CN113937473B - 一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统，七块介质基板和一根同轴线馈电线缆；四块介质板印刷有Vivaldi天线，一块介质板印刷有Vivaldi天线的弯折部分，一块介质板印刷有微带Wilkinson馈电网络，一块覆有金属的介质板充当反射板。本发明解决了宽带圆极化天线小型化的问题，其可用于基站天线。天线在1.24‑3.38GHz内S11小于‑10dB，天线阻抗带宽约为93.2％。频带内的隔离度达到‑40dB以下。天线在1.43‑2.86GHz内轴比小于3dB，天线轴比带宽为54％。该天线具有优良的结构特性，结构简单，易于加工和安装，实现了小型化。

Description

一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统。
背景技术
目前，随着移动通信的飞速发展，各种通信设备的不断迭代，对侧向天线的要求也愈来愈高。面对无线通讯设备的多个工作频点，只有天线完整的覆盖整个工作频段，才能保证测向天线的工作效率。同时，圆极化天线能够接收各个极化方向的电磁波，能提高频谱的利用率，能够有效地对抗信道多径衰落，提高系统的抗干扰能力。此外，辐射单元采用渐变槽线天线能够保证测向天线的宽带和高增益特性。对于移动测向系统，测向天线在保证其辐射性能的情况下当然是越小越好，然而天线尺寸的小型化是以增益的损失为代价的。对于测向天线相控阵，单元天线的尺寸对天线阵列的整体体积有着直接影响。所以，小型化对于测向系统同样有着巨大的研究价值。
现有技术如下：
专利“一种开放边界的宽带圆极化Vivaldi天线”(CN 109193128 A)设计的圆极化天线虽然满足可以覆盖1-3.25GHz的宽带基站天线带宽需要，并且增益最高可达到10dB，但是其尺寸比较大，仅反射板的尺寸就有350mm*350mm*6mm。
文献“Nguyen TK,Tran HH,Nguyen-Trong N.A Wideband Dual-Cavity-BackedCircularly Polarized Crossed Dipole Antenna[J].IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters.2017,16:3135-3138.”利用共轴交叉使得两个L形天线绕中心的同轴线实现中心对称的圆极化天线，分别刻蚀在介质板的正反面，并在天线底部加载反射板，将向后辐射的后瓣信号反射到正上方来提高增益，阻抗带宽可以到79.4％，3dB轴比带宽可以达到66.75％，但其采用背腔后尺寸较大，不利于集成。
专利“一种小型化多波段共口径圆极化天线”(CN110380193A)设计的圆极化天线，虽然具有多波段的圆极化特性，但设计极其复杂，且剖面较高。
文献“”利用四个偶极子，通过馈电网络和同轴向天线输入信号。为了增大天线增益，通过边缘连接窄的矩形微带线，增大辐射面积，最终实现频率为1GHz-1.7GHz，峰值增益达到4.95dB。但增大天线增益的同时也增加了天线的尺寸。
可见，实现圆极化、宽带化、简单设计的同时，满足小型化是一项艰巨的工作。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中在实现圆极化、宽带化、简单设计的同时，无法满足宽带圆极化天线小型化程度要求，导致其在集成化的无线通信系统、规模化的测量系统和精确化的导航定位系统中的应用受到极大限制，体积大而又笨重的天线势必被淘汰，天线的小型化是一种发展趋势，天线小型化技术也越来越受到关注。
解决以上问题及缺陷的难度为：圆极化天线的优势是无论天线是处于运动状态还是静止状态，都可以使接收信号有一个稳定的强度，这对于难以保持恒固定的天线方向的移动卫星通信非常有用。
解决以上问题及缺陷的意义为：圆极化从军用到民用范围逐渐扩大，不仅可以用于导航、定位、测量，还可以用于获得精确时间数据和气象数据等。伴随着大规模天线阵列的飞速发展和迭代更新，对于通信的速率要求也越来越高，在满足圆极化、宽带化和宽带化的同时，面对装备的便携性和机动性的高要求，在兼顾天线性能的同时，实现更小的天线尺寸能够大大提高由其组成的系统的便利性，具有较高的应用研究价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统。
本发明是这样实现的，一种一种小型圆极化Vivaldi天线的控制方法，所述控制方法包括：四个Vivaldi天线单元围成一个矩形，将其中一对天线按照中心旋转对称，将另一对也按照中心旋转对称，两对天线单元空间上相互正交；四个天线单元结构相同，其中一对天线产生相位相同的电磁波，另一对天线产生相同相位的电磁波，两对天线产生的电磁波相位相差90°；将介质板外侧刻蚀的金属辐射贴片向立方体内部弯折90°实现小型化，弯折部分位于馈线顶部，两个相邻的单元弯折后有交叉，其中一对单元弯折部分与另一对单元弯折部分上下相差1mm，每个单元底部两侧分别开扇形缺口，馈电网络通过一个T形功分器连接两个二级Wilkinson功分器构成，含有一个输入端和四个输出端，四个输出端口的相位依次相差90°。
本发明的另一目的在于提供一种小型圆极化Vivaldi天线，所述小型圆极化Vivaldi天线设置有七块介质基板和一根同轴线馈电线缆；
其中，四块介质板印刷有Vivaldi天线，一块介质板印刷有Vivaldi天线的弯折部分，一块介质板印刷有微带Wilkinson馈电网络，一块覆有金属的介质板充当反射板。
进一步，所述两对印刷有Vivaldi天线的介质板成正交90度放置，外表面刻有金属片，内表面刻有微带巴伦馈电，四个天线形状相同。
进一步，所述四个Vivaldi天线单元围成一个矩形，其中一对天线按照中心旋转对称，另一对也按照中心旋转对称，两对天线单元空间上相互正交。
进一步，所述四个Vivaldi天线结构相同，其中一对天线产生相位相同的电磁波，另一对天线产生相同相位的电磁波，两对天线产生的电磁波相位相差90°。
进一步，所述Vivaldi天线的弯折部分为介质板外侧刻蚀的金属辐射贴片向立方体内部弯折90°来实现小型化，位于馈线顶部，其中一对单元弯折部分与另一对单元弯折部分上下相差1mm。
进一步，所述每个单元底部两侧分别开扇形缺口。
进一步，所述Vivaldi天线底部介质板上表面刻蚀金属地板，下表面刻蚀馈电网络，通过四根金属柱与天线微带馈线相连。
进一步，所述馈电网络介质板下方连接有金属反射板，通过馈电网络介质板上打的圆孔来将其与发射板相连，连接采用金属铜丝。
进一步，所述馈电网络通过一个T形功分器连接两个二级Wilkinson功分器构成。
进一步，所述馈电网络含有一个输入端和四个输出端，四个输出端口的相位依次相差90°。
本发明的另一目的在于提供一种移动通信系统，所述移动通信系统安装有所述小型圆极化Vivaldi天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的天线单元采用的是具有强方向性和辐射效能的Vivaldi天线，通过将4个单元通过中心旋转来形成矩形孔径，较大的天线孔径能够较好地提升天线方向性，这对测量系统和导航定位系统有着重要的价值。其次，通过这样当方式组成的阵列具有较好的隔离度，互耦较小。常见的定向Vivaldi阵列天线都具有较高的天线剖面，这就导致由其组成的大规模阵列天线尺寸较大的棘手问题，因此本发明采用常用的折叠技术，对Vivaldi单元在垂直方向上的空间进行了压缩，本发明的难点就在于对天线尺寸和辐射性能之间平衡点的把握，通过大量的研究和仿真实验，可以实现在保持较好辐射性能的同时，实现尺寸的小型化，通过折叠Vivaldi单元来减小天线尺寸的方法比较简单实用，由其组成的阵列形式也较便利，这对实现小型化的途径提供了新的思路。
本发明解决了宽带圆极化天线小型化的问题，其可用于基站天线。天线在1.24-3.38GHz内S11小于-10dB，天线阻抗带宽约为93.2％。频带内的隔离度达到-40dB以下。天线在1.43-2.86GHz内轴比小于3dB，天线轴比带宽为54％。该天线具有优良的结构特性，结构简单，易于加工和安装。该天线整体尺寸仅为0.47λ0×0.47λ0×0.25λ0，实现了小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的圆极化TVA示意图。
图2是本发明实施例提供的小型化圆极化Vivaldi示意图。
图3是本发明实施例提供的馈电网络结构图。
图4是本发明实施例提供的天线立体结构图。
图5是本发明实施例提供的Vivaldi天线单元1示意图。
图6是本发明实施例提供的Vivaldi天线单元2示意图。
图7是本发明实施例提供的天线正面结构图(R1为槽线始端圆形开口的半径)。
图8是本发明实施例提供的增益方向图1.7GHz示意图；(a)XOZ面；(b)YOZ面。
图9是本发明实施例提供的增益方向图2.2GHz示意图；(a)XOZ面；(b)YOZ面。
图10是本发明实施例提供的增益方向图2.7GHz示意图；(a)XOZ面；(b)YOZ面。
图中：1、第一天线；2、第二天线；3、第三天线；4、第四天线；5、反射板；6、第一天线单元；7、第二天线单元；8、第一输出端口；9、第二输出端口；10、第三输出端口；11、第四输出端口；12、输入端口；13、接地板；14、弯折部分；15、馈电网络。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型圆极化Vivaldi天线、控制方法、移动通信系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的小型圆极化Vivaldi天线业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的小型圆极化Vivaldi天线仅仅是一个具体实施例而已。
本发明实施例提供的小型圆极化Vivaldi天线设置有七块介质基板，其中，四块介质板印刷有Vivaldi天线，一块介质板印刷有Vivaldi天线的弯折部分，一块介质板印刷有微带Wilkinson馈电网络，一块覆有金属的介质板充当反射板；一根同轴线馈电线缆组成。
两对印刷有Vivaldi天线的介质基板成正交90度放置，外表面刻有金属片，内表面刻有微带巴伦馈电，四个天线形状相同。
四个Vivaldi天线单元围成一个矩形，将其中一对天线按照中心旋转对称，将另一对也按照中心旋转对称，两对天线单元空间上相互正交。
四个天线单元结构相同，其中一对天线产生相位相同的电磁波，另一对天线产生相同相位的电磁波，两对天线产生的电磁波相位相差90°。
Vivaldi天线的弯折部分为介质板外侧刻蚀的金属辐射贴片向立方体内部弯折90°来实现小型化，位于馈线顶部，为了防止两个相邻的单元弯折后有交叉，其中一对单元弯折部分与另一对单元弯折部分上下相差1mm。
每个单元底部两侧分别开扇形缺口，天线单元底部介质板上表面刻蚀金属地板，下表面刻蚀馈电网络，通过四根金属柱与天线微带馈线相连。
在馈电网络介质板下方连接有金属反射板，通过馈电网络介质板上打的圆孔来将其与发射板相连，连接采用金属铜丝。
馈电网络通过一个T形功分器连接两个二级Wilkinson功分器构成，含有一个输入端和四个输出端，四个输出端口的相位依次相差90°。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图1所示，将四个TVA四面围成一个长方体形状，第一天线1和第三天线3的辐射方向在同一个方向，组成第一天线单元6；第二天线2和第四天线4的辐射方向在同一个方向，组成第二天线单元7。第一天线单元6和第二天线单元7空间上相互垂直。通过给两组TVA单元分别馈电同幅但是相差90°的电流，使得第一天线单元6和第二天线单元7辐射出的信号相差90°，完成圆极化天线设计。本发明为了增强天线正向增益，减少后瓣，提升方向性，在天线底部添加一一块与天线平面结构同样大小的反射板。
如图2中弯折结构所示，将金属贴片向内弯折，为了使天线剖面可能的低，弯折部分14位于馈线顶部，距离天线底部19mm，同时，为了防止两个相邻的TVA弯折后有交叉，将第一天线单元6的弯折部分14向上移动1mm，使两个单元空间上错开，完成小型化设计。
天线基础结构为四个TVA四面围成一个长方体，因此需要向四个TVA单元分别馈电。金属微带馈线网络蚀刻于介质板正面，设置第一输出端口8、第二输出端口9、第三输出端口10、第四输出端口11。由于组成天线的TVA单元中，相对的两个TVA单元相位，振幅完全相同，为了天线的小型化设计，通过一个T形功分器连接两个二级Wilkinson功分器。一般馈线阻抗为50Ω，通过T形功分器，两个枝节并联，为了使阻抗匹配，T形功分器枝节的阻抗为100Ω。由于电流从T形功分器分别流入两个方向相反的枝节，产生180°相位差，为了保证两功分器输入端口12电流相位相同，将第一功分器的枝节延长1/2个介质波长，即38.8mm。通过T形功分器枝节后，输入端阻抗为50欧，在T形功分器枝节和Wilkinson功分器输入端之间加载一个1/4个波长的阻抗匹配段，阻抗为50√2。为了保证第一输出端口8、第二输出端口9、第三输出端口10，第四输出端口11输出的信号产生90°相位差，所以第一输出端口8、第二输出端口9到电阻R2的间隔要相比第三输出端口10和第四输出端口11到R2的间隔长1/4个介质波长，即19.5mm。
图4是该天线整体的三维图，将四个TVA单元围成一个长方体，第一天线1和第三天线3成一对并且按照中心旋转对称，第二天线2和第二天线4成一对并且按照中心旋转对称，两对天线单元空间上相互正交。4个天线结构相同，第一天线1和第三天线3产生相位相同的电磁波，第二天线2和第四天线4产生相同相位的电磁波，并与第一天线1和第三天线3产生电磁波相位相差90。
图5是第一天线单元6的结构图，由图可得，在介质板外侧蚀刻金属辐射贴片，第一天线单元6在TVA的基础上向立方体内部弯折90°，为了改善天线辐射性能，在阵子底部两侧分别开扇形缺口，半径为R2。介质板内侧蚀刻金属微带馈线向单元结构进行馈电。
图6是第二天线单元7的结构图，第二天线单元7与第一天线单元6类似，为了防止天线单元在弯折过程中产生重叠，将第三天线单元、第四天线单元的弯折部分向下移动1mm(G2)，并用介质板隔开，H1为第二天线单元7的高度，G1位馈电网络15的介质板厚度。
图6是单个天线意图，由图可以看出，TVA天线是以长轴2a，短轴2b的椭圆曲线为槽线曲线。天线单元以微带馈线顶部相同高度进行弯折，顶部弯折部分14和接地板13之间的间距是20mm，。天线单元底部介质板上面蚀刻金属地板，下面蚀刻馈电网络15，通过4根金属柱与天线微带馈线连接。距离馈线14mm(h)有一个反射板5，用于增强天线增益。反射板宽度和天线孔径宽度分别为W1和W2。
本发明中四个Vivaldi天线单元围成一个矩形，将其中一对天线按照中心旋转对称，将另一对也按照中心旋转对称，两对天线单元空间上相互正交。四个天线单元结构相同，其中一对天线产生相位相同的电磁波，另一对天线产生相同相位的电磁波，两对天线产生的电磁波相位相差90°。将介质板外侧刻蚀的金属辐射贴片向立方体内部弯折90°来实现小型化，弯折部分位于馈线顶部，为了防止两个相邻的单元弯折后有交叉，其中一对单元弯折部分与另一对单元弯折部分上下相差1mm。每个单元底部两侧分别开扇形缺口。馈电网络通过一个T形功分器连接两个二级Wilkinson功分器构成，含有一个输入端和四个输出端，四个输出端口的相位依次相差90°。以上6点保证了天线实现圆极化和小型化，并保持较好的辐射特性。
下面结合测试对本发明的技术效果作详细的描述。
本发明采用上述优化分析后的尺寸制作并测试了天线实物，利用同轴线连接馈电网络对天线馈电；利用绝缘柱将反射板固定在介质板下方14mm处，最终做出的天线实物尺寸为65mm*65mm*35mm；利用矢网仪和微波。图8是本发明实施例提供的增益方向图1.7GHz示意图；图9是本发明实施例提供的增益方向图2.2GHz示意图；图10是本发明实施例提供的增益方向图2.7GHz示意图。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种小型圆极化Vivaldi天线，其特征在于，所述小型圆极化Vivaldi天线包括：四个Vivaldi天线单元围成一个长方体形状，将其中一对天线按照中心旋转对称，将另一对也按照中心旋转对称，两对天线单元空间上相互正交；四个天线单元结构相同，其中一对天线产生相位相同的电磁波，另一对天线产生相同相位的电磁波，两对天线产生的电磁波相位相差90°；将介质板外侧刻蚀的金属辐射贴片向立方体内部弯折90°实现小型化，弯折部分位于馈线顶部，两个相邻的单元弯折后有交叉，其中一对单元弯折部分与另一对单元弯折部分上下相差1mm，每个单元底部两侧分别开扇形缺口，馈电网络通过一个T形功分器连接两个二级Wilkinson功分器构成，含有一个输入端和四个输出端，四个输出端口的相位依次相差90°。
2.如权利要求1所述的小型圆极化Vivaldi天线，其特征在于，所述小型圆极化Vivaldi天线设置有：
七块介质板和一根同轴线馈电线缆；
其中，四块介质板印刷有Vivaldi天线，一块介质板印刷有Vivaldi天线的弯折部分，一块介质板印刷有微带Wilkinson馈电网络，一块覆有金属的介质板充当反射板。
3.如权利要求2所述的小型圆极化Vivaldi天线，其特征在于，两对印刷有Vivaldi天线的介质板成正交90度放置，外表面刻有金属片，内表面刻有微带巴伦馈电，四个天线形状相同。
4.如权利要求2所述的小型圆极化Vivaldi天线，其特征在于，所述Vivaldi天线底部介质板上表面刻蚀金属地板，下表面刻蚀馈电网络，通过四根金属柱与天线微带馈线相连。
5.如权利要求4所述的小型圆极化Vivaldi天线，其特征在于，所述馈电网络介质板下方连接有金属反射板，通过馈电网络介质板上打的圆孔来将其与反射板相连，连接采用金属铜丝。
6.一种移动通信系统，其特征在于，所述移动通信系统安装有权利要求1～5任意一项所述小型圆极化Vivaldi天线。
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