用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，在介質(zhì)基板上分別設(shè)計結(jié)構(gòu)相同、反對稱布置的頂層水平振子和底層水平振子、頂層對跖V形輻射單元與底層對跖V形輻射單元、頂層匹配枝節(jié)與底層匹配枝節(jié)，再引入一個非全封閉諧振腔，通過控制V形輻射單元臂長與水平振子單元臂長的長度差，使天線產(chǎn)生垂直于天線平面的圓極化波束，通過控制諧振腔與水平振子單元的大小，使天線在xoy面的波束得到展寬，并且在極化失配的情況下，增益反而有所提高，這是以往貼片天線不能實(shí)現(xiàn)的特性。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，制作成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前全球投入商業(yè)應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)有:美國的全球定位系統(tǒng)(Global Posit1ning System)、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigat1n System)、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0003]在衛(wèi)星通信應(yīng)用中，通常要求地面移動通信終端天線具有寬波束、圓極化性能特點(diǎn)，以滿足通信要求。目前衛(wèi)星通信應(yīng)用較多的是軸向模螺旋天線，該天線具有增益高、頻帶寬的特點(diǎn)，但是其波束寬度窄，半功率波束寬度通常在80°左右，當(dāng)衛(wèi)星所處位置低于地面接收天線的特定俯仰角時，到達(dá)天線的信號會因?yàn)槎鄰剿ヂ涞仍蚨兊脴O其微弱，從而導(dǎo)致地面系統(tǒng)停止接收信號，為了彌補(bǔ)低仰角增益通常設(shè)計為有源天線，大大提高了產(chǎn)品成本。
[0004]微波應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的天線形式是微帶貼片天線。與其他形式的天線相比，微帶貼片天線具有尺寸小、重量輕、易于與載體共形、可與電路模塊集成設(shè)計以及適合大規(guī)模生產(chǎn)和低成本等優(yōu)勢。但是，普通微帶貼片天線的輻射(接收)波束較窄，在天頂與水平方向的增益差為1dB以上，不能滿足衛(wèi)星導(dǎo)航天線的寬波束要求。當(dāng)用戶姿態(tài)(特別是天線穿戴在人體上的情況)發(fā)生變化時，不能確保天線波束指向能帶來足夠的鏈路增益。因此，必須設(shè)計一種波束較寬的天線，該天線能在較大的俯仰范圍內(nèi)提供更為均勻的幅度響應(yīng)，能夠在天頂方向具有與衛(wèi)星導(dǎo)航/定位系統(tǒng)相匹配的圓極化特性，而在低仰角和水平方位上具有高于天頂方向增益，用于補(bǔ)償姿態(tài)變化帶來的極化失配。上述設(shè)計思路，可望克服用戶姿態(tài)變化引起的系統(tǒng)鏈路增益下降問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)上述思路，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，提出一種用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，該天線在整個俯仰角范圍內(nèi)具有均勻的幅度響應(yīng)特性，天頂方向具有圓極化特性，低仰角方向的增益比天頂方向高3_4dB，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、剖面尺寸低、易于穿戴且便于制作實(shí)現(xiàn)。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明提供一種用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，包括介質(zhì)基板;介質(zhì)基板的上表面設(shè)置有頂層水平振子單元、頂層對跖V形輻射單元、頂層匹配枝節(jié)，頂層對跖V形輻射單元的V形結(jié)點(diǎn)與頂層水平振子單元相連，頂層對跖V形輻射單元的一端與頂層匹配枝節(jié)相連;介質(zhì)基板的下表面設(shè)置有底層水平振子單元、底層對跖V形輻射單元、底層匹配枝節(jié)，底層對跖V形輻射單元的V形結(jié)點(diǎn)與底層水平振子單元相連，底層對跖V形輻射單元的一端與底層匹配枝節(jié)相連;其中，頂層水平振子單元與底層水平振子單元具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板的中心橫軸反對稱排布;頂層對跖V形輻射單元與底層對跖V形輻射單元具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板的中心橫軸反對稱排布;頂層匹配枝節(jié)與底層匹配枝節(jié)具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板的中心橫軸反對稱排布;介質(zhì)基板的上下表面之間形成一個一面非封閉的長方體諧振腔，該諧振腔的非封閉面垂直于介質(zhì)基板的表面，該諧振腔的非封閉面的上端和下端分別與頂層匹配枝節(jié)、底層匹配枝節(jié)相連;頂層對跖V形輻射單元與底層對跖V形輻射單元構(gòu)成開口環(huán)單元，且開口環(huán)在介質(zhì)基板上的投影位置與諧振腔的位置不重疊。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，頂層對跖V形輻射單元與底層對跖V形輻射單元的V形夾角為60°至140°。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，頂層對跖V形輻射單元和底層對跖V形輻射單元的臂長與頂層水平振子單元和底層水平振子單元的臂長之差為十六分之一至四分之一波長。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，諧振腔、頂層對跖V形輻射單元與底層對跖V形輻射單元采用同軸線進(jìn)行激發(fā)，其中，諧振腔的上表面與同軸線的內(nèi)導(dǎo)體相連，諧振腔的下表面與同軸線的外導(dǎo)體相連。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，介質(zhì)基板的介電常數(shù)為I至20。
[0011]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下技術(shù)效果:本發(fā)明在垂直于天線平面方向有圓極化性能，在平行于天線平面方向有線極化性能且3dB波束張角可展寬至100°，在不同極化方向的增益差較小，適用于克服姿態(tài)變化引起的衰落，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、剖面尺寸低且便于制作實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0012I圖1是天線的正面結(jié)構(gòu)與參考坐標(biāo)示意圖。
[0013I圖2是天線的三維立體示意圖與參考坐標(biāo)示意圖。
[0014]其中，I是介質(zhì)基板，2是諧振腔，3是頂層水平振子單元，4是底層水平振子單元，5是頂層對跖V形輻射單元，6是底層對跖V形輻射單元，7是頂層匹配枝節(jié)，8是底層匹配枝節(jié)，9是V形夾角，21是諧振腔上表面，22是諧振腔下表面，23是同軸線內(nèi)導(dǎo)體，24是同軸線外導(dǎo)體。
[0015]圖3是采用IE3D軟件計算的天線軸比示意圖，其中，(a)是+z軸的軸比示意圖，(b)是+ X軸的軸比示意圖O
[0016]圖4是采用IE3D軟件計算的天線反射系數(shù)特性。
[0017]圖5是采用IE3D軟件計算的天線方向圖，其中，(a)是xoy-平面的方向圖，(b)是XOZ-平面的方向圖。
[0018]圖6是采用IE3D軟件計算的天線增益圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0020]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。[0021 ]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
對照附圖1、圖2，本發(fā)明用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線的結(jié)構(gòu)是:包括介質(zhì)基板I;介質(zhì)基板I的上表面設(shè)置有頂層水平振子單元3、頂層對跖V形輻射單元5、頂層匹配枝節(jié)7，頂層對妬V形福射單元5的V形結(jié)點(diǎn)與頂層水平振子單元3相連，頂層對妬V形福射單元5的一端與頂層匹配枝節(jié)7相連;介質(zhì)基板I的下表面設(shè)置有底層水平振子單元4、底層對跖V形福射單元6、底層匹配枝節(jié)8，底層對妬V形福射單元6的V形結(jié)點(diǎn)與底層水平振子單元4相連，底層對跖V形輻射單元6的一端與底層匹配枝節(jié)8相連。其中，頂層水平振子單元3與底層水平振子單元4具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板I的中心橫軸反對稱排布;頂層對跖V形輻射單元5與底層對跖V形輻射單元6具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板I的中心橫軸反對稱排布;頂層匹配枝節(jié)7與底層匹配枝節(jié)8具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板I的中心橫軸反對稱排布。介質(zhì)基板I的上下表面之間形成一個一面非封閉的長方體諧振腔2，該諧振腔2的非封閉面垂直于介質(zhì)基板I的表面，該諧振腔的非封閉面的上端和下端分別與頂層匹配枝節(jié)7、底層匹配枝節(jié)8相連;頂層對跖V形輻射單元5與底層對跖V形輻射單元6構(gòu)成開口環(huán)單元，且開口環(huán)在介質(zhì)基板I上的投影位置與諧振腔2的位置不重疊。
[0022]本發(fā)明中，頂層水平振子單元3與底層水平振子單元4的長度、寬度均可改變;頂層匹配枝節(jié)7與底層匹配枝節(jié)8的長度、寬度均可改變;頂層對跖V形輻射單元5與底層對跖V形輻射單元6的V形夾角可改變，夾角改變范圍為60°至140° ;頂層對跖V形輻射單元和底層對跖V形輻射單元的臂長與頂層水平振子單元和底層水平振子單元的臂長之差可改變，其差值變化范圍為十六分之一至四分之一波長。
[0023]本發(fā)明通過控制對跖V形輻射單元的臂長與水平振子單元的臂長的長度差，得到+z方向(垂直于介質(zhì)基板的方向)的圓極化特性;通過控制諧振腔2與水平振子單元的大小，該天線在xoy面的波束得到展寬。
[0024]對照附圖3，圖3中(a)和(b)是介質(zhì)基板(I)按照相對介電常數(shù)為1.0、厚為4毫米，V形輻射單元夾角為120°，V形輻射單元臂長與水平振子單元臂長差值為十六分之一波長，利用IE3D軟件仿真計算得到的天線在+z軸和+X軸方向的軸比特性。其中，(a)表示該天線在+z軸的軸比特性，(b)表示該天線在+X軸的軸比特性，由圖中(a)和(b)可見，該天線在+z方向(垂直于介質(zhì)基板的方向)的極化模式為圓極化，在+X方向(平行于介質(zhì)基板的方向)的極化模式為線極化。其圓極化模式用于接收來自天頂方向的衛(wèi)星導(dǎo)航或定位信號，線極化模式既可用于地面通信，又可在用戶姿態(tài)變化時，提供足夠增益，接收到來自天頂方向的導(dǎo)航或定位信息。
[0025]對照附圖4，圖4是采用IE3D軟件計算的天線反射系數(shù)特性，由圖可知，該天線帶寬覆蓋了 2.41-2.47GHz頻段，相對帶寬為2.5%，中心頻率在2.44GHz，該天線具有一定的阻抗帶寬。
[0026]對照附圖5，圖5中(a)和(b)給出了2.44GHz的兩個主工作面方向圖(xoy-平面與XOZ-平面)，其中，(a)表示Xoy-平面的方向圖，(b)表示XOZ-平面的方向圖，圖中的實(shí)線為主極化分量，虛線為交叉極化分量。
[0027]對照附圖6，圖6給出了工作頻段內(nèi)的增益特性，圖中的實(shí)線表示天線在+X方向(平行于介質(zhì)基板的方向)的增益曲線，虛線表示天線在+z方向(垂直于介質(zhì)基板的方向)的增益曲線。由圖可見，該天線在+X方向(平行于介質(zhì)基板的方向)的增益比+z方向(垂直于介質(zhì)基板的方向)的增益高3_4dB。
[0028]由圖5和圖6可見，在中心頻率2.44GHz處，天線在最大輻射方向上的3dB波束張角已達(dá)到100°，并且在+X方向(平行于介質(zhì)基板的方向)的增益高于+Z方向(垂直于介質(zhì)基板的方向)的增益，彌補(bǔ)了極化失配。
[0029]綜上所述，本發(fā)明用于克服姿態(tài)衰落的寬波束天線，其圓極化波束垂直于天線所在平面，最大輻射方向平行于天線平面，3dB波束張角可達(dá)100°，并且隨著圓極化的失配，增益反而有所提高，因此該天線適用于穿戴在人體接收不同方向的來波，可以克服姿態(tài)變化引起的衰落，應(yīng)用前景非常廣泛。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，其特征在于:包括介質(zhì)基板(I); 介質(zhì)基板(I)的上表面設(shè)置有頂層水平振子單元(3)、頂層對跖V形輻射單元(5)、頂層匹配枝節(jié)(7)，頂層對跖V形輻射單元(5)的V形結(jié)點(diǎn)與頂層水平振子單元(3)相連，頂層對跖V形輻射單元(5)的一端與頂層匹配枝節(jié)(7)相連； 介質(zhì)基板(I)的下表面設(shè)置有底層水平振子單元(4)、底層對跖V形輻射單元(6)、底層匹配枝節(jié)(8)，底層對跖V形輻射單元(6)的V形結(jié)點(diǎn)與底層水平振子單元(4)相連，底層對跖V形輻射單元(6)的一端與底層匹配枝節(jié)(8)相連； 其中，頂層水平振子單元(3)與底層水平振子單元(4)具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板(I)的中心橫軸反對稱排布;頂層對妬V形福射單元(5)與底層對妬V形福射單元(6)具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板(I)的中心橫軸反對稱排布;頂層匹配枝節(jié)(7)與底層匹配枝節(jié)(8)具有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，且相對于介質(zhì)基板(I)的中心橫軸反對稱排布； 介質(zhì)基板的上下表面之間形成一個一面非封閉的長方體諧振腔(2)，該諧振腔(2)的非封閉面垂直于介質(zhì)基板(I)的表面，該諧振腔(2)的非封閉面的上端和下端分別與頂層匹配枝節(jié)(7)、底層匹配枝節(jié)(8)相連； 頂層對跖V形輻射單元(5)與底層對跖V形輻射單元(6)構(gòu)成開口環(huán)單元，且開口環(huán)在介質(zhì)基板(I)上的投影位置與諧振腔(2)的位置不重疊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，其特征在于:頂層對跖V形輻射單元(5)與底層對跖V形輻射單元(6)的V形夾角為60°至140°。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，其特征在于:頂層對跖V形輻射單元(5)和底層對跖V形輻射單元(6)的臂長與頂層水平振子單元(3)和底層水平振子單元(4)的臂長之差為十六分之一至四分之一波長。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，其特征在于:諧振腔(2)、頂層對跖V形輻射單元(5)與底層對跖V形輻射單元(6)采用同軸線進(jìn)行激發(fā)，其中，諧振腔(2)的上表面與同軸線的內(nèi)導(dǎo)體(23)相連，諧振腔(2)的下表面與同軸線的外導(dǎo)體(24)相連。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于克服姿態(tài)變化衰落的寬波束天線，其特征在于:介質(zhì)基板(I)的介電常數(shù)為I至20。
【文檔編號】H01Q3/26GK105938936SQ201610399680
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】呂文俊, 李玲, 朱洪波
【申請人】南京郵電大學(xué)