高增益双模宽带圆极化天线的侧视图；
图4为高增益双模宽带圆极化天线的回波损耗图；
图5为高增益双模宽带圆极化天线的介质板法向增益和轴比随着频率变化图；
图6为高增益双模宽带圆极化天线在6GHz频点的方向图；
图7为高增益双模宽带圆极化天线在7.5GHz频点的方向图；
图8为高增益双模宽带圆极化天线在9GHz频点的方向图。
图中：1-L形辐射器；2-环形移相线；3-介质板；4-同轴馈线；5-金属腔；6-同轴接头。
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。
如图1至图3所示，根据本发明提供的一种高增益双模宽带圆极化天线，包括四个L形辐射器1、两个环形移相线2、介质板3、同轴馈线4、金属腔5以及同轴接头6，其中：两个L形辐射器1靠近介质板3中心区域的一端通过一个环形移相线2设置在介质板3的上侧；另外两个L形辐射器1靠近介质板3中心区域的一端通过另外一个环形移相线2设置在介质板3的下侧；四个L形辐射器1和两个环形移相线2都印刷在介质板3的表面；其中：环形移相线2为四分之三周长的圆环，环形移相线2包括两个端口，用于分别连接两个L形辐射器1。优选地，介质板5介电常数为2.33，厚度为0.787mm。
在本实施例中，L形辐射器1靠近环形移相线2的直线段长度为14mm，宽度为5.5mm，与所述直线段垂直的直线段长度为15mm，宽度为5mm。环形移相线2圆环内半径为1.4mm，线宽为0.2mm。
进一步地，介质板3上侧的两个L形辐射器1具有90°相位差；介质板3下侧的两个L形辐射器1具有90°相位差；介质板3上侧的两个L形辐射器1和介质板3下侧的两个L形辐射器1关于同轴馈线4所在的对称轴中心对称；沿周向方向，四个L形辐射器1以0°、90°、180°、270°的相位连续旋转排列形成2×2阵列列并与两个环形移相线2的四个端口相连，并由两个环形移相线2来提供产生圆极化所需的连续旋转的激励相位。优选地，所述四个L形辐射器1分别与两个环形移相线2的四个端口通过一段渐变线连接以减少阻抗不连续，展宽天线阻抗带宽。本实施例中，渐变线的线宽为1.8mm，同轴馈线4外直径为2mm，阻抗值为50Ω。
详细地，高增益双模宽带圆极化天线的同轴馈线4包括内导体和外导体，分别连接所述介质板3上侧的环形移相线1和介质板3下侧的环形移相线1，并且穿过与介质板3相差0.21λ的金属腔5底面，连接至同轴接头6，同轴接头6向环形移相线2馈电。其中：λ表示圆极化带宽中心频点对应的自由空间波长。
更为具体地，所述金属腔5和介质板3的形状和大小相同，优选地，金属腔5底面和介质板3为圆形或者矩形，金属腔5的侧壁高度和同轴馈线4的高度相同，约为0.21λ。
如图4所示是高增益双模宽带圆极化天线的回波损耗图。从图中可以看出，高增益双模宽带圆极化天线在5～10.7GHz频段内回波损耗小于-10dB。
如图5所示是高增益双模宽带圆极化天线的介质板法向增益和轴比随着频率变化图，可以看出，高增益双模宽带圆极化天线轴比小于3dB的圆极化带宽为5.5～10.5GHz，在该圆极化带宽内高增益双模宽带圆极化天线的增益在6.6dB～12.5dB之间变化。
如图6至8所示是高增益双模宽带圆极化天线仿真得到的在6GHz、8GHz、9.6GHz三个频点主平面(Phi＝0°，Phi＝90°)方向图。
本发明通过改变传统的直线型正交偶极子天线辐射部分为四个L形辐射器，使得高增益双模宽带圆极化天线在不同频段可以工作在圆极化四元阵列及圆极化正交偶极子两种不同的工作模式，因此高增益双模宽带圆极化天线只需一个馈电端口，可以在不需要复杂的馈电网络及多个圆极化单元组阵的前提下展宽天线的轴比带宽及阻抗带宽并获得较高的增益。高增益双模宽带圆极化天线在-10dB阻抗带宽达到72.6％，3dB圆极化轴比带宽达到62.5％。
本发明在低频部分由四个L形辐射器1组成一个2×2的圆极化阵列，且由一对环形移相器2分别向四个L形辐射器1给予相位连续旋转的激励；在高频部分，L形辐射器1远离环形移相器2的线段部分电流很弱，因此高增益双模宽带圆极化天线工作在近似正交偶极子天线状态。通过组合两种不同的工作模式并结合金属腔5，高增益双模宽带圆极化天线的工作带宽及增益大大提高。
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)

1.一种高增益双模宽带圆极化天线，其特征在于，包括：天线辐射部、同轴馈线、金属腔以及同轴接头，其中：所述天线辐射部包括多个L形辐射器，所述多个L形辐射器紧固在介质板上；所述天线辐射部连接所述同轴馈线；所述同轴馈线穿过金属腔连接所述同轴接头。
2.根据权利要求1所述的高增益双模宽带圆极化天线，其特征在于，
L形辐射器的数量为四个，其中，所述介质板上下两侧分别设置有两个L形辐射器；
四个L形辐射器靠近介质板中心区域的一端通过环形移相线紧固在介质板上，环形移相线印刷在介质板的两侧。
3.根据权利要求2所述的高增益双模宽带圆极化天线，其特征在于，所述环形移相线为四分之三周长的圆环，所述环形移相线包括两个端口，用于分别连接两个L形辐射器。
4.根据权利要求2所述的高增益双模宽带圆极化天线，其特征在于，
介质板上侧的两个L形辐射器具有90°相位差；
介质板下侧的两个L形辐射器具有90°相位差；
介质板上侧的两个L形辐射器和介质板下侧的两个L形辐射器关于同轴馈线所在的对称轴中心对称；
沿周向方向，四个L形辐射器以0°、90°、180°、270°的相位连续旋转排列形成2×2阵列。
5.根据权利要求2所述的高增益双模宽带圆极化天线，其特征在于，同轴馈线包括内导体和外导体，分别连接所述介质板上侧的环形移相线和介质板下侧的环形移相线。
6.根据权利要求1所述的高增益双模宽带圆极化天线，其特征在于，所述金属腔的底面和所述介质板的形状和大小相同。
7.根据权利要求1所述的高增益双模宽带圆极化天线，其特征在于，所述同轴馈线的高度为0.21λ，其中，λ为圆极化带宽中心频点对应的自由空间波长。
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