CN112635986A - 一种圆极化天线单元和圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种圆极化天线单元和圆极化天线。其中圆极化天线单元包括:第一金属层；介质层，其设于所述第一金属层的下方；第二金属层，其设于所述介质层的下方；馈电结构，其包括馈电端口、辐射体、若干馈电过渡件和多个同轴线，所述第二金属层形成有所述馈电端口，所述馈电端口和所述馈电过渡件通过所述同轴线连接，所述馈电过渡件和所述辐射体通过所述同轴线连接。此结构的一种圆极化天线单元，通过设置有馈电过渡件，使得从馈电端口的激励电流到达辐射体时更容易实现圆极化，并明显增大了有效辐射面积，从而使得圆极化天线单元能够实现高增益、低轴比。

Description

一种圆极化天线单元和圆极化天线

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种圆极化天线单元和圆极化天线。

背景技术

随着卫星通信和移动通信的快速发展，天线作为通信系统的重要组成部分，其性能优劣直接关乎整个系统的质量，所以对天线辐射特性提出了更高的要求。由于圆极化天线单元对左右旋极化波彼此隔离，互不接收，即旋向正交性，且入射到对称目标时旋向会发生逆转，所以具有较弱的多径效应和较强的抑制雨雾干扰等特性，故而在卫星导航定位系统中一般采用圆极化波作为卫星导航信号。而且为了尽可能多的接收卫星信号并且获得较好的信噪比，卫星导航定位系统要求天线不仅具有宽角圆极化覆盖，还必须有较高的低仰角增益和较宽的波束宽度。

现有技术公开了一种圆极化天线，其公开了最上层介质基板上设置单臂平面印刷螺旋辐射器，第二层介质基板的下侧为地板，第三层介质基板设置电磁耦合馈电机构，第四层介质基板设置微带线转带状线电磁耦合馈电机构，其中单臂平面印刷螺旋辐射器由圆柱探针直接激励，圆柱探针与微带线互连，第三层介质基板上设置的电磁耦合馈电机构采用矩形缝隙的电磁耦合方式，电磁能量耦合到地板上方的微带线上。

但是，上述的一种圆极化天线，受限于辐射贴片的设置而不利于圆极化天线实现高增益。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的圆极化天线受限于辐射贴片的设置而不利于圆极化天线实现高增益的缺陷，从而提供一种圆极化天线单元。

一种圆极化天线单元，包括:

第一金属层；

介质层，其设于所述第一金属层的下方；

第二金属层，其设于所述介质层的下方；

馈电结构，其包括馈电端口、辐射体、若干馈电过渡件和多个同轴线，所述第二金属层形成有所述馈电端口，所述馈电端口和所述馈电过渡件通过所述同轴线连接，所述馈电过渡件和所述辐射体通过所述同轴线连接。

进一步地，所述馈电过渡件设置有多个，相邻的所述馈电过渡件通过所述同轴线连接。

进一步地，所述馈电过渡件设置有一个，所述同轴线设置有两个，所述馈电端口和所述馈电过渡件的其中一个端部通过所述同轴线连接，所述馈电过渡件的另一个端部和所述辐射体通过所述同轴线连接。

进一步地，所述馈电过渡件包括过渡引出部和过渡连接部，其中一个所述馈电引出部连接于所述馈电端口，且其中一个所述馈电连接部连接于所述辐射体。

进一步地，所述过渡连接部为弧形结构，所述弧形结构向外凸出设置；所述过渡引出部为直线型结构。

进一步地，所述馈电过渡件和所述辐射体为平面金属贴片。

进一步地，还包括隔离结构，其包括隔离腔和隔离层，所述第一金属层、所述介质层和所述第二金属层内设有隔离腔，所述隔离层设于所述隔离腔的腔壁上，其中所述隔离腔内填充有隔离介质，且所述辐射体露出所述隔离介质设置。

进一步地，所述隔离层还设于第一金属层的上壁面上。

一种圆极化天线，包括若干上述的圆极化天线单元。

进一步地，所述圆极化天线单元呈N×N的阵列设置，其中N为自然数。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的一种圆极化天线单元，包括:第一金属层；介质层，其设于所述第一金属层的下方；第二金属层，其设于所述介质层的下方；馈电结构，其包括馈电端口、辐射体、若干馈电过渡件和多个同轴线，所述第二金属层形成有所述馈电端口，所述馈电端口和所述馈电过渡件通过所述同轴线连接，所述馈电过渡件和所述辐射体通过所述同轴线连接。此结构的一种圆极化天线单元，通过设置有馈电过渡件，使得从馈电端口的激励电流到达辐射体时更容易实现圆极化，并明显增大了有效辐射面积，从而使得圆极化天线单元能够实现高增益、低轴比。

2.本发明提供的一种圆极化天线单元，还包括隔离结构，其包括隔离腔和隔离层，所述第一金属层、所述介质层和所述第二金属层内设有隔离腔，所述隔离层设于所述隔离腔的腔壁上，其中所述隔离腔内填充有隔离介质，且所述辐射体露出所述隔离介质设置。此结构的一种圆极化天线单元，通过设置有隔离结构，有效地提高了圆极化天线单元之间的隔离度，以实现圆极化天线单元的扩展。

3.本发明提供的一种圆极化天线，包括若干上述的圆极化天线单元。此结构的一种圆极化天线，由于包括上述的圆极化天线单元，为此自然而然地具有应包括上述的圆极化天线单元所带来的优点。

4.本发明提供一种圆极化天线，所述圆极化天线单元呈N×N的阵列设置，其中N为自然数。此结构的一种圆极化天线，并结合整体是例如长方体型等规则形状设置时，方便圆极化天线单元的排布，从而实现更多单元的天线阵列。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例1和实施例2中提供的圆极化天线单元且当N＝1时的结构示意图；

图2为图1所示的圆极化天线单元且当N＝1时的俯视图；

图3为图1所示的圆极化天线单元且当N＝1时的|S11|仿真结果图；

图4为图1所示的圆极化天线单元且当N＝1时的增益仿真结果图；

图5为图1所示的圆极化天线单元且当N＝1时的轴比仿真结果图；

图6为图1所示的圆极化天线单元且当N＝1时的方向图仿真结果图；

图7为本发明的实施例1和实施例2中提供的圆极化天线单元且当N＝2时的结构示意图；

图8为图7所示的圆极化天线单元且当N＝2时的俯视图；

图9为图7所示的圆极化天线单元且当N＝2时的|S11|仿真结果图；

图10为图7所示的圆极化天线单元且当N＝2时的增益仿真结果图；

图11为图7所示的圆极化天线单元且当N＝2时的轴比仿真结果图；

图12为图7所示的圆极化天线单元且当N＝2时的方向图仿真结果图；

图13为本发明的实施例1和实施例2中提供的圆极化天线单元且当N＝4时的结构示意图；

图14为图13所示的圆极化天线单元且当N＝4时的俯视图；

图15为图13所示的圆极化天线单元且当N＝4时的|S11|仿真结果图；

图16为图13所示的圆极化天线单元且当N＝4时的增益仿真结果图；

图17为图13所示的圆极化天线单元且当N＝4时的轴比仿真结果图；

图18为图13所示的圆极化天线单元且当N＝4时的方向图仿真结果图；

附图标记说明：

1-介质层，2-馈电端口，3-辐射体，4-馈电过渡件，41-过渡引出部，42-过渡连接部，5-同轴线，6-隔离腔，7-隔离层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1、图2、图7、图8、图13和图14所示的一种圆极化天线单元，包括第一金属层、介质层1、第二金属层、馈电结构和隔离结构，其中第一金属层、第二金属层可为铜或者其他金属材料制成；介质层1设于第一金属层的下方，具体地，介质层1可为陶瓷或者其他相对介电常数为5.9的材料或者其他材料；第二金属层设于介质层1的下方；馈电结构包括馈电端口2、辐射体3、若干馈电过渡件4和多个同轴线5，第二金属层形成有馈电端口2，馈电端口2和馈电过渡件4通过同轴线5连接，馈电过渡件4和辐射体3通过同轴线5连接。需要说明的是，由于第一金属层和第二金属层的厚度较薄，相对于介质层1而言可忽略不计，为此图1、图2、图7、图8、图13和图14中未显示第一金属层和第二金属层。

通过设置有馈电过渡件4，使得从馈电端口2的激励电流到达辐射体3时更容易实现圆极化，并明显增大了有效辐射面积，从而使得圆极化天线单元能够实现高增益、低轴比；以及通过设置有隔离结构，有效地提高了圆极化天线单元之间的隔离度，以实现圆极化天线单元的扩展。

如图1和图2所示，在本实施例中，馈电过渡件4设置有一个，同轴线5设置有两个，馈电端口2和馈电过渡件4的其中一个端部通过同轴线5连接，馈电过渡件4的另一个端部和辐射体3通过同轴线5连接。作为可替换的一种实施方式，馈电过渡件4也可设置有多个，相邻的馈电过渡件4通过同轴线5连接。

具体参见图1和图2，馈电过渡件4包括过渡引出部41和过渡连接部42，其中一个馈电引出部连接于馈电端口2，且其中一个馈电连接部连接于辐射体3。其中过渡连接部42为弧形结构，弧形结构向外凸出设置；过渡引出部41为直线型结构。当然，过渡引出部41还可以为其他形状的结构，例如为弧形结构。以及如图1和图2所示，辐射体3为螺旋型结构，且馈电过渡件4和辐射体3为平面金属贴片。其中辐射体3的具体结构参数可根据实际需求设置，例如螺旋型结构可按照阿基米德螺旋公式适当调节半径变化和螺旋圈数。

如图1和图2所示，隔离结构包括隔离腔6和隔离层7，第一金属层、介质层1和第二金属层内设有隔离腔6，隔离层7设于隔离腔6的腔壁上，隔离层7还设于第一金属层的上壁面上，其中隔离层7可由金属贴片或者其他形成；以及隔离腔6内填充有隔离介质，且辐射体3露出隔离介质设置。需要说明的是，由于隔离层7第一金属层和第二金属层的厚度较薄，相对于介质层1而言可忽略不计，为此图1、图2、图7、图8、图13和图14中并未显示隔离层7的厚度且仅显示了部分隔离层7；以及隔离介质未在图1、图2、图7、图8、图13和图14中显示，具体地，隔离介质可为陶瓷或者其他相对介电常数为5.9的材料或者其他材料。

实施例2

本实施例提供一种圆极化天线，包括若干实施例1中的圆极化天线单元。圆极化天线单元呈N×N的阵列设置，其中N为自然数。如图1和图2所示，图1和图2中显示的N为1；以及如图7和图8所示，图7和图8中显示的N为2，每个圆极化天线单元的辐射体3依次逆时针旋转90度，以改变辐射体3之间的间隔而增大各个圆极化天线单元的隔离度；以及如图13和图14所示，图13和图14中显示的N为4。并结合整体是例如长方体型等规则形状设置时，方便圆极化天线单元的排布，从而实现更多单元的天线阵列。

下面结合仿真实验对圆极化天线的技术效果做进一步的说明：

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验的软件平台为：HFSS19.09(高频结构仿真)。

2.仿真内容及其结果分析：

仿真1，对N＝1的圆极化天线单元在19GHz至22GHz频段内的|S11|、增益、轴比和方向图等参数进行仿真，结果如图3至图6，其中天线阻抗带宽为19GHz至21.3GHz，天线增益可达8.9dB，增益幅度的波动小于1dB，表明该频段内，馈电端口的匹配良好；在天线的工作频带内，天线的轴比均小于3dB槽。从而实现了高增益，低轴比性能要求。

仿真2，对N＝2的圆极化天线单元在19GHz至22GHz频段内的|S11|、增益、轴比和方向图等参数进行仿真，结果如图9至图12。天线阻抗带宽为19GHz至21.8GHz，天线增益可达12.6dB，增益幅度的波动小于1dB，表明该频段内，馈电端口的匹配良好；在天线的工作频带内，天线的轴比均小于0.4dB。从而实现了高增益，低轴比性能要求，并且性能参数得到明显优化。

仿真3，对N＝4的圆极化天线单元在19GHz至22GHz频段内的|S11|、增益、轴比和方向图等参数进行仿真，结果如图15至图18。天线阻抗带宽为19GHz至22GHz，天线增益可达12.6dB，增益幅度的波动小于1dB，表明该频段内，馈电端口的匹配良好；在天线的工作频带内，天线的轴比均小于0.9dB。从而实现了高增益，低轴比性能要求，同时表明该发明可以实现高性能的平面螺旋圆极化阵列天线。需要说明的是，在图3至图6、图9至图12、图15至图18中，Phi为Φ，Theta为θ，LHCP为左旋圆极化，RHCP为右旋圆极化，|S11|为回波损耗，Freq为频率，Gain为增益，AR为轴比，deg为角度，gain total为总增益。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种圆极化天线单元，其特征在于，包括:

第一金属层；

介质层，其设于所述第一金属层的下方；

第二金属层，其设于所述介质层的下方；

馈电结构，其包括馈电端口、辐射体、若干馈电过渡件和多个同轴线，所述第二金属层形成有所述馈电端口，所述馈电端口和所述馈电过渡件通过所述同轴线连接，所述馈电过渡件和所述辐射体通过所述同轴线连接。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电过渡件设置有多个，相邻的所述馈电过渡件通过所述同轴线连接。

3.根据权利要求1所述的一种圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电过渡件设置有一个，所述同轴线设置有两个，所述馈电端口和所述馈电过渡件的其中一个端部通过所述同轴线连接，所述馈电过渡件的另一个端部和所述辐射体通过所述同轴线连接。

4.根据权利要求3所述的一种圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电过渡件包括过渡引出部和过渡连接部，其中一个所述馈电引出部连接于所述馈电端口，且其中一个所述馈电连接部连接于所述辐射体。

5.根据权利要求4所述的一种圆极化天线单元，其特征在于，所述过渡连接部为弧形结构，所述弧形结构向外凸出设置；所述过渡引出部为直线型结构。

6.根据权利要求5所述的一种圆极化天线单元，其特征在于，所述馈电过渡件和所述辐射体为平面金属贴片。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种圆极化天线单元，其特征在于，还包括隔离结构，其包括隔离腔和隔离层，所述第一金属层、所述介质层和所述第二金属层内设有隔离腔，所述隔离层设于所述隔离腔的腔壁上，其中所述隔离腔内填充有隔离介质，且所述辐射体露出所述隔离介质设置。

8.根据权利要求7所述的一种圆极化天线单元，其特征在于，所述隔离层还设于第一金属层的上壁面上。

9.一种圆极化天线，其特征在于，包括若干权利要求1至8中任意一项所述的圆极化天线单元。

10.根据权利要求9所述的一种圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线单元呈N×N的阵列设置，其中N为自然数。

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