CN109417223B - 圆极化双频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种圆极化双频天线，包括多个偶极子、馈电网络，偶极子设置在柱面上，偶极子包括第一振子单元和第二振子单元，第一振子单元和第二振子单元包括第一振子和第二振子；其中，第一振子螺旋式地设置在柱面上。馈电网络与第一振子单元和第二振子单元连接。本发明实施例提供的全向双频天线，通过将多个偶极子设置在柱面上，使天线具备较佳的全向性。同时，该全向双频天线利用每个偶极子包括两个振子单元的设计，使天线具备在两个频率上工作的能力。

Description

圆极化双频天线
技术领域
本发明实施例涉及天线技术领域，尤其涉及一种圆极化双频天线。
背景技术
对天线而言，圆极化天线的抗干扰能力通常要优于线极化天线。然而，现有圆极化天线较难做到较宽的波束宽度。另外，当圆极化天线安装在载体上时，例如安装在无人机上时，圆极化天线姿态随着载体的姿态发生变化时，圆极化天线的性能会明显恶化。而且，在现有技术中，圆极化天线很难实现在双频圆极化的特性。这些都可能降低圆极化天线的可用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提高天线的圆极化性能，改善圆极化天线的辐射特性。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种圆极化双频天线，包括多个偶极子、馈电网络，其特征在于，
所述偶极子设置在柱面上，所述偶极子包括第一振子单元和第二振子单元，第一振子单元和第二振子单元包括第一振子和第二振子；
其中，第一振子螺旋式地设置在所述柱面上；
所述馈电网络与第一振子单元和第二振子单元连接。
可选地，所述第一振子单元和第二振子单元包括第一振子和两个第二振子。
可选地，所述第一振子从与馈电网络的连接部螺旋式地向柱面的端部延伸。
可选地，第一振子的宽度从远离与馈电网络的连接部的方向逐渐变大。
可选地，所述第二振子包括第一延伸部和第二延伸部。
可选地，所述第一延伸部从与馈电网络的连接部螺旋式地向柱面的端部延伸。
可选地，所述第一延伸部从与馈电网络的连接部且垂直于第一振子的方向螺旋式地向柱面的端部延伸。
可选地，所述第二延伸部从与第一延伸部之间的连接部螺旋式地向柱面的端部延伸。
可选地，所述第二延伸部从与第一延伸部之间的连接部沿垂直于第一延伸部的方向螺旋式向柱面的端部延伸。
可选地，所述第一振子单元设置在柱面的一侧，所述第二振子单元设置在柱面的另外一侧。
可选地，所述设置在柱面一侧的第一振子延伸的方向相同；所述设置在柱面另一侧的第一振子延伸的方向相同；其中，所述延伸方向为第一振子远离与馈电网络之间的连接部的方向。
可选地，第一振子单元与第二振子单元中心对称。
可选地，所述第一振子的长度大于第二振子的长度。
可选地，所述馈电网络设置在所述柱面形成的收容空间内。
可选地，所述馈电网络包括第一馈电网络和第二馈电网络；所述第一馈电网络被印刷在馈电基板的一侧，用于与第一振子单元连接；所述第二馈电网络被印刷在馈电基板的另一侧，用于与第二振子单元连接。
可选地，所述圆极化双频天线还包括馈线，第一馈电网络包括第一馈电点，用于连接馈线的内芯；第二馈电网络包括第二馈电点，用于连接馈线的外芯。
可选地，第一馈电点向第一馈电网络和第一振子单元之间的连接部延伸的导线为蛇形线；第二馈电点向第二馈电网络和第二振子单元之间的连接部延伸的导线为蛇形线。
可选地，所述圆极化双频天线还包括对称变换器，其中所述对称变换器与第二馈电点连接。
可选地，所述馈线穿过对称变换器形成的收容空间与第二馈电点连接。
可选地，所述馈线的外芯中除与第二馈电点之间的连接部之外的部分均与对称变换器保持绝缘状态。
可选地，所述圆极化双频天线还包括反射片，其中，所述反射片设置在靠近第二馈电网络的一侧。
可选地，所述馈线穿过反射片形成的收容空间与馈电网络连接。
可选地，所述圆极化双频天线还包括柱形的基板；其中，所述多个所述偶极子印刷在基板的柱面上。
可选地，所述柱面为圆柱面、棱柱面中的至少一种。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果是：
本发明实施例提供的全向双频天线，通过将多个偶极子设置在柱面上，使天线具备较佳的全向性。同时，该全向双频天线利用每个偶极子包括两个振子单元的设计，使天线具备在两个频率上工作的能力。
本发明中通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是本发明实施例提供的圆极化双频天线的主视图；
图2是本发明实施例提供的圆极化双频天线的局部透视结构示意图；
图3是本发明实施例提供的圆极化双频天线的一角度的立体示意图；
图4是本发明实施例提供的圆极化双频天线的另一角度的立体示意图；
图5是本发明实施例提供的圆极化双频天线的立体分解示意图；
图6是本发明实施例提供的圆极化双频天线的馈电基板的俯视图；
图7是本发明实施例提供的圆极化双频天线的馈电基板的仰视图；
图8是本发明实施例提供的圆极化双频天线的对称变换器的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的圆极化双频天线的反射片的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的圆极化双频天线的回波损耗图；
图11是本发明实施例提供的圆极化双频天线在2.4GHZ时的方向图；
图12是本发明实施例提供的圆极化双频天线在5.8GHZ时的方向图；
图13是本发明实施例提供的圆极化双频天线在2.4GHZ时的俯仰面轴比图；
图14是本发明实施例提供的圆极化双频天线在5.8GHZ时的俯仰面轴比图；
图15是本发明实施例提供的圆极化双频天线在2.4GHZ时的水平面轴比图；
图16是本发明实施例提供的圆极化双频天线在5.8GHZ时的水平面轴比图。
其中，附图标记说明如下：
1.馈电网络；
2.偶极子；
3.柱面；
4.基板；
6.馈线；
7.对称变换器；
8.反射片；
11.第一馈电网络；
12.第二馈电网络；
13.馈电基板；
21.第一振子单元；
22.第二振子单元；
111.第一馈电点；
121.第二馈电点；
221.第一振子；
222.第二振子；
2221.第一延伸部；
2221.第二延伸部。
具体实施方式
体在对本发明的不同示例性实施例的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“端”、“之间”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。
下面结合附图，对本发明的一些实施例作详细说明，在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互结合。
请同时参阅图1至图5，在本实施例中，本发明实施例提供的圆极化双频天线包括馈电网络1以及多个偶极子2，其中，所述偶极子的个数本领域技术人员可以根据设计需求选定，例如所述多个偶极子的个数可以为4、6、 8、10、12、16等等，在此不作具体地限定。为了方便说明，以所述多个偶极子为4个偶极子来进行示意性说明。
进一步地，所述多个偶极子设置在柱面3上，其中，所述柱面3可以为圆柱面、棱柱面中的至少一种，进一步地，所述棱柱面可以为4棱柱面、5 棱柱面、6棱柱面、7棱柱面、8棱柱面等等，在此不作具体的限定。为了方便说明，本发明实施例以所述柱面为圆柱面来进行示意性说明，其中本文后面涉及圆柱面的地方可以等同地被替换成柱面。
如图3至图5所示，所述天线还包括柱形的基板4，其中，所述多个偶极子2印刷在柱形基板4上的柱面上，此时，前述部分的柱面3即为基板的柱面，其中，所述柱形的基板4可以为圆柱形或者棱柱形，具体如前所述，在此不再赘述。需要说明的是，将所述多个偶极子2印刷在基板4上只是一种可行的实现方式。在某些实施例中，所述多个偶极子2可以由金属材料弯折而成，并不是直接印刷在基板4上。为了方便说明，本发明实施例以所述多个偶极子2印刷在基板4上来进行示意性说明。
进一步地，所述柱面3内可以收容载体，其中，所述载体可以为非金属材料，所述载体可用于对偶极子2、基板4、馈电网络1、用于与馈电网络1 连接的馈线6中的一种或多种支撑或者固定。进一步地，当所述多个偶极子 2印刷在基板4上时，所述载体5可以收容在基板4的内腔中。
下面将对设置在柱面上的偶极子的结构和分布进行详细地说明。
如图1至图5所示，四个偶极子2印刷在基板4的圆柱面上。其中，每个偶极子2均包括两个振子单元，分别为第一振子单元21和第二振子单元 22。每个振子单元均包括第一振子221和第二振子222。进一步地，每个振子单元均包括一个第一振子221和两个第二振子222。其中，两个振子的设计使得本发明实施例提供的天线具备在两个频率工作的能力。其中，第一振子221和第二振子222的具体地结构如图2所示。
具体而言，每个第一振子221螺旋式地设置在所述柱面3上。具体而言，所述第一振子221从与馈电网络1的连接部螺旋式地向柱面3的端部延伸。进一步地，第一振子221的宽度从远离与馈电网络1的连接部的方向逐渐变大。
具体而言，每个第二振子222包括第一延伸部2221和第二延伸部2222。其中，第一延伸部2221从与馈电网络1的连接部螺旋式地向柱面3的端部延伸，优选地，所述第一延伸部2221从与馈电网络1的连接部沿垂直于第一振子221的方向螺旋式地向柱面3的端部延伸。第二延伸部2222从与第一延伸部2221之间的连接部螺旋式地向柱面3的端部延伸，优选地，所述第二延伸部2222从与第一延伸部2221之间的连接部沿垂直于第一延伸部2221的方向螺旋式向柱面3的端部延伸。
另外，对于同一个振子单元而言，两个第二振子222是中心线对称。在本实施例中，基于上述两个第二振子222相对于第一振子221的延伸方向的中心线对称的设计，每个振子单元大致呈一“山”字型的结构。在某些实施例中，振子单元亦可采用其他结构的设计，且两个第二振子亦可不相对于第一振子的延伸方向的中心线对称。
在本实施例中，属于同一振子单元的两个第二振子222的第一延伸部 2221延伸的方向相反，属于同一振子单元的两个第二振子222的第二延伸部 2222延伸的方向相同。在某些实施例中，属于同一振子单元的两个第二振子 222的第二延伸部2222延伸的方向亦可相反，并不以本实施例为限。
每个偶极子的第一振子单元21和与其对应的第二振子单元22呈中心对称。即，对于同属一个偶极子的第一振子单元21和第二振子单元22而言，第一振子单元21中的第一振子延伸的方向与第二振子单元22中的第一振子 221延伸的方向相反，第一振子单元21中的两个第二振子的第二延伸部延伸的方向与第二振子单元22中的两个第二振子222的第二延伸部2222延伸的方向相反。
在本实施例中，各偶极子2的第一振子单元21均设置在圆柱面的一侧，各偶极子2的第二振子单元22均设置在圆柱面的另外一侧。设置在柱面3 一侧的各第一振子延伸的方向至少部分地相同，且设置在柱面3另一侧的各第一振子延伸的方向至少部分地相同。优选地，设置在柱面3同一侧的各第一振子延伸的方向相同。其中，所述的延伸的方向为第一振子远离与馈电网络1之间的连接部的方向。
设置在柱面3一侧的各第二振子的第一延伸部延伸的方向至少部分地相同，且设置在柱面3一侧的各第二振子的第二延伸部延伸的方向至少部分地相同。并且，设置在柱面3另一侧的各第二振子的第一延伸部延伸的方向至少部分地相同，且设置在柱面3另一侧的各第二振子的第二延伸部延伸的方向至少部分地相同。优选地，设置在柱面3同一侧的各第二振子的第一延伸部延伸的方向相同，且设置在柱面3同一侧的各第二振子的第二延伸部延伸的方向相同。
基于上述关于偶极子的各振子延伸的方向的设计，参见图2，对于第一振子221而言，电流的流向(电流相位会从0°变化到360°回到起点再周而复始)大致为，在0°到180°的半个周期内，电流先沿圆柱面底端的第一振子221向右上方流，再沿圆柱面顶端的第一振子221向右上方流。在180°到360°半个周期内，圆柱面顶端的第一振子221向左下方流，再沿圆柱面底端的第一振子221向左下方流。据此，整个0°到360°的周期内电流类似于做逆时针方向的旋转，从而辐射出左旋圆极化的电磁波。
基于相同的原理，参见图2，对于第二振子222而言，整个0°到360°的周期内电流类似于做逆时针方向的旋转，从而辐射出左旋圆极化的电磁波。
由此可知，第一振子221和第二振子222延伸的方向决定了第一振子221 和第二振子222所对应圆极化的是右旋还是左旋圆极化。参见附图1至图5，第一振子221为左旋圆极化，且第二振子222为左旋圆极化。基于相同的原理，在某些实施例中，如想实现其他圆极化功能，则可通过调整第一振子221 和第二振子222的第二延伸部2222延伸的方向来实现。
在本实施例中，第一振子221的长度大于第二振子222的长度(即第一延伸部2221与第二延伸部2222的长度之和)。其中，第一振子221的长度等于第一振子221对应的第一谐振频率的四分之一波长，第二振子222的长度等于第二振子222对应的第二谐振频率的四分之一波长。由此可知，第一振子221辐射的电磁波的频率要低于第二振子222的电磁波频率。
如图1所示，馈电网络1设置在圆柱面内且分别连接于各第一振子单元 21和各第二振子单元22。其中，馈电网络1主要包括馈电基板13、第一馈电网络11和第二馈电网络12。第一馈电网络11被印刷在馈电基板13的一侧，用于与各第一振子单元21连接，且第二馈电网络12被印刷在馈电基板 13的另一侧，用于与各第二振子单元22连接。
具体而言，如图6和图7所示，第一馈电网络11和第二馈电网络12的结构大致相同。针对如图1至图5所示的具有4个偶极子的圆极化双频天线，每个馈电网络可以为具有四个连接端的十字结构。第一馈电网络11的每一个连接端分别与一个第一振子单元21连接，第二馈电网络12的每一个连接端分别与一个第二振子单元22连接。
另外，本实施例中第一馈电网络11和第二馈电网络12选用十字结构的设计，可将每个馈电网络的中心到与各连接端的距离相等，据此保证馈电网络对各第一振子单21元和各第二振子单元22的平衡馈电效果。在某些实施例中，针对不同的偶极子的个数和馈电需要，可以采用其他结构的馈电网络，并不以本实施例为限。
进一步地，馈电基板13的厚度可以优选为1mm～2mm。即，第一馈电网络11与第二馈电网络12之间的距离可以优选为1mm～2mm。
如图6和图7所示，第一馈电网络11还包括一个第一馈电点111，第二馈电网络12还包括一个第二馈电点121。其中，本发明实施例提供的圆极化双频天线可以通过馈电点与外部电路连接。在本实施例中，第一馈电点111 可以与馈线6的内芯连接，第二馈电点121可以与馈线6的外芯连接，馈线 6与外部电路连接。
进一步地，第一馈电点111向第一馈电网络11和第一振子单元21之间的连接部延伸的导线为蛇形线，且第二馈电点121向第二馈电网络12和第二振子单元22之间的连接部延伸的导线为蛇形线，选用蛇形线可以很好地匹配天线的双频设计。
如图2和图8所示，本发明实施例提供的圆极化双频天线还包括对称变换器7。其中，对称变换器7与第二馈电点121连接。具体而言，馈线6穿过对称变换器7形成的收容空间与第二馈电点121连接。同时，馈线6的外芯中除与第二馈电点121之间的连接部之外的部分均与对称变换器7保持绝缘状态。在实际使用过程中，天线必须留出馈线以便和外部设备连接，这样，馈线所带来的影响就不可以忽略，馈线与馈电网络连接时，会引起电流的不平衡，导致天线性能恶化，另外，馈线本身的金属物理特性也会导致天线性能恶化，通过仿真得到天线在高频段受到的影响较为严重，因此，设计对称变换器可以消除电流的不平衡，使天线的性能得到提升。
如图2和图9所示，本发明实施例提供的圆极化双频天线还包括反射片 8。其中，反射片8设置在靠近第二馈电网络12的一侧。具体而言，馈线6 穿过反射片8形成的收容空间与馈电网络1连接。具体地，当天线接入馈线 6时，天线的方向图会表现出不对称的现象，表示稍许下压的状态，增加反射片可以使天线方向图朝下的部分得到部分上调，使天线的方向图更加对称，提升天线的性能。
进一步地，反射片8可以优选为圆形片状的结构。在某些实施例中，针对不同的馈电需要，可以采用其他结构的反射片，并不以本实施例为限。
下面将结合具体如图10-16所示的仿真结果和实验结果对本发明实施例提供的圆极化双频天线的特性进行说明。
图10中示出了圆极化双频天线的回波损耗图，如图10所示，在本实施例中，该圆极化双频天线在2.4GHz和5.8GHz处各产生一个谐振，且带宽大于100MHz。其中，第一谐振频率即为2.4GHz，第二谐振频率即为5.8GHz。
图11示出了圆极化双频天线在2.4GHz时左旋极化和右旋极化的方向图，可以看出在2.4GHz时该圆极化双频天线辐射的主要是左旋圆极化波，符合上述关于天线辐射原理的分析，同时交叉极化大于15dB以上。图12示出了圆极化双频天线在5.8GHZ时左旋极化和右旋极化的方向图，可以看出在5.8GHz时该全向双频天线辐射的主要是左旋圆极化波，符合上述关于天线辐射原理的分析，同时交叉极化大于15dB以上。
如图13和图14所示，其分别示出了该圆极化双频天线在2.4GHz和 5.8GHz时的俯仰面轴比。
如图15和图16所示，其分别示出了该圆极化双频天线在2.4GHz和 5.8GHz时的水平面轴比。
针对图13-16，可以看出本发明实施例提出的圆极化双频天线在2.4GHz 和5.8GHz时水平面均为全向圆极化，圆极化性能优异。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的圆极化双频天线仅仅是能够采用本发明原理的许多种圆极化双频天线中的一个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的圆极化双频天线的任何细节或圆极化双频天线的任何部件。
以上详细地描述和/或图示了本发明提出的圆极化双频天线的示例性实施例。但本发明的实施例不限于这里所描述的特定实施例，相反，每个实施例的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施例的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施例的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/ 等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/ 等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的圆极化双频天线进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (17)

1.一种圆极化双频天线，包括多个偶极子、馈电网络，其特征在于，
所述偶极子设置在柱面上，所述偶极子包括第一振子单元和第二振子单元，第一振子单元包括第一振子和两个第二振子，第二振子单元包括第一振子和两个第二振子，其中，第一振子的长度大于第二振子的长度；
其中，第一振子螺旋式地设置在所述柱面上；
所述馈电网络设置在所述柱面形成的收容空间内，并包括第一馈电网络和第二馈电网络，所述第一馈电网络被印刷在馈电基板的一侧，用于与第一振子单元连接，所述第二馈电网络被印刷在馈电基板的另一侧，用于与第二振子单元连接；
所述圆极化双频天线还包含馈线以及对称变换器，第一馈电网络包括第一馈电点，用于连接馈线的内芯，第二馈电网络包括第二馈电点，用于连接馈线的外芯，所述对称变换器与第二馈电点连接，所述馈线穿过对称变换器形成的收容空间与第二馈电点连接；
其中，第一馈电点向第一馈电网络和第一振子单元之间的连接部延伸的导线为蛇形线，第二馈电点向第二馈电网络和第二振子单元之间的连接部延伸的导线为蛇形线。
2.根据权利要求1所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述第一振子从与馈电网络的连接部螺旋式地向柱面的端部延伸。
3.根据权利要求1或2所述的圆极化双频天线，其特征在于，
第一振子的宽度从远离与馈电网络的连接部的方向逐渐变大。
4.根据权利要求1或2所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述第二振子包括第一延伸部和第二延伸部。
5.根据权利要求4所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述第一延伸部从与馈电网络的连接部螺旋式地向柱面的端部延伸。
6.根据权利要求5所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述第一延伸部从与馈电网络的连接部且垂直于第一振子的方向螺旋式地向柱面的端部延伸。
7.根据权利要求4所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述第二延伸部从与第一延伸部之间的连接部螺旋式地向柱面的端部延伸。
8.根据权利要求7所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述第二延伸部从与第一延伸部之间的连接部沿垂直于第一延伸部的方向螺旋式向柱面的端部延伸。
9.根据权利要求1所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述第一振子单元设置在柱面的一侧，所述第二振子单元设置在柱面的另外一侧。
10.根据权利要求9所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述设置在柱面一侧的第一振子延伸的方向相同；
所述设置在柱面另一侧的第一振子延伸的方向相同；
其中，所述延伸的方向为第一振子远离与馈电网络之间的连接部的方向。
11.根据权利要求1所述的圆极化双频天线，其特征在于，
第一振子单元与第二振子单元中心对称。
12.根据权利要求1所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述第一振子的长度大于第二振子的长度。
13.根据权利要求1所述的圆极化双频天线，其特征在于，所述馈线的外芯中除与第二馈电点之间的连接部之外的部分均与对称变换器保持绝缘状态。
14.根据权利要求1或13所述的圆极化双频天线，其特征在于，所述圆极化双频天线还包括反射片，
其中，所述反射片设置在靠近第二馈电网络的一侧。
15.根据权利要求14所述圆极化双频天线，其特征在于，所述馈线穿过反射片形成的收容空间与馈电网络连接。
16.根据权利要求1所述的圆极化双频天线，其特征在于，所述圆极化双频天线还包括柱形的基板；
其中，所述多个所述偶极子印刷在基板的柱面上。
17.根据权利要求1所述的圆极化双频天线，其特征在于，
所述柱面为圆柱面、棱柱面中的至少一种。
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