CN113851819B - 一种基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，属于天线技术领域。本发明所述天线包括四个辐射体、柔性基板和圆柱体支撑结构；圆柱体支撑结构的轴线沿直角坐标系的z轴放置；柔性基板呈圆筒状，内层表面贴附于圆柱体支撑结构的曲面上；辐射体为偶极子，偶极子的臂呈曲线形状；四个辐射体结构相同，沿圆周均匀分布于柔性基板的外层表面。本发明所述天线在保持天线结构紧凑的情况下得到了显著的轴比带宽改善效果，大大提升了天线的带宽性能，在受限空间和特定通信场景中可得到很好的应用；同时，设计具有很大的频率灵活性，可以很容易设计出工作在其他频率的天线，因而进一步丰富和发展了天线领域的相应理论与工程技术。

Description

一种基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线。
背景技术
无线通信技术以电磁波为载体在空间中进行能量和信息的传递，天线在此过程中则扮演着无线通信设备和自由空间的接口，因此天线的性能是影响整个通信系统性能的关键一环。随着通信技术的发展，人类对信道的宽带需求越发明显，这也对天线设计提出了更高的要求，宽带化设计正是近年来的热门。另一方面，出了宽带化特征，针对不同的通信场景人们设计了不同类型的天线。从电磁波的极化类型来说，有圆极化和线极化天线；从辐射方向来说，有定向天线和全向天线。
在点对多通信、空间飞行器通信、武器制导等通信系统空间位置瞬息万变的通信场景中，全向圆极化天线将是最佳的选择。如果使用线极化很容易因为接收天线的方向和发射天线不匹配而导致通信双方失去联系，这不利于通信的稳定性。从全向天线的角度来说，众多通信场景要求天线是全向辐射，即天线水平面呈360°均匀辐射。比如日常生活中的电话基站，为了让尽量多的用户都可以接收到信号，那么必定要求基站天线的辐射是全向性的。
现有技术“Wideband Omnidirectional Circularly Polarized Antenna Basedon Tilted Dipoles”公开了一种基于直线条带偶极子的全向圆极化天线，其轴比带宽达到了44％，但是天线的尺寸较大，同时轴比带宽也受到了直线偶极子结构本身的限制。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，包括四个辐射体、柔性基板和圆柱体支撑结构；
圆柱体支撑结构的轴线沿直角坐标系的z轴放置；柔性基板呈圆筒状，内层表面贴附于圆柱体支撑结构的曲面上；辐射体为偶极子，偶极子的臂呈曲线形状；四个辐射体结构相同，沿圆周均匀分布于柔性基板的外层表面；
将柔性基板的外层表面在直角坐标系的xoz平面上展开时，四个曲线偶极子的中心位于同一条直线z＝H/2上，H为支撑圆柱的高度，H比偶极子在z方向上的长度大2mm；
通过离散端口在曲线偶极子两臂中间的缝隙处馈电，四个辐射体的馈电方式一致，四根辐射体同时馈电。
进一步的，圆柱体支撑结构选用聚苯乙烯材质的泡沫。
进一步的，辐射体的材质为铜，厚度为铜箔标准厚度0.035mm。
进一步的，柔性基板的厚度为0.1mm。
进一步的，偶极子为指数曲线形偶极子，其中一条臂的轮廓形成方法为：
在直角坐标系的xoz平面上描绘一段指数曲线，指数曲线的函数形式为：
z＝-a exp(-bx),x∈[0,T]
其中，a和b是指数曲线函数的参数，x和z分别为指数曲线的自变量和因变量，T为设定的自变量的最大值；
将描绘的指数曲线沿z轴方向平移w1，w1＞0，分别利用与z轴平行的竖直线封闭两条指数曲线的两端，形成曲线条带；
指定曲线条带中x＝T的一端为靠近偶极子中心的一端，将指数曲线形偶极子一条臂围绕偶极子中心旋转|γ|°，γ<0表示顺时针旋转，γ>0表示逆时针旋转，0°≤|γ|°≤180°，形成指数曲线形偶极子一条臂的轮廓；
将指数曲线形偶极子一条臂沿偶极子中心旋转180°，得到指数曲线形偶极子的另一条臂。
进一步的，w1＝4.4mm，a＝0.008，b＝0.32，T＝25.2；γ＝-1.5，支撑圆柱的半径为R＝26mm，高度H＝66mm。
进一步的，偶极子为抛物线形偶极子，其中一条臂的轮廓形成方法为：
在直角坐标系的xoz平面上描绘一段抛物线，抛物线的参数方程形式为：
z＝-2pt2,x＝2pt；t∈[-T',0]
其中，p为常数参数，t为变量参数，x和z分别为抛物线的自变量和因变量，T'为设定的变量参数t的最大值；
将描绘的抛物线沿z轴方向平移w1'，w1'>0，分别利用与z轴平行的竖直线封闭两条抛物线的两端，形成曲线条带；
指定曲线条带中t＝0的一端为靠近偶极子中心的一端，将抛物线形偶极子一条臂围绕偶极子中心旋转|γ'|°，γ'<0表示顺时针旋转，γ'>0表示逆时针旋转，0°≤|γ'|°≤180°，形成抛物线形偶极子一条臂的轮廓；
将抛物线形偶极子一条臂沿偶极子中心旋转180°，得到抛物线形偶极子的另一条臂。
进一步的，p＝23.5，T'＝0.86，w1'＝4.4mm，γ'＝-6.5，支撑圆柱的半径为R＝30mm，高度H＝72mm。
本发明的有益效果是：
本发明提供了两款具有宽带特征的全向圆极化天线，在保持天线结构紧凑的情况下得到了显著的轴比带宽改善效果，大大提升了天线的带宽性能，在受限空间和特定通信场景中可得到很好的应用；同时，设计具有很大的频率灵活性，可以很容易设计出工作在其他频率的天线，因而进一步丰富和发展了天线领域的相应理论与工程技术。
附图说明
图1为实施例1所述指数曲线参数信息和偶极子单元示意图；
图2为实施例1所述天线整体示意图；
图3为实施例1所述天线轴比计算结果示意图；
图4为实施例2所述抛物线参数信息和偶极子单元示意图；
图5为实施例2所述天线整体示意图；
图6为实施例2所述天线轴比计算结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例提供一种基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，包括四个辐射体、柔性基板和圆柱体支撑结构；
圆柱体支撑结构的轴线沿直角坐标系的z轴放置；柔性基板呈圆筒状，内层表面贴附于圆柱体支撑结构的曲面上；辐射体为偶极子，偶极子的臂呈曲线形状；四个辐射体结构相同，沿圆周均匀分布于柔性基板的外层表面；
将柔性基板的外层表面在直角坐标系的xoz平面上展开时，四个曲线偶极子的中心位于同一条直线z＝H/2上，H为支撑圆柱的高度，H比偶极子在z方向上的长度大2mm。
圆柱体支撑结构选用低介电常数的材料，比如聚苯乙烯材质的泡沫。
辐射体的材质为铜，厚度为铜箔标准厚度0.035mm。
柔性基板的厚度为0.1mm。
实施例一
偶极子为指数曲线形偶极子，其中一条臂的轮廓形成方法为：
在直角坐标系的xoz平面上描绘一段指数曲线，指数曲线的函数形式为：
z＝-a exp(-bx),x∈[0,T]
其中，a和b是指数曲线函数的参数，x和z分别为指数曲线的自变量和因变量，T为设定的自变量的最大值；本实施例中，a＝0.008，b＝0.32，T＝25.2。
将描绘的指数曲线沿z轴方向平移w1，w1＞0，该参数决定了即将生成的偶极子条带的宽度，w1可以根据应用需求选择，本实施例取w1＝4.4mm，分别利用与z轴平行的竖直线封闭两条指数曲线的两端，形成曲线条带；
指定曲线条带中x＝T的一端为靠近偶极子中心的一端，将指数曲线形偶极子一条臂围绕偶极子中心旋转|γ|°，γ<0表示顺时针旋转，γ>0表示逆时针旋转，0°≤|γ|°≤180°，形成指数曲线形偶极子一条臂的轮廓；本实施例中，取γ＝-1.5。
旋转后的自变量x'和因变量z'与旋转前的转换关系为：
x'＝xcosγ+zsinγ
z'＝xsinγ+zcosγ
将指数曲线形偶极子一条臂沿偶极子中心旋转180°，得到指数曲线形偶极子的另一条臂，两条臂为旋转对称关系。
支撑圆柱的半径为R＝26mm，高度H＝66mm。
辐射体通过离散端口21在偶极子两臂中间的缝隙处馈电，剩余三个辐射体的馈电方式一致，多个端口馈电的幅度相位都相同，四根辐射体同时馈电天线工作。
本实施例所述指数曲线参数信息和偶极子单元示意图如图1所示，宽带全向圆极化天线的整体结构示意图如图2所示。
本实施例所述天线的轴比计算结果如图3所示，本实施例所述天线在水平面(同时也是它的最大辐射方向)的轴比带宽范围为0.98GHz-2.34GHz，相对带宽达到了81.9％，比现有的技术方案指标大大提升。
实施例二
偶极子为抛物线形偶极子，其中一条臂的轮廓形成方法为：
在直角坐标系的xoz平面上描绘一段抛物线，抛物线的参数方程形式为：
z＝-2pt2,x＝2pt；t∈[-T',0]
其中，p为常数参数，t为变量参数，x和z分别为抛物线的自变量和因变量，T'为设定的变量参数t的最大值；本实施例中，p＝23.5，T'＝0.86。
将描绘的抛物线沿z轴方向平移w1'＝4.4mm，w1'>0，该参数决定了即将生成的偶极子条带的宽度，可以根据应用需求选择，分别利用与z轴平行的竖直线封闭两条抛物线的两端，形成曲线条带；
指定曲线条带中t＝0的一端为靠近偶极子中心的一端，将抛物线形偶极子一条臂围绕偶极子中心旋转|γ'|°，γ'<0表示顺时针旋转，γ'>0表示逆时针旋转，0°≤|γ'|°≤180°，形成抛物线形偶极子一条臂的轮廓；本实施例中，取γ'＝-6.5。
旋转后的自变量x”和因变量z”与旋转前的转换关系为：
x”＝x cosγ+z sinγ
z”＝x sinγ+z cosγ
将抛物线形偶极子一条臂沿偶极子中心旋转180°，得到抛物线形偶极子的另一条臂，两条臂为旋转对称关系。
支撑圆柱的半径为R＝30mm，高度H＝72mm。
辐射体通过离散端口21在偶极子两臂中间的缝隙处馈电，剩余三个辐射体的馈电方式一致，多个端口馈电的幅度相位都相同，四根辐射体同时馈电天线工作。
本实施例所述抛物线参数信息和偶极子单元示意图如图4所示，宽带全向圆极化天线的整体结构示意图如图5所示。
本实施例所述天线的轴比计算结果如图6所示，本实施例所述天线在水平面(同时也是它的最大辐射方向)的轴比带宽范围为1.04GHz-2.16GHz，相对带宽达到了70％，比现有的技术方案指标大大提升。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，其特征在于，包括四个辐射体、柔性基板和圆柱体支撑结构；
圆柱体支撑结构的轴线沿直角坐标系的z轴放置；柔性基板呈圆筒状，内层表面贴附于圆柱体支撑结构的曲面上；辐射体为偶极子，偶极子的臂呈曲线形状；四个辐射体结构相同，沿圆周均匀分布于柔性基板的外层表面；
将柔性基板的外层表面在直角坐标系的xoz平面上展开时，四个曲线偶极子的中心位于同一条直线z＝H/2上，H为支撑圆柱的高度，H比偶极子在z方向上的长度大2mm；
通过离散端口在曲线偶极子两臂中间的缝隙处馈电，四个辐射体的馈电方式一致，四根辐射体同时馈电；
偶极子为指数曲线形偶极子或抛物线形偶极子；
偶极子为指数曲线形偶极子时，其中一条臂的轮廓形成方法为：
在直角坐标系的xoz平面上描绘一段指数曲线，指数曲线的函数形式为：
z＝-a exp(-bx)，x∈[0，T]
其中，a和b是指数曲线函数的参数，x和z分别为指数曲线的自变量和因变量，T为设定的自变量的最大值；
将描绘的指数曲线沿z轴方向平移w1，w1＞0，分别利用与z轴平行的竖直线封闭两条指数曲线的两端，形成曲线条带；
指定曲线条带中x＝T的一端为靠近偶极子中心的一端，将指数曲线形偶极子一条臂围绕偶极子中心旋转|γ|°，γ＜0表示顺时针旋转，γ＞0表示逆时针旋转，0°≤|γ|°≤180°，形成指数曲线形偶极子一条臂的轮廓；
将指数曲线形偶极子一条臂沿偶极子中心旋转180°，得到指数曲线形偶极子的另一条臂；
偶极子为抛物线形偶极子时，其中一条臂的轮廓形成方法为：
在直角坐标系的xoz平面上描绘一段抛物线，抛物线的参数方程形式为：
z＝-2pt2，x＝2pt；t∈[-T′，0]
其中，p为常数参数，t为变量参数，x和z分别为抛物线的自变量和因变量，T′为设定的变量参数t的最大值；
将描绘的抛物线沿z轴方向平移w1′，w1′＞0，分别利用与z轴平行的竖直线封闭两条抛物线的两端，形成曲线条带；
指定曲线条带中t＝0的一端为靠近偶极子中心的一端，将抛物线形偶极子一条臂围绕偶极子中心旋转|γ′|°，γ′＜0表示顺时针旋转，γ′＞0表示逆时针旋转，0°≤|γ′|°≤180°，形成抛物线形偶极子一条臂的轮廓；
将抛物线形偶极子一条臂沿偶极子中心旋转180°，得到抛物线形偶极子的另一条臂。
2.根据权利要求1所述的基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，其特征在于，圆柱体支撑结构选用聚苯乙烯材质的泡沫。
3.根据权利要求1所述的基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，其特征在于，辐射体的材质为铜，厚度为铜箔标准厚度0.035mm。
4.根据权利要求1所述的基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，其特征在于，柔性基板的厚度为0.1mm。
5.根据权利要求1所述的基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，其特征在于，进一步的，w1＝4.4mm，a＝0.008，b＝0.32，T＝25.2；γ＝-1.5，支撑圆柱的半径为R＝26mm，高度H＝66mm。
6.根据权利要求1所述的基于曲线偶极子的宽带全向圆极化天线，其特征在于，p＝23.5，T′＝0.86，w1′＝4.4mm，γ′＝-6.5，支撑圆柱的半径为R＝30mm，高度H＝72mm。
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