CN112952367A - 一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，包括交叉偶极子、同轴传输线和复合背腔，所述交叉偶极子置于所述复合背腔上方，所述同轴传输线穿过所述复合背腔后与所述交叉偶极子相连；所述交叉偶极子包括介质板、相位延迟线和多个金属辐射臂，多个所述金属辐射臂均匀位于所述介质板的上下两侧，位于同一侧的所述金属辐射臂由所述相位延迟线连接，使所述金属辐射臂之间产生正交的相位从而激励起圆极化电磁波。本发明的交叉偶极子天线可实现超宽带的阻抗带宽和轴比带宽，这对进一步拓宽交叉偶极子天线的应用领域具有十分重要的意义。本发明的交叉偶极子天线具有非常紧凑的结构，易于与系统集成，利于系统的小型化设计。

Description

一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线
技术领域
本发明涉及电磁环境感知与测试技术领域，尤其涉及一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线。
背景技术
相比于线极化天线，圆极化天线具有抗多径干扰和消除极化失配的优势，同时在收发系统中，采用圆极化天线时对收发天线对准没有太严格的要求。基于以上优异特性，圆极化天线已在电磁环境感知与测试、无线通信系统中获得广泛应用。然而，由于电子系统的大量使用，其工作时会向空间辐射频带范围宽、能量各异、极化不同的电磁信号，使空间电磁环境越来越复杂。为实现复杂电磁信号的高置信度测试，不仅需要单个天线可覆盖多个频段，同时还要求天线的体积小、尽可能紧凑。因此，对圆极化天线特性，如：带宽、体积等，提出了越来越高的要求。
近年来，交叉偶极子天线由于其良好的圆极化特性受到了广泛关注。目前，为实现复杂电磁信号的高置信度测试，已有一些圆极化交叉偶极子天线研究的报道。然而，设计的圆极化交叉偶极子天线阻抗带宽(-10dB impedance bandwidth,IBW)和轴比带宽(3dBaxial-ratio bandwidth,ARBW)普遍较窄。据公开资料显示，已知的交叉偶极子天线目前最高能实现的带宽是潘咏梅等于2018年在IEEE Transactions on Antennas andPropagation第66期上发表的论文“Design of wideband circularly polarized antennausing coupled rotated vertical metallic plates”中报道的，其可实现相对带宽为115.2％的阻抗带宽和106.1％的轴比带宽；并且，该交叉偶极子天线尺寸较大，相对尺寸为0.59λ0×0.59λ0×0.24λ0，其中：λ0为天线中心频率对应的波长。复杂电磁环境的高置信度测试要求测试天线尺寸尽可能小，以减小天线尺寸过大带来的空间场扰动，提升测试准确性。
因此，亟需发展结构紧凑且具有更宽阻抗带宽和轴比带宽的圆极化天线，以满足日益复杂电磁环境的高置信度测试需求。
发明内容
针对目前现有交叉偶极子天线带宽不足且天线尺寸较大的问题，本发明提出一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其具有超宽带阻抗带宽和轴比带宽，该天线不仅可实现相对带宽高达125.2％的阻抗带宽和120.1％的轴比带宽，且具有紧凑的结构，相对尺寸为0.54λ0×0.54λ0×0.23λ0，易于促进复杂电磁环境高置信度测试技术的发展。
本发明采用的技术方案如下：
一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，包括交叉偶极子、同轴传输线和复合背腔，所述交叉偶极子置于所述复合背腔上方，所述同轴传输线穿过所述复合背腔后与所述交叉偶极子相连；
所述交叉偶极子包括介质板、相位延迟线和多个金属辐射臂，多个所述金属辐射臂均匀位于所述介质板的上下两侧，位于同一侧的所述金属辐射臂由所述相位延迟线连接，使所述金属辐射臂之间产生正交的相位从而激励起圆极化电磁波。
进一步的，所述介质板上下两侧的所述金属辐射臂呈中心对称分布。
进一步的，所述金属辐射臂主要由一个三角形区域和一个扇形区域相邻连接组成，采用这种结构的辐射臂，能兼顾低频和高频辐射，实现超宽带的阻抗带宽。
进一步的，所述三角形区域形状为直角三角形，其中一个锐角作为顶角与所述扇形区域的圆心角同心，且直角边与所述扇形区域的直边连接。
进一步的，所述直角三角形的斜边长度为r2，顶角为θ1，所述扇形区域的半径为r3，圆心角为θ2，所述直角三角形的斜边长度r2满足1.0r3≤r2≤3.0r3，顶角θ1满足0.5θ2≤θ1≤2.0θ2。
进一步的，所述相位延迟线设置为折线或弧线。
进一步的，所述复合背腔包括开口腔体和多个旋转耦合的金属寄生板，所述金属寄生板与所述开口腔体的内高h相同，每个所述金属寄生板由所述开口腔体的内壁向内延伸，延伸终点位于所述金属辐射臂中直角三角形顶角相对的直角边投影范围内，使所述金属寄生板与所述金属辐射臂的三角形区域有效耦合。
进一步的，所述复合背腔还包括多个金属矩形条，所述金属矩形条置于所述开口腔体与所述金属寄生板间形成的矩形区域内。该金属矩形条可改善轴比带宽，提升轴向增益。
进一步的，所述金属矩形条的高度为h1，并且满足0.1h≤h1≤0.5h。
进一步的，所述开口腔体的底板中间预留小孔供所述同轴传输线穿过。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的交叉偶极子天线可实现超宽带的阻抗带宽和轴比带宽，这对进一步拓宽交叉偶极子天线的应用领域具有十分重要的意义。
2、本发明的交叉偶极子天线具有非常紧凑的结构，易于与系统集成，利于系统的小型化设计。
3、本发明中的金属辐射臂主要由一个三角形区域和一个扇形区域相邻连接组成，采用这种结构的辐射臂能兼顾低频和高频辐射，实现超宽带的阻抗带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的结构示意图；
图2为本发明实施例中交叉偶极子俯视图；
图3为本发明实施例中交叉偶极子及同轴传输线侧视图；
图4为本发明实施例中复合背腔结构示意图；
图5为本发明实施例中一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的阻抗带宽图；
图6为本发明实施例中一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的轴比带宽图；
图7为本发明实施例中一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的轴向增益图。
附图标记：1-交叉偶极子，2-同轴传输线，3-复合背腔，4-介质板，5-金属辐射臂，6-相位延迟线，7-开口腔体，8-金属寄生板，9-金属矩形条。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本实施例提供了一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，如图1所示，包括交叉偶极子1、同轴传输线2和复合背腔3，交叉偶极子1置于复合背腔3上方，同轴传输线2穿过复合背腔3后与交叉偶极子1相连。
如图2和3所示，交叉偶极子1包括介质板4、相位延迟线6和四个金属辐射臂5，四个金属辐射臂5均匀位于介质板4的上下两侧，位于同一侧的金属辐射臂5由相位延迟线6连接，使金属辐射臂5之间产生正交的相位从而激励起圆极化电磁波，上下两侧的金属辐射臂5呈中心对称分布。其中，相位延迟线6可设置为折线或弧线，本实施例中设置为弧线。
金属辐射臂5由一个三角形区域和一个扇形区域相邻连接组成，采用这种结构的辐射臂，能兼顾低频和高频辐射，实现超宽带的阻抗带宽。具体的，该三角形区域形状为直角三角形，其中一个锐角作为顶角与扇形区域的圆心角同心，且直角边与扇形区域的直边连接。直角三角形的斜边长度为r2，顶角为θ1，扇形区域的半径为r3，圆心角为θ2，直角三角形的斜边长度r2满足1.0r3≤r2≤3.0r3，顶角θ1满足0.5θ2≤θ1≤2.0θ2。
在本实施例中，如图2所示，金属辐射臂5中直角三角形的斜边长度r2＝27mm，顶角θ1＝40°，扇形区域的半径r3＝14.5mm，圆心角θ2＝36°；相位延迟线6的内半径为r0＝3.2mm，外半径为r1＝3.7mm；介质板4的长、宽均为w＝66mm。此外，介质板4的厚度为h0＝0.787mm，相对介电常数为εr＝2.2。
如图4所示，复合背腔3包括开口腔体7、多个旋转耦合的金属寄生板8和多个金属矩形条9，金属寄生板8与开口腔体7的内高h相同，每个金属寄生板8由开口腔体7的内壁向内延伸，延伸终点位于金属辐射臂5中直角三角形顶角相对的直角边投影范围内，使金属寄生板8与金属辐射臂5的三角形区域有效耦合。金属矩形条9置于开口腔体7与金属寄生板8间形成的矩形区域内，该金属矩形条9可改善轴比带宽，提升轴向增益。金属矩形条9的高度为h1，并且满足0.1h≤h1≤0.5h。此外，开口腔体7的底板中间预留小孔供同轴传输线2穿过。
在本实施例中，如图4所示，开口腔体7长、宽均为g＝124mm；金属寄生板8的长度为n＝47.7mm，高度为h＝28.0mm，厚度为t0＝3mm，距离腔壁为m＝31mm；金属矩形条9的高度为h1＝8mm。
如图5所示，为本实施例中新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的阻抗带宽图，从图中可以看出，该新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的阻抗带宽为1.67–7.26GHz，相对带宽达125.2％，说明该新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线在此频段内发射效率大于90％。
如图6所示，为本实施例中新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的轴比带宽图，从图中可以看出，该新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的轴比带宽为1.79–7.17GHz，相对带宽达120.1％，说明该新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线在此频段内圆极化特性稳定。同时，轴比带宽全部位于阻抗带宽内，总的带宽仍为1.79–7.17GHz，相对带宽达120.1％。
如图7所示，为本实施例中新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的轴向增益图，从图中可以看出，该新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线的轴向带内增益均大于7.3dBic，性能稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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；可以是有线连接，也可以是无线连接。

Claims (10)

1.一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，包括交叉偶极子、同轴传输线和复合背腔，所述交叉偶极子置于所述复合背腔上方，所述同轴传输线穿过所述复合背腔后与所述交叉偶极子相连；
所述交叉偶极子包括介质板、相位延迟线和多个金属辐射臂，多个所述金属辐射臂均匀位于所述介质板的上下两侧，位于同一侧的所述金属辐射臂由所述相位延迟线连接，使所述金属辐射臂之间产生正交的相位从而激励起圆极化电磁波。
2.根据权利要求1所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述介质板上下两侧的所述金属辐射臂呈中心对称分布。
3.根据权利要求2所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述金属辐射臂主要由一个三角形区域和一个扇形区域相邻连接组成。
4.根据权利要求3所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述三角形区域形状为直角三角形，其中一个锐角作为顶角与所述扇形区域的圆心角同心，且直角边与所述扇形区域的直边连接。
5.根据权利要求4所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述直角三角形的斜边长度为r2，顶角为θ1，所述扇形区域的半径为r3，圆心角为θ2，所述直角三角形的斜边长度r2满足1.0r3≤r2≤3.0r3，顶角θ1满足0.5θ2≤θ1≤2.0θ2。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述相位延迟线设置为折线或弧线。
7.根据权利要求4或5所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述复合背腔包括开口腔体和多个旋转耦合的金属寄生板，所述金属寄生板与所述开口腔体的内高h相同，每个所述金属寄生板由所述开口腔体的内壁向内延伸，延伸终点位于所述金属辐射臂中直角三角形顶角相对的直角边投影范围内，使所述金属寄生板与所述金属辐射臂的三角形区域有效耦合。
8.根据权利要求7所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述复合背腔还包括多个金属矩形条，所述金属矩形条置于所述开口腔体与所述金属寄生板间形成的矩形区域内。
9.根据权利要求8所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述金属矩形条的高度为h1，并且满足0.1h≤h1≤0.5h。
10.根据权利要求7所述的一种新型超宽带圆极化背腔交叉偶极子天线，其特征在于，所述开口腔体的底板中间预留小孔供所述同轴传输线穿过。
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