CN117748131A - 一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锥形波束天线技术领域，尤其涉及一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，包括：介质基板；馈电金属层；金属贴片层；圆筒形介质；圆筒形薄膜；圆筒形螺旋臂金属层。本发明所提供的四臂螺旋天线可以等效为电流环的叠加，可以产生锥形波束。馈电网络提供的时间上的相位差和大尺寸螺旋天线自身存在的空间上的相位差叠加，可以形成良好的右旋圆极化辐射。时间上的相位差和空间相位差使得部分模式发挥了类似于八木天线的引向器和反射器的作用，所设计的四臂螺旋天线在不需要额外金属地的情况下方向图可以实现良好的前后比，可以在较小尺寸内实现较高的增益，具有很高的效率。
Description
技术领域
本发明涉及锥形波束天线技术领域，尤其涉及一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，移动卫星通信已经变得非常流行。目前常用轴向模四臂螺旋天线作为车载或者船载的终端天线。但其最大辐射方向在轴线方向，在低仰角时增益下降严重。对于人类活动密集地中纬度地区而言，天线的辐射特性没有得到很好的运用。锥形波束天线因其可以有效解决这一问题被人们关注。因为可以有效减小大气层法拉第旋转的影响和多路径反射，卫星通信通常使用圆极化波。卫星上行和下行频率通常是具有一定频比，这要求终端天线需要是多频带或者宽带的。为了降低终端天线的成本并提高便携性，具有较小尺寸的同时具有较高增益的高效率天线很值得关注。
近年来，有许多关于线极化锥形波束的研究。相较于线极化天线，圆极化天线因需要两个幅度相等、相位差90度的正交线极化合成圆极化设计起来更为困难。根据圆极化波的产生形式，圆极化锥形波束天线可以为单单元天线，多单元天线和探针+极化器三类。单单元天线因为两个正交极化通过一个天线实现所以通常具有较小的尺寸。但由于工作在高次模的天线阻抗变化剧烈，天线通常带宽较窄。部分研究加入馈电网络或者使用复杂的3D结构来拓展带宽，但仍存在增益低导致的低效率等问题。在多单元天线中，多个单元常被围绕天线中心组成圆阵以形成很好的全向性。天线中心往往还有另一种天线以产生正交线极化。天线更易被加入额外的短截线等结构以形成多个谐振点从而拓展带宽。但天线结构通常尺寸较大，导致效率很低。使用极化器来将线极化天线辐射转化为圆极化可以具有很宽的带宽，但宽带内具有低插损的极化器设计较为困难。
为了满足人类活动最为密集的中纬度地区的卫星通信需求，具有较低仰角的波束和低仰角范围内高增益的天线是值得关注的。但相关具有较好低仰角辐射的圆极化锥形波束天线同样存在着带宽窄、效率低等问题。因此，急需要一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，用于解决现有卫星通信锥形波束终端天线口径效率低、带宽窄和低仰角增益低等问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，包括：介质基板；馈电金属层，设于所述介质基板的上表面；金属贴片层，设于所述介质基板的下表面；圆筒形介质，设于所述金属贴片层的正下方；圆筒形薄膜，设于所述圆筒形介质的外层；圆筒形螺旋臂金属层，设于所述圆筒形薄膜的外层。
可选地，所述馈电金属层为一分四威尔金森功分器。
可选地，所述一分四威尔金森功分器的输出端通过设于所述介质基板上的金属化通孔与所述圆筒形螺旋臂金属层连接。
可选地，所述金属贴片层上设有与所述金属化通孔一一对应的蚀刻圆孔，且所述蚀刻圆孔的直径大于对应的所述金属化通孔，进而避免金属贴片层与所述一分四威尔金森功分器的输出端连接。
可选地，所述圆筒形螺旋臂金属层由四个螺旋臂组成，且每个螺旋臂的顶部通过金属化通孔与一分四威尔金森功分器的一个输出端连接，其中所述螺旋臂与所述一分四威尔金森功分器的输出端一一对应。
可选地，四个所述螺旋臂的底端通过第一限位圆环进行固定。
本发明的有益效果是：
本发明所提供的四臂螺旋天线可以等效为电流环的叠加，可以产生锥形波束。馈电网络提供的时间上的相位差和大尺寸螺旋天线自身存在的空间上的相位差叠加，可以形成良好的右旋圆极化辐射。多匝螺旋天线和多个螺旋天线的结构可以通过电流幅度补偿很好地消除螺旋臂上电流分布不均匀导致的辐射零点。单个螺旋天线和螺旋臂间的耦合都可以在很宽的频率范围内激励起多个模式。多个模式一方面使得天线具有宽带特性，另一方面可以通过电流幅度补偿进一步改善天线沿φ方向的全向性。此外，这些模式电流存在着时间上的相位差，模式电流分布也存在着空间相位差。时间上的相位差和空间相位差使得部分模式发挥了类似于八木天线的引向器和反射器的作用，所设计的四臂螺旋天线在不需要额外金属地的情况下方向图可以实现良好的前后比。相较于相关对于圆极化锥形波束天线的研究，所设计的四臂螺旋天线的立体结构可以在较小尺寸内实现较高的增益，具有很高的效率。因此，该宽带高效率天线可以形成良好圆极化锥向波束辐射。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的馈电金属层的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的圆筒形螺旋臂金属层的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的仿真实验中S11曲线图；
图5为本申请实施例提供的仿真实验中θ = 48°，φ = 0°时的远场右旋圆极化辐射增益随频率变化曲线图；
图6为本申请实施例提供的仿真实验中θ = 48°，φ = 0°时的轴比随频率变化曲线图；
图7为本申请实施例提供的仿真实验中工作频率1.52GHz时φ = 0°的远场右旋圆极化和左旋圆极化辐射增益随θ变化曲线图；
图8为本申请实施例提供的仿真实验中工作频率1.52GHz时θ = 48°的远场右旋圆极化和左旋圆极化辐射增益随φ变化曲线图；
图9为本申请实施例提供的仿真实验中工作频率1.67GHz时φ = 0°的远场右旋圆极化和左旋圆极化辐射增益随θ变化曲线图；
图10为本申请实施例提供的仿真实验中工作频率1.67GHz时θ = 48°的远场右旋圆极化和左旋圆极化辐射增益随φ变化曲线图。
附图标号：
1-馈电金属层，11-输出端，2-介质基板，3-金属贴片层，4-圆筒形介质，5-圆筒形薄膜，6-圆筒形螺旋臂金属层。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。
实施例1：如图1-3所示，本实施例提供了一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，包括：介质基板2；馈电金属层1，设于所述介质基板2的上表面，馈电金属层1为一分四威尔金森功分器，以对四臂螺旋天线实现等幅的相位差馈电；金属贴片层3，设于所述介质基板2的下表面，一方面金属贴片层3作为馈电金属层的金属地，另一方面可以通过与螺旋臂的耦合增加互阻抗以实现良好的匹配。此外，金属贴片层3可以通过改善四臂螺旋天线上激励起来的各特征模式与端口的耦合改善四臂螺旋天线的带宽、前后比和轴比。所设计的四臂螺旋天线可以等效为电流环的叠加，可以产生锥形波束。
圆筒形介质4，设于所述金属贴片层3的正下方；
圆筒形薄膜5，设于所述圆筒形介质4的外层；
圆筒形螺旋臂金属层6，设于所述圆筒形薄膜5的外层。
在本实施例中，馈电网络提供的时间上的相位差和大尺寸螺旋天线自身存在的空间上的相位差叠加，可以形成良好的右旋圆极化辐射。多匝螺旋天线和多个螺旋天线的结构可以通过电流幅度补偿很好地消除螺旋臂上电流分布不均匀导致的辐射零点。单个螺旋天线和螺旋臂间的耦合都可以在很宽的频率范围内激励起多个模式。多个模式一方面使得天线具有宽带特性，另一方面可以通过电流幅度补偿进一步改善天线沿φ方向的全向性。此外，这些模式电流存在着时间上的相位差，模式电流分布也存在着空间相位差。时间上的相位差和空间相位差使得部分模式发挥了类似于八木天线的引向器和反射器的作用，所设计的四臂螺旋天线在不需要额外金属地的情况下方向图可以实现良好的前后比。相较于相关对于圆极化锥形波束天线的研究，所设计的四臂螺旋天线的立体结构可以在较小尺寸内实现较高的增益，具有很高的效率。因此，该宽带高效率天线可以形成良好圆极化锥向波束辐射。
其次在本实施例中，所述一分四威尔金森功分器的输出端11通过设于所述介质基板2上的金属化通孔与所述圆筒形螺旋臂金属层6连接。
其次在本实施例中，所述金属贴片层3上设有与所述金属化通孔一一对应的蚀刻圆孔，且所述蚀刻圆孔的直径大于对应的所述金属化通孔，进而避免金属贴片层3与所述一分四威尔金森功分器的输出端11连接。
其次在本实施例中，所述圆筒形螺旋臂金属层6由四个螺旋臂组成，且每个螺旋臂的顶部通过金属化通孔与一分四威尔金森功分器的一个输出端11连接，其中所述螺旋臂与所述一分四威尔金森功分器的输出端一一对应。
其次在本实施例中，四个所述螺旋臂的底端通过第一限位圆环进行固定。
实施例2：如图1-10所示，本实施例提供了一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，能够实现26.4%工作带宽，以0.8波长×0.8波长×0.4波长的尺寸实现增益最高6.1dBic的辐射。天线在仰角范围25度-60度内具有3dBic以上的增益。
如图1-5所示，介质基板2为相对介电常数εr=2.2、材质为Rogers/duroid 5880的圆柱形介质基板，尺寸为165mm×165mm×1mm。圆筒形介质4为相对介电常数εr=2.1的特氟龙，尺寸为160mm×160mm×82mm。
本实施例基于四臂螺旋天线可以等效为电流环叠加的工作原理和电流环产生锥形波束的理论公式，设计了一种锥向模四臂螺旋天线，可以实现高低仰角增益辐射。
本实施例基于特征模理论，设计了一种多模谐振的四臂螺旋天线，可以实现不需要额外金属地即可实现向地平面以上的高前后比辐射。天线还具有宽带特性。
本实施例基于导体辐射圆极化波的理论公式，设计了一种圆极化四臂螺旋天线，利用螺旋臂间的空间相位差和馈电相位差，实现宽频率、大角度的圆极化辐射。
本文利用四臂螺旋天线、寄生圆环、寄生贴片组成立体结构，设计了一种高效率四臂螺旋天线，相较其他相关研究可以以较小的尺寸实现很高的增益。
本实施例由于采取以上技术方案，具有以下有益效果：
本发明根据特征模分析设计的锥向模四臂螺旋天线上激励起了大量的特征模式，多模谐振一方面可以有效拓展带宽，在1.3-1.86GHz整个锥向模式工作频率内S 11均处于-10dB以下。另一方面多个模式存在着的空间相位差和馈电相位差使得部分模式起到类似于八木天线反射器和引向器的作用，可以在天线不加额外金属地的情况下实现高前后比辐射。
本发明基于圆极化波产生理论，设计了可以实现宽带内具有良好轴比的圆极化锥向模四臂螺旋天线，在1.37-1.92GHz内最大辐射方向的轴比均小于3dB。
本发明设计的立体结构天线可以实现以直径0.8λ的尺寸实现最高6.1dBic的辐射增益，相较其他类似研究具有更高的口径效率，λ为最高增益点频率对应的波长。
本发明基于锥形波束的产生理论设计的锥向模天线，可以以较小的尺寸实现在θ为30-65度内具有3dBic以上的增益，相较相关研究具有更高的低仰角增益，可以实现中纬度地区高质量的卫星通信。
本发明可用于卫星通信中，用于与卫星通信的车载或者船载终端。
利用商业仿真软件对本发明建模得到结构的S11的曲线如图4所示。图4中的横坐标为频率值，单位GHz，纵坐标为反射系数，单位dB。由于多模谐振，在1.37-1.92GHz内整个频带内同轴线可以将能量有效馈入天线中，反射系数小于-10dB。
利用商业仿真软件对本发明建模得到结构的θ = 48°，φ = 0°时的远场右旋圆极化辐射增益随频率变化曲线图如图5所示。图5中的横坐标为频率值，单位GHz，纵坐标为远场右旋圆极化辐射增益，单位dB。在很宽的频带内天线具有较高的增益，尤其在目标的1.52GHz和1.67GHz附近曲线具有两个极大值。
利用商业仿真软件对本发明建模得到结构的θ = 48°，φ = 0°时的轴比随频率变化曲线图如图6所示。图6中的横坐标为频率值，单位GHz，纵坐标为轴比，单位dB。在1.37-1.92GHz频率范围内天线具有小于3dB的轴比。
利用商业仿真软件对本发明建模得到结构的工作频率1.52GHz时φ = 0°的远场右旋圆极化和左旋圆极化辐射增益沿θ方向的方向图如图7所示。θ = 48°的远场右旋圆极化和左旋圆极化辐射增益沿φ方向的方向图如图8所示。可以看到在1.52GHz天线可以实现良好的右旋圆极化锥形波束。
利用商业仿真软件对本发明建模得到结构的工作频率1.67GHz时φ = 0°的远场右旋圆极化和左旋圆极化辐射增益沿θ方向的方向图如图9所示。θ = 48°的远场右旋圆极化和左旋圆极化辐射增益沿φ方向的方向图如图10所示。可以看到在1.67GHz天线可以实现良好的右旋圆极化锥形波束。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。
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 (7)
1.一种宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，其特征在于，包括：
介质基板（2）；
馈电金属层（1），设于所述介质基板（2）的上表面；
金属贴片层（3），设于所述介质基板（2）的下表面；
圆筒形介质（4），设于所述金属贴片层（3）的正下方；
圆筒形薄膜（5），设于所述圆筒形介质（4）的外层；
圆筒形螺旋臂金属层（6），设于所述圆筒形薄膜（5）的外层。
2.根据权利要求1所述的宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，其特征在于，所述馈电金属层（1）为一分四威尔金森功分器。
3.根据权利要求2所述的宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，其特征在于，所述一分四威尔金森功分器的输出端（11）通过设于所述介质基板（2）上的金属化通孔与所述圆筒形螺旋臂金属层（6）连接。
4.根据权利要求3所述的宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，其特征在于，所述金属贴片层（3）上设有与所述金属化通孔一一对应的蚀刻圆孔，且所述蚀刻圆孔的直径大于对应的所述金属化通孔，进而避免金属贴片层（3）与所述一分四威尔金森功分器的输出端（11）连接。
5.根据权利要求3所述的宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，其特征在于，所述圆筒形螺旋臂金属层（6）由四个螺旋臂组成，且每个螺旋臂的顶部通过金属化通孔与一分四威尔金森功分器的一个输出端（11）连接，其中所述螺旋臂与所述一分四威尔金森功分器的输出端（11）一一对应。
6.根据权利要求5所述的宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，其特征在于，四个所述螺旋臂的底端通过第一限位圆环进行固定。
7.根据权利要求1所述的宽带高效率高低仰角增益圆极化锥向模四臂螺旋天线，其特征在于，所述介质基板（2）为相对介电常数εr=2.2、材质为Rogers/duroid 5880的圆柱形介质基板，尺寸为165mm×165mm×1mm；
圆筒形介质（4）为相对介电常数εr=2.1的特氟龙，尺寸为160mm×160mm×82mm。
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