CN113839179A - 一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，包括天线装置，所述天线装置包括至少一个卫星通信天线；所述卫星通信天线包括第一双频单元天线、第二双频单元天线以及天线底板；所述第一双频单元天线和第二双频单元天线左右平行设置，所述天线底板层叠设置于第一双频单元天线和第二双频单元天线的下侧。本发明在实现波束倾斜的同时剖面极低，便于小型化集成设计。本发明通过旋转单元天线实现波束倾斜，简化了馈电网络的设计，优化了馈电网络的性能，提高了天线的整体性能。

Description

一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线
技术领域
本发明涉及集装箱天线领域，具体涉及一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线。
背景技术
集装箱运输是世界货物运输最主要的运输方式，对于危险品运输、高附加值货物的运输，监管机构或客户往往需要对集装箱的运输过程进行状态跟踪。在远海、山区、人迹罕至的荒野，利用卫星传送集装箱运输信息，无疑是一种很好的选择。
现阶段圆极化倾斜波束天线在卫星通信、航空信息传输、宇航探测等方面都有着广泛的应用。但是对于传统的圆极化天线，比如微带贴片天线和交叉偶极子天线，通常辐射波束的最大值存在于垂直于天线表面的方向上。为了能够实现对倾角方向上进行覆盖，最直接的方法就是机械式地旋转该天线，如图6所示，使得整个系统对准想要的倾角方向，但是此方法得到的天线剖面高，且受地板影响，方向图不够平滑。其他的倾斜波束的方法，如微带八木天线，通过引向的方法实现波束倾斜，但是此方法不能实现双频圆极化的设计，也有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的圆极化天线，为了实现对倾角方向上的波束进行覆盖，最直接的方法就是机械式地旋转该天线，使得整个系统对准想要的倾角方向，但是此方法得到的天线剖面高，且方向图不够平滑；然而，其他的倾斜波束的方法，如微带八木天线，可以通过引向的方法实现波束倾斜，但是此方法不能实现双频圆极化的设计，目的在于提供一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，解决上述的技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，包括天线装置，所述天线装置包括至少一个卫星通信天线；所述卫星通信天线包括第一双频单元天线、第二双频单元天线以及天线底板；所述第一双频单元天线和第二双频单元天线左右平行设置，所述第一双频单元天线和第二双频单元天线均为低剖面天线，所述天线底板层叠设置于第一双频单元天线和第二双频单元天线的下侧；所述天线底板包括PCB板和蚀刻在PCB板上面的微带网络，所述微带网络包括威尔金森功分器和90度电桥；其中，90度电桥、第一双频单元天线以及第二双频单元天线形成圆极化天线，威尔金森功分器用于将第一双频单元天线以及第二双频单元天线的信号进行合路。
进一步地，所述第一双频单元天线和第二双频单元天线左右平行且第一双频单元天线相对于第二双频单元天线在轴向旋转九十度设置。
进一步地，所述第一双频单元天线包括第一上层双馈点发射天线和第一下层双馈点接收天线，所述第一上层双馈点发射天线层叠设置于第一下层双馈点接收天线的上侧；
所述第二双频单元天线包括第二上层双馈点发射天线和第二下层双馈点接收天线；所述第二上层双馈点发射天线层叠设置于第二下层双馈点接收天线的上侧。
进一步地，所述第一双频单元天线和第二双频单元天线均为低剖面微带天线。
本发明的第一上层双馈点发射天线、第一下层双馈点接收天线、第二上层双馈点发射天线和第二下层双馈点接收天线均为微带天线，由介质基板和蚀刻的微带组成。
上述卫星通信天线构成了本发明集装箱天线的主要组成部分，主要完成卫星通信功能；另外还包括导航定位的GPS北斗天线和集装箱之间通信的Lora天线。所述GPS北斗天线的长和宽均为0.12λ；所述Lora天线的长度为0.1λ，宽度为0.008λ，Lora天线通过蛇形走线的方式实现小型化；λ为天线对应通信频率的波长。
进一步地，所述天线装置还包括GPS北斗天线；所述GPS北斗天线设置在卫星通信天线的顶部。GPS北斗天线用于完成集装箱的导航定位功能；其中，GPS北斗天线兼顾GPS和北斗定位功能。
进一步地，还包括天线罩和天线固定板；所述天线罩和天线固定板配合使用，用于容纳和安装所述天线装置。
进一步地，所述天线装置还包括Lora天线，所述Lora天线贴于天线罩内部。其中，Lora天线用于完成集装箱之间的通信功能。
进一步地，所述第一双频单元天线的形状为方形或圆形或三角形中的一种；所述第二双频单元天线的形状为方形或圆形或三角形中的一种。
进一步地，所述第一双频单元天线和第二双频单元天线的形状均为方形；所述第一双频单元天线和第二双频单元天线的长度和宽度均为0.2λ，高度为0.02λ；其中，λ为卫星通信天线对应通信频率的波长。
进一步地，所述第一上层双馈点发射天线上开设有第一上层双馈点发射天线T型槽；所述第二上层双馈点发射天线上开设有第二上层双馈点发射天线T型槽。所述第一双频单元天线和第二双频单元天线均通过上层发射天线和下层接收天线叠层设计而成，上层发射天线和下层接收天线均为微带天线，由介质基板和蚀刻的微带组成；上层发射天线的微带在四个方位各开了一个T型槽用于天线的小型化设计。
本发明双频圆极化倾斜波束集装箱天线中的卫星通信天线通过上下叠层设计，实现了双频和低剖面；同时通过双馈点加90度电桥实现圆极化；再由于第一双频单元天线和第二双频单元天线在轴向旋转了90°，这样第一双频单元天线和第二双频天线单形成了90°的相位差，根据阵列天线的理论知识，这样实际形成了波束扫描，就完成了波束倾斜的功能。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，在实现波束倾斜的同时剖面极低，便于小型化集成设计。
2、本发明提供的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，通过叠层微带设计实现双频圆极化性能，结构简单，便于生产、加工和维护。
3、本发明提供的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，通过旋转单元天线实现波束倾斜，简化了馈电网络的设计，优化了馈电网络的性能，提高了天线的整体性能。
4、本发明提供的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，波束倾斜的方向图平滑，能满足较大范围的通信覆盖。
5、本发明提供的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，融合了GPS北斗天线和Lora天线，丰富了集装箱天线的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，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。在附图中：
图1为本发明一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线总图和安装示意图；
图2为本发明一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线爆炸图；
图3为本发明一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线爆炸图；
图4为本发明一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线的卫星通信天线爆炸图；
图5为本发明一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线的卫星通信天线的天线底板结构图；
图6为现有技术中的机械倾斜天线示意图；
图7为根据本发明得到的电场增益图；
图8为本发明与现有技术中的机械倾斜天线电场增益对比示意图；其中，实线为本发明增益图，虚线为机械旋转天线增益图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-天线罩，2-卫星通信天线，3-GPS北斗天线，4-Lora天线，5-天线固定板，6-集装箱栅板，21-第一双频单元天线，22-第二双频单元天线，23-天线底板，211-第一上层双馈点发射天线，212-第一下层双馈点接收天线，221-第二上层双馈点发射天线，222-第二下层双馈点接收天线，2111-第一上层双馈点发射天线T型槽，2211-第二上层双馈点发射天线T型槽，231-功分器，232-90度电桥。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例中卫星通信天线2，构成了本发明集装箱天线的主要组成部分，主要完成卫星通信功能。
一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，所述集装箱天线包括天线罩1和放置于天线罩1内部的天线装置；所述天线装置包括卫星通信天线2和天线固定板5。
如图3所示，所述卫星通信天线2包括第一双频单元天线21、第二双频单元天线22以及天线底板23；其中第一双频单元天线21与第二双频单元天线22相比，在轴向顺时针旋转了90°，同时第一双频单元天线21和第二双频单元天线22排布在同一中轴线上。其中，第一双频单元天线21和第二双频单元天线22中心间距为0.32λ，所述λ为天线对应通信频率的波长。
如图4所示，所述第一双频单元天线21包括第一上层双馈点发射天线211和第一下层双馈点接收天线212，所述第一上层双馈点发射天线211层叠设置于第一下层双馈点接收天线212的上侧；所述第二双频单元天线22包括第二上层双馈点发射天线221和第二下层双馈点接收天线222；所述第二上层双馈点发射天线221层叠设置于第二下层双馈点接收天线222的上侧。其中，第一上层双馈点发射天线211、第一下层双馈点接收天线212、第二上层双馈点发射天线221和第二下层双馈点接收天线222均为微带天线，由介质基板和蚀刻的微带组成，本实施例采用的介质基板的介电系数为6.15。同时，第一上层双馈点发射天线211和第二上层双馈点发射天线221的微带在四个方位各开了一个T型槽，用于天线的小型化设计。其中，第一双频单元天线21和第二双频单元天线22的长度和宽度均0.2λ，高度为0.02λ。
其中，第一双频单元天线21由第一上层双馈点发射天线211和第一下层双馈点接收天线212通过叠层设计而成；第二双频单元天线22由第二上层双馈点发射天线221和第二下层双馈点接收天线222通过叠层设计而成；所述第一上层双馈点发射天线211、第一下层双馈点接收天线212、第二上层双馈点发射天线221和第二下层双馈点接收天线222均为方形形状。
如图4所示，所述第一上层双馈点发射天线211为方形结构，第一上层双馈点发射天线211的四条边对应的四个方向均开设有T型槽；第二上层双馈点发射天线221的四条边对应的四个方向均开设有T型槽。
如图5所示，卫星通信天线2的天线底板23由PCB板和蚀刻在PCB板上面的微带网络组成，所述微带网络包括威尔金森功分器231和90度电桥232组成。
卫星通信天线2的天线底板23由PCB和蚀刻在PCB板上面的微带线路组成：其中PCB的宽度为0.25λ，长度为0.6λ，所述λ为天线对应通信频率的波长。PCB的微带线包括威尔金森功分器和90度电桥封装，其中90度电桥、第一双频单元天线21和第二双频单元天线22形成圆极化天线，威尔金森功分器用于将第一双频单元天线21和第二双频单元天线22的信号进行合路。
实施例2
本实施例集装箱天线的不仅包含卫星通信天线2，还包括导航定位的GPS北斗天线3和集装箱之间通信的Lora天线4。
如图1和图2所示，一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，所述集装箱天线包括天线罩1和放置于天线罩1内部的天线装置；所述天线装置包括卫星通信天线2、GPS北斗天线3、Lora天线4和天线固定板5。
如图1所示，所述GPS北斗天线3位于卫星通信天线2的上部，与卫星通信天线2垂直放置；所述Lora天线4贴于天线罩内部，位于卫星通信天线2的左边或者右边，与卫星通信天线相平行；天线装置被固定到天线固定板5，并安装到集装箱栅板6上，同时集装箱栅板6与地面相互垂直。
如图3所示，所述卫星通信天线2包括第一双频单元天线21、第二双频单元天线22以及天线底板23；其中第一双频单元天线21与第二双频单元天线22相比，在轴向顺时针旋转了90°，同时第一双频单元天线21和第二双频单元天线22排布在同一中轴线上。其中，第一双频单元天线21和第二双频单元天线22中心间距为0.32λ，所述λ为天线对应通信频率的波长。
如图4所示，所述第一双频单元天线21包括第一上层双馈点发射天线211和第一下层双馈点接收天线212，所述第一上层双馈点发射天线211层叠设置于第一下层双馈点接收天线212的上侧；所述第二双频单元天线22包括第二上层双馈点发射天线221和第二下层双馈点接收天线222；所述第二上层双馈点发射天线221层叠设置于第二下层双馈点接收天线222的上侧。其中，第一上层双馈点发射天线211、第一下层双馈点接收天线212、第二上层双馈点发射天线221和第二下层双馈点接收天线222均为微带天线，由介质基板和蚀刻的微带组成，本实施例采用的介质基板的介电系数为6.15。同时，第一上层双馈点发射天线211和第二上层双馈点发射天线221的微带在四个方位各开了一个T型槽，用于天线的小型化设计。其中，第一双频单元天线21和第二双频单元天线22的长度和宽度均0.2λ，高度为0.02λ。
其中，第一双频单元天线21由第一上层双馈点发射天线211和第一下层双馈点接收天线212通过叠层设计而成；第二双频单元天线22由第二上层双馈点发射天线221和第二下层双馈点接收天线222通过叠层设计而成；所述第一上层双馈点发射天线211、第一下层双馈点接收天线212、第二上层双馈点发射天线221和第二下层双馈点接收天线222均为方形形状。
如图4所示，所述第一上层双馈点发射天线211为方形结构，第一上层双馈点发射天线211的四条边对应的四个方向均开设有T型槽；第二上层双馈点发射天线221的四条边对应的四个方向均开设有T型槽。
如图5所示，卫星通信天线2的天线底板23由PCB板和蚀刻在PCB板上面的微带网络组成，所述微带网络包括威尔金森功分器231和90度电桥232组成。
卫星通信天线2的天线底板23由PCB和蚀刻在PCB板上面的微带线路组成：其中PCB的宽度为0.25λ，长度为0.6λ，所述λ为天线对应通信频率的波长。PCB的微带线包括威尔金森功分器和90度电桥封装，其中90度电桥、第一双频单元天线21和第二双频单元天线22形成圆极化天线，威尔金森功分器用于将第一双频单元天线21和第二双频单元天线22的信号进行合路。
卫星通信天线2构成了本发明集装箱天线的主要组成部分，主要完成卫星通信功能；另外还包括导航定位的GPS北斗天线和集装箱之间通信的Lora天线。所述GPS北斗天线的长和宽均为0.12λ；所述Lora天线的长度为0.1λ，宽度为0.008λ，Lora天线通过蛇形走线的方式实现小型化；λ为天线对应通信频率的波长。
如图7所示，图7为本发明得到的电场增益图。横轴为俯仰角，单位为deg，纵轴为增益，单位为dBi。从图可知，最大增益为仰角40度时的5.5dBi，表明了波束完成了倾斜，同时整个半空域仰角5度到78度的增益均大于0dBi，很好的完成了半空域覆盖。
如图6所示，图6为现有技术中的机械倾斜天线示意图；图8示出了根据本发明得到的电场增益与现有技术中的机械倾斜天线得到的电场增益的对比图，其中实线为本发明增益图，虚线为机械旋转天线增益图。从图可知，本发明在0度-80度(卫星可视)范围内的增益是明显由于机械旋转的圆极化天线的，证明了本发明的有效性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，包括天线装置，所述天线装置包括至少一个卫星通信天线(2)；所述卫星通信天线(2)包括第一双频单元天线(21)、第二双频单元天线(22)以及天线底板(23)；所述第一双频单元天线(21)和第二双频单元天线(22)左右平行设置，所述第一双频单元天线(21)和第二双频单元天线(22)均为低剖面天线，所述天线底板(23)层叠设置于第一双频单元天线(21)和第二双频单元天线(22)的下侧；所述天线底板(23)包括PCB板和蚀刻在PCB板上面的微带网络，所述微带网络包括功分器(231)和90度电桥(232)。
2.根据权利要求1所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，所述第一双频单元天线(21)和第二双频单元天线(22)左右平行且第一双频单元天线(21)相对于第二双频单元天线(22)在轴向旋转九十度设置。
3.根据权利要求2所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，
所述第一双频单元天线(21)包括第一上层双馈点发射天线(211)和第一下层双馈点接收天线(212)，所述第一上层双馈点发射天线(211)层叠设置于第一下层双馈点接收天线(212)的上侧；
所述第二双频单元天线(22)包括第二上层双馈点发射天线(221)和第二下层双馈点接收天线(222)；所述第二上层双馈点发射天线(221)层叠设置于第二下层双馈点接收天线(222)的上侧。
4.根据权利要求1所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，所述第一双频单元天线(21)和第二双频单元天线(22)均为低剖面微带天线。
5.根据权利要求1所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，所述天线装置还包括GPS北斗天线(3)；所述GPS北斗天线(3)设置在卫星通信天线(2)的顶部。
6.根据权利要求5所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，还包括天线罩(1)和天线固定板(5)；所述天线罩(1)和天线固定板(5)配合使用，用于容纳和安装所述天线装置。
7.根据权利要求6所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，所述天线装置还包括Lora天线(4)，所述Lora天线(4)贴于天线罩(1)内部。
8.根据权利要求4所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，所述第一双频单元天线(21)的形状为方形或圆形或三角形中的一种；所述第二双频单元天线(22)的形状为方形或圆形或三角形中的一种。
9.根据权利要求8所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，所述第一双频单元天线(21)和第二双频单元天线(22)的形状均为方形；所述第一双频单元天线(21)和第二双频单元天线(22)的长度和宽度均为0.2λ，高度为0.02λ；其中，λ为卫星通信天线对应通信频率的波长。
10.根据权利要求3所述的一种双频圆极化倾斜波束集装箱天线，其特征在于，所述第一上层双馈点发射天线(211)上开设有第一上层双馈点发射天线T型槽(2111)；所述第二上层双馈点发射天线(221)上开设有第二上层双馈点发射天线T型槽(2211)。
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