CN107240766A - 一种超宽带全金属圆极化天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带全金属圆极化天线单元，是由立体结构的鱼骨状交叉偶极子辐射单元，同轴馈电和金属反射腔组成；鱼骨状交叉偶极子辐射单元底部设置有金属反射腔，同轴馈电穿过金属反射腔和圆柱谐振腔与鱼骨状交叉偶极子辐射单元相连，其中鱼骨状交叉偶极子辐射单元为辐射区，圆柱谐振腔为传输区，同轴馈电为馈电区，从而实现能量的接收和发送。本发明能满足现代无线通信技术对天线带宽和抗干扰能力等指标要求，从而使天线具有更快的传输速率和更强的抗多径能力。

Description

一种超宽带全金属圆极化天线单元

技术领域

本发明属于现代无线通信技术领域，具体涉及一种新型超宽带全金属圆极化天线单元。

背景技术

随着无线通信的广泛应用，由于圆极化波入射到对称目标(如平面或球面等)时旋向逆转，使得圆极化天线能抑制雨雾干扰和抗多径反射。其中超宽带圆极化天线作为无线电设备中用来发射和接收电磁波的关键部件，受到了越来越多的关注。现阶段超宽带圆极化天线有以下几种结构形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。

1、微带贴片天线。由于天线自身所具有的对加工精度要求低，可用标准的光刻技术在敷铜电路板上进行生产，尤其是频带较宽等优点，已被广泛地应用于航空航天飞行器、卫星直播电视等高频阵列天线中。该天线具有体积小，重量轻，低剖面等优势。但通常单层微带天线，带宽仅有1-2％，即使采用很多层微带板堆叠，能展宽有限带宽，可达到一个倍频程，但破坏了微带天线的低剖面特性。

2、螺旋天线，是圆极化的一种形式，它是用金属线(或管)绕制而成的螺旋形结构的行波天线，通常是用在同轴线馈电，同轴线内导体和螺旋线一端相接，外导体和金属板接地板相连。该天线具有超宽的频带，高增益以及良好的时域特性等优点，但该天线螺旋天线的波束宽度较窄，低仰角性能不好，占用体积较大，制作工艺复杂，加工成本高，且不利于系统集成，通常只用于窄波束定向信号传输。

3、缝隙天线，一种在导体面上开缝形成的天线，也称为开槽天线。典型的缝隙形状是长条形的，长度约为半个波长。由于其具有重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点，得到人们的广泛关注；另外相比微带天线，其还具有更宽的带宽、对加工精度要求低。但该类型天线容量不高且频带较窄，不宜实现超宽的频带。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的缺陷与不足之处，提供一种具有超宽带、宽轴比带宽、圆极化的超宽带全金属圆极化天线单元，以期能满足现代无线通信技术对天线带宽和抗干扰能力等指标要求，从而使天线具有更快的传输速率和更强的抗多径能力。

为实现上述技术指标，采用的技术方案为：

本发明一种超宽带全金属圆极化天线单元的特点是由立体结构的鱼骨状交叉偶极子辐射单元，同轴馈电和金属反射腔组成；所述金属反射腔为顶部无盖的金属空心圆柱体；

所述鱼骨状交叉偶极子辐射单元包括：形状和大小均相同的上偶极子和下偶极子；所述上偶极子和所述下偶极子位于不同的平面，且呈中心对称分布；

所述上偶极子和所述下偶极子分别包括两个偶极子臂，任意一个偶极子臂均由立体扇形、长鱼刺弯圆柱、短鱼刺弯圆柱和脊椎圆柱构成；

在所述立体扇形的外侧弧长上依次平行设置有所述长鱼刺弯圆柱和所述短鱼刺弯圆柱，且所述长鱼刺弯圆柱和所述短鱼刺弯圆柱中心处通过所述脊椎圆柱连接在所述立体扇形的弧长中心处；所述脊椎圆柱的末端为开路；

所述两个偶极子臂的立体扇形顶部弧形之间通过四分之三周长的圆环连接，在任意一个偶极子臂的立体扇形的顶部，且朝向所述圆环的中心处通过短圆柱连接有正方体；仅在所述下偶极子的正方体的中心位置处设置有圆柱谐振腔；

所述同轴馈电包括：内导体和外导体；所述内导体和外导体的底部穿过所述金属反射腔的中心处；所述内导体的顶部穿过所述下偶极子上的圆柱谐振腔，并与所述上偶极子的正方体相连，所述外导体与所述下偶极子的正方体相连；

所述超宽带全金属圆极化天线单元是以所述鱼骨状交叉偶极子辐射单元为辐射区，以所述圆柱谐振腔为传输区，以所述同轴馈电为馈电区，从而利用辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。

本发明所述的超宽带全金属圆极化天线单元的特点也在于，所述立体扇形的外侧弧长为倒角结构。

所述短鱼刺弯圆柱的直径和所述脊椎圆柱的直径相同，并与所述立体扇形的厚度相同。

所述金属反射腔的半径为四分之一个工作波长，其高度与所述下偶极子离地面的距离相同。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明天线中通过缩小金属反射腔的直径，减小了天线的体积。天线的辐射结构为鱼骨状交叉偶极子，通过四分之三圆周相位延迟线连接偶极子臂，实现了任意两个偶极子臂的90°相位差，鱼骨结构的偶极子臂上的立体扇形将产生一个谐振频点，而鱼骨结构产生另一个谐振频点，同时立体扇形的外侧弧长对谐振频点的高低有影响，通过合理设置，使两个谐振频点工作频段的重合达到了频带展宽的效果，实现了因缩小金属反射腔直径引起的天线的工作效率的降低的补偿，保证了理想的圆极化天线的轴比带宽。

2、本发明的天线单元被放置在平坦地平面上方时，大部分由天线激发的辐射波可通过地平面反射，由于波的衍射效应，使得相当大的辐射波仍然可以穿过地平面传播，导致较大的后瓣。通过地平面反射波原理，本发明天线单元设置圆柱谐振腔，其垂直壁可以阻挡部分衍射波向外传播，减小了扩散效应。

3、本发明天线单元在距离天线四分之一个工作波长处放置了一个金属反射腔。由于交叉偶极子的双面天线的特性，该天线单元的前向是左旋圆极化波，后向是右旋圆极化波，反射腔使后向反射的波反射回前向与前向辐射产生叠加，优化了整个工作带宽内圆极化辐射性能，同时提高了天线单元在整个辐射空间的阻抗匹配。

4、本发明天线单元通过仅使用全金属的材料的方式，而不是传统的通过介质板和印刷天线的模式，提高了天线使用寿命，并且易于加工和安装，物理性能好，实现了天线在无线通信系统中的稳定性。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的下偶极子俯视图；

图3是本发明的驻波比图；

图4是本发明的轴比图；

图中标号：1立体扇形；2长鱼刺弯圆柱；3短鱼刺弯圆柱；4脊椎圆柱；5圆环；6正方体；7圆柱谐振腔；8同轴馈电内导体；9同轴馈电外导体；10金属反射腔；11短圆柱。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，根据现代无线通信对带宽、抗干扰等指标要求，设计出一种超宽带全金属圆极化天线单元，该天线单元具有超宽带、宽轴比带宽、圆极化等性能，同时具有小型化、馈电简单、损耗低等优点，能实现在Band38、Band41及北斗频段的全覆盖，使得天线具有更快的传输速率和更强的抗多径能力。具体的说，该天线单元是由立体结构的鱼骨状交叉偶极子辐射单元，同轴馈电和金属反射腔10组成；天线全部采用金属材料，可以加强整个天线的物理强度，在恶劣条件下使用时间更加持久。选择全金属结构一方面保证了在结构所必要的支撑强度下节省了材料，降低成本，另一方面单一加工材料降低了天线加工的复杂程度。

金属反射腔10为顶部无盖的金属空心圆柱体；由于交叉偶极子的双面天线的特性，本天线的前向是左旋圆极化波，后向是右旋圆极化波，金属反射腔10使后向反射的波反射回前向与前向辐射产生叠加，优化了整个工作带宽内圆极化辐射性能，同时提高了天线在整个辐射空间的阻抗匹配。本实例中，金属反射腔10的半径约为四分之一个工作波长，其高度与所述下偶极子离地面的距离相同；金属反射腔10的半径不能过小，过小会影响振子臂上电流的分布，导致轴比严重突变；金属反射腔10的高度也不能过高，过高虽然能增大波瓣宽度。

如图1所示，鱼骨状交叉偶极子辐射单元包括：形状和大小均相同的上偶极子和下偶极子；上偶极子和下偶极子位于不同的平面，且呈中心对称分布；上偶极子和下偶极子分别包括两个偶极子臂，任意一个偶极子臂均由立体扇形1、长鱼刺弯圆柱2、短鱼刺弯圆柱3和脊椎圆柱4构成；立体扇形1的外侧弧长上依次平行设置有长鱼刺弯圆柱2和短鱼刺弯圆柱3，且长鱼刺弯圆柱2和短鱼刺弯圆柱3中心处通过脊椎圆柱4连接在立体扇形1的弧长中心处；立体扇形1产生一个谐振频点，而由长鱼刺弯圆柱2、短鱼刺弯圆柱3和脊椎圆柱4构成的鱼骨结构产生另一个谐振频点，通过合理设置，使两个谐振频点工作频段的重合达到了频带展宽的效果；同时，立体扇形1的张角大小对谐振频点的大小有影响，随着张角弧度的增大，由于天线辐射单元面积的增加，辐射电流的路径变长，形成了两个不同长度的电流路径，发生简并现象，天线的谐振频率将减小，而轴比相对带宽将增大，而当张角弧度继续增大，两个不同长度的电流路径不断相互靠拢，会降低天线的带宽。在本天线的最优方案中张角为72°，轴比相对带宽达到43.39％，实现了因缩小金属反射腔10直径引起的天线的工作效率的降低的补偿，保证了理想的圆极化天线的轴比带宽。脊椎圆柱4的末端为开路；故在末端电流为零。

两个偶极子臂的立体扇形1顶部弧形之间通过四分之三周长的圆环5连接，通过调节该圆环5的半径大小，即为圆环5的周长等于或者近似等于天线辐射波长的四分之一时的半径，圆环5就变成了一个90°的相位延长线，从而使得两个偶极子臂之间具有90°相位差，继而产生圆极化辐射。同时，调节该圆环5的宽度，可以改变天线的阻抗，当设置合适宽度的圆环5时，能够展宽天线的阻抗带宽。

在任意一个偶极子臂的立体扇形1的顶部，且朝向圆环5的中心处通过短圆柱11连接有正方体6；仅在下偶极子的正方体6的中心位置处设置有圆柱谐振腔7；天线被放置在平坦地平面上方时，大部分由天线激发的辐射波可通过地平面反射，由于波的衍射效应，使得相当大的辐射波仍然可以穿过地平面传播，导致较大的后瓣。通过地平面反射波原理，设置圆柱谐振腔7，其垂直壁可以阻挡部分衍射波向外传播，减小了扩散效应。

立体扇形1的外侧弧长为倒角结构，采用平滑设计的理念，可以提高天线的阻抗匹配。短鱼刺弯圆柱3的直径和脊椎圆柱4的直径相同，并与立体扇形1的厚度相同。立体扇形1的厚度，即为上偶极子和下偶极子的厚度，其大小会对天线的轴比产生影响，根据半波振子天线辐射理论，加粗振子的半径，可以有效地展宽偶极子天线的通频带：

其中：R_A为天线发生谐振时的辐射电阻，W_a为无损耗对称振子的平均阻抗，a为振子的半径，l为天线发生谐振时的振子长度，c为光速，dz为天线振子的平均长度。W_a越小，天线的通频带越宽。因此增加偶极子的厚度可以得到宽频带，然而当频带越宽，对应的轴比下降，圆极化性能变差，因此要选择合适的厚度，在本天线的最优方案中厚度为2mm。

如图2所示，同轴馈电包括：内导体8和外导体9；采用中心馈电的方式馈电，这样可使方向图较为对称，同时同轴馈电方式简单，结构紧凑，可以实现低副瓣，易于加工，同时减少了微带线或者带状线等馈电结构中特性阻抗容易随频率的变化而发生改变的现象，提高了馈电和天线的匹配，减少了产生的色散现象，降低了寄生辐射。内导体8和外导体9的底部穿过金属反射腔10的中心处；内导体8的顶部穿过下偶极子上的圆柱谐振腔7，并与上偶极子的正方体6相连，外导体9与下偶极子的正方体6相连；因此，同轴线可以采用半钢同轴线，能起到支撑天线的作用。

全金属圆极化天线单元是以鱼骨状交叉偶极子辐射单元为辐射区，以圆柱谐振腔7为传输区，以同轴馈电为馈电区，从而利用辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。

如图3，图4所示，通过仿真测试，天线的驻波比小于2的工作频带范围为2.28～3.53GHz，绝对带宽为1.25GHz，相对带宽为42.98％，驻波比是反映天线辐射能量性能的参数，驻波比值越低，则表示天线辐射性能越好；实现了对Band38，Band41以及北斗频段(2491MHz)全覆盖。轴比小于3dB的带宽为2.29～3.56GHz，绝对带宽为1.27GHz，相对带宽为43.39％。与传统圆极化天线相对带宽不会超过3％相比，实现了宽带化。

Claims (4)

1.一种超宽带全金属圆极化天线单元，其特征是由立体结构的鱼骨状交叉偶极子辐射单元，同轴馈电和金属反射腔(10)组成；所述金属反射腔(10)为顶部无盖的金属空心圆柱体；

所述鱼骨状交叉偶极子辐射单元包括：形状和大小均相同的上偶极子和下偶极子；所述上偶极子和所述下偶极子位于不同的平面，且呈中心对称分布；

所述上偶极子和所述下偶极子分别包括两个偶极子臂，任意一个偶极子臂均由立体扇形(1)、长鱼刺弯圆柱(2)、短鱼刺弯圆柱(3)和脊椎圆柱(4)构成；

在所述立体扇形(1)的外侧弧长上依次平行设置有所述长鱼刺弯圆柱(2)和所述短鱼刺弯圆柱(3)，且所述长鱼刺弯圆柱(2)和所述短鱼刺弯圆柱(3)中心处通过所述脊椎圆柱(4)连接在所述立体扇形(1)的弧长中心处；所述脊椎圆柱(4)的末端为开路；

所述两个偶极子臂的立体扇形(1)顶部弧形之间通过四分之三周长的圆环(5)连接，在任意一个偶极子臂的立体扇形(1)的顶部，且朝向所述圆环(5)的中心处通过短圆柱(11)连接有正方体(6)；仅在所述下偶极子的正方体(6)的中心位置处设置有圆柱谐振腔(7)；

所述同轴馈电包括：内导体(8)和外导体(9)；所述内导体(8)和外导体(9)的底部穿过所述金属反射腔(10)的中心处；所述内导体(8)的顶部穿过所述下偶极子上的圆柱谐振腔(7)，并与所述上偶极子的正方体(6)相连，所述外导体(9)与所述下偶极子的正方体(6)相连；

所述超宽带全金属圆极化天线单元是以所述鱼骨状交叉偶极子辐射单元为辐射区，以所述圆柱谐振腔(7)为传输区，以所述同轴馈电为馈电区，从而利用辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。

2.根据权利要求1所述的超宽带全金属圆极化天线单元，其特征是，所述立体扇形(1)的外侧弧长为倒角结构。

3.根据权利要求1或2所述的超宽带全金属圆极化天线单元，其特征是，所述短鱼刺弯圆柱(3)的直径和所述脊椎圆柱(4)的直径相同，并与所述立体扇形(1)的厚度相同。

4.根据权利要求1所述的超宽带全金属圆极化天线单元，其特征是，所述金属反射腔(10)的半径为四分之一个工作波长，其高度与所述下偶极子离地面的距离相同。