CN110233336A - 一种串馈圆极化天线法向组阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串馈圆极化天线法向组阵，包括N个具有双端口的串馈圆极化贴片天线，每个贴片天线上设有位于90°圆心角弧线上的第一端口和第二端口，N个贴片天线沿辐射方向图法向等间距排列成多层柱状结构。本发明通过辐射法向组阵，使增益增加，同时只有厚度增加而平面尺寸(法向投影)没有改变，利于进一步的平面组阵，4单元组阵，增益增加量超过4dB。法向组阵辐射效率远远高于单元自身辐射。法向组阵辐射比单元具有更好的圆极化特性。组阵后依然可轻松实现左旋/右旋圆极化切换。串馈单元数目：N可以根据需要自由选择，如此，也提供了一种组建三维立体阵列的可行方案。电缆外包裹吸波材料，可以有效消除对极化波的干扰。

Description

一种串馈圆极化天线法向组阵
技术领域
本发明涉及一种天线技术，尤其涉及的是一种串馈圆极化天线法向组阵。
背景技术
天线按极化波形式,可以分为水平极化、垂直极化、斜极化、椭圆极化、圆极化等，按馈电形式可以分为串馈、并馈，按组阵形式可以分为圆环阵、线阵、平面阵、共型阵等。
在各类雷达或者通信等领域，重量轻、外形小、具有平面化结构这些特点常常具有应用价值，尤其在频率较低的情况下，常规的设计方法使得阵元面积大、重量大，不利于组阵。
在方位向或者俯仰向为保证天线具有较大的扫描能力而不出现栅瓣，辐射元距离向间距dy必须满足下式：
其中：λmin为天线的最小工作波长，θmax为天线偏离阵面法向的最大扫描角，Δ为辐射单元数目的倒数。据此，对于大扫描角的大规模阵列，一般要求阵元间距约为λmin/2；空间采样理论可以得出同样的结论。同时为了满足阵元间耦合系数较小的要求，阵元的长宽尺寸应充分小于λmin/2，这就对天线单元的小型化设计提出了严格的要求。
2018年国际天线传播年会(美国波士顿，AP-S2018conference in Boston,July8-13)的论文"A Research for Miniaturized Circular Polarization Antenna"提出一种串馈圆极化天线,但未提及其组阵的具体形式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何在提高增益的同时不增加天线法向投影面积，提供了一种串馈圆极化天线法向组阵。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括N个具有双端口的串馈圆极化贴片天线，每个贴片天线上设有位于90°圆心角弧线上的第一端口和第二端口，N个贴片天线沿辐射方向图法向等间距排列成多层柱状结构。
作为本发明的优选方式之一，所述N个贴片天线沿辐射方向图法向由下至上依次旋转0*90°，1*90°，…，n*90°,…，N*90°，n＝2，…，N-1。
作为本发明的优选方式之一，沿顺时针方向旋转，形成右旋圆极化波RHCP；沿逆时针方向旋转，形成左旋圆极化波LHCP。
作为本发明的优选方式之一，相邻贴片天线支架的间距disz＝λ/4，λ为自由空间波长。作为本发明的优选方式之一，第j个贴片天线上的第二端口与第j+1个贴片天线上的第一端口通过射频同轴软电缆连接。
作为本发明的优选方式之一，所述射频同轴软电缆的长度lenc(j)＝λg*({angle[s12(j)]-pd}/360+M)；
其中，angle[s12(j)]为第j个贴片天线上的第二端口到第j+1个贴片天线上的第一端口的s12参数的相位值，即相位延迟，其值如果为正，使用180-angle[s12(j)]代入上述公式，如果为负则直接代入，
M为整数，其取值使射频同轴软电缆能最短连接第二端口(j)和第一端口(j+1)，
λg为电缆导波波长，pd＝±90°，当pd＝+90°时，为右旋圆极化波，当pd＝-90°时，为左旋圆极化波，s12为传输系数。作为本发明的优选方式之一，所述射频同轴软电缆外包覆有吸波材料。避免对电磁波极化特性形成干扰。
所述多层柱状结构的最顶层贴片天线的第二端口为馈电端口，最底层贴片天线的第一端口连接匹配负载。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明通过辐射法向组阵，使增益增加，同时只有厚度增加而平面尺寸(法向投影)没有改变，利于进一步的平面组阵，4单元组阵，增益增加量超过4dB。法向组阵辐射效率远远高于单元自身辐射。法向组阵辐射比单元具有更好的圆极化特性。组阵后依然可轻松实现左旋/右旋圆极化切换。串馈单元数目：N可以根据需要自由选择，也提供了一种组建三维立体阵列的可行方案。电缆外包裹吸波材料，可以有效消除对极化波的干扰。
附图说明
图1是本发明的贴片天线的结构示意图；
图2是串馈圆极化天线法向组阵的结构示意图；
图3是本实施例的单元增益波瓣图(RHCP)；
图4是本实施例的单元轴比图(RHCP)；
图5是本实施例的增益波瓣图(RHCP)；
图6是本实施例的轴比图(RHCP)。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例包括4个具有双端口的串馈圆极化贴片天线3，每个贴片天线3上设有位于90°圆心角弧线上的第一端口1和第二端口2，N个贴片天线3沿辐射方向图法向等间距排列成多层柱状结构。
地及反射板半径rg＝182.7mm(Ansoft HFSS建模中，当圆分割为4时，反射板成为正方形，边长为258.4mm)，反射板以下射频同轴软电缆的长度hp＝10mm。
本实施例的中心频率425MHz，自由空间半波长353mm。
图2中，四个法向贴片天线3，沿z轴向上排列，disz＝187.5mm，依次向上分别绕+z轴逆时针旋转0°，90°，180°，270°。
图2中，各层间连接用的射频同轴软电缆4，填充介质相对介电常数为2.55，内半径1.65mm，外半径6.7mm，λg＝442mm，插入损耗约为0.016dB/λg，根据单元仿真s参数，计算电缆长度列于下表1。
表1射频同轴软电缆
j 1 2 3
单元s12(j)(dB,deg) (-2.4,-106.6) (-2.6,-107.8) (-1.77,-110.1)
Lenc(j)(mm) 860.7 859.4 857.0
图2中，多层柱状结构的最顶层贴片天线的第二端口2为馈电端口，连接对应的馈电电缆5，最底层贴片天线的第一端口1连接匹配负载电缆6。
采用Ansoft HFSS软件对法向组阵与单元电参数进行比较，结果如表2所示。
表2法向组阵与单元电参数比较
法向组阵 单元
传输系数s12(Ap1->Dp2)(dB,deg) (-8.73,116) (-1.91,65.2)
驻波比vswr 1.23 1.14
增益RealizedGainRHCP(dB) 7.92 -0.7
最大副瓣SLLmax(dB) -11.7 -11.2
半功率波瓣宽度HPBW(deg) 56.4×55.4 92.6×92.3
轴比AxialRatio(dB) 0.62 1.15
轴比波瓣宽度ARBW(<3dB)(deg) 114.8×76.2 48.8×44.7
体积Volume(mm) 258.4×258.4×650 258.4×258.4×57
对比图3～6可以看出，法向组阵辐射效率远远高于单元自身辐射。法向组阵辐射比单元具有更好的圆极化特性。
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 (8)

1.一种串馈圆极化天线法向组阵，其特征在于，包括N个具有双端口的串馈圆极化贴片天线，每个贴片天线上设有位于90°圆心角弧线上的第一端口和第二端口，N个贴片天线沿辐射方向图法向等间距排列成多层柱状结构。
2.根据权利要求1所述的一种串馈圆极化天线法向组阵，其特征在于，所述N个贴片天线沿辐射方向图法向由下至上依次旋转0＊90°，1＊90°，…，n＊90°,…，N＊90°，n＝2，…，N-1。
3.根据权利要求2所述的一种串馈圆极化天线法向组阵，其特征在于，沿顺时针方向旋转，形成右旋圆极化波RHCP；沿逆时针方向旋转，形成左旋圆极化波LHCP。
4.根据权利要求1所述的一种串馈圆极化天线法向组阵，其特征在于，相邻贴片天线支架的间距disz＝λ/4，λ为自由空间波长。
5.根据权利要求1所述的一种串馈圆极化天线法向组阵，其特征在于，第j个贴片天线上的第二端口与第j+1个贴片天线上的第一端口通过射频同轴软电缆连接。
6.根据权利要求5所述的一种串馈圆极化天线法向组阵，其特征在于，所述射频同轴软电缆的长度lenc(j)＝λg＊({angle[s12(j)]-pd}/360+M)；
其中，angle[s12(j)]为第j个贴片天线上的第二端口到第j+1个贴片天线上的第一端口的s12参数的相位值，即相位延迟，其值如果为正，使用180-angle[s12(j)]代入上述公式，如果为负则直接代入，
M为整数，其取值使射频同轴软电缆能最短连接第二端口(j)和第一端口(j+1)，
λg为电缆导波波长，pd＝±90°，当pd＝+90°时，为右旋圆极化波，当pd＝-90°时，为左旋圆极化波，s12为传输系数。
7.根据权利要求5所述的一种串馈圆极化天线法向组阵，其特征在于，所述射频同轴软电缆外包覆有吸波材料。
8.根据权利要求1所述的一种串馈圆极化天线法向组阵，其特征在于，所述多层柱状结构的最顶层贴片天线的第二端口为馈电端口，最底层贴片天线的第一端口连接匹配负载。
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