CN110085982B - 超宽带双极化天线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带双极化天线，包括一金属底座以及一四臂Sinuous螺旋天线；所述金属底座呈圆锥形，其内部中空且两端开口；所述四臂Sinuous螺旋天线呈与所述金属底座的内表面的圆锥形曲面相适配的圆锥形；所述四臂Sinuous螺旋天线贴设于所述金属底座的内表面。本发明还提供一种超宽带双极化天线的制作方法。通过上述实施方式，不仅能够充分利用辐射孔径、减小天线的尺寸，还能够增加天线的低仰角辐射，即提高3dB波瓣宽度。

Description

超宽带双极化天线及其制作方法

技术领域

本发明涉及通讯天线技术领域，尤其涉及一种超宽带双极化天线及其制作方法。

背景技术

在微波通信与雷达探测系统中，天线承担着电磁波的发射与接收的任务。信号发射时，天线将导行波转变为空间电磁波并指向特定的方向；信号接收时，天线将空间电磁波转变为高频电磁波传输给射频接收机。近年来，随着通信系统的不断发展与微电子器件的技术工艺提高，涌现出超宽带通信技术和器件工艺制造方法，与传统通信技术相比，超宽带天线技术具有 GHz量级的带宽，作为一种全新的天线形式，超宽带天线技术具有以下优点：1）由于超宽带天线技术采用了跳时扩频信号，发射时无限电脉冲信号在更广的频带内分散传播，相对于普通设备产生的噪声，输出功率较低，在接收时的能量还原过程中，通过解扩可以产生扩频增益，这将给系统带来更大的处理增益；2）在同等码速率的条件下，采用超宽带天线技术将给系统带来更强的抗干扰性能；3）超宽带通信由于占有很宽的频带，具有较高的传输速率，可以达到几百到几千 Mbps；4）超宽带通信由于不消耗功率较大的载波，只是在需要时发送瞬时脉冲电波，因此消耗的电能相对传统通信方式较小，不仅延长了系统电源的工作时间，也减少了对人体的影响；5）超宽带通信具有更好的保密性。

超宽带天线当今广泛应用于电磁测量、电磁兼容测试、超宽带雷达等领域中。其主要实现形式有：1）加脊喇叭，喇叭天线具有频宽带、方向性好、高增益和高功率负载的能力等优点；2）Vivaldi天线，具有低剖面优点；3）自补天线，由于辐射结构自补而具有非频变特点。双极化天线在通信领域中可同时实现收发双工模式，进而可以减少定向基站工作天线的数量，在某些测试领域中可减少对不同极化方向天线的切换次数、移动通信应用中可实现极化分集和频率复用、在卫星通信中可以实现收发的极化隔离、在宽带测向系统中可以提供两个相互正交的极化波。可见超宽带双极化天线在许多领域都有着很大的发展潜力。

文献1（陈振华. 超宽带平面正弦天线的研究与设计. 南京航空航天大学硕士学位论文，2009.）研制了 3～15GHz 的常规两臂平面正弦天线，采用小型化指数渐变微带馈电巴伦实现馈电，具有超宽带、全极化能力、单孔径的优点。文献2（王涵，胡星. 一种双圆极化平面sinuous 线的设计与仿真. 空间电子技术，2017（5）：76-78.）设计了一种平面sinuous天线，天线主要是由多段阿基米德曲线组成，具有四个馈电端口，配合馈电网络可以实现良好的双圆极化特性，轴比在设计频带内达到 3dB以下、方向图不圆度小于0.5dB。天线具有平面结构并能够实现双圆极化，通过蜿蜒曲折的方式减小了尺寸面积。文献3（邵云卿. 超宽带天线小型化研究. 华南理工大学硕士学位论文，2015.）介绍了一种宽带天线小型化Sinuous天线的设计方法，采用介质加载、电抗加载、增加电流路径等方式缩减天线的辐射面积，缩减Sinuous天线的尺寸。采用加载环耦合的Sinuous天线的直径为44mm，环耦合使天线的缩小系数达到了1.36，10dB回波损耗带宽覆盖 2.45～18.7GHz。文献4（李名定.宽波束圆极化天线的研究. 西安电子科技大学硕士学位论文，2008.）研究了宽波束圆极化天线的设计方法，提出了多频天线的设计方案，其在基于2-18GHz天线，引入双地板、高介电常数基片以及介质延伸结构等措施，实现了天线辐射特性的优化。

上述超宽带圆极化天线具有如下缺点：

微带天线若实现宽带特性需要引入多层介质或者是空气层，导致天线体积增大且结构不紧凑；

展宽天线带宽或者覆盖两个以上工作频带，需要采用电容和短路销钉等措施引入多模工作模式，加大了天线的设计和加工难度；

平面微带天线的低仰角方向增益下降很快，3dB波瓣宽度不足。

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供一种超宽带双极化天线及其制作方法，不仅能够充分利用辐射孔径、减小天线的尺寸，还能够增加天线的低仰角辐射，即提高3dB波瓣宽度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超宽带双极化天线，包括：金属底座以及一四臂Sinuous螺旋天线；所述金属底座呈圆锥形，其内部中空且两端开口；所述四臂Sinuous螺旋天线被弯折成底面与所述金属底座的内表面的圆锥形曲面相适配的结构；所述四臂Sinuous螺旋天线贴设于所述金属底座的内表面。

进一步地，所述四臂Sinuous螺旋天线包括四个相同的Sinuous天线单元，各所述Sinuous天线单元的底面均与所述金属底座的内表面的圆锥形曲面相适配，沿所述金属底座的圆周方向，各所述Sinuous天线单元朝向一致且等角度地贴设于所述金属底座的内表面。

进一步地，所述Sinuous天线单元包括多段为正弦曲线的辐射臂，各所述辐射臂以一定角度往返折回交错地连接成一体并构成非闭合结构，所述金属底座一端的开口为第一开口、另一端的开口为第二开口，所述第二开口的半径大于所述第一开口的半径，自所述第一开口向所述第二开口的方向，所述Sinuous天线单元中的辐射臂的长度逐渐变大。

进一步地，所述Sinuous天线单元中，各所述辐射臂的正弦曲线根据如下公式形成：

其中，R _n 为第n段曲线的半径，r _n =R _n+1 /R _n ，α_n为第n段曲线的角度跨度，φ和r为极坐标系坐标。

进一步地，所述Sinuous天线单元中，各相邻两个所述辐射臂之间的角度跨度均被设置为22.5°，以使所述Sinuous天线单元形成为自补图形。

进一步地，各相邻所述Sinuous天线单元利用自补图形的特性进行插接嵌套。

进一步地，所述四臂Sinuous螺旋天线包括沿圆周方向依次设置的第一馈电点、第二馈电点、第三馈电点以及第四馈电点，所述超宽带双极化天线还包括一馈电网络；所述馈电网络包括两个被定义为第一电桥和第二电桥的90°电桥、以及第一巴伦和第二巴伦；所述第一馈电点、所述第二馈电点分别与所述第一电桥的第一输入端、第二输入端电连接，所述第三馈电点、所述第四馈电点分别与所述第二电桥的第一输入端、第二输入端电连接；所述第一电桥的第一输出端、第二输出端分别与所述第一巴伦的第一输入端、所述第二巴伦的第一输入端电连接，所述第二电桥的第一输出端、第二输出端分别与所述第一巴伦的第二输入端、所述第二巴伦的第二输入端电连接；且所述第一巴伦的第一输出端与第一馈电输出端电连接、第二输出端接地，所述第二巴伦的第一输出端接地、第二输出端与第二馈电输出端电连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种超宽带双极化天线的制作方法，包括如下步骤：准备金属底座，所述金属底座具有中空的内部且两端具有开口；制作四臂Sinuous螺旋天线，所述四臂Sinuous螺旋天线呈与金属底座的内表面的圆锥形曲面相适配的圆锥形；将所述四臂Sinuous螺旋天线安装于所述金属底座的内表面。

进一步地，在所述制作四臂Sinuous螺旋天线的步骤之中，具体为：在微波板材上通过平面电路板工艺制作所述四臂Sinuous螺旋天线的天线版图，并对该天线版图进行切割后将其弯曲为与所述金属底座的圆锥曲面相适配的圆锥形。

进一步地，在将所述四臂Sinuous螺旋天线安装于所述金属底座的内表面的步骤之中，具体为：将所述四臂Sinuous螺旋天线通过胶粘工艺设置于所述金属底座的内表面。

本发明的超宽带双极化天线及其制作方法，具有如下有益效果：

通过采用圆锥形的金属底座及在金属底座内表面设置圆锥形的四臂Sinuous螺旋天线，采用多段正弦曲线实现Sinuous天线单元并通过蜿蜒曲折的方式，不仅能够充分利用辐射孔径、减小天线的尺寸，还能够增加天线的低仰角辐射，即提高3dB波瓣宽度；

且通过设计包括两个90°电桥和两个巴伦的馈电网络，并通过双端口输出，可同时实现左旋圆极化和右旋圆极化，即实现该双极化天线的双圆极化。

附图说明

图1是本发明超宽带双极化天线的组装结构的俯视图。

图2是图1所示的超宽带双极化天线的侧视透视图。

图3是图2所示超宽带双极化天线中四臂Sinuous螺旋天线的立体结构图。

图4是图2所示的四臂Sinuous螺旋天线的俯视平面图。

图5是图3所示四臂Sinuous螺旋天线中四个Sinuous天线单元的平面结构示意图。

图6是制作如图3所示的四臂Sinuous螺旋天线的天线版图。

图7是图1所示的超宽带双极化天线中金属底座的俯视图。

图8是图1所示的超宽带双极化天线中金属底座的侧视图。

图9是图1所示的超宽带双极化天线中馈电网络的电路图。

图10是图1所示超宽带双极化天线的反射损耗示意图。

图11是图1所示超宽带双极化天线在频率1.5GHz时的增益示意图。

图12是图1所示超宽带双极化天线在频率1.5GHz时的轴比示意图。

图13是本发明超宽带双极化天线的制作方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种超宽带双极化天线。结合图1至图8进行参阅，该超宽带双极化天线包括一金属底座20以及一四臂Sinuous螺旋天线10。

该金属底座20为圆锥形结构，具有中空的内部且两端具有开口，相当于截头圆锥形结构。该四臂Sinuous螺旋天线10呈与金属底座20的内表面的圆锥形曲面相适配的圆锥形，并且该四臂Sinuous螺旋天线10贴设于金属底座20的内表面，为便于理解，相当于将四臂Sinuous螺旋天线10以垂直投影的方式贴合地装设于金属底座20的内表面。

具体而言，该四臂Sinuous螺旋天线10包括四个相同的Sinuous天线单元11、12、13、14，也即该四个Sinuous天线单元11～14具有相同的结构和尺寸。其中，每个Sinuous天线单元11～14均采用圆锥形曲面分布，其与金属底座20的内表面的圆锥形曲面相适配。沿着金属底座20的圆周方向，各Sinuous天线单元11～14朝向一致且等角度地贴设于金属底座20的内表面。可以视作将一个Sinuous天线单元11按夹角90°旋转复制成共四份进而另外形成了Sinuous天线单元12、13、14，进而形成该四臂Sinuous螺旋天线10。

通过采用圆锥形的金属底座20及在金属底座20内表面设置圆锥形的四臂Sinuous螺旋天线10，不仅能够充分利用辐射孔径、减小天线的尺寸，还能够增加天线的低仰角辐射，即提高3dB波瓣宽度。

在一具体实施例中，具体以其中一个Sinuous天线单元如Sinuous天线单元11为例进行说明。该Sinuous天线单元11包括多段为正弦曲线的辐射臂110。其中，各辐射臂110以一定角度往返折回交错地衔接成一体并构成非闭合结构，也即除第一段辐射臂110和最后一段辐射臂110各自一端未连接其它辐射臂110之外，其余辐射臂110的两端均连接有其它辐射臂110。举例而言，该Sinuous天线单元11可以被设计为12个辐射臂110，该12个辐射臂110长度渐变，最短的辐射臂110对应具有最高的工作频率，而最长的辐射臂110对应具有最低的工作频率。其中，通过增加辐射臂110长度，可以拓展天线的低频工作频率。通常，可以将最短的辐射臂110邻近设置于金属底座20中半径较小的开口处的边缘，并将最长的辐射臂110邻近设置于金属底座20中半径较大的开口处的边缘，以进一步缩减天线的体积。

进一步地，如图7所示，金属底座20一端的开口定义为第一开口21、另一端的开口定义为第二开口22，第二开口22的半径大于第一开口21的半径。其中，自第一开口21向第二开口22的方向，Sinuous天线单元11中的辐射臂110的长度逐渐变大。更具体地，同一Sinuous天线单元11中，各辐射臂110的正弦曲线根据如下公式形成：

其中，R _n 为第n段曲线的半径，r _n =R _n+1 /R _n ，α_n为第n段曲线的角度跨度，φ和r为极坐标系坐标。

在一较佳实施例中，为使Sinuous天线单元11形成为自补图形，将各相邻两个辐射臂110之间的角度跨度均设置为22.5°。该Sinuous天线单元11构成自补图形时具有如下的特性，即每组辐射臂110中，相邻两个辐射臂110的衔接部分至少部分能够插入嵌套于由该两个辐射臂110所构成的空隙部分（未标示），可以理解的，当具备两个以上的相同的Sinuous天线单元如11～14时，当将各Sinuous天线单元11～14在圆周方向上朝向相同的排列时，相邻两个Sinuous天线单元能够互相插接嵌套。该四臂Sinuous螺旋天线10，其Sinuous天线单元11～14中各辐射臂110和其相应两个辐射臂110之间的空隙部分为自补图形，本质上为非频变天线，具有较宽的带宽。

在另一较佳实施例中，在圆周方向上朝向相同设置的各Sinuous天线单元具体如11～14中，各相邻Sinuous天线单元11～14均利用自补图形的特性进行相互嵌套。优选地，为了提高各Sinuous天线单元11～14之间的隔离性，嵌套时，不同Sinuous天线单元11～14之间的辐射臂110需要互不接触地插接嵌套。这样，通过不接触地插接嵌套，既可以保证该双极化天线的电气特性，又可以极大地缩减该双极化天线的体积，有助于超小型天线的实现。

根据上述超宽带双极化天线的基础结构设计，可以设计一馈电网络，以实现该双极化天线的线性双极化（即水平极化和垂直极化）。

而本发明更设计有另一馈电网络，以实现该双极化天线的双圆极化（即左旋圆极化和右旋圆极化）。具体而言，结合图5和图9进行参阅，该四臂Sinuous螺旋天线10中的四个Sinuous天线单元11～14在长度最短的辐射臂110的起始端处均设置有一个馈电点，该四个馈电点A1～A4沿圆周方向依次设置，与之相应的，该馈电网络包括两个90°电桥，分别被定义为第一电桥31和第二电桥32；以及两个巴伦，分别被定义为第一巴伦33和第二巴伦34。

其中，馈电点A1与第一电桥31的第一输入端电连接，馈电点A2与第一电桥31的第二输入端电连接，馈电点A3与第二电桥32的第一输入端电连接，馈电点A4与第二电桥32的第二输入端电连接。

进一步的，第一电桥31的第一输出端与第一巴伦33的第一输入端电连接，第一电桥31的第二输出端与第二巴伦34的第一输入端电连接；第二电桥32的第一输出端与第一巴伦33的第二输入端电连接，第二电桥32的第二输出端与第二巴伦34的第二输入端电连接。

进一步的，第一巴伦33的第一输出端电连接第一馈电输出端P1，第一巴伦33的第二输出端接地；第二巴伦34的第一输出端接地，第二巴伦34的第二输出端电连接第二馈电输出端P2。

通过上述馈电网络，四臂Sinuous螺旋天线10的四个Sinuous天线单元11～14（图4中按Sinuous天线单元11、12、13、14的顺时针方向）馈电相位分别为0°、90°、180°、270°时，可以生成左旋圆极化波；而（图4中按Sinuous天线单元11、12、13、14的顺时针方向）馈电相位分别为0°、-90°、-180°、-270°时，可以生成右旋圆极化波。即采用两个90°电桥31、32和两个巴伦33、34即可以实现双圆极化。

该四个馈电点引线电连接到圆锥形的金属底座20内部，连接上述的馈电网络，最终形成两个馈电输出端P1、P2（即左旋圆极化端口和右旋圆极化端口）。

上述实施例中，四臂Sinuous螺旋天线10采用微波板材17制作而成，举例而言，可以采用厚度为0.762mm的TLY-5微波板材制作而成。

该双极化天线的端口参数测试结果如附图6所示，天线在频率下限1.5GHz的辐射特性如图10-12所示，具体而言，如图10所示，天线在工作频段内回波反射小于-10dB；如图11所示，天线在频率低端增益大于-6dB，半波束宽度达140度；如图12所示，天线在半波束宽度内轴比小于3dB。其中，天线整体尺寸为锥形体底座直径30mm，锥形体内孔直径13mm，高度12mm；整体尺寸约为最低工作频率（即1.5GHz）对应波长的1/7，属于超小型天线。

根据上述超宽带双极化天线的设计原理和结构，可以实现频段覆盖1.5GHz-8GHz的超宽带双圆极化天线，其能够广泛应用于超宽带通信、雷达探测、无线电测向等领域。

本发明提供一种超宽带双极化天线的制作方法。如图13所示，该制作方法包括如下步骤：

步骤S1，准备金属底座。

其中，该金属底座具有中空的内部且两端具有开口。

步骤S2，制作四臂Sinuous螺旋天线。

其中，该四臂Sinuous螺旋天线呈与金属底座的内表面的圆锥形曲面相适配的圆锥形。

步骤S3，将四臂Sinuous螺旋天线安装于金属底座的内表面。

其中，四臂Sinuous螺旋天线通常可以通过胶粘工艺贴设于金属底座的内表面。

在一具体实施例中，具体在步骤S2，即制作四臂Sinuous螺旋天线的步骤中，具体可通过采用平面电路板工艺（包括在微波板材17上印制线路16、蚀刻线路16等）制作该四臂Sinuous螺旋天线的天线版图，并对该天线版图进行切割后将其弯曲为与金属底座的圆锥曲面相适配的圆锥形。

本发明的超宽带双极化天线及其制作方法，具有如下有益效果：

通过采用圆锥形的金属底座20及在金属底座20的内表面设置圆锥形的四臂Sinuous螺旋天线10，采用多段正弦曲线实现Sinuous天线单元11～14并通过蜿蜒曲折的方式，不仅能够充分利用辐射孔径、减小天线的尺寸，还能够增加天线的低仰角辐射，即提高3dB波瓣宽度；

且通过设计包括两个90°电桥31、32和两个巴伦33、34的馈电网络，并通过双端口P1、P2输出，可同时实现左旋圆极化和右旋圆极化，即实现该双极化天线的双圆极化。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种超宽带双极化天线，其特征在于，

包括：

一金属底座以及一四臂Sinuous螺旋天线；

所述金属底座呈圆锥形，其内部中空且两端开口；

所述四臂Sinuous螺旋天线呈与所述金属底座的内表面的圆锥形曲面相适配的圆锥形；所述四臂Sinuous螺旋天线贴设于所述金属底座的内表面；

所述四臂Sinuous螺旋天线包括四个相同的Sinuous天线单元，所述Sinuous天线单元被形成为自补图形，且各相邻所述Sinuous天线单元利用自补图形的特性进行互不接触的插接嵌套。

2.根据权利要求1所述的超宽带双极化天线，其特征在于：

各所述Sinuous天线单元的底面均与所述金属底座的内表面的圆锥形曲面相适配，沿所述金属底座的圆周方向，各所述Sinuous天线单元朝向一致且等角度地贴设于所述金属底座的内表面。

3.根据权利要求2所述的超宽带双极化天线，其特征在于：

所述Sinuous天线单元包括多段为正弦曲线的辐射臂，各所述辐射臂以一定角度往返折回交错地连接成一体并构成非闭合结构，所述金属底座一端的开口为第一开口、另一端的开口为第二开口，所述第二开口的半径大于所述第一开口的半径，自所述第一开口向所述第二开口的方向，所述Sinuous天线单元中的辐射臂的长度逐渐变大。

4.根据权利要求3所述的超宽带双极化天线，其特征在于：

所述Sinuous天线单元中，各所述辐射臂的正弦曲线根据如下公式形成：

其中，R_n为第n段曲线的半径，r_n＝R_n+1/R_n，α_n为第n段曲线的角度跨度，和r为极坐标系坐标。

5.根据权利要求3所述的超宽带双极化天线，其特征在于：

所述四臂Sinuous螺旋天线包括沿圆周方向依次设置的第一馈电点、第二馈电点、第三馈电点以及第四馈电点，所述超宽带双极化天线还包括一馈电网络；

所述馈电网络包括两个被定义为第一电桥和第二电桥的90°电桥、以及第一巴伦和第二巴伦；

所述第一馈电点、所述第二馈电点分别与所述第一电桥的第一输入端、第二输入端电连接，所述第三馈电点、所述第四馈电点分别与所述第二电桥的第一输入端、第二输入端电连接；所述第一电桥的第一输出端、第二输出端分别与所述第一巴伦的第一输入端、所述第二巴伦的第一输入端电连接，所述第二电桥的第一输出端、第二输出端分别与所述第一巴伦的第二输入端、所述第二巴伦的第二输入端电连接；且所述第一巴伦的第一输出端与第一馈电输出端电连接、第二输出端接地，所述第二巴伦的第一输出端接地、第二输出端与第二馈电输出端电连接。

6.一种超宽带双极化天线的制作方法，其特征在于，

包括如下步骤：

准备金属底座，所述金属底座具有中空的内部且两端具有开口；

制作四臂Sinuous螺旋天线，所述四臂Sinuous螺旋天线呈与金属底座的内表面的圆锥形曲面相适配的圆锥形；将所述四臂Sinuous螺旋天线安装于所述金属底座的内表面；

所述四臂Sinuous螺旋天线被形成为包括四个相同的Sinuous天线单元，所述Sinuous天线单元被形成为自补图形，且各相邻所述Sinuous天线单元被利用自补图形的特性进行互不接触的插接嵌套。

7.根据权利要求6所述的超宽带双极化天线的制作方法，其特征在于，

在所述制作四臂Sinuous螺旋天线的步骤之中，具体为：

在微波板材上通过平面电路板工艺制作所述四臂Sinuous螺旋天线的天线版图，并对该天线版图进行切割后将其弯曲为与所述金属底座的圆锥曲面相适配的圆锥形。

8.根据权利要求6所述的超宽带双极化天线的制作方法，其特征在于，

在将所述四臂Sinuous螺旋天线安装于所述金属底座的内表面的步骤之中，具体为：

将所述四臂Sinuous螺旋天线通过胶粘工艺设置于所述金属底座的内表面。