CN110380193B - 一种小型化多波段共口径圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种小型化多波段共口径圆极化天线，设置有三个天线、金属背腔、金属底板、带状线功分网络和两个3dB定向耦合器。其中X频段双圆极化位于上层，SC频段双圆极化天线位于下层，L频段全向圆极化天线紧贴金属背腔内侧；金属背腔与三个圆极化天线共轴放置；金属背腔内侧放置有带状线功分网络和两个3dB定向耦合器。两个宽带宽角覆盖双圆极化天线，均使用十字交叉的Vivaldi天线，通过3dB定向耦合器实现双圆极化。全向圆极化天线，使用四个相同的倒F天线，通过等功分带状线网络连接。本发明天线结构紧凑，制造工艺简单，三个天线相互独立、互不影响，实现了多波段共口径工作。

Description

一种小型化多波段共口径圆极化天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种小型化多波段共口径圆极化天线。

背景技术

圆极化天线与线极化天线相比较，有其天然的优势。不仅具有极化匹配特性，还能够抑制雨雾等反射杂波的干扰，具有较强的抗干扰能力，有利于空间中电磁波的接收。双圆极化天线能够在同一频带内发射或接收两个旋向的电磁波，可以实现两副天线的功能，减小天线的复杂度和天线的安装空间。为了保证正常的通信，通常需要在低仰角处需要一定的增益。在实现低仰角增益的同时，天线能够在宽频带工作是很难实现的。所以圆极化天线同时实现较宽的增益覆盖与宽带特性是无线通信中亟需解决的问题。电子信息技术的飞速发展，需要在一个载体上安装各种满足要求的电子设备，安装的天线的个数越来越多，系统的电磁环境也变得更加复杂，需要通过空间上合理的布局，充分利用载体的空间大小，减小不同工作频率天线之间的电磁耦合，从而使功能不同的多副天线可以互不影响，相互独立的工作。

目前，最接近的现有技术：双圆极化天线通常将两个阵子十字交叉放置，再利用3dB定向耦合器实现双圆极化。现如今双圆极化天线的普遍采用微带形式，天线的带宽较窄，低仰角处的增益较低。全向圆极化天线的实现方式主要有三种，第一种是用四个相同的轴向模螺旋绕金属圆柱放置；第二种是用长为λ的偶极子垂直放置实现垂直极化，偶极子上开缝实现水平极化；第三种是用偶极子围绕虚拟圆周倾斜放置。现如今全向圆极化天线易受载体的结构影响，所占用的体积较大。

综上所述，现有技术存在的问题是：载体容纳空间有限，小型化之后天线阻抗匹配的问题；双圆极化天线工作频带较窄，在低仰角处增益下降较快等问题；利用载体的形状和空间大小，全向圆极化天线的低剖面以及共形设计，天线的阻抗和方向图容易受到载体的影响；多个宽带宽角覆盖双圆极化天线与全向圆极化天线共口径放置时，天线之间相互的影响等问题。

解决上述技术问题的难度：Vivaldi天线的高度通常在λ/2～λ之间，由于空间有限，当降低高度时，天线的阻抗难以匹配。对于宽带双圆极化天线，天线的辐射特性与频率有关，当工作在高频时，天线顶端的增益增大，波束变窄，在全频段内难以实现宽角增益覆盖。全向圆极化天线由于空间有限，所能选择的天线形式较少，馈电网络的布局也会受到影响。多个天线共口径工作时，不同频率之间的天线存在电磁耦合，使得多副天线的阻抗特性与辐射特性相互影响，当布局不合理时，容易造成系统整体性能的下降。

解决上述技术问题的意义：双圆极化天线的高度整体降低，能够在小尺寸下工作在较宽的频带，同时具有宽角增益覆盖的特点。全向圆极化天线利用载体大小和形状，使载体成为天线的一部分，使得载体对天线辐射性能的影响较小。三个天线共口径放置时，通过合理的布局和馈电走线，使得天线之间阻抗特性和辐射特性的影响较小，三个天线均可以独立工作。天线的结构紧凑，制造工艺简单，可以实现多波段共口径组合工作。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型化多波段共口径圆极化天线。

本发明是这样实现的，一种小型化多波段共口径圆极化天线，所述小型化多波段共口径圆极化天线包括SC频段双圆极化天线，X频段双圆极化天线和L频段全向圆极化天线；

SC频段双圆极化天线位于下层；X频段双圆极化天线位于上层，两个双圆极化天线上下共轴放置；金属底板位于SC频段双圆极化天线底部；金属背腔中心与双圆极化天线中轴重合；L频段全向圆极化天线位于金属背腔内侧，并紧贴金属背腔。

进一步，所述SC频段双圆极化天线和X频段双圆极化天线均由两个十字交叉放置的线极化Vivaldi天线组成，通过宽带3dB定向耦合器的耦合口和直通口之间90°相差实现双圆极化；

Vivaldi天线由金属辐射片、金属微带馈线和介质基板组成，所述线极化Vivaldi天线金属辐射片包括指数渐变槽线、矩形槽线和椭圆形槽线。

进一步，所述SC频段双圆极化天线，X频段双圆极化天线印刷在同一块介质基板上，辐射金属片和金属微带线位于介质基板的同一侧；介质基板的厚度为0.5mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

进一步，所述SC频段双圆极化天线，X频段双圆极化天线通过金属接地线连接，X频段的同轴馈线沿着金属接地线的路径与金属底板下的宽带3dB定向耦合器相连。

进一步，所述L频段全向圆极化天线包括四个倒F天线、介质基板和功分网络；

四个倒F天线位于金属背腔的上面，同向等间距印刷在圆筒介质基板的内侧，金属底板下为带状线形式的一分四功分网络，中心50Ω同轴馈电；倒F天线的高度仅有0.063λ。

进一步，所述倒F天线的接地点通过金属化过孔与金属背腔相连，金属背腔则相当于天线的地；倒F天线的弯折方向可以改变天线的极化，四个倒F天线均沿顺时针方向弯折，天线的主极化为左旋圆极化，当沿逆时针方向弯折时，天线的主极化为右旋圆极化；

倒F天线的输入阻抗为50Ω，底部带状线功分网络的特性阻抗为100Ω，连接倒F天线与功分网络之间的微带传输线特性阻抗为50Ω。

进一步，所述圆筒介质基板的厚度为0.5mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001；带状线形式功分网络的介质基板总厚度为2mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述小型化多波段共口径圆极化天线。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：双圆极化天线的主结构为十字交叉的线极化Vivaldi天线，通过与宽带3dB定向耦合器连接，能够实现两个不同旋向的宽带宽角覆盖圆极化特性。采用椭圆形槽线的Vivaldi天线，通过调节椭圆槽线的长轴可以对微带传输线起到阻抗匹配的作用，有效降低了天线的高度，SC频段双圆极化天线高度为0.375λ，X频段双圆极化天线高度为0.4λ。上下两个双圆极化天线的Vivaldi天线结构印刷在同一块介质基板上，两个天线只需要两块介质基板，降低了天线的复杂度与制造成本。全向圆极化天线则利用了金属背腔作为天线的地，采用倒F天线有效地降低了天线的剖面，天线剖面只有0.063λ。四个倒F天线均为同一弯折方向，通过底部一分四等功分带状线网络连接。改变倒F天线的弯折方向可以改变天线的极化，四个倒F天线均沿顺时针方向弯折，天线的主极化为左旋圆极化，当沿逆时针方向弯折时，天线的主极化为右旋圆极化。

本发明中的小型化多波段共口径圆极化天线，将传统Vivaldi天线的圆形槽线变为椭圆形槽线，使得天线的整体高度降低。小型化的Vivaldi天线通过十字交叉，再与宽带的3dB定向耦合器相连，实现宽带宽角双圆极化特性。X频段双圆极化天线与SC频段双圆极化天线上下放置，上天线的馈电线会对下天线的辐射方向图造成巨大影响，SC频段天线的方向图在馈电线处会出现凹陷，增益降低，不满足其宽角覆盖的特性。通过引入一段接地线，连接上下两个天线。X频段双圆极化天线的馈电线沿着接地线的路径引入底面，与底端3dB定向耦合器相连，减小了上天线馈电线对下天线方向图的影响。由于倒F天线上电流分布具有水平和垂直两个分量，只有方位面电流的水平分量和和垂直分量大小相等，相位相差90°，即可以在水平方向实现圆极化特性。通过调节倒F天线的短路点和馈电点的距离可以调节两个方向电流的大小和相位，同时倒F天线短路点与馈电点的距离也影响天线的阻抗特性，四个同向的倒F天线有利于实现全向特性。三个天线充分利用了空间的结构和大小，合理地布局，使其在正常工作时相互的影响最小。

现有天线在移动通信系统中实现双圆极化应用较为广泛主要是微带形式的天线。微带天线具有小型化，低剖面，易于加工等特点，并且可以实现较宽的波束宽度，但天线的带宽较窄，基本都在10％以下，虽然可以通过不同的方式展宽天线的带宽，但结构也变得更加复杂，要实现3个倍频的带宽同时保持宽波束特性几乎无法实现。现有全向圆极化天线大多采用四个短螺旋绕金属圆柱，低剖面微带天线和四个偶极子倾斜，但微带天线形式和四个短螺旋绕金属圆柱会利用载体中心，不利于天线的共形设计。四个偶极子倾斜放置，天线的长度较长，剖面高，尺寸较大，不利于网络的设计。

本发明由于采用椭圆形槽线的Vivaldi天线，有效降低了天线的高度，通过两个Vivaldi天线实现了宽带、宽角增益覆盖的特性。四个倒F天线运用金属背腔作为天线的地，充分利用了载体的空间。三个天线均采用印刷介质基板形式，降低了天线复杂度和制造成本。三个圆极化天线可以相互独立、互不影响，实现了多波段共口径工作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的小型化多波段共口径圆极化天线的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的双频双圆极化天线立体结构图。

图3是本发明实施例提供的双频双圆极化天线正视图。

图4是本发明实施例提供的全向圆极化天线立体结构图。

图5是本发明实施例提供的第一天线1左右旋端口电压驻波比随频率变化曲线示意图。

图6是本发明实施例提供的第二天线2左右旋端口电压驻波比随频率变化曲线示意图。

图7是本发明实施例提供的第三天线3电压驻波比随频率变化曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的第一天线1左右旋圆极化轴比随频率变化的曲线示意图。

图9是本发明实施例提供的第二天线2左右旋圆极化轴比随频率变化的曲线示意图。

图10是本发明实施例提供的第一天线1不同频点的增益方向图；

图中：(a)2.5GHz；(b)4.5GHz；(c)6.5GHz；(a)、(b)、(c)的左图为

右图为

图11是本发明实施例提供的第二天线2不同频点的增益方向图；

图中：(a)8GHz；(b)10GHz；(c)12GHz；(a)、(b)、(c)的左图为

右图为

图12是本发明实施例提供的第三天线3在1.11GHz的增益方向图；

图中：(a)

(b)

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。

针对双圆极化天线需要同时满足宽角增益覆盖与宽频带工作；利用载体的形状和空间大小，全向圆极化天线的共形设计；多个宽带宽角覆盖双圆极化与全向圆极化天线共口径等问题。本发明的三个天线均采用印刷介质基板形式，降低了天线复杂度和制造成本。三个圆极化天线可以相互独立、互不影响，实现了多波段共口径工作。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的小型化多波段共口径圆极化天线包括金属背腔101，金属底板102和三个频段的天线；SC频段宽带宽角覆盖双圆极化天线(第一天线1)，X频段宽带宽角覆盖双圆极化天线(第二天线2)和L频段全向圆极化天线(第三天线3)。两个双圆极化天线上下共轴放置，第一天线1位于下层；第二天线2位于上层，金属底板位于第一天线1底部，与第一天线1相连。两个双圆极化天线的中心轴位于圆形金属腔体的中心，第三天线3位于金属背腔内侧，并且紧贴金属背腔。如图2是双频双圆极化天线(第一天线1、第二天线2)的立体结构图，如图3是双频双圆极化天线(第一天线1、第二天线2)的侧视图，如图4是全向圆极化天线(第三天线3)的立体结构图。

如图2和3所示，SC频段宽带宽角覆盖双圆极化天线(第一天线1)，包括两个小型化十字交叉的Vivaldi天线和宽带3dB定向耦合器103。Vivaldi天线单元，包括金属辐射片301、介质基板302和金属微带馈线303，金属辐射片和金属微带馈线分别印刷在介质基板的两侧。金属辐射片的渐变槽线采用指数渐变的形式，对微带馈线起阻抗匹配作用的圆形槽线改为椭圆形槽线304，以降低天线的高度，微带馈线采用渐变形式，其终端加载扇形结构。馈电处采用金属槽线过渡的形式，金属微带馈电线通过电磁耦合把能量耦合到金属辐射片的矩形槽线中，实现宽带匹配特性。

两个十字交叉的Vivaldi天线是以金属辐射片中心对称，减小天线在低仰角处增益不圆度。天线的双圆极化是通过3dB定向耦合器实现的，宽带的3dB定向耦合器位于金属底板下侧，两个Vivaldi天线的金属微带馈线通过同轴线与3dB定向耦合器连接。

如图2和3所示，所述X频段宽带宽角覆盖双圆极化天线(第二天线2)是通过SC频段宽带宽角覆盖双圆极化天线(第一天线1)等比例缩小得到。第二天线2的金属微带馈线通过同轴线与底端宽带3dB定向耦合器104相连，第一天线1与第二天线2用一段金属接地线201连接，第二天线2馈电线的同轴线内芯与金属微带馈线相连，同轴线外皮与金属接地线相连，同轴线沿着接地线的路径，从第一天线1金属辐射贴片的外侧边缘引到底端与宽带3dB定向耦合器相连，减少了同轴线对第一天线1方向图的影响，另一侧的金属接地线则是为了保持天线结构对称。

如图4所示，L频段全向圆极化天线(第三天线3)，包括四个倒F天线401，介质基板402和功分网络405。四个倒F天线印刷在圆筒内侧，分别位于圆筒的四周，圆筒的直径约为λ/3，其水平方向阵子沿顺时针弯折，接地点403通过金属化过孔与金属背腔相连，金属背腔则作为倒F天线的地。倒F天线输入阻抗为50Ω，一分四的功分网络采用带状线形式，中心同轴馈电，带状线特性阻抗为100Ω，四个倒F天线与功分网络通过竖直方向的微带线连接，微带线404的特性阻抗为50Ω。改变倒F天线的弯折方向可以改变天线的极化，四个倒F天线均沿顺时针方向弯折，天线的主极化为左旋圆极化，当沿逆时针方向弯折时，天线主极化为右旋圆极化。

下面结合仿真结果对本发明的性能作详细描述。

1.仿真内容

如图5-图11所示，利用仿真软件对上述小型化多波段共口径圆极化天线的电压驻波比、轴比及方向图进行了仿真。

2.仿真结果

如图5-图7所示，分别是第一天线1、第二天线2、第三天线3的电压驻波比随工作频率变化的曲线。仿真结果表明，第一天线1在SC频段2.5～6.5GHz的频率范围内，左右旋圆极化天线的电压驻波比均小于2，第二天线2在X频段8～12GHz的频率范围，左右旋圆极化天线的电压驻波比均小于2，第一天线1和第二天线2均具有显著的宽频带特性。第三天线3在L频段1.09～1.14GHz的频率范围内电压驻波比小于2。

如图8-图9所示，分别是第一天线1和第二天线2左右旋圆极化轴比随工作频率变化的曲线。仿真结果表明，第一天线1在2.5-6.5频率范围内，轴比均小于3，第二天线2在8-12GHz的频率范围内，轴比均小于3，第一天线1和第二天线2具有良好的圆极化特性。

图10和11分别是SC频段实施例天线(第一天线1)和X频段实施例天线(第二天线2)在工作频带范围内不同频点处左右旋俯仰面(

和

)的方向图，由2.5GHz、4.5GHz、6.5GHz、8GHz、10GHz、12GHz的增益方向图可知，天线在全频段内，有较宽的增益覆盖，在θ＝60°时，方位面的增益均大于-5dB。图12是L频段实施例天线(第三天线3)1.11GHz俯仰面(

和

)的增益方向图。第三天线3俯仰面θ在31°～152°的角度范围内增益大于-5dB，θ在21°～161°的角度范围内增益大于-8dB。

本发明主要应用于弹载、星载等系统中，天线为了捕捉到低仰角处的目标，要求天线的波束覆盖范围较大，θ在±60°的波束范围内，增益大于-5dB。超宽带天线可以承载更多的信息量，因此在抗干扰、目标识别、反隐身等领域拥有广阔的前景。对于运动的物体，为了保证远距离通信，需要全向圆极化天线在不同位置都能够发射和接收到信号，需要θ在较宽的波束范围内增益大于-8dB。

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 (7)

1.一种小型化多波段共口径圆极化天线，其特征在于，所述小型化多波段共口径圆极化天线包括SC频段双圆极化天线，X频段双圆极化天线和L频段全向圆极化天线；

SC频段双圆极化天线位于下层；X频段双圆极化天线位于上层，两个双圆极化天线上下共轴放置；金属底板位于SC频段双圆极化天线底部；金属背腔中心与双圆极化天线中轴重合；L频段全向圆极化天线位于金属背腔内侧，并紧贴金属背腔；

所述SC频段双圆极化天线和X频段双圆极化天线由两个十字交叉放置的线极化Vivaldi天线组成，通过宽带3dB定向耦合器的耦合口和直通口之间90°相差实现双圆极化；

Vivaldi天线由金属辐射片、金属微带馈线和介质基板组成，所述线极化Vivaldi天线金属辐射片包括指数渐变槽线、矩形槽线和椭圆形槽线。

2.如权利要求1所述的小型化多波段共口径圆极化天线，其特征在于，所述SC频段双圆极化天线，X频段双圆极化天线印刷在同一块介质基板上，辐射金属片和金属微带线均位于介质基板的同一侧；介质基板的厚度为0.5mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

3.如权利要求1所述的小型化多波段共口径圆极化天线，其特征在于，所述SC频段双圆极化天线，X频段双圆极化天线通过金属接地线连接，X频段的同轴馈线沿着金属接地线的路径与金属底板下的宽带3dB定向耦合器相连。

4.如权利要求1所述的小型化多波段共口径圆极化天线，其特征在于，所述L频段全向圆极化天线包括四个倒F天线、介质基板和功分网络；

四个倒F天线位于金属背腔的上面，同向等间距印刷在圆筒介质基板的内侧，金属底板下为带状线形式的一分四功分网络，中心50Ω同轴馈电；倒F天线的高度仅有0.063λ。

5.如权利要求4所述的小型化多波段共口径圆极化天线，其特征在于，所述倒F天线的接地点通过金属化过孔与金属背腔相连，金属背腔则相当于天线的地；倒F天线的弯折方向可以改变天线的极化，四个倒F天线均沿顺时针方向弯折，天线在水平方向的主极化为左旋圆极化，当沿逆时针方向弯折时，天线在水平方向的主极化为右旋圆极化；

倒F天线的输入阻抗为50Ω，底部功分网络带状线的特性阻抗为100Ω，带状线长度为λ/4，连接倒F天线与功分网络之间的微带传输线特性阻抗为50Ω。

6.如权利要求4所述的小型化多波段共口径圆极化天线，其特征在于，所述L频段全向圆极化天线圆筒介质基板的厚度为0.5mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001；带状线形式功分网络的介质基板总厚度为2mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

7.一种应用权利要求1～6任意一项所述小型化多波段共口径圆极化天线的无线通信系统。

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