CN116435785B - 全向双圆极化螺旋天线及通信设备 - Google Patents

全向双圆极化螺旋天线及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全向双圆极化螺旋天线及通信设备，所述天线包括第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元，第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元上均设置有馈电端口，第一全向圆极化单元的直导体被第二全向圆极化单元的一个螺旋导体嵌套，第二全向圆极化单元的直导体被第一全向圆极化单元的一个螺旋导体嵌套。本发明天线包含两个相互嵌套的圆极化单元，分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，其结构简单紧凑，体积小，两个极化可同时独立工作且极化间隔离度高，辐射波形图一致性好，易于设计和加工，在满足其他性能要求的前提下，且易于实现组阵。

Description

全向双圆极化螺旋天线及通信设备
技术领域
本发明涉及一种圆极化天线，尤其是一种全向双圆极化螺旋天线及通信设备，属于天线技术领域。
背景技术
圆极化天线具备良好的抗干扰能力，在目标探测、卫星导航、电子对抗等空天通信领域中应用广泛。其中，大部分场景需要设备具有双圆极化性能，比如卫星信号上下行传输要左旋和右旋分开，无人机前向目标探测时因发射波反射时的极化反转而需要双极化，电子对抗场景需要双圆极化（部分场景双线极化）。因此，对于双圆极化天线及阵列的需求越来越多。但目前，大部分双圆极化天线单元受限于体积大，结构复杂，难以实现双圆极化中物理空间的限制和双圆极化组阵列的要求。因此，本发明设计研发一种结构简单紧凑，体积小，极化间隔离度高，易于实现组阵的双圆极天线。
现有的双圆极化螺旋天线的报道中，最常采用的是十字交叉的结构来实现，但其具有体积大，结构较为复杂的缺点；中国专利申请号为201711101812.5公开了一种双线极化超宽带紧凑型天线，其采取完全相同的结构进行同平面，同高度丁字形组合，且其刻实于印刷电路板上结构较为复杂，且其体积也较大，且其只实现了双线极化；另外中国专利申请号为201610908413 .9公开了一种P波段单端口双圆极化螺旋天线，虽未采取十字交叉的方式实现双圆极化，但其在空间中有四层，并且每一层采用半圆并与隔层的另一个半圆组和实现圆极化，这无形在结构上较为复杂，体积较大，且其是通过射频控制电路动态切换天线的圆极化工作方式，即两个极化不能同时工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种全向双圆极化螺旋天线，该天线具有结构紧凑、体积小、两个极化可同时独立工作且极化间隔离度高、辐射波形图一致性好等优点。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述全向双圆极化螺旋天线的通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种全向双圆极化螺旋天线，包括第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元上均设置有馈电端口，所述第一全向圆极化单元的直导体被第二全向圆极化单元的一个螺旋导体嵌套，所述第二全向圆极化单元的直导体被第一全向圆极化单元的一个螺旋导体嵌套。
进一步的，所述第一全向圆极化单元包括第一直导体、第一螺旋导体和第二螺旋导体，所述第一螺旋导体、第一直导体和第二螺旋导体依次串接，所述第一直导体上设置有第一馈电端口；
所述第二全向圆极化单元包括第二直导体、第三螺旋导体和第四螺旋导体，所述第三螺旋导体、第二直导体和第四螺旋导体依次串接，所述第二直导体上设置有第二馈电端口；
所述第一直导体被第四螺旋导体嵌套，所述第二直导体被第一螺旋导体嵌套。
进一步的，所述第一直导体沿垂直方向设置，所述第一螺旋导体和第二螺旋导体分别与第一直导体的上下两端连接；
所述第二直导体沿垂直方向设置，所述第三螺旋导体和第四螺旋导体分别与第二直导体的上下两端连接。
进一步的，所述第一馈电端口设置在第一直导体的中部，所述第二馈电端口设置在第二直导体的中部。
进一步的，所述第一直导体、第二直导体、第一螺旋导体、第二螺旋导体、第三螺旋导体和第四螺旋导体的长度为天线工作频率对应的半波长，所述第一螺旋导体、第二螺旋导体、第三螺旋导体和第四螺旋导体的直径为天线工作频率对应的0.1个波长。
进一步的，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元在上下和左右方向错位，以使第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元互不交叠接触。
进一步的，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元上下错位的距离为天线工作频率对应的0.1-0.2倍波长，第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元左右错位的距离为天线工作频率对应的0.03-0.06倍波长。
本发明的目的还可以通过采取如下技术方案达到：
一种全向双圆极化螺旋天线，包括第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元上均设置有馈电端口，所述第二全向圆极化单元的直导体被第一全向圆极化单元的螺旋导体嵌套。
进一步的，所述第一全向圆极化单元包括第三直导体和第五螺旋导体，所述第三直导体的一端与第五螺旋导体相连，第三直导体的另一端设置有第三馈电端口；
所述第二全向圆极化单元包括第四直导体和第六螺旋导体，所述第四直导体的一端与第六螺旋导体相连，第四直导体的另一端设置有第四馈电端口；
所述第四直导体被第五螺旋导体嵌套，所述第三馈电端口和第四馈电端口连接同一金属地板。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种通信设备，包括上述的全向双圆极化螺旋天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明天线包含两个相互嵌套的全向圆极化单元，分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，其结构简单紧凑，体积小，两个极化可同时独立工作且极化间隔离度高，辐射波形图一致性好，易于设计和加工，在满足其他性能要求的前提下，且易于实现组阵。
2、本发明天线中的两个全向圆极化单元可以为由一段直导体和两个螺旋导体串接组成的三段式导体结构，每段导体长度均约为工作频率对应的半波长，且第一全向圆极化单元的直导体被第二全向圆极化单元的一个螺旋导体嵌套，第二全向圆极化单元的直导体被第一全向圆极化单元的一个螺旋导体嵌套；两个全向圆极化单元也可以为由一段直导体和一个螺旋导体串接组成的两段式导体结构，每段导体长度均约为工作频率对应的半波长，且第二全向圆极化单元的直导体被第一全向圆极化单元的螺旋导体嵌套；两个全向圆极化单元在上下和左右方向适量错位以保障两个单元互不交叠接触，两个全向圆极化单元分别辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，可以同时工作，实现双圆极化的同时，两个馈电端口的相互辐射影响小，极化间隔离度高。
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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的全向双圆极化螺旋天线的立体结构图。
图2为本发明实施例1的全向双圆极化螺旋天线的主视结构图。
图3为本发明实施例1的全向双圆极化螺旋天线的俯视结构图。
图4为本发明实施例1的全向双圆极化螺旋天线经电磁仿真后的S参数曲线图。
图5为本发明实施例1的全向双圆极化螺旋天线经电磁仿真后的轴比曲线图。
图6为本发明实施例2的全向双圆极化螺旋天线的立体结构图。
其中，1-第一全向圆极化单元，101-第一直导体，102-第一螺旋导体，103-第二螺旋导体，104-第一馈电端口，105-第三直导体，106-第五螺旋导体，107-第三馈电端口，2-第二全向圆极化单元，201-第二直导体，202-第三螺旋导体，203-第四螺旋导体，204-第二馈电端口，205-第四直导体，206-第六螺旋导体，207-第四馈电端口，3-金属地板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
实施例1：
如图1~图3所示，本实施例提供了一种全向双圆极化螺旋天线，该天线能够应用到通信设备中，其包括第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2，第一全向圆极化单元1为左旋圆极化单元，第二全向圆极化单元2为右旋圆极化单元，分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2上均设置有馈电端口，第一全向圆极化单元1的直导体被第二全向圆极化单元2的一个螺旋导体嵌套，第二全向圆极化单元2的直导体被第一全向圆极化单元1的一个螺旋导体嵌套。
进一步地，第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2均为三段式导体结构，其中第一全向圆极化单元1包括第一直导体101、第一螺旋导体102和第二螺旋导体103，第一螺旋导体102、第一直导体101和第二螺旋导体103依次串接，第一直导体101上设置有第一馈电端口104；第二全向圆极化单元2包括第二直导体201、第三螺旋导体202和第四螺旋导体203，第三螺旋导体202、第二直导体201和第四螺旋导体203依次串接，第二直导体201上设置有第二馈电端口204；第一直导体101被第四螺旋导体203嵌套，第二直导体201被第一螺旋导体102嵌套。
进一步地，第一直导体101沿垂直方向设置，第一螺旋导体102和第二螺旋导体103分别与第一直导体101的上下两端连接；第二直导体201沿垂直方向设置，第三螺旋导体202和第四螺旋导体203分别与第二直导体201的上下两端连接；第一馈电端口104设置在第一直导体101的中部，第二馈电端口204设置在第二直导体201的中部。
进一步地，第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2在上下和左右方向适量错位，以保障第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2互不交叠接触，第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2上下错位的距离用g表示，第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2左右错位的距离用K表示，第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2分别辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，可以同时工作，实现双圆极化的同时，两个单元端口的相互辐射影响小，极化间隔离度高。
本实施例中，第一直导体101、第二直导体201、第一螺旋导体102、第二螺旋导体103、第三螺旋导体202和第四螺旋导体203的长度相同，均为天线工作频率对应的半波长，第一螺旋导体102、第二螺旋导体103、第三螺旋导体202和第四螺旋导体203的直径相同，均为天线工作频率对应的0.1个波长；第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元上下错位的距离g为天线工作频率对应的0.1-0.2倍波长；第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元左右错位的距离K为天线工作频率对应的0.03-0.06倍波长，第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2经上下左右适量错位后，在空间上不存在任何互相交叠相接触的地方。
图4为本实施例的全向双圆极化螺旋天线经电磁仿真后的S参数曲线图，可以看到在2.94 GHz-3.05 GHz频段内的反射系数|S11| 均小于-10dB，且一致性好，隔离度|S21|均在-20dB以下。
图5为本实施例的全向双圆极化螺旋天线经电磁仿真后的轴比曲线图，可以看到在2.79-3.13频段内的轴比系数均小于3dB，可见，在此频带内均可实现双圆极化，满足圆极化要求，且第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元一致性好。
实施例2：
如图6所示，本实施例的全向双圆极化螺旋天线同样包括第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2，但与实施例1的区别之处在于：第一全向圆极化单元1和第二全向圆极化单元2均为两段式导体结构，第一全向圆极化单元1包括第三直导体105和第五螺旋导体106，第三直导体105的上端与第五螺旋导体106相连，第三直导体105的下端设置有第三馈电端口107，第二全向圆极化单元2包括第四直导体205和第六螺旋导体206，第四直导体205的上端与第六螺旋导体206相连，第四直导体205的下端设置有第四馈电端口207；第四直导体205被第五螺旋导体106嵌套，第三馈电端口107和第四馈电端口207连接同一金属地板3。
综上所述，本发明天线包含两个相互嵌套的圆极化单元，分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，其结构简单紧凑，体积小，两个极化可同时独立工作且极化间隔离度高，辐射波形图一致性好，易于设计和加工，在满足其他性能要求的前提下，且易于实现组阵。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全向双圆极化螺旋天线，其特征在于，包括第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元上均设置有馈电端口，所述第一全向圆极化单元的直导体被第二全向圆极化单元的一个螺旋导体嵌套，所述第二全向圆极化单元的直导体被第一全向圆极化单元的一个螺旋导体嵌套；
所述第一全向圆极化单元包括第一直导体、第一螺旋导体和第二螺旋导体，所述第一螺旋导体、第一直导体和第二螺旋导体依次串接，所述第一直导体上设置有第一馈电端口；
所述第二全向圆极化单元包括第二直导体、第三螺旋导体和第四螺旋导体，所述第三螺旋导体、第二直导体和第四螺旋导体依次串接，所述第二直导体上设置有第二馈电端口；
所述第一直导体被第四螺旋导体嵌套，所述第二直导体被第一螺旋导体嵌套。
2.根据权利要求1所述的全向双圆极化螺旋天线，其特征在于，所述第一直导体沿垂直方向设置，所述第一螺旋导体和第二螺旋导体分别与第一直导体的上下两端连接；
所述第二直导体沿垂直方向设置，所述第三螺旋导体和第四螺旋导体分别与第二直导体的上下两端连接。
3.根据权利要求1所述的全向双圆极化螺旋天线，其特征在于，所述第一馈电端口设置在第一直导体的中部，所述第二馈电端口设置在第二直导体的中部。
4.根据权利要求1所述的全向双圆极化螺旋天线，其特征在于，所述第一直导体、第二直导体、第一螺旋导体、第二螺旋导体、第三螺旋导体和第四螺旋导体的长度为天线工作频率对应的半波长，所述第一螺旋导体、第二螺旋导体、第三螺旋导体和第四螺旋导体的直径为天线工作频率对应的0.1个波长。
5.根据权利要求1-4任一项所述的全向双圆极化螺旋天线，其特征在于，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元在上下和左右方向错位，以使第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元互不交叠接触。
6.根据权利要求5所述的全向双圆极化螺旋天线，其特征在于，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元上下错位的距离为天线工作频率对应的0.1-0.2倍波长，第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元左右错位的距离为天线工作频率对应的0.03-0.06倍波长。
7.一种全向双圆极化螺旋天线，其特征在于，包括第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元分别用于辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波，所述第一全向圆极化单元和第二全向圆极化单元上均设置有馈电端口，所述第二全向圆极化单元的直导体被第一全向圆极化单元的螺旋导体嵌套；
所述第一全向圆极化单元包括第三直导体和第五螺旋导体，所述第三直导体的一端与第五螺旋导体相连，第三直导体的另一端设置有第三馈电端口；
所述第二全向圆极化单元包括第四直导体和第六螺旋导体，所述第四直导体的一端与第六螺旋导体相连，第四直导体的另一端设置有第四馈电端口；
所述第四直导体被第五螺旋导体嵌套，所述第三馈电端口和第四馈电端口连接同一金属地板。
8.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的全向双圆极化螺旋天线。
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