CN107611598A - 一种宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线 - Google Patents

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余芃佳
王学阳
赵书宽
卜德文
傅光
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Abstract

本发明属于双圆极化天线技术领域，公开了一种宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线，所述宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线设置有超宽带辐射体和反射腔体；所述超宽带辐射体位于宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线的上部；所述反射腔体与所述超宽带辐射体共轴放置，位于天线的下部；所述反射腔体与所述超宽带辐射体间隔放置；反射腔体内部放置有两个超宽带馈电巴伦和一个超宽带3dB电桥，用导线穿过反射腔体上表面的通孔对超宽带辐射体进行馈电。线阻抗带宽达到3个倍频以上，带宽内半功率波束宽度大于110°，天线辐射主瓣在130°内增益在0dBic以上；天线整体结构紧凑，性能优越，适用于高性能无线通信系统。

Description

一种宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线
技术领域
本发明属于双圆极化天线技术领域，尤其涉及一种宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线。
背景技术
线极化波在传输过程中容易发生极化偏转从而造成信号传输的衰减。而圆极化波入射到对称目标(比如平面、球面等)时，电磁波的极化不会发生变化，具有很强的抗干扰能力和防雨雾能力，所以圆极化工作方式被卫星导航、通信、识别、侦测等系统广泛采用。而双圆极化天线能发射或接收两个正交极化的电磁波，因此在同一频带内，天线可以同时发射或接收两路信号。即可以实现两幅天线的作用，相较于普通圆极化天线，它可以缩减天线成本和安装空间，还可以扩展通信链路，增加通信容量。另外随着无线通信系统的不断发展，要求天线可以在宽频带甚至超宽频带内正常工作，所谓宽带天线，是指天线的电特性在一个较宽的频段内保持不变或变化较的天线。当天线工作带宽与中心频率之比大于25％时就可称为超宽带天线。当前可以实现的超宽带双圆极化天线有正弦天线、正交宽带振子天线等，它们可以实现超宽频带内稳定的方向图，但是其波束宽度宽度较窄。在复杂通信系统中，通常对天线辐射波瓣宽度有相应的要求，例如来波方向小于规定的俯仰角时，低增益会造成信号接收中断或易干扰，因此要求在大约整个上半球空间内，天线应该具备均匀的辐射响应。比如在中国的北斗卫星导航系统中，为保证正常通信，要求通信天线具有良好的低仰角增益，这时接收天线的半功率波束宽度必须足够宽才能满足通信要求。在保证天线宽波束的前提下，天线超宽带工作很难实现。因此，对于双圆极化天线，如何同时实现超宽频带特性和宽波束特性是现在无线通信技术中亟待解决的问题。
综上所述，现有技术存在的问题是还没有一种天线能够实现具有宽波束特性的超宽带双圆极化特性，现有超宽带双圆极化天线由于天线辐射结构没有采用随频率变化的周期结构，并且没有超宽带的双极化平衡馈电方案，因此无法在工作的超宽带内均获得宽波束特性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线。
本发明是这样实现的，一种宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线，所述宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线设置有超宽带辐射体和反射腔体；
所述超宽带辐射体位于宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线的上部；
所述反射腔体与所述超宽带辐射体共轴放置，位于天线的下部；
所述反射腔体与所述超宽带辐射体间隔放置；反射腔体内部放置有两个超宽带馈电巴伦和一个超宽带3dB电桥，用导线穿过反射腔体上表面的通孔对超宽带辐射体进行馈电。
进一步，所述超宽带辐射体由四个形状相同、中心旋转对称放置的超宽带辐射振子簇组成。
进一步，每个超宽带辐射振子簇由长度呈对数周期递减的多个水平振子和中心集合线组成，其中每相邻两水平振子正交放置。
进一步，所述反射腔体与天线间隔一定距离放置，超宽带辐射振子簇的中心集合线通过导线穿过位于反射腔体上表面的通孔引到反射腔体内部馈电。
进一步，所述反射腔体内部放置有两个超宽带馈电巴伦和一个超宽带3dB电桥，其中超宽带馈电巴伦A的输出端与中心集合线a和c相连，超宽带馈电巴伦B的输出端与中心集合线b和d相连，超宽带3dB电桥的两输出端分别与馈电巴伦A和B的输入相连，超宽带3dB电桥的两输入端分别与位于反射腔体底面的两射频接头L和R相连。
进一步，所述射频接头位于反射腔体下表面，内芯穿过反射腔体下表面通过馈电线与超宽带3dB电桥输入端连接，外皮与反射腔体表面连接；L射频接头对应左旋圆极化状态，R射频接头对应右旋圆极化状态。
本发明的优点及积极效果为：天线阻抗带宽达到3个倍频以上，带宽内半功率波束宽度大于110°，天线辐射主瓣在130°内增益在0dBic以上，而现有技术实现的双圆极化天线，其波束宽度仅有80°；同时，天线整体结构紧凑，适用于通信、雷达、导航、侦测等高性能无线电系统。每相对的两超宽带辐射振子簇(例a和c，b和d)反向馈电，同时3dB电桥输出的两馈电点相位相差90°，这样在较短振子方向形成圆极化波，再经反射腔体上表面反射，即可在天顶方向形成宽波束的圆极化波。反射地板上表面与天线间隔在λ/4和λ/2之间一合适位置上。反射腔体上表面中央有一通孔，反射腔体内部放置有两个超宽带馈电巴伦和一个超宽带3dB电桥，用导线穿过过反射腔体上表面的孔对超宽带辐射体进行馈电。
综上所述，由于本发明采用非频变的对数周期结构和反射腔体，因此同时实现天线的超宽带和宽波束特性，解决了传统宽带圆极化天线的技术难题；同时满足超宽带和宽波束的要求，可应用于各高性能无线通信系统的通信终端。本发明天线利用倒置的对数周期天线放置在反射板上，使每一振子与地面的间距也呈现对数周期特性，从而使天线结构在超宽带内具有非频变特性，产生超宽带内的宽波束特性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双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宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线单个超宽带辐射振子簇的结构图。
图3是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线侧视图。
图4是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化天线的拆分结构图。
图5是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化天线的馈电网络示意图。
图6是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线两端口的电压驻波比曲线图。
图7是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线的天顶方向轴比曲线图。
图8是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线在2.6GHz的竖直面方向图和θ为65°时水平面方向图。
图9是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线在3.6GHz的竖直面方向图和θ为65°时水平面方向图。
图10是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线在5GHz的竖直面方向图和θ为65°时水平面方向图。
图11是本发明实施例提供的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线在6.2GHz的竖直面方向图和θ为65°时水平面方向图。
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。
本发明设置有超宽带辐射体和反射腔体；超宽带辐射体由四个形状相同，中心旋转对称放置的超宽带辐射振子簇构成；每个超宽带辐射振子簇由尺寸呈对数周期递减的多个水平振子和用于馈电的中心集合线组成，其中每相邻两水平振子正交放置。反射腔体放置于超宽带辐射振子簇较短阵子一侧，与天线间隔一定距离放置。反射腔体内部放置有两个超宽带馈电巴伦和一个超宽带3dB电桥，通过反射腔体上表面的通孔对超宽带辐射体进行馈电。
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，本发明实施例的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线包括超宽带辐射体1，超宽带辐射体1位于宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线的上部，采用印刷电路工艺制造，其印刷介质板由两个介质基板101和102交叉组成，每个介质基板上附有四个超宽带辐射振子簇的一部分。反射腔体2，与超宽带辐射体1共轴放置，并位于宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线的下部，即超宽带辐射振子簇3中长度呈对数周期递减分布的振子的较短振子的一侧，与超宽带辐射振子簇3间隔一定距离放置。反射腔体2是一圆柱形金属屏蔽盒，上表面与两介质基板101和102接触。反射腔体2内部放置有两个超宽带馈电巴伦4和一个超宽带3dB电桥5，通过反射腔体2上表面的方形孔201对超宽带辐射体进行馈电。
两介质基板101和102交叉，在中间交叉处进行焊接，可构成四个超宽带辐射振子簇3，超宽带辐射振子簇3由长度呈对数周期递减的多个水平振子301和中心集合线302组成，其中每相邻两振子301正交放置，由于对数周期天线的非频变特性，可以在很宽频带内形成稳定的圆极化波，满足圆极化天线超宽工作频带的要求。
反射腔体2上表面与超宽带辐射体1间隔在λ/4和λ/2之间一合适位置上，超宽带辐射体1产生的向着短振子方向的波，经反射板反射后获得宽波束特性，实现了天线宽波束的要求。
反射腔体2内部放置有两个超宽带巴伦4和一个超宽带3dB电桥5，用导线穿过反射腔体2上表面的方形孔201对超宽带辐射体进行馈电，其中超宽带馈电巴伦A的输出端与中心集合线a和c相连，超宽带馈电巴伦B的输出端与中心集合线b和d相连，超宽带3dB电桥5的两输出端分别与超宽带馈电巴伦A和B相连，3dB电桥5的两输入端分别与位于反射腔体2底面上的两射频接头L和R相连。
射频接头L和R位于反射腔体下表面，其中射频接头L接头对应左旋圆极化波状态，射频接头R接头对应右旋圆极化波状态。其内芯穿过反射腔体下表面通过馈电线与3dB电桥5的输入端连接，其外皮与反射腔体表面连接。这样的好处是排除了馈电网络主要是超宽带巴伦4的辐射对天线辐射特性的影响。
本发明天线本天线阻抗带宽达到3个倍频以上，带宽内半功率波束宽度大于110°，天线辐射主瓣在130°内增益在0dBic以上；天线整体结构紧凑，性能优越，适用于高性能无线通信系统。
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4-图8所示，利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、天顶方向轴比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。实线和虚线分别代表两个端口(端口L、端口R)的电压驻波比。可以看到，两个端口都表现出良好的宽带特性。从2GHz以上，电压驻波比都小于2，相对带宽大于3个倍频。该结果表明本发明天线获得了显著的宽带特性。
图7是对实施例天线仿真得到的天顶方向轴比随工作频率变化的曲线，表明天线在天顶方向辐射的圆极化特性。可以看出，本发明的天线获得了良好的圆极化特性，在阻抗带宽频带内，轴比均小于3dB。
图8、图9、图10、图11是对实施例天线仿真得到的在频带内不同频点时的竖直面方向图和θ为65°时水平面方向图，分别在2.6GHz、3.6GHz、5GHz和6.2GHz获得。可以看到，天线在宽频带内满足宽波束圆极化辐射特性，并且获得低的交叉极化。2.6GHz时，方向图竖直面面3dB波束宽度为131°，θ为65°时水平面方向图最低增益在0.55dB以上。3.6GHz时，方向图竖直面面3dB波束宽度为133°，θ为65°时水平面方向图最低增益在0.06dB以上。5GHz时，方向图竖直面面3dB波束宽度为130°，θ为65°时水平面方向图最低增益在0.14dB以上。6.2GHz时，方向图竖直面面3dB波束宽度为144°，θ为65°时水平面方向图最低增益在0.5dB以上。
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 (6)

1.一种宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线，其特征在于，所述宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线设置有超宽带辐射体和反射腔体；
所述超宽带辐射体位于宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线的上部；
所述反射腔体与所述超宽带辐射体共轴放置，位于天线的下部；
所述反射腔体与所述超宽带辐射体间隔放置；反射腔体内部放置有两个超宽带馈电巴伦和一个超宽带3dB电桥，用导线穿过反射腔体上表面的通孔对超宽带辐射体进行馈电。
2.如权利要求1所述的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线，其特征在于，所述超宽带辐射体由四个形状相同、中心旋转对称放置的超宽带辐射振子簇组成。
3.如权利要求2所述的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线，其特征在于，每个超宽带辐射振子簇由长度呈对数周期递减的多个水平振子和中心集合线组成，其中每相邻两水平振子正交放置。
4.如权利要求1所述的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线，其特征在于，所述反射腔体与天线间隔一定距离放置，超宽带辐射振子簇的中心集合线通过导线穿过位于反射腔体上表面的通孔引到反射腔体内部馈电。
5.如权利要求1所述的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线，其特征在于，所述反射腔体内部放置有两个超宽带馈电巴伦和一个超宽带3dB电桥，其中超宽带馈电巴伦A的输出端与中心集合线a和c相连，超宽带馈电巴伦B的输出端与中心集合线b和d相连，超宽带3dB电桥的两输出端分别与馈电巴伦A和B的输入相连，超宽带3dB电桥的两输入端分别与位于反射腔体底面的两射频接头L和R相连。
6.如权利要求5所述的宽波束的超宽带双圆极化对数周期天线，其特征在于，所述射频接头位于反射腔体下表面，内芯穿过反射腔体下表面通过馈电线与超宽带3dB电桥输入端连接，外皮与反射腔体表面连接；L射频接头对应左旋圆极化状态，R射频接头对应右旋圆极化状态。
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