CN108777366A - 一种实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁场与电磁波技术领域，公开了一种实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线，利用在同轴线外表面开螺旋槽，然后通过调整槽的尺寸、位置来实现水平全向斜极化辐射功能；采用串馈，利用组阵螺旋槽来进一步提高增益；同轴线外芯上开槽分为三组，每组两层，每层四个单元均匀等高分布在同轴线四周。其中，每个单元两条缝互相垂直，且单元相对轴向倾斜45°；同轴线下端开口采用50欧姆的同轴馈电，直接采用一个端口同轴馈电，馈电简单不需要功分网络。本发明可以同时满足水平全向、45°斜极化辐射要求，同时获得相对其他全向天线较高增益，在6.5dB左右，交叉极化隔离度大于20dB，水平全向增益不圆度在1dB以内。

Description

一种实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线
技术领域
本发明属于电磁场与电磁波技术领域，尤其涉及一种实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线。
背景技术
天线是发射和接收电磁波的设备，在通信系统中扮演着重要作用。天线按其方向性不同可分为全向天线和定向天线。定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率，增加保密性。采用定向接收天线的主要目的是增加抗干扰能力。全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线广泛应用于移动通信、射频识别等方面。±45°斜极化水平全向天线是一种既能接收/发射垂直极化波又能接收/发射水平极化波的全向天线。近年来，±45°斜极化受到的关注越来越多，因为在无线通信应用中，由于多径效应以及在复杂的电磁场环境中，目标信号的极化特性容易发生偏转，总是以不确定的极化方式出现，所以这种极化比常规的水平或垂直极化更有优势。±45°斜极化全向天线做接收天线时，对电磁波的极化基本没有要求，可以接收垂直极化波也可以接收水平极化波。从已发表的文献来看，虽然垂直/水平极化天线的应用较为普遍，但±45°极化更具优势，其理由是：±45°极化可以接收更多极化方向的电磁波，同等条件下有着更高的分集增益。分集增益是指在某一累积时间百分比内，分集接收与单一接收时的收信电平差。这一电平差越大，分集增益越高，说明分集改善效果越好。虽然它们的极化方式都是±45°斜极化，但是这些天线都只能覆盖水平面的一部分，例如120°。现有的天线中，能够同时满足±45°斜极化也满足水平面360°全向辐射方向图的天线还很少，其中大多是利用全向天线和斜极化器的组合来实现。通过极化器将电磁波扭转到所需要的角度，但极化器的结构复杂，不易设计和制作。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的技术中，常利用方法是全向天线和斜极化器的组合，通过极化器将电磁波扭转45°，来实现水平全向45°斜极化辐射。同时存在一些问题，(1)斜极化器的驻波高，并且极化器的结构复杂，需要特定的材料和加工，代价高昂。(2)组合后天线辐射方向图效果很差(3)此类天线带宽很窄，水平全向增益较低，结构复杂。基于以上原因，所以，能够同时满足45°斜极化也满足水平面360°全向辐射方向图的天线还很少。
解决上述技术问题的难度和意义：可以发现，如何不用斜极化器直接让天线水平全向并且45°斜极化辐射是问题难点，此外，天线水平增益以及其不圆度、45°斜极化的交叉极化也需要注意。
基于以上突出问题，倘若天线不需要斜极化器直接水平全向45°斜极化辐射，不仅可以使天线性能提升，还能使天线结构简单和成本降低，有利于实际运用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线。
本发明是这样实现的，一种实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线，所述实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线基于同轴圆柱体中的串馈螺旋矩形槽阵列；在同轴圆柱导体中围绕同轴柱体轴线对称布置；沿共轴圆柱轴线的24个基本辐射元件单元构成阵列。
进一步，所述串馈螺旋矩形槽阵列的基本辐射单元是一对互相垂直的矩形槽，在同轴圆柱导体中围绕同轴柱体轴线对称布置，一周四对，等高。
进一步，一对矩形槽中的一个槽倾斜轴向45度，而另一槽倾斜-45度。
进一步，所述24个基本辐射元件单元对分为三组，每组两层，每层四个，每层中均匀对称等高分布在同轴外芯上。
进一步，所述实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线包括：
馈电端口，进行同轴馈电；
所述实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线底部和顶部有第一扼流圈、第二扼流圈，用于平衡同轴线上电流，起到平衡馈电作用；
在第一扼流圈、第二扼流圈之间，同轴线外壁开有第一矩形槽对、第二矩形槽对、第三矩形槽对。
进一步，每组矩形槽对两层，每层对称分布四个槽对。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：利用在同轴线外表面开螺旋槽，通过调整槽的尺寸，位置来实现水平全向斜极化辐射功能。最后采用串馈，利用两组螺旋槽来进一步提高增益；实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽螺旋天线，包括上端封闭同轴线，以及上下两个扼流圈。同轴线下端开口采用50欧姆的同轴馈电。同轴线外芯上开槽分为三组，每组两层，每层四个单元均匀等高分布在同轴线四周。其中，每个单元两条缝互相垂直，且单元相对轴向倾斜45°。本发明可以同时满足水平全向、45°斜极化辐射要求，同时获得相对其他全向天线较高增益，该天线增益约为6.5dB；交叉极化隔离度大于20dB；直接采用一个端口同轴馈电，馈电简单不需要功分网络；结构简单，易加工，结实耐用，造价便宜，性能优良；在频段范围内波束指向波动不大。
附图说明
图1是本发明实施例提供的实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线外壁结构示意图；
图中：1、馈电端口；2、第一扼流圈；3、第一矩形槽对；4、第二矩形槽对；5、第三矩形槽对；6、第二扼流圈。
图2是本发明实施例提供的天线在增益最大方向(水平方向)Eθ和Eφ幅度和相位比示意图；
图中：(a)45°斜极化辐射原理图；(b)Eθ和Eφ幅度比值；(c)Eθ和Eφ相位差；(d)水平方向交叉极化隔离度。
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。
如图1所示，本发明实施例提供的实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线包括：馈电端口1、第一扼流圈2、第一矩形槽对3、第二矩形槽对4、第三矩形槽对5、第二扼流圈6。
馈电端口1进行同轴馈电，底部和顶部有第一扼流圈2、第二扼流圈6，用来平衡同轴线上电流，起到平衡馈电作用。在第一扼流圈2、第二扼流圈6之间，同轴线外壁开有第一矩形槽对3、第二矩形槽对4、第三矩形槽对5。每组槽对两层，每层对称分布四个槽对。三组矩形槽对尺寸不同，从而实现目的。
本发明基于同轴圆柱体中的串馈螺旋矩形槽阵列。槽阵的基本辐射单元是一对互相垂直的矩形槽，它们在同轴圆柱导体中围绕同轴柱体轴线对称布置，一周四对，等高。一对矩形槽中的一个槽倾斜轴向45度，而另一槽倾斜-45度，使得单元槽对彼此垂直。通过调整两个矩形槽的尺寸和相对位置，使θ和分量的电场幅度基本相等，相位具有180°的相位差。同时为了获得较高增益特性，沿共轴圆柱轴线的24个基本辐射元件构成阵列，这24个单元槽对分为三组，每组两层，每层四个，每层中均匀对称等高分布在同轴外芯上。最后，通过调整三组不同单元槽对的尺寸，并且它们沿着轴向放置合适的距离，最终实现了水平全向45°斜极化辐射特性。
本发明通过这种不同尺寸的单元槽进行组阵，弥补了相同尺寸单元槽阵列分布的缺点，使天线辐射方向不再是沿着轴向，而是全向水平集中辐射，并且天线辐射均匀，水平方向增益值波动很小。在工作频段范围内，天线增益较高、工作效率高、增益变化幅度小、波束指向较稳定，基本在水平方向上下变化。
为了进一步优化结果，在天线上下加了两个尺寸合适的扼流圈来平衡电流分布，在金属底端植入四根金属柱来获得更优匹配。最后，同轴线下端接50欧姆同轴线进行馈电，由于天线和馈电接头尺寸不合适，可以以锥线或者阶梯阻抗进行匹配连接，可以将小尺寸同轴馈电接头连接到大尺寸同轴圆柱体，这样有利于阻抗匹配。
天线在增益最大方向(水平方向)Eθ和幅度和相位比如图2(b)、图2(c)所示。如图2(a)所示，要实现45°斜极化辐射，Eθ和幅度应该相等，相位相差180°。根据图2(b)、图2(c)所示，该天线满足条件。图2(d)是在水平面上主极化(45°斜极化)与交叉极化(-45°)斜极化的差值。可以知道，该天线交叉极化隔离度很好，水平方向整体在20dB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)

1.一种实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线，其特征在于，所述实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线基于同轴圆柱体中的串馈螺旋矩形槽阵列；在同轴圆柱导体中围绕同轴柱体轴线对称布置；沿共轴圆柱轴线的24个基本辐射元件单元构成阵列。
2.如权利要求1所述的实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线，其特征在于，所述串馈螺旋矩形槽阵列的基本辐射单元是一对互相垂直的矩形槽，在同轴圆柱导体中围绕同轴柱体轴线对称布置，一周四对，等高。
3.如权利要求2所述的实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线，其特征在于，一对矩形槽中的一个槽倾斜轴向45度，而另一槽倾斜-45度。
4.如权利要求1所述的实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线，其特征在于，所述24个基本辐射元件单元对分为三组，每组两层，每层四个，每层中均匀对称等高分布在同轴外芯上。
5.如权利要求1所述的实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线，其特征在于，所述实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线包括：
馈电端口，进行同轴馈电；
所述实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线底部和顶部有第一扼流圈、第二扼流圈，用于平衡同轴线上电流，起到平衡馈电作用；
在第一扼流圈、第二扼流圈之间，同轴线外壁开有第一矩形槽对、第二矩形槽对、第三矩形槽对。
6.如权利要求5所述的实现水平全向45°斜极化辐射的同轴开槽天线，其特征在于，每组矩形槽对两层，每层对称分布四个槽对。
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