低剖面圓極化錐形波束天線的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種低剖面圓極化錐形波束天線，包括：天線輻射結(jié)構(gòu)、地板、反射板、金屬化過(guò)孔、金屬套筒。天線輻射部分為貼片結(jié)構(gòu)，由圓形貼片、“L”形貼片、寄生圓環(huán)組成，輻射貼片與地板之間由金屬化過(guò)孔連接。地板與反射板通過(guò)金屬圓柱連接，兩者之間由空氣層和介質(zhì)層填充。天線由同軸線在中心激勵(lì)。本發(fā)明中的天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在一定的傾角范圍內(nèi)，全向性能以及軸比性能良好，?10dB相對(duì)帶寬16.3％，在1.44GHz?1.59GHz，最大輻射方向增益不小于6dB，最高7.64dB。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
低剖面圓極化錐形波束天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種低剖面圓極化錐形波束天線。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，圓極化錐形波束天線在衛(wèi)星信號(hào)接收系統(tǒng)中占有越來(lái)越重要的地位。衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)分為圓極化和線性化兩種，地面上的圓極化天線可接收來(lái)自衛(wèi)星的任意極化方式的來(lái)波，其輻射的電磁波也可由衛(wèi)星上任意極化方式的天線收到，具有旋向正交性。圓極化錐形波束在保證圓極化的條件下實(shí)現(xiàn)天線在一定傾角范圍內(nèi)的全向輻射特性，可以在不同瑋度全方位的發(fā)射或者接收任意軌道衛(wèi)星的任意極化方式的電磁波。在車(chē)載、基站衛(wèi)星信號(hào)接收系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]車(chē)載衛(wèi)星接收天線的實(shí)現(xiàn)方式有很多，按照實(shí)現(xiàn)原理大致可以分為兩類(lèi):一是使用位置固定的錐形波束天線，實(shí)現(xiàn)在一定的傾角范圍內(nèi)接收任意方向的衛(wèi)星信號(hào)；另一種是使用單向輻射天線，根據(jù)衛(wèi)星與汽車(chē)的相對(duì)位置，通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整天線的指向，以接收衛(wèi)星信號(hào)。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，Sheng Ye , Xianl ing Liang和Wenzhi Wang等人2012年在IEEEAntennas and Propagat1n Magazine.期刊上發(fā)表的文章“High Gain Planar AntennaArrays for Mobile Satellite Communicat1ns”提出了一種應(yīng)用于車(chē)載衛(wèi)星通信的高增益低剖面的陣列天線，這種天線具有定向輻射特性，在汽車(chē)行駛過(guò)程中需要通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整天線的指向，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性。此外，高昂的加工成本也使該天線的應(yīng)用范圍較窄。低剖面的圓極化錐形波束天線可以更加靈活的實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的全向接收，無(wú)需外加機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)，但在這一領(lǐng)域的發(fā)明較少，還需要進(jìn)一步的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種低剖面圓極化錐形波束天線。
[0005]根據(jù)本發(fā)明提供的低剖面圓極化錐形波束天線，包括:天線輻射結(jié)構(gòu)、地板以及反射板;天線輻射結(jié)構(gòu)與地板之間通過(guò)金屬化過(guò)孔連接，所述地板與反射板通過(guò)金屬圓柱或金屬套筒連接，且所述地板與反射板之間由空氣層和介質(zhì)層填充。
[0006]所述天線輻射結(jié)構(gòu)包括:頂層貼片，所述頂層貼片由圓形貼片和L形貼片組成，其中:L形貼片以圓形貼片為中心均勾分布在圓形貼片的周?chē)?br>[0007]優(yōu)選地，還包括同軸線，同軸線在圓形貼片的中心激勵(lì)，即所述同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與圓形貼片相連，同軸線的外導(dǎo)體與地板相連。
[0008]優(yōu)選地，所述地板與反射板之間的介質(zhì)層采用FR4材料，能有效減小天線剖面高度。
[0009]優(yōu)選地，所述地板與反射板通過(guò)六個(gè)金屬圓柱或金屬套筒連接，所述六個(gè)金屬圓柱或金屬套筒在反射板上激勵(lì)起電流，使得反射板參與輻射;所述六個(gè)金屬圓柱或金屬套筒不僅起到支撐作用，還可以有效改善阻抗匹配，提高帶寬。提高天線的增益。
[0010]優(yōu)選地，所述地板與天線輻射結(jié)構(gòu)通過(guò)六個(gè)金屬化過(guò)孔相連，能夠激發(fā)高次模式的電場(chǎng)。恰當(dāng)調(diào)節(jié)過(guò)孔與天線中心的距離，使高次模對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)與天線本身的諧振頻點(diǎn)距離較近時(shí)，可有效的提高天線的帶寬。金屬化過(guò)孔在地板上激勵(lì)起電流，使地板參與輻射，提尚天線的增益。
[0011]優(yōu)選地，所述天線輻射結(jié)構(gòu)中的圓形貼片能夠輻射垂直極化波，圓形貼片的外圍八個(gè)L形貼片與圓形貼片之間間隔有一定寬度的縫隙，所述縫隙用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；
[0012]具體地，所述天線輻射結(jié)構(gòu)法向部分輻射水平極化波，徑向部分長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，能夠使垂直極化波與水平極化波產(chǎn)生90度相位差，產(chǎn)生整體向外輻射圓極化波。
[0013]優(yōu)選地，所述L形貼片與地板之間還設(shè)有寄生圓環(huán)，寄生圓環(huán)位于L形貼片正下方，能夠耦合產(chǎn)生環(huán)形電流。所述金屬圓環(huán)能夠輻射水平極化波，可彌補(bǔ)圓形貼片和L形貼片向外輻射的水平極化波與垂直極化波幅值不平衡的缺陷，有效提高天線的圓極化性能。
[0014]優(yōu)選地，所述頂層貼片的電流分布關(guān)于天線中心對(duì)稱(chēng)反向，在天線中心處的電場(chǎng)相互抵消，能夠產(chǎn)生具有錐形波束的方向圖。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0016]1、本發(fā)明提供的低剖面圓極化錐形波束天線具有低剖面寬帶特性，剖面高度小于2cm，-10dB 帶寬為 16.3%。
[0017]2、本發(fā)明中輻射貼片、地板、反射板均向外輻射電磁波，具有錐形波束方向圖和一定的3dB增益波束寬度;在1.44GHz-l.59GHz，最大輻射方向在θ = 30°平面，增益在6dB以上，最大為7.64dB，波束寬度為34° ;在1.467GHz-l.492GHz，θ = 45°平面的增益在4.8dB以上，最大為 5.45dB。
[0018]3、本發(fā)明具有較寬的3dB軸比波束寬度，最大輻射方向的3dB軸比帶寬為1.476GHz-l.51GHz; Θ = 45° 平面上的3dB軸比帶寬為1.467GHz_l.492GHz。
[0019]4、本發(fā)明的主體為金屬貼片并由同軸線在中心處直接饋電，加工簡(jiǎn)單、成本低。
[0020]5、本發(fā)明具有錐形波束方向圖和較寬的波束寬度，可實(shí)現(xiàn)在一定傾角范圍內(nèi)全向接收衛(wèi)星信號(hào)，避免了通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整天線指向而引起的不穩(wěn)定性和系統(tǒng)的復(fù)雜性。所以，本發(fā)明具有很大的靈活性和廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0021]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0022]圖1為本發(fā)明低剖面圓極化錐形波束天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明低剖面圓極化錐形波束天線的俯視圖及A-A剖視圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的低剖面圓極化錐形波束天線的回波損耗圖；
[0025]圖4為本發(fā)明實(shí)施例在1.476GHz、1.49GHz、1.5IGHz三個(gè)頻點(diǎn)的最大輻射方向所在平面(θ = 30°)全向軸比圖；
[0026]圖5為本發(fā)明實(shí)施例在1.44GHz、1.476GHz、1.49GHz、1.5IGHz、1.59GHz五個(gè)頻點(diǎn)的最大輻射方向所在平面(Θ = 30°)全向增益圖；
[0027]圖6為本發(fā)明實(shí)施例在1.467GHz、1.48GHz、1.492GHz三個(gè)頻點(diǎn)的Θ = 45°平面全向軸比圖；
[0028]圖7為本發(fā)明實(shí)施例在1.467GHz、1.48GHz、1.492GHz三個(gè)頻點(diǎn)的Θ = 45°平面全向增益圖。
[0029]圖中:I為頂層貼片，2為寄生圓環(huán)結(jié)構(gòu)，3為地板，4為L(zhǎng)形貼片，5為L(zhǎng)形貼片與圓形貼片的縫隙，6為圓形貼片，7為天線輻射貼片的饋電點(diǎn)，8為金屬化過(guò)孔，9為金屬圓柱，10為介質(zhì)板，11為介質(zhì)層，12為空氣層，13為反射板。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031]根據(jù)本發(fā)明提供的低剖面圓極化錐形波束天線，包括:天線輻射結(jié)構(gòu)(I和2)、地板
3、反射板13、金屬化過(guò)孔8、金屬圓柱9。天線福射部分為貼片結(jié)構(gòu)，由圓形貼片6、L形貼片4、寄生圓環(huán)2組成，輻射貼片與地板之間由金屬化過(guò)孔連接。地板與反射板通過(guò)金屬圓柱連接，兩者之間由空氣層12和介質(zhì)層11填充。天線由同軸線在貼片中心7激勵(lì)。
[0032]進(jìn)一步地，天線頂層貼片I外徑21.4cm。其中，圓形貼片6外徑llcm，L形貼片的徑向長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，兩者之間的縫隙長(zhǎng)度為0.07_丄形貼片與地板之間有一寄生金屬圓環(huán)2，位于L形貼片的正下方，外徑與輻射貼片相同，寬度為1.7cm。圓形貼片與地板之間通過(guò)六個(gè)直徑為0.24cm的金屬化過(guò)孔短路連接，過(guò)孔距離天線中心的距離為4.6cm。天線的介質(zhì)板 1材料為Ar I on Di 880。
[0033]進(jìn)一步地，地板3外徑為19.3cm，通過(guò)六個(gè)直徑為0.2cm的金屬圓柱9與反射板13連接，金屬圓柱距離天線中心的距離為9cm。地板與反射板之間由介質(zhì)層11和空氣層12填充，介質(zhì)層由FR4材料填充，高0.19cm;空氣層高0.82cm。同軸線貫穿反射板、介質(zhì)層與空氣層，外導(dǎo)體直徑4_，與地板連接，內(nèi)導(dǎo)體直徑1_，在貼片中心饋電。
[0034]本發(fā)明低剖面圓極化錐形波束天線的工作原理如下:
[0035]如圖1和圖2所示，其為本發(fā)明低剖面圓極化錐形波束天線的俯視圖以及剖面圖。圓形貼片6與L形貼片4之間的縫隙5等效為電容加載，可有效改善阻抗匹配，地板3與圓形貼片之間的金屬化過(guò)孔8和地板與反射板13之間的金屬圓柱9可有效提高工作帶寬。頂層貼片I中的圓形貼片輻射線極化波，其電流沿徑向分布，輻射垂直極化波，天線所在平面處的電場(chǎng)垂直于該平面。L形貼片分為徑向和法向兩部分，徑向部分可看作圓形貼片的延長(zhǎng)部分，電流分布與圓形貼片相同。法向部分電流按環(huán)形電流分布，輻射水平極化波。當(dāng)L形貼片的徑向部分長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)時(shí)，垂直極化波與水平極化波產(chǎn)生90度的相位差，從而使天線整體輻射左旋圓極化波。根據(jù)傳輸線理論，電流在傳播的過(guò)程中伴隨著反射和損耗，所以L形貼片法向部分的電流幅值小于圓形貼片的電流幅值，對(duì)應(yīng)垂直極化波幅值大于水平極化波幅值。在L形貼片下方加一寄生金屬圓環(huán)2，通過(guò)耦合，其上的電流按環(huán)形電流分布，輻射水平極化波，彌補(bǔ)了兩者幅值不平衡的缺陷，可有效提高天線的圓極化特性。天線地板和反射板上具有較強(qiáng)的電流分布，參與天線的輻射，所以天線具有較高的增益。圓形貼片、L形貼片、寄生圓環(huán)、地板和反射板的電流分布都關(guān)于天線中心對(duì)稱(chēng)反向，使得天線具有錐形波束的方向圖，在一定的傾角范圍內(nèi)全向輻射左旋圓極化波。
[0036]如圖3所示是本實(shí)施例的仿真得到的回波損耗圖。從圖中可以看出，在1.35GHz-1.59GHz內(nèi)回波損耗基本小于-1OdB。
[0037]如圖4所示是本實(shí)例的仿真得到的在1.476GHZ、1.49GHz、1.51GHz三個(gè)頻點(diǎn)的最大輻射方向所在平面全向(θ = 30°)的軸比圖。從圖中可以看出，在1.476GHz-1.5 IGHz內(nèi)，最大輻射方向所在平面的軸比均小于3dB。
[0038]如圖5所示是本實(shí)例的仿真得到的在1.44GHz、1.476GHz、1.49GHz、1.51GHz、
1.59GHz五個(gè)頻點(diǎn)的最大輻射方向所在平面全向(Θ = 30° )的增益圖。從圖中可以看出，在1.44GHz-l.59GHz內(nèi)，最大福射方向所在平面的增益均大于6dB，最大為7.64dB且天線的全向性能良好。
[0039]如圖6所示是本實(shí)例的仿真得到的在1.467GHz、1.48GHz、1.492GHz三個(gè)頻點(diǎn)的θ =45°平面全向的軸比圖。從圖中可以看出，在1.467GHz-1.492GHz內(nèi)，θ = 45平面的軸比均小于 3dB。
[0040]如圖7所示是本實(shí)例的仿真得到的在1.467GHz、l.48GHz、1.492GHz三個(gè)頻點(diǎn)的Θ =45°平面全向的增益圖。從圖中可以看出，在1.467GHz-1.492GHz內(nèi)，θ = 45°平面的增益均大于4.8dB，最大為5.45dB且天線的全向性能良好。
[0041]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，包括:天線輻射結(jié)構(gòu)、地板以及反射板;天線輻射結(jié)構(gòu)與地板之間通過(guò)金屬化過(guò)孔連接，所述地板與反射板通過(guò)金屬圓柱或金屬套筒連接，且所述地板與反射板之間由空氣層和介質(zhì)層填充。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，所述天線輻射結(jié)構(gòu)包括:頂層貼片，所述頂層貼片由圓形貼片和L形貼片組成，其中:L形貼片以圓形貼片為中心均勻分布在圓形貼片的周?chē)?.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，還包括同軸線，同軸線在圓形貼片的中心激勵(lì)，即所述同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與圓形貼片相連，同軸線的外導(dǎo)體與地板相連。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，所述地板與反射板之間的介質(zhì)層采用FR4材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，所述地板與反射板通過(guò)六個(gè)金屬圓柱或金屬套筒連接，所述六個(gè)金屬圓柱或金屬套筒在反射板上激勵(lì)起電流，使得反射板參與輻射。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，所述地板與天線輻射結(jié)構(gòu)通過(guò)六個(gè)金屬化過(guò)孔相連，能夠激發(fā)高次模式的電場(chǎng)。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，所述天線輻射結(jié)構(gòu)中的圓形貼片能夠輻射垂直極化波，圓形貼片的外圍八個(gè)L形貼片與圓形貼片之間間隔有一定寬度的縫隙，所述縫隙用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配； 具體地，所述天線輻射結(jié)構(gòu)法向部分輻射水平極化波，徑向部分長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)，能夠使垂直極化波與水平極化波產(chǎn)生90度相位差，產(chǎn)生整體向外輻射的圓極化波。8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，所述L形貼片與地板之間還設(shè)有寄生圓環(huán)，寄生圓環(huán)位于L形貼片正下方，能夠耦合產(chǎn)生環(huán)形電流。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低剖面圓極化錐形波束天線，其特征在于，所述頂層貼片的電流分布關(guān)于天線中心對(duì)稱(chēng)反向，在天線中心處的電場(chǎng)相互抵消，能夠產(chǎn)生具有錐形波束的方向圖。
【文檔編號(hào)】H01Q1/50GK106099350SQ201610590691
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月25日 公開(kāi)號(hào)201610590691.4, CN 106099350 A, CN 106099350A, CN 201610590691, CN-A-106099350, CN106099350 A, CN106099350A, CN201610590691, CN201610590691.4
【發(fā)明人】丁子恒, 耿軍平, 梁仙靈, 金榮洪, 王堃
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)