CN112615145B - 一种半球波束超宽带圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半球波束超宽带圆极化天线，包括：天线罩、十字交叉介质基板、弯折十字交叉振子、互补型寄生单元、馈电巴伦、金属网络盖板、网络介质基板、功分移相网络、金属底板。天线罩位于天线整体正上方，通过金属螺钉与金属底板相连接，弯折十字交叉振子和馈电巴伦分别印刷在十字交叉介质基板的两面，互补性寄生振子具有两面结构分别印刷在十字交叉介质基板的两面，十字交叉介质基板通过网络介质基板上的十字通槽与网络介质基板连接，金属网络盖板压在网路介质基板的上方，网络介质基板上表面覆有功分移相网络和除去功分移相网络及电气隔离缝隙所占面积外的上表面覆铜，网络介质基板下表面整面覆铜。

Description

一种半球波束超宽带圆极化天线

技术领域

本发明属于电子科学与技术学科领域，特别提供一种半球波束超宽带圆极化天线，在沿天线轴向方向的上半空间内产生半球波束圆极化辐射，可应用于各种需要宽带圆极化半球波束覆盖的运动载体上。

背景技术

在高速移动的载体上为了在不同姿态下能够稳定的保证通信质量，例如在卫星导航、定位以及在飞机、导弹等无线通信系统中要求天线具有宽带的阻抗特性和很宽的辐射波束，需要在低仰角方向具有相当大的辐射增益，以便有效的实现宽区域空间范围信息的收发。目前这些天线大多为线极化宽波束天线和窄带圆极化宽波束天线，往往无法兼顾圆极化宽波束和宽带的阻抗特性。半球波束宽带圆极化在解决上述问题具有独特优势。

半球波束超宽带圆极化天线适用于各种需要实现半空间通信的系统，在多姿态运动的载体具有独特的优势，具有很好的通信容量和很宽的空间通信范围。

在移动通信中，半球波束超宽带圆极化天线具有独特优势，例如：能实现半空间稳定通信；当载体姿态在一定范围改变时，天线都能实现高质量的通信；同时能接收多个极化的信号。半球波束圆极化天线可以广泛的应用在卫星、飞机、舰船和车辆等，可以有效实现在半空间内的高质量通信，解决大容量、宽频带和半空间通信等问题，特别是在实现宽带半球空间通信中发挥作用；半球波束超宽带圆极化天线也是基于当代移动通信更高的要求发展起来。

对于半空间覆盖的天线通常采用磁电偶极子、微带天线和自相移交叉偶极子的形式实现；磁电偶极子具有很宽的阻抗带宽，但其电偶极子和磁偶极子为非对称结构，这导致随着频率的变化其方向图波动大；微带天线和自相移天线其工作带宽窄。

在现有技术中，有利用微带天线加寄生贴片来展宽阻抗带宽，实现宽带化设计，但是天线的阻抗带宽仍然较窄，并且天线在宽频带内方向图不能满足半球覆盖要求。现有技术中还有利用平面结构的自相移交叉磁电偶极子单元来实现半球波束宽带圆极化的要求，但是其圆极化方向图随着频率变化波动仍然较大。近年来，平面螺旋天线被用于实现半球波束宽带圆极化要求，平面螺旋天线由于其辐射方向为双向辐射因此需要加入反射腔，在宽频带下由于反射腔的作用方向图会出现大波纹使得波束变窄，为解决这一问题有采用给反射腔加入吸波材料，但是这一方法导致辐射效率大大降低。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决宽频带内半球波束稳定覆盖的问题，本发明提出一种半球波束超宽带圆极化天线。

技术方案

一种半球波束超宽带圆极化天线，其特征在于包括天线罩、十字交叉介质基板、弯折十字交叉振子、互补型寄生振子、馈电巴伦、金属网络盖板、网络介质基板、功分移相网络、金属化过孔和金属底板，所述天线罩位于天线整体最上方与金属底板连接将十字交叉介质基板包裹在其中；所述弯折十字交叉振子位于天线罩所包裹的内部空间内并通过网络介质基板和金属网络盖板上所开的十字通槽与网络介质基板和金属网络盖板相连接；所述弯折十字交叉振子覆于十字交叉介质基板表面；所述互补型寄生振子分别覆于十字交叉介质基板两表面；所述馈电巴伦覆于十字交叉介质基板上表面；所述金属网络盖板位于网络介质基板上方，金属网络盖板上方有与金属网络盖板一体的金属环；所属功分移相网络覆于网络介质基板上表面；所述网络介质基板位于金属网络盖板正下方，其上表面覆有功分移相网络和除去功分移相网络及电气隔离缝隙所占面积外的上表面覆铜，网络介质基板下表面整面覆铜；所述金属化过孔位于网络介质基板内；所述金属底板位于整个天线最下方，其中心处开有十字盲槽。

本发明技术方案更进一步的说：所述天线罩采用介质中空结构，上半部分厚度均匀，内外轮廓均采用抛物面结构并且在天线罩下方具有向内嵌的局部加厚结构。

本发明技术方案更进一步的说：所述弯折十字交叉振子采用两次连续弯折臂作为其振子臂。

本发明技术方案更进一步的说：所述互补型寄生振子具有两面结构，一面为中空的扇形结构另一面为实心的扇形结构且两面结构在形状上满足互补特性。

本发明技术方案更进一步的说：所述馈电巴伦覆于十字交叉介质基板表面，对应覆有弯折十字交叉振子的十字交叉介质基板面的相反面。

本发明技术方案更进一步的说：所述金属网络盖板通过十字通槽与十字交叉介质基板相联接，金属网络盖板上方为环形结构，金属网络盖板下方对应功分移相网络的位置刻有盲槽。

本发明技术方案更进一步的说：所述环形可为矩形环、圆环和椭圆环。

本发明技术方案更进一步的说：所述功分移相网络与其两旁有一定距离的覆铜和金属化过孔以及与金属网络盖板上所刻的盲槽一起构成半填充的方同轴结构。

本发明技术方案更进一步的说：金属底板通过螺钉连接天线罩、网络介质基板和金属网络盖板。

有益效果

本发明提出的一种半球波束超宽带圆极化天线，采用弯折十字交叉振子，同时利用基于本发明提出的互补性寄生单元、寄生金属环结构和半填充方同轴传输线结构的功分移相网络给天线馈电；互补型寄生单元和寄生金属环在宽频带内有效的展宽了方向图的波束宽度，半填充方同轴传输线有效的抑制了微带辐射问题从根本上解决了泄漏辐射所导致方向图畸变问题，同时使得功分移相网络的传输特性更加稳定；本发明解决了在宽频带下实现稳定的圆极化半球波束覆盖的问题，实现了半球波束宽带圆极化的设计，提供了一种半球波束超宽带圆极化天线，可实现宽频带线半空间圆极化波束覆盖的功能，保证了半空间内的稳定通信。

附图说明

图1为本发明技术实施例天线的整体结构图；

图2为本发明技术实施例天线的十字交叉介质基板结构图；

图3为本发明技术实施例天线的十字交叉介质基板结构图；

图4为本发明技术实施例天线的金属网络盖板结构图；

图5本发明技术实施例天线网络介质基板结构图

图6为本发明技术实施例天线的电压驻波比；

图7为本发明技术实施例天线的8GHz方向图；

图8为本发明技术实施例天线的10GHz方向图；

图9为本发明技术实施例天线的12GHz方向图；

图10为本发明技术实施例天线的14GHz方向图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

请参考图1-图5，为本发明一种半球波束超宽带圆极化天线实施例天线，其包括10个部分：天线罩1；十字交叉介质基板2；弯折十字交叉振子3；互补型寄生单元4；馈电巴伦5；金属网络盖板6；网络介质基板7；功分移相网络8；金属化过孔9；金属底板10。

所述天线罩1为单层纯介质结构，其厚度和介电常数可根据需求选择，内外轮廓均采用抛物面结构，天线罩1低端厚度大于上端，起到凹透镜的作用从而展宽波束宽度，另一方面随着俯仰角的增大，电磁波在天线罩1表面的入射角增大，导致电磁波穿过介质路径变长，使得随着俯仰角增大天线罩等效厚度变厚，间接起到凹透镜的作用。天线罩1采用工程塑料加工而成；天线罩1整体厚度为0.5-2mm。

所述十字交叉介质基板2采用双面覆铜板加工而成，其两表面覆有弯折十字交叉振子3、互补型寄生振子4和馈电巴伦5，两个十字交叉介质基板2单元通过中心开槽对插交叠成十字交叉介质基板整体。

所述弯折十字交叉振子3为平面金属贴片，覆盖于十字交叉介质基板的表面，如图2中a所示弯折十字交叉振子的一个单元，其上有6个金属化过孔将覆盖在十字交叉介质基板两面的弯折臂短路连接，在单元下方有4个金属化过孔将十字交叉振子下方两面覆铜短路连接，图b所示单元其上有6个金属化过孔将覆盖在十字交叉介质基板两面的弯折臂短路连接。弯折十字交叉振子3用于激励电磁波，其振子臂具有两段弯折结构，该结构起到展宽波束宽度的作用，其弯折的角度和弯折臂的长度可以根据需要的波束宽度进行调整。

所述互补型寄生振子4为扇形平面金属贴片，互补型寄生振子为双面结构，一面为实心扇形结构另一面为空心扇形结构，两面不同的扇形结构分别覆在十字交叉介质基板两表面。互补型寄生振子用于引入垂直电流，产生垂直于金属网络盖板的垂直极化波从而进一步展宽波束宽度。

所述馈电巴伦5为平面金属贴片，馈电巴伦上方为窄微带线起着与弯折十字交叉振子3阻抗匹配的作用，在馈电巴伦5中部有梯形渐变的结构起着将高阻抗变换为50欧姆的阻抗变换作用。馈电巴伦5用于给十字交叉振子3馈电。

所述金属网络盖板6由上方的金属圆环和下方开有十字通槽602和盲槽601的金属板构成，上层金属圆筒紧挨十字交叉介质基板2将其套入其中，下方金属板通过螺钉紧固的方式将网络介质基板7紧紧压住，金属板在对应功分移相网络上方开有0.2-2mm深的盲槽，盲槽两侧距离微带线边缘距离为0.1-1.5mm。金属网络盖板用于屏蔽功分移相网络的泄漏辐射、展宽网络工作带宽和较小插入损耗，金属网络盖板位于网络介质基板上方通过金属螺钉压合的方式与网络介质基板上层印刷的网络介质基板上表面覆铜紧密相接，金属网络盖板在功分移相网络所对应的微带线上方刻有凹槽，凹槽顶面高度距离网络介质基板0.2-2mm，凹槽两侧边分别距离微带线边缘0.1-1.5mm，位于微带线两侧的网络介质基板上表面覆铜放置两排金属化过孔，金属化过孔中心距离微带线边缘0.4-1.5mm，功分移相网络与金属网络盖板下方所刻的盲槽、功分移相网络两侧所打的金属化过孔和覆铜形成了半填充方形同轴线的封闭传输线结构，其有效的屏蔽了微带线的辐射，展宽了其工作带宽，在金属网络盖板上还有与金属网络盖板做成一体的金属环，该金属环起到展宽方向图波束宽度和提高方向图等化的作用。

所述网络介质基板7上表面覆有功分移相网络和除去功分移相网络及电气隔离缝隙所占面积外的上表面覆铜，网络介质基板下表面整面覆铜，其内部打有一定分部的金属化过孔。

所述功分移相网络8位于网络介质基板7上表面，其中与网络介质基板7上表面覆铜有一定宽度的隔离带，在该隔离带上未覆有金属铜。功分移相网络8为平面金属贴片，由T型等功分器和宽带移相网络共同组成，其中宽带移相网络为双路结构，带有枝节线的结构为主路结构，不带枝节线的为从路结构，两组并联λ/8开短路枝节线枝节起着宽带稳相的作用，在主路上有一段长λ且宽于从路微带线的微带线，两并联开短路枝节线分别距离该微带线末端λ/4，该微带线在实现时可选着宽于或窄于从路微带线，均可达到展宽工作带宽作用。具体的功分移相网络包括一分二等功分功分网络和宽带移相网络两部分组成，宽带移相网络采用4枝节宽带移相网络，其中每一对枝节采用λ/8开短路枝节构成，宽带的功分移相网络保证了天线具有宽频带的轴比带宽以及宽频带的半球波束覆盖特性。

金属化过孔9位于网络介质基板内部，起着将网络介质基板两面的金属覆铜进行短路连接。

金属底板10位于天线整体的最下方起着支撑整体天线作用。

所述的一种半球波束超宽带圆极化天线的实施例天线1的整体结构如图1所示，高频电流从功分移相网络8馈电端馈入，再经由功分移相网络8和馈电巴伦5将高频电流馈入弯折十字交叉振子3，弯折十字交叉振子3上激励起高频电流，在互补型寄生振子上感应出高频电流，两者在空间产生圆极化辐射电磁波。金属网络盖板6上方的圆筒起着展宽低频段波束的作用。采用该方法可设计出一种半球波束超宽带圆极化天线。

通过仿真对本发明的实施例的效果做进一步说明：

1.仿真内容：

请参考图6-图10，利用仿真软件对上述实施例天线1、2的电压驻波比、方向图及增益特性进行了仿真计算。

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特性，从图6-10可以看出，可实现68.2％(驻波比小于2)相对阻抗带宽和在俯仰角(±70deg)大于-3dBic。

从图7-图10是为本发明天线相关方向图，在68.2％相带宽内上半球空间内方向图关于中心轴(Z轴)对称性良好，带内方向图辐射特性稳定，方向图增益曲线光滑平坦无波纹。

仿真结果表明，该天线可实现半球波束超宽带圆极化辐射，解决了超宽带下如何实现半球波束圆极化辐射的问题。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半球波束超宽带圆极化天线，其特征在于包括天线罩(1)、十字交叉介质基板(2)、弯折十字交叉振子(3)、互补型寄生振子(4)、馈电巴伦(5)、金属网络盖板(6)、网络介质基板(7)、功分移相网络(8)、金属化过孔(9)和金属底板(10)，所述天线罩(1)位于天线整体最上方与金属底板(10)连接将十字交叉介质基板(2)包裹在其中；所述弯折十字交叉振子(3)位于天线罩(1)所包裹的内部空间内并通过网络介质基板(7)和金属网络盖板(6)上所开的十字通槽(602)与网络介质基板(7)和金属网络盖板(6)相连接；所述弯折十字交叉振子(3)覆于十字交叉介质基板(2)表面；所述互补型寄生振子(4)分别覆于十字交叉介质基板(2)两表面；所述馈电巴伦(5)覆于十字交叉介质基板(2)的正反表面中的一面；所述金属网络盖板(6)位于网络介质基板(7)上方，金属网络盖板(6)上方有与金属网络盖板(6)一体的圆筒；所属功分移相网络(8)覆于网络介质基板(7)上表面；所述网络介质基板(7)位于金属网络盖板(6)正下方，其上表面覆有功分移相网络(8)和除去功分移相网络(8)及电气隔离缝隙所占面积外的上表面覆铜，网络介质基板(7)下表面整面覆铜；所述金属化过孔(9)位于网络介质基板(7)内；所述金属底板(9)位于整个天线最下方，其中心处开有十字盲槽；所述互补型寄生振子(4)具有两面结构，一面为中空的扇形结构另一面为实心的扇形结构且两面结构在形状上满足互补特性；所述功分移相网络(8)与其两旁有一定距离的覆铜和金属化过孔以及与金属网络盖板(6)上所刻的盲槽(601)一起构成半填充的方同轴结构。

2.根据权利要求1所述的一种半球波束超宽带圆极化天线，其特征在于所述天线罩(1)采用介质中空结构，上半部分厚度均匀，内外轮廓均采用抛物面结构并且在天线罩(1)下方具有向内嵌的局部加厚结构。

3.根据权利要求1所述的一种半球波束超宽带圆极化天线，其特征在于所述弯折十字交叉振子(3)采用两次连续弯折臂作为其振子臂。

4.根据权利要求1所述的一种半球波束超宽带圆极化天线，其特征在于所述馈电巴伦(5)与互补型寄生振子实心结构位于介质基板的同一面。

5.根据权利要求1所述的一种半球波束超宽带圆极化天线，其特征在于所述金属网络盖板(6)通过十字通槽(602)与十字交叉介质基板(2)相联接，金属网络盖板(6)上方为环形结构，金属网络盖板下方对应功分移相网络的位置刻有盲槽(601)。

6.根据权利要求5所述的一种半球波束超宽带圆极化天线，其特征在于所述环形结构可为矩形环、圆环和椭圆环。

7.根据权利要求1所述的一种半球波束超宽带圆极化天线，其特征在于所述金属底板(10)通过螺钉连接天线罩(1)、网络介质基板(7)和金属网络盖板(6)。

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