CN115036682A - 一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线 - Google Patents

一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，包括圆形的介质基板；介质基板的上表面四周分布有四组高次模式非均匀压缩偶极子；介质基板的上表面中心位置，设置有串联功分网络；串联功分网络与四组高次模式非均匀压缩偶极子相连接；串联功分网络用于对高次模式非均匀压缩偶极子进行馈电；介质基板的下表面设置有圆形的金属地；介质基板的正下方，间隔设置有一个圆形的金属反射板；一根同轴电缆垂直贯穿通过金属反射板后，与高次模式非均匀压缩偶极子及金属地相连接。本发明通过使用高次模式非均匀压缩偶极子同时加宽半功率波束宽度和轴比波束宽度，使用四组压缩偶极子实现多平面的宽波束性能。

Description

一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压 缩偶极子的圆极化天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线。
背景技术
圆极化天线，由于可以减小无线电波穿越电离层时的法拉第旋转、抑制建筑物造成的多径干扰、降低极化失配导致的极化损耗等优点，被广泛应用于全球定位系统(GPS)和北斗导航卫星系统(CNSS)中。
现代卫星通信对圆极化天线提出了更高的要求，宽波束性能就是其中之一，以便在地球的任何位置都可以接收到信号。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线。
为此，本发明提供了一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，包括水平分布的、圆形的介质基板；
介质基板的上表面四周，等间距均匀分布有四组高次模式非均匀压缩偶极子；
介质基板的上表面中心位置，设置有一个串联功分网络；
串联功分网络中的四个端口，与四组高次模式非均匀压缩偶极子的内侧端相连接；
串联功分网络，用于作为馈电网络，对四组高次模式非均匀压缩偶极子进行馈电；
介质基板的下表面中心位置，设置有圆形的金属地；
介质基板的正下方，间隔设置有一个水平分布的、圆形的金属反射板；金属反射板的中心位置，预留有一个同轴电缆通孔；
一根同轴电缆的顶部，垂直贯穿通过同轴电缆通孔后，与介质基板上表面的高次模式非均匀压缩偶极子以及介质基板下表面的金属地相连接。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其设计科学，其作为一种多平面宽波束圆极化天线，通过使用高次模式非均匀压缩偶极子同时加宽半功率波束宽度(HPBW)和轴比波束宽度(ARBW)，使用四组压缩偶极子实现多平面的宽波束性能，具有重大的实践意义。
对于本发明提供的圆极化天线，其基于高次模式非均匀压缩偶极子，以平面辐射体和平面反射器同时实现宽轴比波束宽度和宽半功率波束宽度，并且使得宽波束性能覆盖整个上半空间。
需要说明的是，以介质基板的上表面圆心为球心形成一个球体，以介质基板上表面所在平面为切面，切割球体的上半部分构成整个上半空间。
附图说明
图1为本发明提供的一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线的三维立体结构示意图；
图2a为本发明提供的一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线的俯视图；
图2b为本发明提供的一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线的正面示意图(即前侧面示意图)；
图2c为本发明提供的一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线中，任意一组高次模式非均匀压缩偶极子的结构示意图；第一组高次模式非均匀压缩偶极子、第二组高次模式非均匀压缩偶极子、第三组高次模式非均匀压缩偶极子和第四组高次模式非均匀压缩偶极子等四组高次模式非均匀压缩偶极子的结构完全相同；
图3为本发明提供的一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线中，作为馈电网络的串联功分网络的结构示意图；
图4为基于基模普通偶极子的十字形圆极化天线、基于基模普通偶极子的方形轮廓圆极化天线、基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线在
Figure DA00036538433851292712
平面的仿真轴比波束宽度和半功率波束宽度对比图；
图5为基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线与基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线(即最佳实施方式天线)在
Figure BDA0003653843380000033
平面和
Figure BDA0003653843380000034
平面的仿真轴比波束宽度对比图；
图6a至图6h，分别是最佳实施方式天线(即基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线)在
Figure BDA0003653843380000035
22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°以及157.5°等八个切面的仿真与测试轴比波束宽度和半功率波束宽度图；
图7a是基于基模普通偶极子的十字形圆极化天线的结构示意图；
图7b是基于基模普通偶极子的方形轮廓圆极化天线的结构示意图；
图7c是基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线的结构示意图；
图8a是基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线的结构示意图；
图8b是基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线的结构示意图；
图中，1是高次模非均匀压缩偶极子，2是介质基板，3是金属地，4是金属反射板，5是串联功分网络；
6是同轴电缆，6a是同轴电缆内芯，6b是同轴电缆介质填充层，6c是同轴电缆外芯；
1a是第一偶极子臂，1b是第二偶极子臂；
101是第一组高次模式非均匀压缩偶极子，102是第二组高次模式非均匀压缩偶极子，103是第三组高次模式非均匀压缩偶极子，104是第四组高次模式非均匀压缩偶极子；
501是第一微带线，502是第二微带线，503是第三微带线，504是第四微带线，505是第五微带线，506是第六微带线，507是第七微带线，508是第八微带线；
601是第一端口，602是第二端口，603是第三端口，604是第四端口，605是第五端口。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1至图8b，本发明提供了一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，包括水平分布的、圆形的介质基板2；
介质基板2的上表面四周，等间距均匀分布有四组高次模式非均匀压缩偶极子1；
需要说明的是，高次模式非均匀压缩偶极子1，用于作为天线的辐射体。
介质基板2的上表面中心位置，设置有一个串联功分网络5；
串联功分网络5中的四个端口，与四组高次模式非均匀压缩偶极子1的内侧端相连接；
串联功分网络5，用于作为馈电网络，对四组高次模式非均匀压缩偶极子1进行馈电；
介质基板2的下表面中心位置，设置有圆形的金属地3；
介质基板2的正下方，间隔设置有一个水平分布的、圆形的金属反射板4；
金属反射板4的中心位置，预留有一个同轴电缆通孔；
一根同轴电缆6的顶部，垂直贯穿通过同轴电缆通孔后，与介质基板2上表面的高次模式非均匀压缩偶极子1以及介质基板2下表面的金属地3相连接。
在本发明中，具体实现上，每组高次模式非均匀压缩偶极子，分别包括一个第一偶极子臂1a和一个第二偶极子臂1b；第一偶极子臂1a和第二偶极子臂1b为中心对称分布；
任意一组高次模式非均匀压缩偶极子1中的第一偶极子臂1a，分别通过一段弧形线(金属线)与相邻一组的高次模式非均匀压缩偶极子1中的第一偶极子臂1a相连；
任意一组高次模式非均匀压缩偶极子1中的第二偶极子臂1b，分别通过一段弧形线(金属线)与相邻一组的高次模式非均匀压缩偶极子1中的第二偶极子臂1b相连。
具体实现上，四组高次模式非均匀压缩偶极子1，具体包括第一组高次模式非均匀压缩偶极子101、第二组高次模式非均匀压缩偶极子102、第三组高次模式非均匀压缩偶极子103和第四组高次模式非均匀压缩偶极子104；
第一组高次模式非均匀压缩偶极子101中的第一偶极子臂1a和第二组高次模式非均匀压缩偶极子102中的第一偶极子臂1a，通过第一弧形线(金属线)相连接并且该段弧形线(金属线)的中点位置与串联功分网络5中的第二端口602相连接；
第一组高次模式非均匀压缩偶极子101中的第二偶极子臂1b和第二组高次模式非均匀压缩偶极子102中的第二偶极子臂1b，通过第三弧形线(金属线)相连接并且该段弧形线(金属线)的中点位置与串联功分网络5中的第四端口604相连接；
第三组高次模式非均匀压缩偶极子103中的第一偶极子臂1a和第四组高次模式非均匀压缩偶极子104中的第一偶极子臂1a，通过第二弧形线(金属线)相连接并且该段弧形线(金属线)的中点位置与串联功分网络5中的第三端口603相连接；
第三组高次模式非均匀压缩偶极子103中的第二偶极子臂1b和第四组高次模式非均匀压缩偶极子104中的第二偶极子臂1b，通过第四弧形线(金属线)相连接并且该段弧形线(金属线)的中点位置与串联功分网络5中的第五端口605相连接。
在本发明中，具体实现上，介质基板2和金属反射板4相互平行；
介质基板2的中心点和金属反射板4的中心点，位于同一垂直轴线上。
在本发明中，具体实现上，参见图2b所示，同轴电缆6，包括从里到外依次分布的同轴电缆内芯6a、同轴电缆介质填充层6b和同轴电缆外芯6c；
其中，同轴电缆内芯6a，通过串联功分网络5与介质基板2上表面的高次模式非均匀压缩偶极子1相连接，用于对四组高次模式非均匀压缩偶极子1进行馈电；
同轴电缆外芯6c，与介质基板2下表面的金属地3相连接，用于对金属地3进行馈电。
需要说明的是，在本发明中，高次模式非均匀压缩偶极子1的材质为介质基板上自带的金属铜，在本专利中，它构成了辐射体进行辐射；
介质基板2的材质为国产睿龙的介电常数＝2.2厚度0.762mm的板子，在本专利中，它是介质载体；
金属地3的材质为介质基板上自带的金属铜，在本专利中，它与串联功分网络共同作用构成馈电部分；
金属反射板4：材质为不锈钢，在本专利中，它是反射器，将波反射回来，减小后瓣，实现定向辐射；
需要说明的是，在本发明中，同轴电缆是现成的高频线缆，同轴电缆6的底部与外部供电设备相连接。
同轴电缆6用于连接外部供电设备和天线，对天线进行馈电，使天线能够工作。供电设备通过同轴电缆对天线进行馈电。
在本发明中，串联功分网络5的材质为介质基板上自带的金属铜，在本专利中，它与金属地共同作用构成馈电部分；
同轴电缆接收外部供电设备的电信号，通过它的内芯传递给介质基板上表面的串联功分网络，串联功分网络进行功率分配和相位延迟，将信号传递给压缩偶极子，最终形成圆极化波进行辐射。
在本发明中，具体实现上，为了使本发明的圆极化天线工作在高次模式，其具有的每组高次模式非均匀压缩偶极子1的总长度，优选为1.5个介质波长。通过改变弯折宽度，调整电流分布情况，进而调整方向图，得到最宽波束宽度。
需要说明的是，在本发明中，介质波长具体是电磁波在介质中传播时的波长，具体计算公式如下：
Figure BDA0003653843380000071
其中，λ是介质波长，λ0是自由空间波长，εr是介质基板的介电常数，在本发明中，εr＝2.2；
在本发明中，具体实现上，所述介质基板2的正下方间隔0.25个自由空间波长处，设置有金属反射板4，以减小后瓣和实现定向辐射。当两个板子的间距是0.25个自由空间波长时，可以获得定向辐射和减小后瓣。
在本发明中，自由空间波长，是电磁波在自由空间中传播时的波长，具体计算公式如下：
Figure BDA0003653843380000072
其中，λ0是自由空间波长，c是真空中的光速为3*108m/s，f是波的谐振频率,在本发明中，f＝1.57*109Hz。
在本发明中，具体实现上，如图3所示，为了使四组高次模式非均匀压缩偶极子1的偶极子臂获得具有相同幅值和90°相位差的馈电，使用了一个串联功分网络5。
在本发明中，参见图3所示，串联功分网络5，包括第一微带线501、第二微带线502、第三微带线503、第四微带线504、第五微带线505、第六微带线506、第七微带线507和第八微带线508；
第一微带线501的一端为第一端口601，用于连接同轴电缆6中的同轴电缆内芯6a；
第一微带线501的另一端分别连接第二微带线502和第三微带线503的一端；
第二微带线502的另一端为第二端口602；
第三微带线503的另一端，分别连接第四微带线504和第五微带线505的一端；
第四微带线504的另一端为第三端口603；
第五微带线505的另一端，分别连接第六微带线506和第七微带线507的一端；
第六微带线506的另一端为第四端口604；
第七微带线507的另一端，连接第八微带线508的一端；
第八微带线508的另一端为第五端口605。
具体实现上，第一微带线501、第二微带线502、第三微带线503、第四微带线504、第五微带线505、第六微带线506、第七微带线507和第八微带线508的长度为0.25个介质波长；
具体实现上，第二微带线502、第四微带线504、第六微带线506和第八微带线508，为旋转对称。
具体实现上，第一端口601，是输入端口，用于连接同轴电缆6的同轴电缆内芯6a，用于输入信号。第二端口602～第五端口605是输出端口，与四组高次模式压缩偶极子内侧相连，用于输出信号。
需要说明的是，在本发明中，串联功分网络5是一个整体，它可以被划分为8段微带线。每段微带线的长度设置为0.25个介质波长。则第二端口602与第三端口603之间的相位差，是由第三微带线503所产生的，0.25个介质波长对应于90°相位延迟，以此类推。最终第二端口602与第五端口605相差90°*3＝270°，但因为周期是360°，所以等价于90°。通过调整每段微带线的宽度，可以使输出第二端口602～第五端口605的输出功率相等。
需要说明的是，对于串联功分网络5，自作为输入端口的第一端口601开始，传输到第二端口(作为输出端口)602的电流经过了第一微带线501和第二微带线502，传输到第三端口(作为输出端口)603的电流经过了第一微带线501、第三微带线503和第四微带线504，第一微带线501和第四微带线504完全相同，因此作为输出端口的第二端口602和第三端口603之间的相位差由第三微带线503产生，它的长度为0.25个介质波长，对应90°的相位延迟。
在本发明中，串联功分网络5，用于为四组高次模式压缩偶极子提供相等幅度和相位差为90°的信号，并且与50Ω的同轴线(即同轴电缆6)匹配，使天线谐振。每段微带线通过设计其长度和宽度，能够实现上述功能。
需要说明的是，鉴于天线具有的负载阻抗和同轴电缆具有的系统阻抗不同，如果直接连接，会导致电磁波大部分反射回去，天线无法谐振正常工作。且本圆极化天线需要具有相位差的馈电。这一切都需要匹配网络。匹配网络由多段微带线构成，每段微带线的长度设置为0.25个介质波长可以最终为天线产生90°的相位差；每段微带线的宽度合适地调整，可以使天线与同轴线缆相匹配，天线谐振，正常工作。
需要说明的是，如图3所示，本发明的圆极化天线通过一个串联功分网络5进行馈电，将天线的中心频率调整为1.57GHz左右。
参见图2c所示，这是任意一组高次模式非均匀压缩偶极子1的示意图。以中间虚线为分界线，每组高次模式非均匀压缩偶极子包括第一偶极子臂1a和第二偶极子臂1b这两个偶极子臂。在示意图和实际设计中，第一偶极子臂1a旋转180°得到第二偶极子臂1b。即第一偶极子臂1a和第二偶极子臂1b为中心对称分布。
在图2c中，中间虚线位置是馈电点；在实际设计中，这个位置对应的是天线中间的串联功分网络5。例如，如果在实际结构中，一并参见图2a，对于第一组高次模式非均匀压缩偶极子101，其具有的第二偶极子臂1b是通过第四端口604馈电的话，那么其具有的第一偶极子臂1a就是通过第二端口602(其与第四端口604为中心对称分布)馈电。并且，在实际设计中，第一组高次模式非均匀压缩偶极子101的第一偶极子臂1a与相邻的第二组高次模式非均匀压缩偶极子102的第一偶极子臂1a通过一段弧形线相连，共同被第二端口602馈电。此时，第一组高次模式非均匀压缩偶极子101的第二偶极子臂1b与第二组高次模式非均匀压缩偶极子102的第二偶极子臂1b也通过一段弧形线相连，共同被第四端口604馈电。
在本发明中，每组高次模式非均匀压缩偶极子1，都是由两个偶极子臂组合成一个完整的偶极子。
参见图2c所示，高次模式非均匀压缩偶极子1通过调整左右两端的弯折部分的宽度，可以具有宽E面方向图，并且E面与H面方向图在宽角度范围内相似。这使得由它组成的圆极化天线可以同时具有宽半功率波束宽度(HPBW)和宽轴比波束宽度(ARBW)。
高次模式非均匀压缩偶极子上的电流分布走向如图中的箭头所示。
在本发明中，高次模式非均匀压缩偶极子是三次模的压缩偶极子，与普通偶极子相比，它左右两端的偶极子臂被进行了弯折。为了让其工作在三次模，第一偶极子臂1a与第二偶极子臂1b加起来的总长度为1.5个介质波长；为了让它具有宽E面方向图，并且E面与H面方向图在宽角度范围内相似，弯折宽度被进行调整。
需要说明的是，对于高次模式非均匀压缩偶极子，其中的高次模式：指天线的谐振模式为1次以上的模式，天线上的电流分布为数个半周期；通过将偶极子的长度设置为1.5个介质波长来实现(因为这里是三次模)。非均匀：指横向电流分布长度不均匀；通过第一偶极子臂1a与第二偶极子臂1b有一部分被压缩，一部分不被压缩来实现。压缩：指横向电流分布长度减小；通过第一偶极子臂1a与第二偶极子臂1b被弯折来实现。
在本发明中，参见图4以及下表1，以及参见图7a至图7c所示，图4及表1显示了基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线与基于基模普通偶极子的十字形圆极化天线、基于基模普通偶极子的方形轮廓圆极化天线进行性能对比。可以看出，本发明在采用了三次模压缩偶极子之后，天线的半功率波束宽度＞100°和轴比波束宽度＞120°。
表1：基于基模普通偶极子的十字形圆极化天线、基于基模普通偶极子的方形轮廓圆极化天线、基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线在
Figure DA00036538433851313276
平面的仿真轴比波束宽度和半功率波束宽度对比表。
Figure BDA0003653843380000111
需要说明的是，基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线：是指三次模压缩偶极子以“十字形”摆放形成的圆极化天线。
基于基模普通偶极子的十字形圆极化天线：是指基模普通偶极子以“十字形”摆放形成的圆极化天线。
基于基模普通偶极子的方形轮廓圆极化天线：是指基模普通偶极子以“方形轮廓”摆放形成的圆极化天线。
在本发明中，基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线中，每个偶极子的总长度为1.5个介质波长，基于基模普通偶极子的十字形圆极化天线和基于基模普通偶极子的方形轮廓圆极化天线中，每个偶极子的总长度为0.5个介质波长。这三个结构，除偶极子长度和放置方式不一样外，其他条件一律相同。
在上述表述中，三次模：指天线谐振模式为三次模，天线上的电流分布为三倍的半个周期。在设计中，偶极子总长度需要为1.5个介质波长。
基模：指天线谐振模式为一次模，天线上的电流分布为半个周期。在设计中，偶极子总长度需要为0.5个介质波长。
十字形：指天线摆放方式，宏观来看，这个结构像一个十字。在设计中，两个偶极子需要垂直正交放置。
方形轮廓：指天线摆放方式，宏观来看，这个结构是正方形的轮廓。在设计中，四个偶极子需要放置在正方形的轮廓里。
压缩偶极子：指偶极子臂被弯折。在设计中，偶极子臂的某一段被弯折起来。
普通偶极子：指偶极子臂未被弯折，是直的。在设计中，偶极子臂保持原样，不进行任何弯折。
其中，基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线使用了本发明设计的高次模式非均匀压缩偶极子，但它不是最佳实施方案天线，它是为了说明高次模式非均匀压缩偶极子的优越性能。
在本发明中，参见图5以及下表2，以及参见图8a至图8b所示，图5及表2显示了基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线与基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线性能对比。可以看出，本发明在采用了基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线之后(即最佳实施方式天线)，天线不仅在
Figure BDA0003653843380000122
平面具有宽轴比波束宽度，而且在
Figure BDA0003653843380000123
平面也具有宽轴比波束宽度。
表2：基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线与基于三次模压缩偶极子米字形圆极化天线(即最佳实施方式天线)在
Figure BDA0003653843380000124
平面和
Figure BDA0003653843380000125
平面的仿真轴比波束宽度对比表。
Figure BDA0003653843380000121
在本发明中，基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线，是指三次模压缩偶极子以“米字形”摆放形成的圆极化天线。
基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线：是指三次模压缩偶极子以“十字形”摆放形成的圆极化天线。
在“基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线”和“基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线”中，每个偶极子的总长度为1.5个介质波长。这2个结构，除放置方式不一样外，其他条件一律相同。
米字形：指天线摆放方式，宏观来看，这个结构像一个米字。在设计中，四个偶极子需要按照米字形状放置。
其中，“基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线”和“基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线”都使用了本发明设计的“高次模式非均匀压缩偶极子”。“基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线”是最佳实施方式天线。“基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线”和“基于三次模压缩偶极子的圆极化天线”进行对比是为了说明最佳实施方式天线的优越性能。
参见图6a至图6h所示，图6a至图6h是最佳实施方式天线(即基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线)的仿真和测试轴比波束宽度和半功率波束宽度。可以看出，最佳实施方式天线在八个切面(即
Figure BDA0003653843380000131
Figure BDA0003653843380000132
以及
Figure BDA0003653843380000133
等八个切面)，同时具有≥118°的轴比波束宽度和≥109°半功率波束宽度。
在本发明中，根据图4以及表1可以看出，采用基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线在φ＝0°平面的半功率波束宽度和轴比波束宽度比另外两个都要宽，在这三个天线中，它的性能是最优的。
然后，根据图5以及表2可以看出，基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线不仅在φ＝0°平面具有宽轴比波束宽度，还在φ＝45°平面具有宽轴比波束宽度。而基于三次模压缩偶极子的十字形圆极化天线只在φ＝0°平面具有宽轴比波束宽度，它无法实现覆盖整个上半空间的宽波束性能。所以，最佳实施方案天线是基于三次模压缩偶极子的米字形圆极化天线。
与现有技术相比较，本发明提供的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，具有如下有益效果：
本发明的圆极化天线基于四组高次模式非均匀压缩偶极子，通过对弯折宽度进行优化，在1545MHz处，同时实现了
Figure BDA0003653843380000134
22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°八个平面的轴比波束宽度≥118°和半功率波束宽度≥109°。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其设计科学，其作为一种多平面宽波束圆极化天线，通过使用高次模式非均匀压缩偶极子同时加宽半功率波束宽度(HPBW)和轴比波束宽度(ARBW)，使用四组压缩偶极子实现多平面的宽波束性能，具有重大的实践意义。
对于本发明提供的圆极化天线，其基于高次模式非均匀压缩偶极子，以平面辐射体和平面反射器同时实现宽轴比波束宽度和宽半功率波束宽度，并且使得宽波束性能覆盖整个上半空间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，包括水平分布的、圆形的介质基板(2)；
介质基板(2)的上表面四周，等间距均匀分布有四组高次模式非均匀压缩偶极子(1)；
介质基板(2)的上表面中心位置，设置有一个串联功分网络(5)；
串联功分网络(5)中的四个端口，与四组高次模式非均匀压缩偶极子(1)的内侧端相连接；
串联功分网络(5)，用于作为馈电网络，对四组高次模式非均匀压缩偶极子(1)进行馈电；
介质基板(2)的下表面中心位置，设置有圆形的金属地(3)；
介质基板(2)的正下方，间隔设置有一个水平分布的、圆形的金属反射板(4)；
金属反射板(4)的中心位置，预留有一个同轴电缆通孔；
一根同轴电缆(6)的顶部，垂直贯穿通过同轴电缆通孔后，与介质基板(2)上表面的高次模式非均匀压缩偶极子(1)以及介质基板(2)下表面的金属地(3)相连接。
2.如权利要求1所述的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，介质基板(2)和金属反射板(4)相互平行；
介质基板(2)的中心点和金属反射板(4)的中心点，位于同一垂直轴线上。
3.如权利要求1所述的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，每组高次模式非均匀压缩偶极子，分别包括一个第一偶极子臂(1a)和一个第二偶极子臂(1b)；第一偶极子臂(1a)和第二偶极子臂(1b)为中心对称分布；
任意一组高次模式非均匀压缩偶极子(1)中的第一偶极子臂(1a)，分别通过一段弧形线与相邻一组的高次模式非均匀压缩偶极子(1)中的第一偶极子臂(1a)相连；
任意一组高次模式非均匀压缩偶极子(1)中的第二偶极子臂(1b)，分别通过一段弧形线与相邻一组的高次模式非均匀压缩偶极子(1)中的第二偶极子臂(1b)相连。
4.如权利要求3所述的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，四组高次模式非均匀压缩偶极子(1)，具体包括第一组高次模式非均匀压缩偶极子(101)、第二组高次模式非均匀压缩偶极子(102)、第三组高次模式非均匀压缩偶极子(103)和第四组高次模式非均匀压缩偶极子(104)；
第一组高次模式非均匀压缩偶极子(101)中的第一偶极子臂(1a)和第二组高次模式非均匀压缩偶极子(102)中的第一偶极子臂(1a)，通过第一弧形线相连接并且该段弧形线的中点位置与串联功分网络(5)中的第二端口(602)相连接；
第一组高次模式非均匀压缩偶极子(101)中的第二偶极子臂(1b)和第二组高次模式非均匀压缩偶极子(102)中的第二偶极子臂(1b)，通过第三弧形线相连接并且该段弧形线的中点位置与串联功分网络(5)中的第四端口(604)相连接；
第三组高次模式非均匀压缩偶极子(103)中的第一偶极子臂(1a)和第四组高次模式非均匀压缩偶极子(104)中的第一偶极子臂(1a)，通过第二弧形线相连接并且该段弧形线的中点位置与串联功分网络(5)中的第三端口(603)相连接；
第三组高次模式非均匀压缩偶极子(103)中的第二偶极子臂(1b)和第四组高次模式非均匀压缩偶极子(104)中的第二偶极子臂(1b)，通过第四弧形线相连接并且该段弧形线的中点位置与串联功分网络(5)中的第五端口(605)相连接。
5.如权利要求1所述的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，同轴电缆(6)，包括从里到外依次分布的同轴电缆内芯(6a)、同轴电缆介质填充层(6b)和同轴电缆外芯(6c)；
其中，同轴电缆内芯(6a)，通过串联功分网络(5)与介质基板(2)上表面的高次模式非均匀压缩偶极子(1)相连接，用于对四组高次模式非均匀压缩偶极子(1)进行馈电；
同轴电缆外芯(6c)，与介质基板(2)下表面的金属地(3)相连接，用于对金属地(3)进行馈电。
6.如权利要求5所述的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，串联功分网络(5)，包括第一微带线(501)、第二微带线(502)、第三微带线(503)、第四微带线(504)、第五微带线(505)、第六微带线(506)、第七微带线(507)和第八微带线(508)；
第一微带线(501)的一端为第一端口(601)，用于连接同轴电缆(6)中的同轴电缆内芯(6a)；
第一微带线(501)的另一端分别连接第二微带线(502)和第三微带线(503)的一端；
第二微带线(502)的另一端为第二端口(602)；
第三微带线(503)的另一端，分别连接第四微带线(504)和第五微带线(505)的一端；
第四微带线(504)的另一端为第三端口(603)；
第五微带线(505)的另一端，分别连接第六微带线(506)和第七微带线(507)的一端；
第六微带线(506)的另一端为第四端口(604)；
第七微带线(507)的另一端，连接第八微带线(508)的一端；
第八微带线(508)的另一端为第五端口(605)。
7.如权利要求6所述的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，第一微带线(501)、第二微带线(502)、第三微带线(503)、第四微带线(504)、第五微带线(505)、第六微带线(506)、第七微带线(507)和第八微带线(508)的长度为0.25个介质波长；
第二微带线(502)、第四微带线(504)、第六微带线(506)和第八微带线(508)，为旋转对称。
8.如权利要求1至7中任一项所述的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，每组高次模式非均匀压缩偶极子(1)的总长度，为1.5个介质波长。
9.如权利要求1至7中任一项所述的宽波束性能覆盖整个上半空间的基于高次模式非均匀压缩偶极子的圆极化天线，其特征在于，所述介质基板(2)的正下方间隔0.25个自由空间波长处，设置有金属反射板(4)。
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