CN112928488A - 一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线 - Google Patents

一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线 Download PDF

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Abstract

发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：天线包括：第一介质板、第二介质板、螺旋缝隙、扇形周期贴片阵列、微带馈电圆环、四分之一波长阻抗匹配微带线、端口、匹配电阻、金属反射板、同轴线；第一介质板、第二介质板和金属反射板依次从上到下同心圆分布，同轴线从第一介质板、第二介质板和金属反射板的中心穿过进行连接，第一介质板的上下表面均覆铜。它以便能有效降低天线的剖面，同时具有结构紧凑适合于无线通信领域，尤其是卫星通信。

Description

一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线
技术领域
发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线。
背景技术
全球卫星导航系统可以实时地向各类用户提供高精度、连续的三维位置信息，速度信息和时间信息，进而完成对目标物体的导航、定位、监测与管理。而卫星导航系统性能的优劣直接受制于系统中天线的性能。目前主要的全球卫星导航系统中大多都为圆极化天线，主要形式有：十字交叉偶极子天线、微带天线、微带反射阵天线和螺旋天线。因为在无线通信领域特别是在卫星通信中，常利用圆极化波的特性来减小云、雨、电离层以及多径效应等因素对电磁波传播的干扰。相位中心作为接收或发射的参考点，它的变化会引入接收机的误差，从而影响测量结果。因此，导航天线对相位中心稳定性的要求较高。
随着电子科学技术的发展和人们日常生活需求的日益增长，无线通信技术得到了迅速的发展。在卫星上，通信设备的数量和种类达到了前所未有的程度。因此，在尽可能保证天线性能的前提下，低剖面是研究的必然趋势。随着新型电磁材料的发展，高阻抗表面的研究越来越受到重视。由于独特的同相位反射特性，高阻抗表面被广泛应用于低剖面天线的设计。虽然扇形周期结构的高阻抗表面已经被提出，但是对它的研究还很少，目前大部分研究仍是针对矩形周期结构的高阻抗表面。
综上所述，现有技术存在的问题是：导航天线对相位中心稳定性的要求较高，而卫星上的空间有限。需要在保证相位中心稳定、高增益等天线性能的前提下，降低天线的剖面。
实现天线单向辐射的传统方式是加载金属反射板。而根据镜像原理，只有金属反射板与天线之间的高度为四分之一介质波长，天线才能有效辐射并获得较好的阻抗匹配特性。这就导致天线的体积较为庞大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有高增益、宽频带以及高稳定相位中心基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，以便能有效降低天线的剖面，同时具有结构紧凑适合于无线通信领域，尤其是卫星通信。
本发明采用如下技术方案：一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：天线包括：第一介质板(1)、第二介质板(2)、螺旋缝隙(3)、扇形周期贴片阵列(4)、微带馈电圆环(5)、四分之一波长阻抗匹配微带线(6)、端口(7)、匹配电阻(8)、金属反射板(9)、同轴线(10)；第一介质板(1)、第二介质板(2)和金属反射板(9)依次从上到下同心圆分布，同轴线(10)从第一介质板(1)、第二介质板(2)和金属反射板(9)的中心穿过进行连接，第一介质板(1)的上下表面均覆铜，由上表面覆铜刻蚀出微带馈电圆环(5)和其连接的四分之一波长阻抗匹配微带线(6)；第一介质板(1)上下表面均覆铜，其上表面为微带馈电圆环(5)以及四分之一波长阻抗匹配微带线(6)；第一介质板(1)刻蚀出八条螺旋缝隙(3)，下表面刻蚀出八条阿基米德螺旋缝隙(3)；第一介质板(1)上表面的微带馈电圆环(5)的中心处连接一段SMA射频连接器作为输出端口(7)，微带馈电圆环(5)的末端接匹配电阻(8)；在SMA射频连接器作为输出端口(7)与微带馈电圆环(5)之间添加一段四分之一波长阻抗匹配微带线(6)来进行阻抗匹配；第二介质板(2)的上表面是扇形周期贴片阵列(4)，金属反射板(9)在第二介质板(2)下面相隔距离为h3，扇形周期贴片阵列(4)在第二介质板(2)的上表面覆盖其圆周方向上具有周期性间隙的圆环。
所述的第一介质板(1)、第二介质板(2)和金属反射板(9)之间为空气介质构成间隔。
所述的八条阿基米德螺旋缝隙(3)构成的螺旋臂之间均相差45°。
所述的第一介质板(1)的介电常数为2.65，第二介质板(2)的介电常数为6。
所述的微带馈电圆环(5)的周长约为一个介质波长。
所述的金属反射板(9)的半径为100mm。
所述的第二介质板(2)、扇形周期贴片阵列(4)以及金属反射板(9)组成高阻抗表面，扇形周期贴片阵列(4)中每个圆环的扇形贴片单元尺寸相同，而环与环之间的扇形贴片单元尺寸不同。
所述的扇形周期贴片阵列(4)单元均在1.268GHz谐振，即在1.268GHz下每个单元的反射相位都为零。
所述的扇形周期贴片阵列(4)的角度和径向长度分别为40°和22mm；匹配电阻8的阻值为110Ω。
天线的总高度为22mm，约为0.09λ，其中λ是对应于1.268GHz自由空间的波长。天线的主要参数有：w，w1，w2，r1，r2，r3，h，h1，h2，h3。其中，w是螺旋缝隙3的宽度，w1是四分之一波长阻抗匹配微带线6的宽度，w2是微带线馈电圆环5的宽度，r1是阿基米德螺旋线起始点到原点的距离，r3是微带线馈电圆环5的半径，h是第一介质板1的高度，h1是平面缝隙螺旋天线距高阻抗表面的高度，h2是第二介质板2的高度，h3是第二介质板2距金属反射板9的高度。其中第一介质板1的介电常数为2.65，第二介质板2的介电常数为6；金属反射板9的半径为100mm；微带线馈电圆环5的周长约为一个介质波长；扇形周期贴片单元的角度和径向长度分别为40°和22mm；匹配电阻8的阻值为110Ω；该天线的总高度为22mm，约为0.09λ(其中λ是对应于1.268GHz自由空间的波长)。
螺旋天线的形式为阿基米德螺旋线。天线的八条臂是轴对称的，每个臂之间相距45°，这可以更好地实现天线圆极化以及维持高稳定相位中心。为了易于加工制作，天线的馈电网络采用串联馈电结构，用串行行波微带线馈电的方式对缝隙螺旋天线进行耦合馈电。基于巴俾涅原理我们可以得知阿基米德螺旋缝隙天线的输入阻抗为120Ω左右，而同轴电缆的特性阻抗一般为50Ω。因此，为解决两者阻抗不匹配造成的天线回波损耗大、增益低等不良后果，在SMA射频连接器的输出端口与馈电圆环5之间添加一段四分之一波长阻抗匹配微带线6来进行阻抗匹配。在馈电圆环末端加载匹配电阻8。加载电阻一方面可以显著降低天线的轴比，另一方面也可以吸收传输线中多余的能量，减少反射波的影响。值得注意的是，这样做虽然可以使天线的轴比情况有所改善，但是会以降低天线的效率以及增益作为相应的代价。在高阻抗表面上表面的贴片阵列中每个圆环的扇形贴片单元尺寸相同，而环与环之间的扇形贴片单元尺寸不同。但所有的单元均在1.268GHz谐振，即在1.268GHz下每个单元的反射系数相位都为零。
本发明的有益效果是：本发明通过解决突破天线的低剖面和高性能之间的矛盾，将高阻抗表面作为反射板，由于其独特的同相位反射特性，天线辐射结构和反射板距离较近时，即可达到入射波和反射波同相传播，实现有效辐射。这就大大压缩了天线的厚度，实现了低剖面设计。这里，利用高阻抗表面在保证高增益和相位中心稳定的同时，降低了天线的剖面。
本发明利用高阻抗表面在某一频段的同相位反射特性，降低了天线的剖面。这种方法在保证天线性能不恶化的前提下，实现了低剖面设计。相对于传统的加载金属反射板的方式，具有低剖面、高增益、宽频带以及高稳定相位中心的优点。
本发明所公开的天线可工作于1.19GHz～1.36GHz，实现圆极化辐射，可以有效降低天线的剖面，同时具有高增益、宽频带以及高稳定相位中心。
本发明所公开的天线，八条缝隙螺旋臂呈中心对称分布，这种结构可以保证天线辐射方向图的对称性，稳定性以及维持天线的相位中心稳定性。
本发明所公开的天线具有结构紧凑、剖面低、宽频带、高增益等优点，适合于无线通信领域，尤其是卫星通信。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开天线的顶面结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开天线的侧面结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开天线的反射系数数据图；
图4是本发明实施例1所公开天线的增益数据图；
图5是本发明实施例1所公开天线的轴比数据图；
图6是本发明实施例1所公开天线的相位中心数据图。
图中：1、第一介质板；2、第二介质板；3、螺旋缝隙；4、扇形周期贴片阵列；5、微带馈电圆环；6、四分之一波长阻抗匹配微带线；7、端口；8、匹配电阻；9、金属反射板；10、同轴线。
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。
本发明采用串行行波微带线馈电的方式，利用缝隙耦合使天线辐射结构获得能量，实现圆极化辐射。本发明通过加载高阻抗表面作为天线的反射板，利用其在某一频段内具有同相位反射特性，实现天线的低剖面设计。下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。
如图1和图2所示，一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：包括：第一介质板1、第二介质板2、螺旋缝隙3、扇形周期贴片阵列4、微带馈电圆环5、四分之一波长阻抗匹配微带线6、端口7、匹配电阻8、金属反射板9、同轴线10；第一介质板1、第二介质板2和金属反射板9依次从上到下同心圆分布，同轴线10从第一介质板1、第二介质板2和金属反射板9的中心穿过进行连接，第一介质板1的上下表面均覆铜，由上表面覆铜刻蚀出微带馈电圆环5和其连接的四分之一波长阻抗匹配微带线6；
第一介质板1刻蚀出八条螺旋缝隙3，八条螺旋缝隙3为阿基米德螺旋结构，八条螺旋缝隙3构成的螺旋臂之间均相差45°；
第一介质板1上下表面均覆铜，其上表面为微带馈电圆环5以及四分之一波长阻抗匹配微带线6；下表面刻蚀出八条阿基米德螺旋缝隙3，八条缝隙螺旋臂之间均相差45°；这可以更好地实现天线圆极化以及维持高稳定相位中心。
第一介质板1上表面的微带馈电圆环5的中心处连接一段SMA射频连接器作为输出端口7，微带馈电圆环5的末端接匹配电阻8；在SMA射频连接器作为输出端口7与馈电圆环5之间添加一段四分之一波长阻抗匹配微带线6来进行阻抗匹配。
第二介质板2的上表面是扇形周期贴片阵列4，金属反射板9在第二介质板2下面相隔距离为h3，扇形周期贴片阵列4在第二介质板2的上表面覆盖其圆周方向上具有周期性间隙的圆环。
第一介质板1、第二介质板2和金属反射板9之间为空气介质构成间隔。
为了易于加工制作，天线的馈电网络采用串联馈电结构，用串行行波微馈电圆环馈电的方式对缝隙螺旋天线进行耦合馈电，在SMA射频连接器的输出端口与微带馈电圆环5之间添加一段四分之一波长阻抗匹配微带线6来进行阻抗匹配。
第一介质板1的介电常数为2.65，第二介质板2的介电常数为6。
所述的微带馈电圆环5的周长约为一个介质波长。
金属反射板9的半径为100mm。
所述的第二介质板2、扇形周期贴片阵列4以及金属反射板9组成高阻抗表面，扇形周期贴片阵列4中每个圆环的扇形贴片单元尺寸相同，而环与环之间的扇形贴片单元尺寸不同。所述的扇形周期贴片阵列4单元均在1.268GHz谐振，即在1.268GHz下每个单元的反射相位都为零。
本发明用四分之一波长阻抗匹配微带线6来进行阻抗匹配。第二介质板2的上表面覆盖有在圆周方向上具有周期性间隙的圆环，在整个天线结构的下表面为金属反射板9。天线的主要参数有：w，w1，w2，r1，r2，r3，h，h1，h2，h3。其中，w是螺旋缝隙3的宽度，w1是四分之一波长阻抗匹配微带线6的宽度，w2是微带线馈电圆环5的宽度，r1是阿基米德螺旋线起始点到原点的距离，r3是微带线馈电圆环5的半径，h是第一介质板1的高度，h1是平面缝隙螺旋天线距高阻抗表面的高度，h2是第二介质板2的高度，h3是第二介质板2距金属反射板9的高度。其中第一介质板1的介电常数为2.65，第二介质板2的介电常数为6；金属反射板9的半径为100mm；微带线馈电圆环5的周长约为一个介质波长；扇形周期贴片单元的角度和径向长度分别为40°和22mm；匹配电阻8的阻值为110Ω；该天线的总高度为22mm，约为0.09λ(其中λ是对应于1.268GHz自由空间的波长)。
图3是本发明实施例所公开天线的反射系数数据图。从图中我们可以看出在1.14GHz～1.58GHz，天线的S11<-10dB。结果表明，天线能够实现一个很宽的阻抗频率带宽特性。
图4是本发明实施例所公开天线的增益数据图。从图中我们可以看出，天线的最高增益可达7.4dBi，3dB增益带宽为1.14GHz～1.40GHz。结果表明，天线具有较高增益。天线能够实现实际意义的用途。
图5是本发明实施例1所公开天线的轴比数据图。从图中我们可以看出，天线的3dB轴比带宽为1.14GHz～1.39GHz。结果表明，天线具有较好的圆极化特性。
图6是本发明实施例1所公开天线的相位中心数据图。从图中我们可以看出，俯仰角在-70°～70°的范围内，相位波动最大为7.72°。
本发明采用采用扇形贴片作为周期性高阻抗表面的单元结构来和曲线天线的辐射场达到更良好的匹配。由于高阻抗表面独特的同相位反射特性，天线辐射结构和反射板距离较近时，即可达到入射波和反射波同相传播，实现天线的有效辐射。在全波仿真软件中对天线的性能仿真可以验证预估的结果，理论分析正确。同时，将天线进行了实物加工，并进行测试，测试结果同样验证这种天线能够在保证相位中心稳定、高增益等天线性能的前提下，降低天线的剖面。天线最终的总高度为22mm，约为0.09λ。(其中λ是对应于1.268GHz自由空间的波长。)
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 (10)

1.一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：天线包括：第一介质板(1)、第二介质板(2)、螺旋缝隙(3)、扇形周期贴片阵列(4)、微带馈电圆环(5)、四分之一波长阻抗匹配微带线(6)、端口(7)、匹配电阻(8)、金属反射板(9)、同轴线(10)；第一介质板(1)、第二介质板(2)和金属反射板(9)依次从上到下同心圆分布，同轴线(10)从第一介质板(1)、第二介质板(2)和金属反射板(9)的中心穿过进行连接，第一介质板(1)的上下表面均覆铜，由上表面覆铜刻蚀出微带馈电圆环(5)和其连接的四分之一波长阻抗匹配微带线(6)；第一介质板(1)上下表面均覆铜，其上表面为微带馈电圆环(5)以及四分之一波长阻抗匹配微带线(6)；第一介质板(1)刻蚀出八条螺旋缝隙(3)，下表面刻蚀出八条阿基米德螺旋缝隙(3)；第一介质板(1)上表面的微带馈电圆环(5)的中心处连接一段SMA射频连接器作为输出端口(7)，微带馈电圆环(5)的末端接匹配电阻(8)；在SMA射频连接器作为输出端口(7)与微带馈电圆环(5)之间添加一段四分之一波长阻抗匹配微带线(6)来进行阻抗匹配；第二介质板(2)的上表面是扇形周期贴片阵列(4)，金属反射板(9)在第二介质板(2)下面相隔距离为h3，扇形周期贴片阵列(4)在第二介质板(2)的上表面覆盖其圆周方向上具有周期性间隙的圆环。
2.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：所述的第一介质板(1)、第二介质板(2)和金属反射板(9)之间为空气介质构成间隔。
3.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：所述的八条阿基米德螺旋缝隙(3)构成的螺旋臂之间均相差45°。
4.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：所述的第一介质板(1)的介电常数为2.65，第二介质板(2)的介电常数为6。
5.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：所述的微带馈电圆环(5)的周长约为一个介质波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：所述的金属反射板(9)的半径为100mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：所述的第二介质板(2)、扇形周期贴片阵列(4)以及金属反射板(9)组成高阻抗表面，扇形周期贴片阵列(4)中每个圆环的扇形贴片单元尺寸相同，而环与环之间的扇形贴片单元尺寸不同。
8.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：所述的扇形周期贴片阵列(4)单元均在1.268GHz谐振，即在1.268GHz下每个单元的反射相位都为零。
9.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：所述的扇形周期贴片阵列(4)的角度和径向长度分别为40°和22mm；匹配电阻8的阻值为110Ω。
10.根据权利要求1所述的一种基于扇形周期高阻抗表面的低剖面圆极化导航天线，其特征是：天线的总高度为22mm，约为0.09λ，其中λ是对应于1.268GHz自由空间的波长。
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