CN115347372A - 一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线 - Google Patents

一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，包括弧形寄生条带、弧形耦合条带、圆形金属地、圆环和圆形辐射贴片；所述弧形寄生条带作为引向器，可以有效展宽天线的波束宽度；所述弧形耦合条带通过独立的多馈点馈电网络，实现对天线的馈电；所述圆形金属地，能够改善天线的辐射特性，实现较好的宽波束特性；所述圆环和圆形辐射贴片，可以实现在无人机数据传输和遥控频段下共口径工作。本发明采用层叠结构，实现了性能独立可控的低剖面宽波束双频圆极化共口径天线，在无人机通信系统中具有潜在应用价值。

Description

一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线
技术领域
本发明涉及一种共口径天线，尤其是一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线。
背景技术
在天线技术迅猛发展的同时无人机通信系统也遇到了研究瓶颈，在复杂恶劣的电磁环境下保持高效稳定的通信成为至关重要的研究目标。共口径天线既能够在狭小的辐射口径内实现多频段天线工作，还可以独立调控多频段天线间的性能影响，实现整个系统的小型化、多功能、集成化。
多频段共口径天线技术的发展，为研制高效稳定的通信系统设备提供了新的设计方案，它将多功能天线集成在同一口径，在增加信息容量的同时，大大减小了天线的重量和体积，所以多频段共口径天线在无线通信系统中具有广泛的应用前景。
在无人机等飞行平台的通信系统中，为了能实现各种飞行姿态下的通信需求，也要求天线具有宽波束覆盖能力。同时，圆极化天线能够提高通信链路的抗极化失配能力，而且圆极化电磁波可以有效抑制复杂恶劣环境下的多径反射。因此，研究如何实现低剖面宽波束圆极化多频共口径天线就显得十分有意义。
如何设计实现上述性能的天线，成为新的关注点。虽然可以采用不同的方法实现共口径天线，但是既要保证结构的低剖面，又要实现宽波束特性，对天线设计提出了苛刻的要求。特别是要实现天线宽波束性能的同时保证低剖面，且又要实现良好的圆极化辐射特性，成为了天线工程师们难以兼顾的难题。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线。
技术方案：一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，包括介质基片、弧形寄生条带、弧形耦合条带、圆形金属地、圆形金属辐射贴片、圆环金属辐射贴片；
所述介质基片包括上下平行布置的上层介质基片、下层介质基片构成，所述弧形寄生条带和弧形耦合条带均置于上层介质基片的上方，且沿介质板中心对称分布；所述圆形金属地置于下层介质基片的下方；所述圆形金属辐射贴片置于上层介质基片的上方，圆环金属辐射贴片置于下层介质基片的上方；
所述弧形耦合条带和圆形金属辐射贴片上均连接有金属馈电探针，分别利用独立的多馈点馈电网络进行馈电，实现良好的圆极化辐射特性。
优选的是，本发明的上层介质基片、下层介质基片的长度与宽度均为100mm，上层介质基片厚度为1mm，下层介质基片厚度为3mm，且双层介质基片中间填充空气层，厚度为8mm。
优选的是，本发明弧形寄生条带的内径为82mm，长为37mm，宽为3mm。
优选的是，本发明弧形耦合条带的内径为50mm，长为22mm，宽为5mm。
优选的是，本发明圆形金属地的直径为70mm。
优选的是，本发明圆形金属辐射贴片的直径为48mm；所述圆环金属辐射贴片的内径为40mm，外径为49mm；。
优选的是，本发明耦合条带上的金属馈电探针距介质基片中心27mm，圆形金属辐射贴片上的金属馈电探针距介质基片中心13mm。
有益效果：本发明设计实现了一款工作在无人机通信频段的双频圆极化共口径天线，结构简单紧凑，易加工实现，同时具有低剖面宽波束的特点，在无人机通信系统中具有潜在的应用价值。具体将在下文描述。
附图说明
图1为具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线的三维整体结构图。
图2为具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线的俯视图。
图3为具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线的侧视图。
图4为弧形寄生条带对圆形贴片天线辐射方向图性能的影响曲线。
图5为弧形寄生条带对圆环贴片天线辐射方向图性能的影响曲线。
图6为具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线的反射曲线图。
图7为具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线的轴比特性图。
图8为具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线的辐射方向图。
其中：1、介质基片，2、弧形寄生条带，3、弧形耦合条带，4、圆形金属地，5、圆形金属辐射贴片，6、圆环金属辐射贴片，7、金属馈电探针。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，包括介质基片1、弧形寄生条带2、弧形耦合条带3、圆形金属地4、圆形金属辐射贴片5、圆环金属辐射贴片6；
所述介质基片1包括上下平行布置的上层介质基片、下层介质基片构成，所述弧形寄生条带2和弧形耦合条带3均置于上层介质基片的上方，且沿介质板中心对称分布；所述圆形金属地4置于下层介质基片的下方；所述圆形金属辐射贴片5置于上层介质基片的上方，圆环金属辐射贴片6置于下层介质基片的上方；
所述弧形耦合条带3和圆形金属辐射贴片5上均连接有金属馈电探针，分别利用独立的多馈点馈电网络进行馈电，实现良好的圆极化辐射特性。
在进一步的实施例中，本发明构成介质基片1的上层介质基片、下层介质基片的长度与宽度均为100mm，上层介质基片厚度为1mm，下层介质基片厚度为3mm，且双层介质基片中间填充空气层，厚度为8mm。整个天线的剖面高度仅为0.06 λ 0（λ 0为自由空间中1437MHz处波长），具有较好的低剖面特性。
在进一步的实施例中，采用弧形寄生条带2可以有效展宽下层圆形贴片天线的半功率波束宽度。如图2所示，弧形寄生条带2的内径为82mm，长为37mm，宽为3mm；所述弧形耦合条带3的内径为50mm，长为22mm，宽为5mm。
在进一步的实施例中，所述圆形金属地4的直径为70mm。
在进一步的实施例中，所述所述圆形金属辐射贴片5（工作在无人机遥控频段2408-2440MHz）的直径为48mm；圆环金属辐射贴片6（工作在无人机数据传输频段1430-1444MHz）的内径为40mm，外径为49mm。
通过采用圆环金属辐射贴片6可以实现上层天线的小型化，同时对下层圆形金属贴片辐射特性影响较小。因此，有利于实现共口径天线的小型化、集成化。
在进一步的实施例中，如图3所示，所述弧形耦合条带3上的金属馈电探针7距介质基片中心27mm，圆形金属辐射贴片5上的金属馈电探针7距介质基片中心13mm。
在更进一步的实施例中，本发明的天线工作时，采用多馈点顺序旋转馈电的方式进行激励。
能量由50Ω同轴探针输入，同轴探针的内部芯层连接所述弧形耦合条带和圆形金属辐射贴片，所述圆形金属地与同轴探针的外部芯层连接。当激励圆环金属辐射贴片时，能量通过所述弧形寄生条带与圆环贴片的缝隙耦合将能量传输到所述圆环金属辐射贴片中；当激励圆形金属辐射贴片时，能量通过在圆形贴片上激励正交极化的简并模来辐射圆极化波。
一方面，如图4所示，所述弧形寄生条带2为加载结构，通过调整条带的长度，可以调控下层圆形金属辐射贴片天线的半功率波束宽度。弧形寄生条带2的长度是需要重点优化的参数，从图中三条曲线可以看出，综合增益和半功率波束宽度性能指标，当加载6条寄生条带时，天线的半功率波束宽度可达152°，满足设计目标的实际需求。
另一方面，如图5所示，所述弧形寄生条带加载并没有对上层圆环金属贴片辐射性能造成影响，进而保证了双频共口径天线的独立性能。
图6为具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线的反射曲线图，其中（a）表示圆环金属辐射贴片工作带宽足以覆盖无人机数据传输频段（1430-1444MHz），（b）表示圆形金属辐射贴片工作带宽也足以满足无人机遥控工作频段（2408-2440MHz）要求。
进一步结合图7和图8可见，发明的双频圆极化共口径天线，工作在1437 MHz下的3dB轴比波束宽度为116°，半功率波束宽度为112°；工作在2424MHz下的3dB轴比波束宽度为148°，半功率波束宽度为152°，同时均具有良好的波束对称性，实现了宽波束特性。
总之，本发明具有以下优点：共口径天线采用圆环和圆形金属辐射贴片层叠放置，结构简单紧凑，且相互之间性能较为独立。弧形寄生条带可以有效展宽圆形贴片天线的半功率波束宽度，同时对圆环贴片天线性能影响较小，波束宽度调控自由度大。采用多馈点顺序旋转馈电，实现了良好的圆极化特性。本发明天线工作带宽覆盖了无人机数据传输和遥控频段，同时具有低剖面宽波束圆极化的特点，在无人机通信系统中具有潜在的应用价值。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，其特征在于，包括介质基片（1）、弧形寄生条带（2）、弧形耦合条带（3）、圆形金属地（4）、圆形金属辐射贴片（5）、圆环金属辐射贴片（6）；
所述介质基片（1）包括上下平行布置的上层介质基片、下层介质基片构成，所述弧形寄生条带（2）和弧形耦合条带（3）均置于上层介质基片的上方，且沿介质板中心对称分布；所述圆形金属地（4）置于下层介质基片的下方；所述圆形金属辐射贴片（5）置于上层介质基片的上方，圆环金属辐射贴片（6）置于下层介质基片的上方；
所述弧形耦合条带（3）和圆形金属辐射贴片（5）上均连接有金属馈电探针，分别利用独立的多馈点馈电网络进行馈电。
2.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，其特征在于，所述上层介质基片、下层介质基片的长度与宽度均为100mm，上层介质基片厚度为1mm，下层介质基片厚度为3mm，且双层介质基片中间填充空气层，厚度为8mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，其特征在于，所述弧形寄生条带（2）的内径为82mm，长为37mm，宽为3mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，其特征在于，所述弧形耦合条带（3）的内径为50mm，长为22mm，宽为5mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，其特征在于，所述圆形金属地（4）的直径为70mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，其特征在于，所述圆形金属辐射贴片（5）的直径为48mm；所述圆环金属辐射贴片（6）的内径为40mm，外径为49mm；。
7.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽波束特性的双频圆极化共口径天线，其特征在于，所述耦合条带（3）上的金属馈电探针距介质基片中心27mm，圆形金属辐射贴片（5）上的金属馈电探针距介质基片中心13mm。
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