CN115036699B - 一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线 - Google Patents

一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线，以满足宽3‑dB轴比波束和宽半功率波束的要求，该天线具体包括：弯曲矩形介质谐振器、槽加载弯曲金属地板、弯曲介质基板、T型弯曲馈线、PMI支撑介质和3D结构金属反射片。所述弯曲矩形介质谐振器固定在槽加载弯曲金属底板的上表面，其曲率为0.02mm‑1、宽边曲面长度为0.34λ0、窄边长度为0.33λ0，高度为0.07λ0；所述槽加载弯曲金属地板包括金属地板、环形槽、C型槽、短矩形槽和长矩形槽；所述槽加载弯曲金属地板与弯曲矩形介质谐振器中心对齐、固定于弯曲介质基板的上表面。本发明的圆极化天线具有3‑dB轴比波束宽度、宽半功率波束宽度等特性，非常适用于宽波束天线的应用场合。

Description

一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线
技术领域
本发明涉及一种宽波束天线领域，具体来讲是涉及一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线。
背景技术
圆极化天线在北斗导航卫星系统中相比于线极化天线具有抑制多径干扰和减少极化失配的优点而受到广泛应用。其中，3-dB轴比波束宽度和半功率波束宽度作为衡量圆极化天线性能的两个关键指标受到人们的普遍关注。具有宽3-dB轴比波束宽度的天线可以确保无线电信号无论在高海拔地区还是低海拔地区都可以较好地接收；而宽半功率波束宽度则可以提高天线的波束覆盖面积，保证信号的稳定接收，这对于海事导航等通信具有重要意义。并且介质谐振器天线通过采用高介电常数低损耗的材料作为辐射单元，相比于微带贴片天线具有更高的辐射效率，这对于保证通信的稳定性尤为关键。虽然目前针对于宽波束圆极化天线的研究成果较多，但现有的研究存在3-dB轴比波束宽度和半功率波束宽度不能兼得的问题，限制了其在宽波束天线领域的应用。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线，以满足宽3-dB轴比波束和宽半功率波束的要求，该天线具体包括：弯曲矩形介质谐振器、槽加载弯曲金属地板、弯曲介质基板、T型弯曲馈线、PMI支撑介质和3D结构金属反射片。
所述弯曲矩形介质谐振器固定在槽加载弯曲金属底板的上表面，其曲率为0.02mm-1、宽边曲面长度为0.34λ0、窄边长度为0.33λ0，高度为0.07λ0；
所述槽加载弯曲金属地板包括金属地板、环形槽、C型槽、短矩形槽和长矩形槽；所述槽加载弯曲金属地板与弯曲矩形介质谐振器中心对齐、固定于弯曲介质基板的上表面；所述短矩形槽和长矩形槽的夹角为90°；所述短矩形槽和长矩形槽的长度关系为1:1.8；所述C型槽的开口角度为80°；
所述T型弯曲馈电线位于弯曲介质基板的下表面，包括阻抗为45欧姆的细传输线、阻抗为21欧姆的粗传输线和阻抗为40欧姆的开路枝节；所述T型弯曲馈电线通过槽加载弯曲金属地板激励弯曲矩形介质谐振器形成圆极化辐射模式。
所述PMI支撑介质包含一个半圆柱PMI介质和一个矩形PMI介质，均位于T型弯曲馈电线的下表面；所述半圆柱PMI介质的高度为0.26λ0、所述矩形PMI介质的高度为0.26λ0；
所述3D结构金属反射片包含1个水平矩形金属反射片和四个尺寸相同的垂直矩形金属反射片，依次为第一金属壁、第二金属壁、第三金属壁和第四金属壁；所述水平矩形金属反射片位于矩形PMI支撑介质下表面，而垂直矩形金属反射片则包裹于矩形PMI支撑介质的四周。
进一步，所述弯曲矩形介质谐振器、槽加载弯曲金属地板、弯曲介质基板、T型弯曲馈线和半圆柱PMI介质具有相同的曲率半径，均为0.02mm-1；所述半圆柱PMI介质的直径与矩形PMI介质的长相同；所述半圆柱PMI介质的长度与矩形PMI介质的宽度尺寸相同。
再进一步，通过调整所述弯曲矩形介质谐振器的曲率，可以获得较宽的半功率波束宽度。
更进一步，通过加载水平矩形金属反射片可以同时改善弯曲矩形介质谐振器的轴比特性和半功率波束特性；通过调整垂直矩形金属反射片的高度可以改善天线PHI＝±45°平面的轴比特性，有利于宽波束天线的设计。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线具有下列优点：1.通过采用具有高介电常数、低介质损耗的材料制作介质谐振器天线，使得天线具有无表面波损耗、辐射效率高等特点；2.通过采用弯曲结构的矩形介质谐振器天线，使得天线具有宽半功率波束宽度的特性；3.通过采用3D结构金属反射片，使得天线具有宽3-dB轴比波束宽度的特点，并进一步展宽了其半功率波束宽度。综上，本发明的圆极化天线具有3-dB轴比波束宽度、宽半功率波束宽度等特性，非常适用于宽波束天线的应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。
图1为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线的结构俯视图；
图2为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线的结构侧视图；
图3为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线的结构正视图；
图4为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线的槽加载弯曲金属地板(2)结构图；
图5为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线的T型弯曲馈线(4)结构图；
图6为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线示例的S参数曲线图；
图7为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线示例的轴比波束宽度曲线；
图8为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线示例的功率波束宽度曲线；
图9为本发明基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线示例的辐射方向性图。
图中：1.弯曲矩形介质谐振器，2.槽加载弯曲金属地板，21、金属地板，22、环形槽，23、C型槽，24、短矩形槽，25、长矩形槽，3.弯曲介质基板，4.T型弯曲馈线，41、细传输线，42、粗传输线，43、开路枝节，5.PMI支撑介质，51、半圆柱PMI介质，52、矩形PMI介质，6.3D结构金属反射片，61、水平矩形金属反射片，62、垂直矩形金属反射片，621、第一金属壁，622、第二金属壁，623、第三金属，624、第四金属壁。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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：
如图1至图4所示的一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线，该天线在具有宽半功率波束宽度的同时，也具有宽3-dB轴比波束宽度特性，满足了宽波束天线的要求，具体包括：弯曲矩形介质谐振器1、槽加载弯曲金属地板2、弯曲介质基板3、T型弯曲馈线4、PMI支撑介质5和3D结构金属反射片6。所述弯曲矩形介质谐振器1的曲率为0.02mm-1；所述弯曲矩形介质谐振器1的长、宽、高分别为64.9mm、63.6mm、14.1mm，其换算为波导波长分别为：0.34λ0、0.33λ0和0.07λ0；所述弯曲介质谐振器1固定于槽加载弯曲金属地板2的上表面；所述槽加载弯曲金属地板2包括金属地板21、环形槽22、C型槽23、短矩形槽24和长矩形槽25，所述槽加载弯曲金属地板2与弯曲矩形介质谐振器1中心对齐，固定于弯曲介质基板3的上表面；所述短矩形槽24和长矩形槽25的夹角为90°；所述短矩形槽24和x轴的夹角为逆时针45°；所述长矩形槽25和x轴的夹角为顺时针45°；所述短矩形槽24和长矩形槽25的长度关系为1:1.8；所述C型槽23的开口角度为80°；所述弯曲介质基板3的高度为0.2mm；所述T型弯曲馈线4包括阻抗为45欧姆的细传输线41，阻抗为21欧姆的粗传输线42，阻抗为40欧姆的开路枝节43；所述T型弯曲馈线4位于弯曲介质基板3的下表面；所述T型弯曲馈线4通过槽加载弯曲金属地板2的环形槽22、C型槽23、短矩形槽24和长矩形槽25部分激励弯曲介质谐振器1，形成右旋圆极化辐射模式；所述PMI支撑介质5分为半圆柱PMI介质51和矩形PMI介质52；所述PMI支撑介质5均位于T型弯曲馈线4的下表面。所述半圆柱PMI介质51的半径和长度分别为0.26λ0和0.58λ0；所述矩形PMI介质52的长、宽、高分别为0.58λ0、0.58λ0和0.26λ0；3D结构金属反射片6包含水平矩形金属反射片61和垂直矩形金属反射片62；所述水平矩形金属反射片61位于矩形PMI介质52的下表面，其尺寸与矩形PMI介质52相同；所述垂直矩形金属反射片62包含四个尺寸相同的第一金属壁621、第二金属壁622、第三金属壁623和第四金属壁624；所述垂直矩形金属反射片62包裹于矩形PMI介质52的四周，且与水平矩形金属反射片61相连接；所述3D结构金属反射片6的厚度均为0.2mm。
所述的一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线采用弯曲介质谐振器1和3D结构金属反射片6实现宽波束特性。通过设置弯曲介质谐振器1的曲率为0.02mm-1，可得到相比于平面结构更宽的半功率波束宽度。通过调节T型弯曲馈线4的粗传输线42和开路枝节43，可改善天线的匹配特性。通过3D结构金属反射片6的水平矩形金属反射片61可以改善天线的3-dB轴比波束特性，并进一步展宽天线的半功率波束宽度。通过3D结构金属反射片6的垂直矩形金属反射片62可以改善天线在PHI＝±45°平面的3-dB轴比特性。
本发明采用的技术指标如下：
中心频率：1.561GHz
回波损耗：＞15dB
极化方式：右旋圆极化
3-dB轴比波束宽度：＞160°
半功率波束宽度：＞150°
如图1、2、3、4、5所示的一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线，所述弯曲矩形介质谐振器1均位于槽加载弯曲金属地板2上方；所述槽加载弯曲金属地板2包括金属地板21，环形槽22、C型槽23、短矩形槽24和长矩形槽25；所述T型弯曲馈线4通过槽加载弯曲金属地板2的环形槽22、C型槽23、短矩形槽24和长矩形槽25部分激励正上方弯曲矩形介质谐振器1辐射右旋圆极化波；弯曲介质基板3的高度为0.2mm；T型弯曲馈线4位于弯曲介质基板3的下表面，起到耦合馈电的作用；PMI支撑介质5包含半圆柱PMI介质51和矩形PMI介质52，其在天线中起到支撑作用；3D结构金属反射片6包含1个水平矩形金属反射片61和垂直矩形金属反射片62；所述水平矩形金属反射片位于矩形PMI介质52的下表面；所述垂直矩形金属反射片62包含第一金属壁621、第二金属壁622、第三金属壁623和第四金属壁624，均包裹于矩形PMI介质52的四周。所述一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线的弯曲矩形谐振器1采用介电常数为10的低介质损耗材料制成，在一定程度上提高了辐射效率。同时该天线采用具有宽半功率波束宽度的弯曲矩形介质谐振器1，再加上3D结构金属反射器6的加载同时满足了宽3-dB轴比波束和宽半功率波束的要求。
如图6所示，本发明提出的一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线在示例中心频率1.561GHz处及附近频带内的S参数小于-15dB。说明本发明提出的天线具有较好的匹配性能。
如图7所示，本发明提出的一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线在示例中心频率1.561GHz处的3-dB轴比波束宽度均优于160°。说明本发明提出的天线具有较宽的3-dB轴比波束宽度。
如图8所示，本发明提出的一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线在示例中心频率1.561GHz处的半功率波束宽度均优于150°。说明本发明提出的天线具有较宽的半功率波束宽度。
如图9所示，本发明提出的一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线在示例中心频率1.561GHz处辐射右旋圆极化波，并且其交叉极化鉴别优于19dB。说明本发明提出的天线能够满足该频段北斗导航天线右旋圆极化波的工作条件，同时具有较好的交叉极化鉴别性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于弯曲矩形介质谐振器的宽波束北斗导航天线，其特征在于包括：弯曲矩形介质谐振器(1)、槽加载弯曲金属地板(2)、弯曲介质基板(3)、T型弯曲馈线(4)、PMI支撑介质(5)和3D结构金属反射片(6)；
所述槽加载弯曲金属地板(2)包括金属地板(21)、环形槽(22)、C型槽(23)、短矩形槽(24)和长矩形槽(25)；所述槽加载弯曲金属地板(2)与弯曲矩形介质谐振器(1)的中心对齐；
所述T型弯曲馈线(4)包括阻抗为45欧姆的细传输线(41)、阻抗为21欧姆的粗传输线(42)和阻抗为40欧姆的开路枝节(43)；所述T型弯曲馈线(4)通过槽加载弯曲金属地板(2)激励弯曲矩形介质谐振器(1)并形成圆极化辐射模式；
所述PMI支撑介质(5)包括半圆柱PMI介质(51)和矩形PMI介质(52)；所述半圆柱PMI介质(51)的半径为0.26λ0、所述矩形PMI介质(52)的高度为0.26λ0；
所述3D结构金属反射片(6)包含水平矩形金属反射片(61)和垂直矩形金属反射片(62)；所述水平矩形金属反射片(61)位于矩形PMI介质(52)下表面、与矩形PMI介质(52)下表面尺寸相同；所述垂直矩形金属反射片(62)包括尺寸相同的第一金属壁(621)、第二金属壁(622)、第三金属壁(623)和第四金属壁(624)；所述垂直矩形金属反射片(62)包裹在矩形PMI介质(52)的四周且与水平矩形金属反射片(61)相连接。
2.根据权利要求1所述的宽波束北斗导航天线，其特征在于：所述短矩形槽(24)和长矩形槽(25)的夹角为90°；所述短矩形槽(24)和长矩形槽(25)的长度关系为1:1.8；所述C型槽(23)的开口角度为80°。
3.根据权利要求1所述的宽波束北斗导航天线，其特征在于：所述弯曲矩形介质谐振器(1)的曲率为0.02mm-1、宽边曲面长度为0.34λ0、窄边长度为0.33λ0，高度为0.07λ0。
4.根据权利要求1所述的宽波束北斗导航天线，其特征在于：所述弯曲矩形介质谐振器(1)、槽加载弯曲金属地板(2)、弯曲介质基板(3)、T型弯曲馈线(4)和半圆柱PMI介质(51)具有相同的曲率半径；所述半圆柱PMI介质(51)的直径与矩形PMI介质(52)的长度尺寸相同；所述半圆柱PMI介质(51)的宽度与矩形PMI介质(52)的宽度尺寸相同。
5.根据权利要求1所述的宽波束北斗导航天线，其特征在于：通过调整所述弯曲矩形介质谐振器(1)的曲率获得较宽的半功率波束宽度。
6.根据权利要求1所述的宽波束北斗导航天线，其特征在于：通过加载所述水平矩形金属反射片(61)，展宽天线的3-dB轴比波束宽度及半功率波束宽度；通过加载所述垂直矩形金属反射片(61)改善天线PHI＝±45°平面的3-dB轴比波束宽度。
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