CN113690630A - 一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，包括：环形极化器，包括多个介质片，各个介质片之间环绕排列形成环形，每个介质片与方位面均呈45度夹角；底部介质支撑环，设置在环形极化器的底部；顶部介质支撑环，设置在环形极化器的顶部；多个扇形夹角反射器，设置在环形极化器的内侧，各个扇形夹角反射器之间环绕排列成环形，每个扇形夹角反射器均包括上下两个底面、位于侧边的两个侧面以及位于外侧的弧面，上下两个底面和两个侧面上均设置有金属层；多个同轴接头，每个同轴接头分别与一个扇形夹角反射器连接。解决目前传统设计中普遍存在的天线结构及馈电网络复杂、额外控制电路引入损耗、加工难度大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线。
背景技术
随着移动通信技术的不断发展，当代通信系统往往会遇到多目标通信的需求，由于通信目标与基站之间的相对位置不固定，为了保障通信质量，通常会在基站端使用全向天线以达到范围更广的信号覆盖。虽然这样可以有效地解决信号覆盖问题，但是全向天线在实际应用中还可能存在能量浪费的问题。例如，当通信目标相对集中在某一小片范围时，全向天线仍然会向该范围之外的区域辐射电磁波信号，这样就会不可避免地造成能量的浪费。为了解决这一问题，具有全方位面覆盖能力的波束扫描方案被提出。在这一方案中，天线发射的单一波束为高增益的定向波束，根据目标位置的不同天线波束的指向可相应改变，在扫描过程中，所有波束的半功率波束宽度需覆盖整个方位面。
目前，已有的方案中，P.Chen等在《A Multibeam Antenna Based on SubstrateIntegrated Waveguide Technology for MIMO Wireless Communications》(IEEETrans.Antennas Propag.,vol.57,no.6,pp.1813-1821,June 2009)中提出了基于基片集成波导的多波束天线，此方案中，六个四波束的多波束天线被环形排列在金属三棱柱的侧面上，通过切换馈电端口来实现线极化的波束扫描，从而实现24个波束在全方位面上的360°扫描范围。L.Ge等在《Linearly Polarized and Circularly Polarized WidebandDipole Antennas With Reconfigurable Beam Direction》(IEEE Trans.AntennasPropag.,vol.66,no.4,pp.1747-1755,April 2018)中提出了一种天线波束可重构的方案，在此方案中，方形介质板的四周边缘处引入了多个开关二极管，通过控制二极管的开关状态来实现导波方向的切换，从而激励相对应的偶极子天线，进而实现波束在四个方向上的扫描。
但目前已报道的方案中，可以实现全方位面覆盖的天线多数为线极化天线，圆极化天线的设计较少提出。而且传统的全方位面覆盖天线普遍存在结构复杂、加工困难的问题，例如前面所述的两种现有方案中都为立体的天线结构，在加工过程中可能涉及多种工艺，例如机械加工、PCB加工等，在加工完成后还需要进行多个天线部分的组装、焊接等，这无疑会增加天线成本以及加工难度。另外，传统的全方位面覆盖天线普遍需要复杂的馈电网络或需要引入额外的控制电路，例如相移网络或开关二极管等，这些都会导致整个天线的损耗增加。
发明内容
本发明旨在提出一种馈电网络简单、加工方便的全方位面覆盖圆极化多波束天线，从而解决目前传统设计中普遍存在的天线结构及馈电网络复杂、额外控制电路引入损耗、加工难度大的问题。
为了实现前述发明目的，本发明提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，包括：
环形极化器，包括多个介质片，各个介质片之间环绕排列形成环形，每个介质片与方位面均呈45度夹角；
底部介质支撑环，设置在环形极化器的底部，并与多个介质片均连接；
顶部介质支撑环，设置在环形极化器的顶部，并与多个介质片均连接；多个扇形夹角反射器，设置在环形极化器的内侧，并与多个介质片均连接，各个扇形夹角反射器之间环绕排列成环形，每个扇形夹角反射器均包括上下两个底面、位于侧边的两个侧面以及位于外侧的弧面，上下两个底面和两个侧面上均设置有金属层；
多个同轴接头，同轴接头的数量与扇形夹角反射器的数量相等，每个同轴接头分别与一个扇形夹角反射器连接。
优选地，所述多波束天线由介质材料制成。
优选地，所述介质材料的参数为：相对介电常数3.0，损耗角正切0.01.
优选地，所述多波束天线采用3D打印技术一体成型。
优选地，所述底部介质支撑环至少设置一个，当设置两个或两个以上时，所有的底部介质支撑环同圆心设置，且位于内侧的底部介质支撑环的半径小于位于外侧的底部介质支撑环的半径。
优选地，顶部介质支撑环至少设置一个，当设置两个或两个以上时，所有的顶部介质支撑环同圆心设置，且位于内侧的顶部介质支撑环的半径小于位于外侧的顶部介质支撑环的半径。
优选地，环形极化器中设置的介质片有24片。
优选地，扇形夹角反射器设置有6个。
优选地，扇形夹角反射器上的金属层通过电镀工艺实现，金属材料可以为任意的良导体。
优选地，同轴接头和扇形夹角反射器之间粘接固定。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
(1)在结构及加工方面，该天线具有馈电网络简单、加工方便、快速成型的优点，整个天线一体成型，无需后期组装、焊接，可以有效避免组装误差等问题。
(2)在性能方面，该天线具有宽带、工作频带内性能稳定、全方位面覆盖的优点，可实现37.0％(8.6-12.5GHz)的轴比带宽，低于30dB的端口隔离度，8.9±1.3dBic的带内增益以及大于22dB的方向图前后比。
(3)本发明通过采用多个扇形夹角反射器作为馈电网络，馈电网络结构简单，也不需要引入额外控制电路，可以有效减少天线的损耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线的主视图。
图2是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线的俯视图。
图3是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线的仰视图。
图4是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线中单个扇形夹角反射器的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线的阻抗匹配特性示意图。
图6是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线的端口1与相邻端口之间的隔离度示意图。
图7是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线的轴比带宽示意图。
图8是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线的增益示意图。
图9是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线的在端口1激励时中心频率的方向图。
图10是本发明实施例提供的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线在不同端口激励时，天线在方位面上的所有方向图。
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、完整的描述，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，都是本发明保护的范围。
本发明提出一种基于环形极化器的多波束圆极化天线，该天线采用3D打印技术作为主要的加工手段，整个天线由3D打印的介质材料实现且一体成型。
在本发明其中一个实施例中，所使用的介质材料参数为：相对介电常数3.0，损耗角正切0.01。在其他实施例中，可以采用其他的介质材料，当然，其介质材料的参数也会随介质材料的不同而可能不同。
所述多波束圆极化天线包括：
环形极化器21，包括多个介质片，各个介质片之间环绕排列形成环形，每个介质片与方位面均呈45度夹角；
至少一个底部介质支撑环32，设置在环形极化器21的底部，并与多个介质片均连接；
至少一个顶部介质支撑环22，设置在环形极化器21的顶部，并与多个介质片均连接；
多个扇形夹角反射器23，设置在环形极化器21的内侧，并与多个介质片均连接，各个扇形夹角反射器23之间环绕排列成环形，每个扇形夹角反射器23均包括上下两个底面、位于侧边的两个侧面以及位于外侧的弧面，上下两个底面和两个侧面上均设置有金属层；
多个同轴接头，同轴接头的数量与扇形夹角反射器23的数量相等，每个同轴接头分别与一个扇形夹角反射器23连接以给扇形夹角反射器23馈电。
在本发明其中一个实施例中，环形极化器21的介质片有24片，24片介质片等间距环绕排列成环形，以天线的几何中心为坐标系原点，XY平面为天线的方位面，Z轴与方位面垂直，每个介质片与方位面XY平面呈45度夹角。根据所使用的介质材料、工作频段等参数来确定介质片数量，实际设计时根据实际情况进行确定。
设置底部介质支撑环32和顶部介质支撑环22是对介质片起支撑作用，以加固环形极化器21结构，防止其产生形变，在本发明其中一个实施例中，底部介质支撑环32和顶部介质支撑环22均设置有两个。其中一个底部介质支撑环32与所有介质片的外端的底部均固定连接，另一个底部介质支撑环32固定设置在介质片的底部且位于介质片的外端和内端之间；其中一个顶部介质支撑环22与所有介质片的外端的顶部均固定连接，另一个顶部介质支撑环22固定设置在介质片的顶部且位于介质片的外端和内端之间。可以理解的是，在不影响天线性能的前提下，在其他实施例中，底部介质支撑环32和顶部介质支撑环22的数量可以设置成其他任意数值。
在本发明其中一个实施例中，扇形夹角反射器23设置有六个。扇形夹角反射器23的数量可以根据实际需求的波束数量确定，显然，在其他实施例中，扇形夹角反射器23设置的数量可以是其他数值。
扇形夹角反射器23位于环形极化器21的内侧，其结构、尺寸均相同且等间距环绕排列成环形，并与环形极化器21中的每片介质片的内端相连接。图4所示为单个扇形夹角反射器的示意图，每个扇形夹角反射器23均包括上下两个底面(上底面43、下底面45)、位于侧边的两个侧面(左侧面42、右侧面44)以及位于外侧的弧面41，位于外侧的弧面41为扇形夹角反射器23的辐射口径，同时为扇形夹角反射器与环形极化器21的连接面。上下两个底面和两个侧面上均设置有金属层，作用是形成扇形夹角反射器23的金属壁。在本发明其中一个实施例中，金属层通过电镀工艺实现，金属层为铜层，当然，在其他实施例中，可以采用其他的良导体。
在本发明其中一个实施例中，同轴接头和扇形夹角反射器23均设置有6个。将6个同轴接头分别定义为第一同轴接头31、第二同轴接头32、第三同轴接头33、第四同轴接头34、第五同轴接头35和第六同轴接头36。6个同轴接头分别对应馈电端口1-端口6。每个同轴接头均分别与以对应设置的扇形夹角反射器23粘接固定。
在本发明其中一个实施例中，同轴接头为50欧姆的同轴接头。
在本发明其中一个实施例中，同轴接头与扇形夹角反射器之间通过氰基丙烯酸乙酯胶固定。
工作原理方面，每个扇形夹角反射器23由所对应的同轴接头馈电激励，扇形夹角反射器23内的导行电磁波为线极化模式。当电磁波经过外围的环形极化器21后，环形极化器21当中的介质片可对线极化波产生扰动，进而产生两个相互正交的模式，这两个模式的电磁波幅度相同且相位相差90度，最终实现圆极化辐射。由于每个扇形夹角反射器23在XY平面上排列的角度不同，所以所对应的辐射波束方向也会发生相应的改变，通过切换馈电端口即可实现方位面上波束的扫描。
天线性能方面，由于该天线在结构上完全对称，所以此处仅以端口1的性能作为展示说明，其它端口特性与示例端口完全相同。
如图5所示，本发明在8.6-12.8GHz的频率范围内可以实现|S11|<-10dB，S11是表征天线阻抗匹配性能的参数，阻抗带宽为39.3％，说明本发明具有宽带特性。
图6所示为端口1与相邻端口之间的隔离度参数，可以看出隔离度均保持在-32dB以下，说明该天线各端口之间的隔离度良好，图中S21、S31、S41分别表示端口1与端口2、端口3、端口4之间的隔离度。
如图7所示，3dB轴比带宽为37％(8.6-12.5GHz)，说明该天线具有宽带圆极化特性。
天线增益如图8所示，在工作频带内增益稳定，平均增益为8.9dBic，带内增益波动为±1.3dB。
图9所示为本发明在端口1激励时中心频率的方向图，可以看出该天线在单端口激励时具有良好的单向辐射特性，方向图前后比大于22dB，方位面(XY平面)上的半功率波束宽度为61度。
图10所示为不同端口激励时，天线在方位面上的所有方向图，可以看出本发明可以实现全方位面的半功率波束宽度覆盖。
本发明结合3D打印技术，提出了一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线。与现有的天线设计相比，在结构及加工方面，该天线具有馈电网络简单、加工方便、快速成型的优点，整个天线一体成型，无需后期组装、焊接，可以有效避免组装误差等问题。在性能方面，该天线具有宽带、工作频带内性能稳定、全方位面覆盖的优点，可实现37.0％(8.6-12.5GHz)的轴比带宽，低于30dB的端口隔离度，8.9±1.3dBic的带内增益以及大于22dB的方向图前后比。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，包括：
环形极化器(21)，包括多个介质片，各个介质片之间环绕排列形成环形，每个介质片与方位面均呈45度夹角；
底部介质支撑环(32)，设置在环形极化器(21)的底部，并与多个介质片均连接；
顶部介质支撑环(22)，设置在环形极化器(21)的顶部，并与多个介质片均连接；
多个扇形夹角反射器(23)，设置在环形极化器(21)的内侧，并与多个介质片均连接，各个扇形夹角反射器(23)之间环绕排列成环形，每个扇形夹角反射器(23)均包括上下两个底面、位于侧边的两个侧面以及位于外侧的弧面，上下两个底面和两个侧面上均设置有金属层；
多个同轴接头，同轴接头的数量与扇形夹角反射器(23)的数量相等，每个同轴接头分别与一个扇形夹角反射器(23)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，所述多波束天线由介质材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，所述多波束天线采用3D打印技术一体成型。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，所述底部介质支撑环(32)至少设置一个，当设置两个或两个以上时，所有的底部介质支撑环(32)同圆心设置，且位于内侧的底部介质支撑环(32)的半径小于位于外侧的底部介质支撑环(32)的半径。
5.根据权利要求1所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，顶部介质支撑环(22)至少设置一个，当设置两个或两个以上时，所有的顶部介质支撑环(22)同圆心设置，且位于内侧的顶部介质支撑环(22)的半径小于位于外侧的顶部介质支撑环(22)的半径。
6.根据权利要求1所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，环形极化器(21)中设置的介质片有24片。
7.根据权利要求1所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，扇形夹角反射器(23)设置有6个。
8.根据权利要求1所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，扇形夹角反射器(23)上的金属层中的金属为良导体。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，同轴接头和扇形夹角反射器(23)之间粘接固定。
10.根据权利要求9所述的一种基于介质极化器的全方位面覆盖圆极化多波束天线，其特征在于，同轴接头和扇形夹角反射器(23)通过过氰基丙烯酸乙酯胶粘接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211123 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |