CN115441174B - 一种双频低剖面宽波束圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双频低剖面宽波束圆极化天线，包括：金属接地板、第一层方形介质板、第二层方形介质板、第三层方形介质板和若干金属圆柱，其中，所述金属接地板与所述第一层方形介质板相连，所述第一层方形介质板、所述第二层方形介质板、所述第三层方形介质板通过所述金属圆柱连接，且相邻两层介质板之间的所述金属柱呈90°分布。本发明天线具有螺旋形辐射结构、双频、圆极化、宽波束、心形辐射方向图、良好的轴比，保证了圆极化天线应用于卫星导航的定位精度，在卫星通信系统具有广泛的应用前景。

Description

一种双频低剖面宽波束圆极化天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种双频低剖面宽波束圆极化天线。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的高速发展，圆极化天线受到了广泛关注，圆极化天线在射频识别、全球定位系统、卫星通信和射频能量收集等系统中得到了广泛的运用，得益于圆极化天线可以防止发送和接收信号时因法拉第旋转效应造成的多径失真和极化失配损失，圆极化可以减轻偏振失配，消除信号通过电离层时的法拉第旋转，并在发送端和接收端方向上提供很大的灵活性。因此，圆极化天线已经在很多无线通信系统中大显身手，值得一提的是广泛使用圆极化天线的全球定位系统(GPS)和卫星通信系统。为了实现圆极化辐射，常见的卫星导航系统的接收天线主要是微带天线、四臂螺旋天线。四臂螺旋天线因其心形辐射方向图和宽角度范围内良好的圆偏振成为目前广泛使用的圆极化天线。此外，四臂螺旋天线的对称结构保持了稳定的相中心。相比于微带贴片天线，四臂螺旋天线体积大，剖面高，因此，小型化低剖面是四臂螺旋天线设计的重要课题之一。
目前，天线的发展趋向于高效化，小型化，而四臂螺旋天线的尺寸大、加工难度高，剖面高。因此，小型化、低剖面是圆极化天线，特别是四臂螺旋天线的主要研究方向之一。随着通信设备的逐步小型化，对天线的要求也在不断严格，在确保天线的性能不受干扰的前提下，小型化的问题是天线研发人员亟待解决的主要问题之一。对于四臂螺旋天线，四臂螺旋天线拥有心形的辐射方向图和宽的波束带宽，以及优秀的圆极化特性。若将四臂螺旋天线经行小型化、低剖面，那么可以更好的满足现如今的卫星导航系统的需求。因此，小型化、低剖面将是四臂螺旋天线在卫星通信系统中运用的发展热点趋势。
发明内容
本发明的目的是提出一种双频低剖面宽波束圆极化天线，运用多层天线结构和金属圆柱结构，实现圆极化天线的设计，运用在卫星通信系统中。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双频低剖面宽波束圆极化天线，包括：
金属接地板、第一层方形介质板、第二层方形介质板、第三层方形介质板和若干金属圆柱，其中，所述金属接地板与所述第一层方形介质板相连，所述第一层方形介质板、所述第二层方形介质板、所述第三层方形介质板通过所述金属圆柱连接，且相邻两层介质板之间的所述金属柱呈90°分布。
优选地，所述金属接地板为单层金属结构。
优选地，所述金属接地板包括若干馈电口，所述第一层方形介质板和所述第三层方形介质板上印刷有若干矩形辐射条带，所述第二层方形介质板上印刷有若干U形辐射条带。
优选地，所述馈电口之间相位相差90°，所述矩形辐射条带和所述U形辐射条带为正交交替排布且相位相差90°。
优选地，所述矩形辐射条带和所述U形辐射条带为金属带或者铝带。
优选地，相邻两层介质板之间的辐射条带通过所述金属柱首尾相连，呈90°分布，构成螺旋结构，且所述辐射条以所述馈电口至另一端的方向为基准呈逆时针方向分布。
优选地，所述第一层方形介质板上的矩形辐射条带包括第一连接端和第一起始端，所述第二层方形介质板上的U形辐射条带包括U形开口端和U形连接端，所述第三层方形介质板上的矩形辐射条带包括第二连接端和第二起始端。
优选地，所述第一连接端通过同轴探针与所述馈电口连接，所述第一起始端与所述U形开口端连接，所述U形连接端与所述第二起始端连接，所述第二起始端为开路。
本发明的有益效果为：
本发明采用三层印刷的辐射条带与金属圆柱实现螺旋形辐射多层结构，其有益之处是将圆极化的天线的辐射臂通过多层和U形结构层叠的方式延长，降低天线的剖面高度，降低天线的设计成本；通过螺旋形辐射臂构成螺旋形辐射结构，并采用U形辐射带条，降低天线剖面高度，实现天线的双频工作模式，且采用螺旋形辐射臂构成螺旋形辐射结构实现宽波束设计；同时，螺旋形辐射结构可以产生心型方向图，保证了极佳的辐射特性和圆极化特性，且具有小型化和易加工的特点，可以更好的运用在卫星通信系统中，具有实际运用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种双频低剖面宽波束圆极化天线的3D图；
图2为本发明实施例中一种双频低剖面宽波束圆极化天线的仰视图；
图3为本发明实施例中一种双频低剖面宽波束圆极化天线主视图；
图4为本发明实施例中一种双频低剖面宽波束圆极化天线第一层方形介质板结构图；
图5为本发明实施例中一种双频低剖面宽波束圆极化天线第二层方形介质板结构图；
图6为本发明实施例中一种双频低剖面宽波束圆极化天线第三层方形介质板结构图；
其中，116-金属接地板，101-第一层方形介质板，102-第二层方形介质板，103-第三层方形介质板，104-第一矩形辐射条带，105-第二矩形辐射条带，106-第三矩形辐射条带，107-第四矩形辐射条带，108-第一U形辐射条带，109-第二U形辐射条带，110-第三U形辐射条带,111-第四U形辐射条带，112-第五矩形辐射条带，113-第六矩形辐射条带，114-第七矩形辐射条带，115-第八矩形辐射条带，121-金属圆柱一，122-金属圆柱二，123-金属圆柱三，124-金属圆柱四，125-金属圆柱五，126-金属圆柱六，127-金属圆柱七，128-金属圆柱八，117-第一馈电口，118-第二馈电口，119-第三馈电口，120-第四馈电口。
具体实施方式
下面将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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种双频低剖面宽波束圆极化天线(如图1-3)，其包括金属接地板116、第一层方形介质板101、第二层方形介质板102和第三层方形介质板103，印刷在第一层方形介质板上的四个矩形辐射条带(第一矩形辐射条带104、第二矩形辐射条带105，第三矩形辐射条带106、第四矩形辐射条带107)、第二层方形介质板上的四个U形辐射条带(第一U形辐射条带108、第二U形辐射条带109、第三U形辐射条带110、第四U形辐射条带111)、第三层方形介质板上的四个矩形辐射条带(第五矩形辐射条带112、第六矩形辐射条带113、第七矩形辐射条带114、第八矩形辐射条带115)，每层方形介质板上的四个辐射条带相位相差90°，且呈正交交替排布，相邻两层之间的辐射条带由金属圆柱(121-128)相连，且首尾相连呈90°分布。每层的辐射条带由金属圆柱连接，从而构成该螺旋结构。所述的圆极化天线，印刷在第一层方形介质板101上的四个矩形辐射条带(104-107)，矩形条带第一连接端分别与同轴探针连接实现馈电，且四个馈电口(117-120)相位差为90°。印刷在第二层方形介质板102上的四个U形辐射条带(108-111)，其U形开口端与印刷在第一层方形介质板101上的四个矩形辐射条带的第一起始端通过金属圆柱连接，同时四个U形辐射条带增加了谐振长度和相互耦合，增大波束宽度，便于形成双频；印刷在第三层方形介质板103上的四个矩形辐射条带(112-115)的第二起始端分别与印刷在第二层方形介质板102上的四个U形辐射条带的U形连接端相连。以印刷在第一层方形介质板101上的四个矩形辐射条带以馈电端口至另一端的方向为基准，印刷在三层介质基板上的辐射条带均呈逆时针方向，且条带为金属带或者铝带。该天线可以用于卫星通信系统天线设计，且易于实现高精度、小型化。
印刷在第一层方形介质板101上的四个辐射条带(104-107)的一端与同轴探针连接，且四个馈电口相位差90°，实现馈电，印刷在第二层方形介质板上的四个辐射条带(108-111)增加新的枝节，形成U型辐射条带。
金属接地板116为单层的金属结构，使用铜作为金属材料，所有的辐射条带可以为铜或者铝等金属。金属接地板116起到反射板的作用，消除反射电磁波的同时阻止了空间中其他无用的电磁波传输到辐射条带，提高了天线的增益。三层辐射条带(104-115)分别印刷在三层方形介质板(101-103)上，第一层方形介质板101上的第一矩形辐射条带104与第二层方形介质板102上的第一U形辐射条带108通过金属圆柱一121相连，第二层方形介质板102上的第一U形辐射条带108与第三层方形介质板103上的第五矩形辐射条带112通过金属圆柱五125相连，整体构成第一个螺旋形辐射臂；第二矩形辐射条带105，第二U形辐射条带109，第六矩形辐射条带113通过金属圆柱二122、金属圆柱六126相连，构成第二个螺旋形辐射臂；第三矩形辐射条带106，第三U形辐射条带110，第七矩形辐射条带114通过金属圆柱三123、金属圆柱七127相连，构成第三个螺旋形辐射臂；第四矩形辐射条带107，第四U形辐射条带111，第八矩形辐射条带115通过金属圆柱四124、金属圆柱八128相连，构成第四个螺旋形辐射臂。图4是第一层方形介质板结构图，图5为第二层方形介质板结构图，图6为第三层方形介质板结构图。
每层的辐射条带由金属圆柱连接，从而构成该螺旋结构。印刷在第一层方形介质板101上的四个矩形辐射条带，矩形辐射条带的第一连接端分别与同轴探针连接实现馈电，且四个馈电口相位差为90°。印刷在第二层方形介质板102上的四个U形辐射条带，其U形开口端与印刷在第一层方形介质板101上的四个矩形辐射条带的另外一端通过金属圆柱连接，同时四个U形辐射条带增加了谐振长度和相互耦合，增大波束宽度，便于形成双频；印刷在第三层方形介质板103上的四个矩形辐射条带的起始端分别与印刷在第二层方形介质板102上的四个U形辐射条带的U形连接端相连。以印刷在第一层方形介质板101上的四个矩形辐射条带的馈电端口至另一端的方向为基准，印刷在三层介质基板上的辐射条带均呈逆时针方向。
所述的金属圆柱连接相邻两层之间的辐射条带，多层条带结构把圆极化天线的螺旋形辐射臂分成3部分，且三部分首尾相连，呈逆时针方向，每层上的条带结构均呈90°相位差分布，天线的工作频段为1.57GHz与2.55GHz。该天线具有低剖面、优秀的辐射方向图、极好的圆极化特性、双频特性、宽波束、稳定的螺旋形辐射结构和较小的天线结构，可以应用在卫星通信导航系统。
本发明提出的一种双频低剖面宽波束圆极化天线采用90°相位差的同轴探针馈电模式，直接与印刷在第一层方形介质板101上的四个矩形辐射条带的第一连接端连接，进行馈电，实现圆极化。本发明在工作带宽内，轴比小于0.5dB，具有极好的圆极化特性。该发明与传统的四臂螺旋天线不同之处在于，该发明提出的双频低剖面宽波束运用四个螺旋形辐射臂构成螺旋形辐射结构，运用多层条带天线结构实现低剖面、易加工的优势，并且在降低剖面高度的情况下，保证了四臂螺旋天线的辐射特性：心型方向图，波束宽度保持在150°以上。该天线的工作频段的中心频率为1.5715GHz。第二层方形介质板102上的四个U形辐射条带进一步降低天线的剖面高度，该方法实现天线的双频工作模式，第二频点为2.5GHz。该天线具有螺旋形辐射结构、双频、圆极化、宽波束、心形辐射方向图、良好的轴比，保证了圆极化天线应用于卫星导航的定位精度，在卫星通信系统具有广泛的应用前景。本发明设计的双频低剖面宽波束圆极化天线具有结构简单，易于加工，调试步骤简单，双频，波束带宽大，圆极化特性好等优点，因此该天线可以广泛地应用于卫星导航系统中。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种双频低剖面宽波束圆极化天线，其特征在于，包括：
金属接地板(116)、第一层方形介质板(101)、第二层方形介质板(102)、第三层方形介质板(103)和若干金属圆柱，其中，所述金属接地板(116)与所述第一层方形介质板(101)相连，所述第一层方形介质板(101)、所述第二层方形介质板(102)、所述第三层方形介质板(103)通过所述金属圆柱连接；
所述金属接地板(116)包括四个馈电口，所述第一层方形介质板(101)和所述第三层方形介质板(103)上印刷有四个矩形辐射条带，所述第二层方形介质板(102)上印刷有四个U形辐射条带；
所述馈电口之间相位相差90°，每层方形介质板上的所述矩形辐射条带和所述U形辐射条带为正交交替排布且相位相差90°；
相邻两层介质板之间的辐射条带通过所述金属圆柱首尾相连，构成螺旋结构，且所述辐射条带以所述馈电口至另一端的方向为基准呈逆时针方向分布；
所述第一层方形介质板(101)上的每个矩形辐射条带包括第一连接端和第一起始端，所述第二层方形介质板(102)上的每个U形辐射条带包括U形开口端和U形连接端，所述第三层方形介质板(103)上的每个矩形辐射条带包括第二连接端和第二起始端。
2.根据权利要求1所述的双频低剖面宽波束圆极化天线，其特征在于，所述金属接地板(116)为单层金属结构。
3.根据权利要求1所述的双频低剖面宽波束圆极化天线，其特征在于，所述矩形辐射条带和所述U形辐射条带为金属带。
4.根据权利要求1所述的双频低剖面宽波束圆极化天线，其特征在于，所述第一连接端通过同轴探针与所述馈电口连接，所述第一起始端与所述U形开口端连接，所述U形连接端与所述第二起始端连接，所述第二连接端为开路。
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