CN112993570A - 一种金属偶极子双线极化天线单元及天线阵面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属偶极子双线极化天线单元及天线阵面，其中的双线极化天线单元包括垂直极化天线单元和水平极化天线单元，垂直极化天线单元和水平极化天线单元的辐射端在同一水平面上，垂直极化天线单元和水平极化天线单元均包含同轴馈电单元和耦合单元；同轴馈电单元和耦合单元的中心导体之间通过弯曲馈电片连接，且垂直极化天线单元上连接的弯曲馈电片和水平极化天线单元上连接的弯曲馈电片之间交叉并相互不干涉；而双线极化天线阵面，包括基板和上述的金属偶极子双线极化天线，金属偶极子双线极化天线均匀地分布在基板上形成天线阵面。本发明结构简单可靠、增益高、带宽宽、功率容量高、易实现批量生产。

Description

一种金属偶极子双线极化天线单元及天线阵面
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种金属偶极子双线极化天线单元及天线阵面。
背景技术
随着卫星无线通信事业的迅速发展，卫星通信系统在人类生活中起着越来越重要的作用，数据量的倍增要求通信系统具有双向同时发射与接收功能，同时要求双线极化天线具有增益高、带宽宽、更高的功率容量以满足通信系统更多信息量的传递。
目前现有双线极化天线均采用微带天线或印刷阵子天线，并采用微带馈电或者集成介质波导等馈电，其特点是采用印制板结构其功率容量低、结构复杂、辐射效率低，带宽窄及馈电损耗大（微带馈电、带状线馈电）馈电网络复杂等。
发明内容
为解决上述已有技术的不足，本申请提供一种金属偶极子双线极化天线单元及天线阵面，该天线阵面采用在同一个坐标上同时实现水平和垂直极化，采用双层设计，保证一个位置上放置两副天线，一个水平放置一个垂直放置，具有空间小、单元少等特点。
具体的，本发明第一方面提供一种金属偶极子双线极化天线单元，包括垂直极化天线单元和水平极化天线单元，所述垂直极化天线单元和所述水平极化天线单元的辐射端在同一水平面上，所述垂直极化天线单元和所述水平极化天线单元均包含同轴馈电单元和耦合单元两个子单元；
所述同轴馈电单元和所述耦合单元的中心导体之间通过弯曲馈电片连接，且所述垂直极化天线单元上连接的弯曲馈电片和所述水平极化天线单元上连接的弯曲馈电片之间交叉并相互不干涉；
每个所述天线单元的双辐射振臂之间采用所述中心导体耦合形式进行馈电，同时实现所述双辐射振臂之间电平衡功能。
作为本发明的进一步说明，所述弯曲馈电片包括相互交叉的上弯曲馈电弹片和下弯曲馈电弹片，所述上弯曲馈电弹片中段向上弯曲，所述下弯曲馈电弹片中段向下弯曲，所述上弯曲馈电弹片中段和所述下弯曲馈电弹片中段之间形成弧形隔离空隙。
作为本发明的进一步说明，所述同轴馈电单元包括第一固定螺母、第一中心导体、第一支撑外壳及第一辐射振臂；
所述第一固定螺母连接在所述第一支撑外壳底端，所述第一中心导体设置在所述第一支撑外壳内部，所述第一固定螺母和所述第一支撑外壳底端组成同轴馈电端口，所述弯曲馈电片的其中一端连接在所述第一中心导体上端，所述第一辐射振臂设置在所述第一支撑外壳上端。
作为本发明的进一步说明，所述耦合单元包括第二固定螺母、第二中心导体、第二支撑外壳及第二辐射振臂；
所述第二固定螺母连接在所述第二支撑外壳底端，所述第二中心导体设置在所述第二支撑外壳内部，所述第二支撑外壳内部有为实现所述第二中心导体与所述第二辐射振臂之间信号耦合的耦合段，通过所述耦合段将所述第二中心导体上的电信号耦合至所述第二辐射振臂，所述弯曲馈电片的另一端连接在所述第二中心导体上端，所述第二辐射振臂设置在所述第二支撑外壳上端。
作为本发明的进一步说明，所述第一中心导体通过支撑介质固定在所述第一支撑外壳中；所述第二中心导体通过支撑介质固定在所述第二支撑外壳中。
作为本发明的进一步说明，所述第一辐射振臂与所述第一支撑外壳一体加工成型；所述第二辐射振臂与所述第二支撑外壳一体加工成型。
本发明第二方面提供一种金属偶极子双线极化天线阵面，包括基板和上述中任一项所述的金属偶极子双线极化天线单元，所述金属偶极子双线极化天线单元均匀地分布在所述基板上形成天线阵面。
本发明第三方面还提供一种金属偶极子双线极化天线阵面，包括基板和上述中任一项所述的金属偶极子双线极化天线单元，所述基板上开设有至少一个定位腔，所述定位腔底部开设四个台阶定位孔，当所述第一支撑外壳和所述第二支撑外壳通过相应的所述台阶定位孔后，将所述第一固定螺母连接在所述第一支撑外壳上，将所述第二固定螺母连接在所述第二支撑外壳上，从而实现将所述天线单元固定在所述基板上。
作为本发明的进一步说明，所述定位腔内还设置有四个U型定位孔，所述U型定位孔位于所述圆形定位孔上端并与所述圆形定位孔连通，所述第一支撑外壳和所述第二支撑外壳上均设置U型方向定位结构，所述U型方向定位结构限位于相应的所述U型定位孔内。
作为本发明的进一步说明，所述第一支撑外壳和所述第二支撑外壳均与相应的所述U型方向定位结构一体加工成型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用金属偶极子双线极化天线单元并采用双层结构设计从而实现双线极化天线的功能，同时采用同轴馈电结构设计，具有功率容量高、带宽宽、增益高、馈电结构简单（同轴馈电直接与辐射阵子连接，即从辐射阵子转换成标准同轴端口）等特点。
本发明提供的金属偶极子双线极化天线单元能够在同一位置上同时要同时实现水平和垂直极化，由于两副天线单元辐射端在同一水平面上，仅方位相对旋转90°，而在同一水平面上的两副天线单元的中心导体向对称面振臂馈电时会存在干涉情况，即两者导通，因此本发明为了保证两者交叉并满足相互不干涉，而采用了弯曲馈电片的设计，
本发明提供的金属偶极子双线极化天线单元通过耦合单元的中心导体采用非接触的形式将射频电信号耦合到相应辐射振臂上而实现平衡馈电。
附图说明
图1是本发明提供的金属偶极子双线极化天线结构示意图；
图2是本发明提供的金属偶极子双线极化天线的水平极化天线单元结构示意图；
图3是本发明提供的金属偶极子双线极化天线的水平极化天线单元结构示意图；
图4是本发明提供的金属偶极子双线极化天线的弯曲馈电片结构示意图；
图5是本发明提供的金属偶极子双线极化天线阵面的整体结构示意图；
图6是本发明提供的金属偶极子双线极化天线阵面的局部剖视结构示意图。
附图标记说明：
1-垂直极化天线单元、2-水平极化天线单元、21-同轴馈电单元、211-第一辐射振臂、212-第一支撑外壳、213-第一固定螺母、214-同轴馈电端口、215-第一中心导体、22-耦合单元、221-第二辐射振臂、222-第二支撑外壳、223-第二固定螺母、224-耦合端、225-第二中心导体、23-U型方向定位结构、3-上弯曲馈电弹片、4-下弯曲馈电弹片、5-基板、51-定位腔、52-U型定位孔、53-台阶定位孔、6-弧形隔离空隙。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
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，或者是该发明产品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。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
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”、“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。
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案加以解释。
随着科学技术的快速发展，通信数据暴增，要求射频通信基站、雷达等具有更高的发射功率来进行更多信息的传递，进而要求天线也具有更大的功率容量，更高的增益、小的损耗来进行信息的传递；微带天线因损耗大、功率容量小，故不能满足大功率的需求，因此本发明采用金属对称振子的形式。
在一些雷达探测、探距的应用上要求天线从原来的单水平极化或者垂直极化的单方式上发展到同时要求水平和垂直极化扫描，采用常规的水平和垂直间隔仿真，存在空间占用大，天线面积大，单元数剧增，空间大小、成本等都非常高。
本发明采用双层叠加设计的垂直和水平双极化天线，在一个位置上同时满足水平和垂直；其具有空间小、单元少等特点，能够有效解决上述技术问题，其具体技术方案如下实施例1和实施例2所示。
实施例1
如图1-4所示，提供一种金属偶极子双线极化天线单元，包括垂直极化天线单元1和水平极化天线单元2，所述垂直极化天线单元1和所述水平极化天线单元2的辐射端在同一水平面上，所述垂直极化天线单元1和所述水平极化天线单元2均包含同轴馈电单元21和耦合单元22两个子单元；
所述同轴馈电单元21和所述耦合单元22的中心导体之间通过弯曲馈电片连接，且所述垂直极化天线单元1上连接的弯曲馈电片和所述水平极化天线单元2上连接的弯曲馈电片之间交叉并相互不干涉；
每个所述天线单元的双辐射振臂之间采用所述中心导体耦合形式进行馈电，同时实现所述双辐射振臂之间电平衡功能。
具体的，如图4所示，所述弯曲馈电片包括相互交叉的上弯曲馈电弹片3和下弯曲馈电弹片4，所述上弯曲馈电弹片3中段向上弯曲，所述下弯曲馈电弹片4中段向下弯曲，所述上弯曲馈电弹片3中段和所述下弯曲馈电弹片4中段之间形成弧形隔离空隙6。
上述金属偶极子双线极化天线单元能够在同一位置上同时要同时实现水平和垂直极化，由于两副天线单元辐射端在同一水平面上，仅方位相对旋转90°，而在同一水平面上的两副天线单元的中心导体向对称面振臂馈电时会存在干涉情况，即两者导通，因此本发明为了保证两者交叉并满足相互不干涉，而采用了弯曲馈电片的设计。
此外，本发明提供的金属偶极子双线极化天线单元通过耦合单元的中心导体采用非接触的形式将射频电信号耦合到相应辐射振臂上而实现平衡馈电。
在一种优选的方式中，如图2和图3所示，所述同轴馈电单元21具体包括第一固定螺母213、第一中心导体215、第一支撑外壳212及第一辐射振臂211；
所述第一固定螺母213连接在所述第一支撑外壳212底端，所述第一中心导体215设置在所述第一支撑外壳212内部，所述第一固定螺母213和所述第一支撑外壳212底端组成同轴馈电端口214，所述弯曲馈电片的其中一端连接在所述第一中心导体215上端，所述第一辐射振臂211设置在所述第一支撑外壳212上端。
相应的，如图2和图3所示，所述耦合单元22具体包括第二固定螺母223、第二中心导体225、第二支撑外壳222及第二辐射振臂221；
所述第二固定螺母223连接在所述第二支撑外壳222底端，所述第二中心导体225设置在所述第二支撑外壳222内部，所述第二支撑外壳222内部有为实现所述第二中心导体225与所述第二辐射振臂221之间信号耦合的耦合段，通过所述耦合段将所述第二中心导体225上的电信号耦合至所述第二辐射振臂221，所述弯曲馈电片的另一端连接在所述第二中心导体225上端，所述第二辐射振臂221设置在所述第二支撑外壳222上端。
其中，所述第一中心导体215通过支撑介质固定在所述第一支撑外壳212中；所述第二中心导体225通过支撑介质固定在所述第二支撑外壳222中。
所述第一辐射振臂211与所述第一支撑外壳212可以采用一体加工成型；所述第二辐射振臂221与所述第二支撑外壳222可以采用一体加工成型。
上述金属偶极子双线极化天线单元采用双层结构设计，从而实现双线极化天线的功能，同时采用同轴馈电结构设计，具有功率容量高、带宽宽、增益高、馈电结构简单（同轴馈电直接与辐射阵子连接，即从辐射阵子转换成标准同轴端口）等特点。
上述金属偶极子双线极化天线单元的信息传递过程为：首先同轴馈电单元21的同轴馈电端口214处接入信号，然后将该信号同时传递给第一中心导体215和第一支撑外壳212，其中第一支撑外壳212可以将信号直接传递给第一辐射振臂211，而第一中心导体215则通过弯曲馈电片将信号传递给第二中心导体225，第二中心导体225的中心导体信息传递至第二支撑外壳222，最后传递到第二辐射振臂221上，因此最终实现同时通过第一辐射振臂211和第二辐射振臂221共同作用将电磁场信息辐射出去，完成信息的传递。
实施例2
如图5-6所示，提供一种金属偶极子双线极化天线阵面，包括基板5和上述实施例1中的金属偶极子双线极化天线，所述金属偶极子双线极化天线均匀地分布在所述基板5上形成天线阵面。
具体的，所述基板5上开设有至少一个定位腔51，所述定位腔51底部开设四个台阶定位孔53，当所述第一支撑外壳212和所述第二支撑外壳222通过相应的所述台阶定位孔53后，将所述第一固定螺母213连接在所述第一支撑外壳212上，将所述第二固定螺母223连接在所述第二支撑外壳222上，从而实现将所述天线单元固定在所述基板5上。上述金属偶极子双线极化天线单元还能够通过该台阶定位孔与支撑外壳的圆形外直径配合进行定位。
进一步的，所述定位腔51内还设置有四个U型定位孔52，所述U型定位孔52位于所述圆形定位孔53上端并与所述圆形定位孔53连通，所述第一支撑外壳212和所述第二支撑外壳222上均设置U型方向定位结构23，所述U型方向定位结构23限位于相应的所述U型定位孔内；而垂直极化天线单元1和水平极化天线单元2则通过U型定位孔52和U型方向定位结构23之间的配合实现方位固定。
其中，所述第一支撑外壳212和所述第二支撑外壳222均可以采用与相应的所述U型方向定位结构23一体加工成型。
上述金属偶极子双线极化天线阵面内的天线单元采用双层结构设计，从而实现双线极化天线的功能，同时采用同轴馈电结构设计，具有功率容量高、带宽宽、增益高、馈电结构简单（同轴馈电直接与辐射阵子连接，即从辐射阵子转换成标准同轴端口）等特点。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种金属偶极子双线极化天线单元，其特征在于：包括垂直极化天线单元和水平极化天线单元，所述垂直极化天线单元和所述水平极化天线单元的辐射端在同一水平面上，所述垂直极化天线单元和所述水平极化天线单元均包含同轴馈电单元和耦合单元两个子单元；
所述同轴馈电单元和所述耦合单元的中心导体之间通过弯曲馈电片连接，且所述垂直极化天线单元上连接的弯曲馈电片和所述水平极化天线单元上连接的弯曲馈电片之间交叉并相互不干涉；
每个所述天线单元的双辐射振臂之间采用所述中心导体耦合形式进行馈电，同时实现所述双辐射振臂之间电平衡功能。
2.根据权利要求1所述的金属偶极子双线极化天线单元，其特征在于：所述弯曲馈电片包括相互交叉的上弯曲馈电弹片和下弯曲馈电弹片，所述上弯曲馈电弹片中段向上弯曲，所述下弯曲馈电弹片中段向下弯曲，所述上弯曲馈电弹片中段和所述下弯曲馈电弹片中段之间形成弧形隔离空隙。
3.根据权利要求1所述的金属偶极子双线极化天线单元，其特征在于：所述同轴馈电单元包括第一固定螺母、第一中心导体、第一支撑外壳及第一辐射振臂；
所述第一固定螺母连接在所述第一支撑外壳底端，所述第一中心导体设置在所述第一支撑外壳内部，所述第一固定螺母和所述第一支撑外壳底端组成同轴馈电端口，所述弯曲馈电片的其中一端连接在所述第一中心导体上端，所述第一辐射振臂设置在所述第一支撑外壳上端。
4.根据权利要求3所述的金属偶极子双线极化天线单元，其特征在于：所述耦合单元包括第二固定螺母、第二中心导体、第二支撑外壳及第二辐射振臂；
所述第二固定螺母连接在所述第二支撑外壳底端，所述第二中心导体设置在所述第二支撑外壳内部，所述第二支撑外壳内部有为实现所述第二中心导体与所述第二辐射振臂之间信号耦合的耦合段，通过所述耦合段将所述第二中心导体上的电信号耦合至所述第二辐射振臂，所述弯曲馈电片的另一端连接在所述第二中心导体上端，所述第二辐射振臂设置在所述第二支撑外壳上端。
5.根据权利要求4所述的金属偶极子双线极化天线单元，其特征在于：所述第一中心导体通过支撑介质固定在所述第一支撑外壳中；所述第二中心导体通过支撑介质固定在所述第二支撑外壳中。
6.根据权利要求4所述的金属偶极子双线极化天线单元，其特征在于：所述第一辐射振臂与所述第一支撑外壳一体加工成型；所述第二辐射振臂与所述第二支撑外壳一体加工成型。
7.一种金属偶极子双线极化天线阵面，其特征在于：包括基板和权利要求1-6中任一项所述的金属偶极子双线极化天线单元，所述金属偶极子双线极化天线单元均匀地分布在所述基板上形成天线阵面。
8.一种金属偶极子双线极化天线阵面，其特征在于：包括基板和权利要求4-6中任一项所述的金属偶极子双线极化天线单元，所述基板上开设有至少一个定位腔，所述定位腔底部开设四个台阶定位孔，当所述第一支撑外壳和所述第二支撑外壳通过相应的所述台阶定位孔后，将所述第一固定螺母连接在所述第一支撑外壳上，将所述第二固定螺母连接在所述第二支撑外壳上，从而实现将所述天线单元固定在所述基板上。
9.根据权利要求8所述的金属偶极子双线极化天线阵面，其特征在于：所述定位腔内还设置有四个U型定位孔，所述U型定位孔位于所述圆形定位孔上端并与所述圆形定位孔连通，所述第一支撑外壳和所述第二支撑外壳上均设置U型方向定位结构，所述U型方向定位结构限位于相应的所述U型定位孔内。
10.根据权利要求9所述的金属偶极子双线极化天线阵面，其特征在于：所述第一支撑外壳和所述第二支撑外壳均与相应的所述U型方向定位结构一体加工成型。
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