CN107579338B - 一种宽带圆极化对数周期天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种宽带圆极化对数周期天线，设置有正交放置的主振子、副振子和一组平行双线；主振子包括若干对称振子，由平行双线交叉馈电，组成一个对数周期天线；副振子包括若干对称振子，与主振子的五个对称振子连接，构成5层十字振子天线；十字振子天线中主振子和副振子的长度比K的取值范围1.1～1.5，且相邻各层十字振子天线中的副振子长度分别为主振子长度乘以K和1/K，根据十字振子天线的自相移原理，在第一层十字振子天线副振子长度是主振子长度乘以比例K或者1/K的不同情况，可分别实现天线的两种不同旋向的圆极化特性。和传统宽带圆极化对数周期天线相比，结构更加简单，具有宽频带和圆极化的优点。

Description

一种宽带圆极化对数周期天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种宽带圆极化对数周期天线。

背景技术

在很多通信系统中，终端天线要求满足宽带化和圆极化的特点。对数周期天线作为一种非频变天线，其电性能随着频率的对数做周期变化，易于实现宽带化。传统的十字结构圆极化对数周期天线是由Ryoji Wakabayashi最早提出，需要采用两组集合线，在原来对数周期天线的基础上，新加入的集合线上的振子与原对数周期天线振子相隔90°排列，形成两种线极化。两种线极化再通过一个宽带圆极化电桥实现圆极化输出。馈电结构较为复杂，结构较大。在国内，刘新安等优化了正交对称偶极子天线的相移问题，通过两组对数周期天线的空间相差实现圆极化特性，仍然需要两组集合线，而且实现相移的方法复杂。在通信系统，通常要求天线具有紧凑并且简单的馈电结构。为对称振子加激励电压，当对称振子本身取不同电长度时，它上面的电流会表现出不同相位。当振子的长度接近二分之一波长时，其输入阻抗近似为纯阻，馈电处电流的初始相位可认为是0°；若对称振子长度大于二分之一波长，其输入阻抗会表现出感性，馈电处电流初始相位对0°表现出滞后性；反之，当对称振子长度小于二分之一波长，其输入阻抗会表现出容性，馈电处电流初始相位对0°表现出超前性。传统的宽带圆极化对数周期天线需要两个或多个馈电点，两组集合线和复杂的相移电路，使得馈电结构很复杂，增加了天线的复杂度和制造成本。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统的宽带圆极化对数周期天线需要两个或多个馈电点，两组集合线和复杂的相移电路，使得馈电结构很复杂，增加了天线的复杂度和制造成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种宽带圆极化对数周期天线。

本发明是这样实现的，一种宽带圆极化对数周期天线，所述宽带圆极化对数周期天线设置有两组数目相同且正交放置的对称振子和一组平行双线；

所述两组对称振子，其中一组对称振子为主振子，主振子长度，宽度和距离按照频率的对数周期确定，构成对数周期天线；另一组对称振子为副振子，副振子与所述主振子正交放置，副振子长度是主振子长度乘以比例因子K或1/K；

所述一组平行双线，用来给主振子和副振子馈电。

进一步，所述主振子对应的5个对称振子均为半波振子，由平行双线进行交叉馈电，组成对数周期天线，构成天线的宽频带工作状态；天线的最大辐射方向由主振子的长对称振子指向短对称振子的方向。

进一步，所述副振子与主振子位于同一高度，副振子由平行双线馈电，与主振子构成十字振子天线；所述十字振子天线同相馈电，长短不同的一组振子臂连在平行双线的一侧，另一组长短不同的振子臂连接在平行双线的另一侧。

进一步，所述平行双线在短振子一端与激励源相连。

进一步，所述十字振子天线的长振子和短振子长度比例K在1.1到1.5；根据十字振子天线自相移原理，形成天线的圆极化辐射。

进一步，所述十字振子天线，相邻各层的十字振子，副振子的长度取值分别为主振子长度乘以比例K和1/K，各层十字振子在最大辐射方向上的圆极化旋向相同。

进一步，主振子中的最短的对称振子所在的一层十字天线为第一层十字振子天线，所述第一层十字振子天线中副振子的长度为主振子长度乘以K时，天现在最大辐射方向上辐射右旋圆极化波；所述第一层十字振子天线中副振子的长度为主振子长度乘以1/K时，天线在最大辐射方向上辐射左旋圆极化波。

本发明的优点及积极效果为：辐射单元为主振子和副振子组成，主振子由一组平行双线进行交叉馈电，组成对数周期天线，构成了天线宽带化的特性，天线的最大辐射方向为由所述主振子中的长对称振子指向短对称振子的方向，实现单向辐射特性；与主振子正交连接的对称振子也是由上述平行双线馈电，但不进行交叉馈电，构成一组副振子。副振子与主振子构成五层同相馈电的十字振子天线。所述十字振子天线由长短不同且相互正交的两个对称振子构成，根据自相移原理，十字振子天线构成天线的圆极化特性。相邻各层十字振子天线，副振子的长度取值分别为主振子长度乘以比例K和1/K，结合主振子由平行双线交叉馈电而副振子不进行交叉馈电的设计，保证各层十字振子在最大辐射方向上的圆极化旋向相同。在根据在第一层十字振子天线副振子长度是主振子长度乘以比例K或者1/K的两种不同情况,可以实现天线的两种不同旋向的圆极化特性。

综上所述，由于采用在对数周期天线基础上的十字天线形式，因此本发明同时实现了单向天线的宽频带、圆极化特性，解决了传统圆极化对数周期天线馈电结构复杂的技术难题。业内没有解决，而本发明属于首次提出并实现。简化了圆极化对数周期天线的实现方法和结构，降低生产制造成本。与传统天线相比，本发明天线的的复杂度可降低50％，制造成本可减低55％，天线尺寸可减小40％。

附图说明

图1是本发明实施例提供的宽带圆极化对数周期天线结构示意图；

图2是本发明实施例提供的主振子的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的副振子的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的第一层十字振子的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的第二层十字振子的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的宽带圆极化对数周期天线电压驻波比曲线图。

图7是本发明实施例提供的宽带圆极化对数周期天线轴比曲线图。

图8是本发明实施例提供的宽带圆极化对数周期天线增益曲线图。

图9是本发明实施例提供的宽带圆极化对数周期天线4.5GHz的主振子和副振子所在两个面方向图。

图10是本发明实施例提供的宽带圆极化对数周期天线5.0GHz的主振子和副振子所在两个面方向图。

图11是本发明实施例提供的宽带圆极化对数周期天线5.5GHz的主振子和副振子所在两个面方向图。

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-图5所示，本发明实施例的宽带圆极化对数周期天线包括主振子1、副振子2、一组平行双线3和位于平行双线顶端的激励源4。主振子1包括5个对称振子101、102、103、104和105，这些对称振子交替与平行双线3相连，由平行双线3进行交叉馈电，对称振子101、102、103、104和105的长度、宽度和振子间距均按照频率的对数周期确定，构成一个对数周期天线；副振子2包括5个对称振子201、202、203、204和205，这5个对称振子分别与主振子1的5个对称振子正交放置，也是由平行双线3馈电，但不进行交叉馈电，组成了5个十字振子天线。

主振子1和平行双线3组成一个5层振子的对数周期天线。由于对数周期天线是一种典型的非频变天线，可以实现宽频带特性。在主振子1的基础上，正交的连接副振子2，仍然能够使天线保持宽频带特性。并且天线的最大辐射方向为主振子1的长对称振子指向短对称振子方向。因此天线能够实现宽带特性和单向辐射特性。

每层十字振子天线对应一个主振子1中的对称振子和一个副振子2中的对称振子。两者长度按照一定比例选取。十字振子天线由同一组平行双线3同相馈电，根据十字振子天线的自相移原理，十字振子天线能够实现圆极化的特性。各层十字振子天线中，对称振子201、203、和205的长度分别为对称振子101、103和105的长度乘以比例K，对称振子202和204的长度分别为对称振子102和104的长度乘以1/K。结合主振子1的交叉馈电和副振子2的非交叉馈电特性，保证各层十字振子在最大辐射方向上的圆极化旋向相同。当比例K的取值范围在1.2～1.4之间时，天线在最大辐射方向辐射右旋圆极化波。因此天线能够实现圆极化的特性。

多项技术共同实施，使本发明天线馈电结构简单，同时天线还具有宽频带、圆极化和单向辐射的优点。

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

如图6-图11所示，利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、轴比、增益及方向图进行了仿真。

2、仿真结果

图6是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。结果表明该天线在2.42GHz～6.64GHz的宽频带内驻波比小于2，且在工作频带的绝大部分带宽内驻波比小于1.5，阻抗匹配特性良好。天线具有良好的宽带特性。

图7是对实施例天线仿真得到的轴比随工作频率变化的曲线。在4.07GHz～6.24GHz的频带内，天线在最大辐射方向轴比均小于3dB,具有良好的圆极化特性。

图8是对实施例天线仿真得到的增益随工作频率变化的曲线。在该天线的最大辐射方向，天线辐射右旋圆极化波。在最大辐射方向，天线轴比带宽内的右旋圆极化增益大于4.7dB，最高增益为6.94dB。这样的增益是可观的。

图9～图11是对实施例天线仿真得到的宽频带内主振子和副振子所在的两个面的方向图。分别在4.5GHz，5GHz和5.5GHz获得。可以看到，天线在宽频带内满足定向辐射特性，并且获得低的交叉极化。4.5GH时，两个面3dB波束宽度分别为92.77°和85.8°；前后辐射比分别为14.46dB和15.09dB；交叉极化电平小于-13dB。5GHz时，两个面3dB波束宽度分别为104.26°和95.76°；前后辐射比分别为32.88dB和32.64dB；交叉极化电平低于-14dB。5.5GHz时，两个面3dB波束宽度分别为104.21°和104.21°；前后辐射比分别为23.29dB和23.28dB；交叉极化电平小于-17dB。

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)

1.一种宽带圆极化对数周期天线，其特征在于，所述宽带圆极化对数周期天线设置有两组数目相同且正交放置的对称振子和一组平行双线；

所述两组对称振子，其中一组对称振子为主振子，主振子长度，宽度和距离按照频率的对数周期确定，构成对数周期天线；另一组对称振子为副振子，副振子与所述主振子正交放置，副振子长度是主振子长度乘以比例因子K或1/K；

所述一组平行双线，用来给主振子和副振子馈电；

所述主振子对应的5个对称振子均为半波振子，由平行双线进行交叉馈电，组成对数周期天线，构成天线的宽频带工作状态；天线的最大辐射方向由主振子的长对称振子指向短对称振子的方向；

所述副振子与主振子位于同一高度，副振子由平行双线馈电，与主振子构成十字振子天线；所述十字振子天线同相馈电，长短不同的一组振子臂连在平行双线的一侧，另一组长短不同的振子臂连接在平行双线的另一侧；

所述十字振子天线，相邻各层的十字振子，副振子的长度取值分别为主振子长度乘以比例K和1/K，各层十字振子在最大辐射方向上的圆极化旋向相同。

2.如权利要求1所述的宽带圆极化对数周期天线，其特征在于，所述平行双线在短振子一端与激励源相连。

3.如权利要求1所述的宽带圆极化对数周期天线，其特征在于，所述十字振子天线的长振子和短振子长度比例K在1.1到1.5；根据十字振子天线自相移原理，形成天线的圆极化辐射。

4.如权利要求2所述的宽带圆极化对数周期天线，其特征在于，主振子中的最短的对称振子所在的一层十字天线为第一层十字振子天线，所述第一层十字振子天线中副振子的长度为主振子长度乘以K时，天线在最大辐射方向上辐射右旋圆极化波；所述第一层十字振子天线中副振子的长度为主振子长度乘以1/K时，天线在最大辐射方向上辐射左旋圆极化波。

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