CN109687092B - 一种低剖面全向圆极化天线 - Google Patents

Abstract

一种低剖面全向圆极化天线，其主要包括反射片2、辐射器3、极化器4、底板5，还包括支撑件31、上盖体1和下盖体6。一方面，由于将辐射器设置于底板的凹陷部内，不但易于同金属载体共形，使天线的剖面得以降低，也使得得到的方向图与金属板上的单极子天线类似，为水平全向的方向图；另一方面，由于反射片上缝隙的数目和形状可调，极化器中微带线的数目和形状可调，使得特定仰角范围内的轴比能够得以优化，可通过优化特定仰角范围的圆极化增益来满足不同设计需求。总而言之，本申请公开的低剖面全向圆极化天线的结构紧凑，能够达到小体积、低剖面的装配效果，还具备带宽、轴比、增益灵活可调的优势，具有较高的应用价值。

Description

一种低剖面全向圆极化天线

技术领域

本发明涉及全向圆极化天线技术领域，具体涉及一种低剖面全向圆极化天线。

背景技术

随着通信技术的不断发展，人们对天线的性能要求也越来越高。当前，普通的线极化天线已很难满足人们的需求，而圆极化天线的应用越来越广泛，由于圆极化天线可以接受任意极化的来波，具有很好的旋向正交性，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离特点，此外，圆极化波还具有抗干扰、防雨雾、抗多路径效应的特点，从而使得圆极化天线被广泛应用在通信、雷达、卫星定位、电子侦察与电子干扰等各个方面，发挥着巨大的经济效益。

例如，在飞机等高速飞行载体上都会使用圆极化的导航天线和通信天线，要求天线既不影响载体的空气动力性能，又不破坏载体的机械结构和强度。又如，在天文、航天航空通信等设备中，为了减小信号的漏失并有效的消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响，均会采用全向圆极化天线。同样，在诸如舰艇等高速运动甚至剧烈摆动或者旋转的物体上，装置圆极化天线有利于在任何运动状态下都能够接收到无线电信号。因此，要求圆极化天线具有类似单极子的全向辐射方向图。

现有的几种全向圆极化方案包括：(1)通过单极子加载圆极化器的方式，缺点是高度高，不宜共形载体，带宽窄；(2)通过几组绕圆柱旋转对称的圆极化天线组阵形成的全向圆极化天线，缺点是需要馈电网络，整体尺寸大；(3)通过空间上相隔90度的两组线极化组阵形成的圆极化，缺点是需要组阵，结构复杂，带宽窄。此外，现有的圆极化天线还往往存在结构复杂、规格过大的问题，存在许多使用缺陷，难以满足许多对天线尺寸有要求的应用环境。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是如何改善现有圆极化天线因结构复杂、尺寸过大引起的应用受限情形。为解决上述技术问题，本申请提供一种低剖面全向圆极化天线，包括反射片2、辐射器3、极化器4和底板5；

所述辐射器设置于所述底板的上表面，用于连接射频线；

所述极化器设置于所述辐射器的周边，且固定连接在所述底板的上表面，包括至少一段微带线；

所述反射片设置于所述辐射器之上，与所述辐射器的上表面隔离，所述反射片的边缘设有至少一条缝隙。

所述底板的上表面设有与所述辐射器匹配的凹陷部51，所述辐射器通过所述凹陷部被设置于所述底板的上表面。

所述的低剖面全向圆极化天线还包括支撑件31，所述支撑件设置于所述凹陷部的底面，所述辐射器设置于所述支撑件上。

所述凹陷部的底面上设有通孔52，所述射频线穿过所述通孔和所述支撑件后与所述辐射器连接。

当包括多段微带线时，多段所述微带线均匀地设置于所述辐射器的周边；

当包括多条缝隙时，多条所述缝隙均匀地设置于所述反射片的边缘。

所述极化器包括十二段微带线，所述十二段微带线分别沿所述辐射器的十二分之一圆弧分布，每段所述微带线沿分布方向呈倾斜形；

所述反射片包括十二条缝隙，所述十二条缝隙分别沿所述反射片的十二分一圆弧分布，每条所述缝隙沿分布方向呈螺线形、斜线形或者垂线形。

所述的低剖面全向圆极化天线还包括上盖体1和下盖体6，所述上盖体和所述下盖体用于配合形成保护外壳；

所述下盖体内设有空腔，所述底板通过所述空腔侧壁上设置的卡槽固定在所述空腔内；

所述反射片通过螺钉固定于所述上盖体的内表面，所述上盖体与所述下盖体在盖合时，使得所述反射片和所述辐射器之间形成有均匀的空隙。

所述反射片为圆形金属薄片；

所述辐射器为金属圆盘或金属圆锥；

所述微带线为条形金属薄片；

所述底板为金属圆板；

所述支撑件为环形非金属垫片；

所述上盖体和所述下盖体均为塑料材质。

所述反射片的直径R_f设置为0.4R_y至1.2R_y，所述反射片和所述辐射器之间的间距H_f设置为M*0.04λ至M*0.06λ；

所述辐射器的直径R_y设置为N*0.24λ至N*0.26λ；

所述微带线的垂直高度H_w设置为0.8H_f至1.2H_f；

所述底板上凹陷部的直径R_d0设置为N*0.28λ至N*0.32λ，深度H_d0设置为N*0.01λ至N*0.02λ，R_d＞R_d0＞R_y，所述R_d为所述底板的直径；

所述支撑件的直径H_n设置为0.5H_d0至1.5H_d0；

其中，所述λ为天线的中心频率波长，M、N均为大于或等于1的整数。

所述反射片的直径R_f设置为34mm，厚度D_f设置为0.5mm，所述反射片上每条缝隙的长度、宽度分别设置为5mm、0.6mm，所述辐射器和所述反射片之间的间距H_f设置为6mm；

所述辐射器的直径R_y设置为32mm，厚度D_y设置为1mm；

所述极化器的直径R_j设置为52mm，所述极化器的每段微带线的垂直高度H_w设置为6.5mm，厚度设置为0.2mm，介电常数设置为3.5；

所述底板的直径R_d设置为80mm，厚度D_d设置为4mm，所述底板上凹陷部的直径R_d0设置为36mm，深度H_d0设置为2mm；

所述支撑件的直径H_n设置为20mm，高度H_n设置为1.5mm，厚度D_n设置为1mm。

本申请的有益效果是：

依据上述实施例的一种低剖面全向圆极化天线，其主要包括反射片2、辐射器3、极化器4、底板5，还包括支撑件31、上盖体1和下盖体6。第一方面，由于将辐射器设置于底板的凹陷部内，不但易于同金属载体共形，使天线的剖面得以降低，也使得得到的方向图与金属板上的单极子天线类似，为水平全向的方向图；第二方面，在将辐射器设置成金属圆锥时，可利于在设计要求的范围内扩大圆盘直径，从而获得较宽的带宽；第三方面，由于反射片上缝隙的数目和形状可调，极化器中微带线的数目和形状可调，使得特定仰角范围内的轴比能够得以优化，可通过优化特定仰角范围的圆极化增益来满足不同设计需求；第四方面，本申请公开的低剖面全向圆极化天线的结构紧凑，能够达到小体积、低剖面的装配效果，还具备带宽、轴比、增益灵活可调的优势，具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本申请的低剖面全向圆极化天线的***示意图；

图2为低剖面全向圆极化天线的纵向剖面示意图；

图3为反射片的结构示意图；

图4为辐射器、极化器和底板的装配示意图；

图5为驻波-频率的测试结果图；

图6为轴比-角度的测试结果图；

图7为圆极化方向的测试结果图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

为便于技术人员对本申请技术方案的理解，这里将对一些技术数据进行说明。

天线的轴比，将任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹视为一椭圆，则椭圆的长轴2A和短轴2B之比称之为轴比(Axial Ratio，简称AR)。轴比是圆极化天线的一个重要的性能指标，可衡量整机对不同方向的信号增益差异性，它代表圆极化的纯度，轴比不大于3dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。

天线的驻波比，用来表示天线和电波发射台是否匹配，通常为是一个系数，没有单位。如果驻波比(简称SWR)的值等于1，则表示发射传输给天线的电波没有任何反射，全部发射出去，这是最理想的情况；如果SWR值大于1，则表示有一部分电波被反射回来，最终变成热量，使得馈线升温，而且被返射的电波在发射台输出口也可产生相当高的电压，有可能损坏发射台。

射频线，通常装接在电缆或设备上以供传输线***电连接的可分离元件，具体地，“传输线***”可指微波传输***。

辐射器，是指是能发射出具有所需的波段宽度和一定辐射功率的辐射器件。

极化器，是指控制天馈***(天馈***为天线向周围空间辐射电磁波的情形)极化方向的装置，它是一种信号接收器，常用于选择特定类型的的极化型式，抑制其它型式的极化波，以获得极化匹配和最佳接收的效果。

上、下，是指针对于本申请附图的方位名词，如上表面、下表面、上盖体、下盖体、之上、之下等，本领域的技术人员应当理解，本申请涉及的“上”、“下”仅用于区分描述的对象，不具有真实空间形态的方位含义。

下面将结合实施例对本申请的技术方案进行说明。

请参考图1和图2，本申请公开一种低剖面全向圆极化天线，其主要包括反射片2、辐射器3、极化器4和底板5，下面将分别说明。

辐射器3设置于底板5的上表面，用于连接射频线L1。辐射器3相当于圆极化天线的发射器，接收来自于射频线L1的高频电信号，然后将电信号转化为电磁波以向空间辐射。

极化器4设置于辐射器3的周边，且固定连接在底板5的上表面，包括至少一段微带线(例如微带线41)。

反射片2设置于辐射器3之上，与辐射器3的上表面隔离，该反射片2的边缘设有至少一条缝隙(如缝隙21)。

进一步地，底板5的上表面设有与辐射器3匹配的凹陷部51，辐射器3通过该凹陷部51被设置于底板的上表面。

进一步地，本申请公开的低剖面全向圆极化天线还包括支撑件31，该支撑件31设置于凹陷部51的底面，辐射器31设置于支撑件31上。具体可见图2，辐射器3与底板5不接触，而是通过支撑件31进行连接，为使得辐射器3能够牢固地设置在凹陷部51内，可通过粘接等方式将辐射器3固定在支撑件31上，还可通过粘接等方式将支撑件3固定在凹陷部51的底面上。

进一步地，为达到较好的天线低剖面效果，优选地使得辐射器3的上表面与底板5的上表面平齐，甚至低于底板5的上表面。

进一步地，凹陷部5的底面上设有通孔52，如此，可使得射频线L1穿过通孔52和支撑件31后与辐射器3连接。这里的连接方式可包括焊接、粘接、旋接、卡接等方式，具体的连接方式不做限制。

进一步地，当极化器4包括多段微带线时，该些多段微带线均匀地设置于辐射器3的周边。在一具体实施例中，图2和图4，极化器4包括十二段微带线，十二段微带线分别沿辐射器3的十二分之一圆弧分布，每段微带线(如微带线41)沿分布方向呈倾斜形。由于十二段微带线螺旋环绕在辐射器3的周边，并固定在底板5上，最终形成了均匀的倾斜状螺旋分布状态，这里的固定方式优选地采用焊接。

进一步地，当反射片2包括多条缝隙时，该些多条缝隙均匀地设置于反射片2的边缘。在一具体实施例中，见图3，反射片2包括十二条缝隙，十二条缝隙分别沿反射片2的十二分一圆弧分布，每条缝隙(如缝隙21)沿分布方向呈螺线形、斜线形或者垂线形。优选地，设置每条缝隙呈斜线形，使得每两条相邻缝隙之间呈30度角。

进一步地，见图1，本申请公开的低剖面全向圆极化天线还包括上盖体1和下盖体6，上盖体1和下盖体6用于配合形成保护外壳，使得该低剖面圆极化天线既能够对内部装配的反射片2、辐射器3、极化器4、底板5进行保护，也能够形成适用于应用的产品外观。

其中，下盖体6内设有空腔，底板5通过空腔侧壁上设置的卡槽(例如61)固定在空腔内。反射片2上设有通孔，通过螺钉22穿过该通孔使得反射片2固定于上盖体1的内表面。可见图2，上盖体1与下盖体6在盖合时，使得反射片2和辐射器3之间形成有均匀的空隙。

在一具体实施例中，底板5上的卡槽61为与螺钉或螺杆相适配的内螺纹连接柱，设置的四个卡槽均匀地设置在空腔的侧壁上，同时，底板5上设有适配于该些卡槽的卡孔(例如卡孔52)，上盖板1上设有适配于该些卡槽的螺钉孔(例如螺钉孔11)，从而使得上盖体1和下盖体6在盖合时，底板6可通过卡孔53固定下盖体6的空腔内，螺钉可以通过螺钉孔11旋入卡槽61内。

在一具体实施例中，下盖体6的侧面设有与下表面平齐的环形边沿，环形边沿上设有多个均匀分布的通孔，根据这些通孔可方便地将下盖体6固定在诸如墙体、天花板、地板、发射架等物体上。

进一步地，反射片2为圆形金属薄片，通过开缝工艺获得诸如缝隙21所示的多条缝隙。辐射器3为金属圆盘或金属圆锥，若为金属圆盘时，反射片2和辐射器3之间形成均匀的空隙，若为金属圆锥时，反射片2和辐射器3之间形成向中心处逐渐减小的空隙结构；本实施例中优选地选择金属圆盘形式的辐射器。极化器4中的各个微带线均为条形金属薄片，如图2和图4所示，条形金属薄片依次焊接在底板5上。底板5为金属圆板，通过钻刻工艺在其上表面获得凹陷部51和通孔52，在其边缘处还获取均匀分布的诸如卡孔53所示的多个卡孔。支撑件31为环形非金属垫片，诸如橡胶或塑料制成圆环形垫片。上盖体1和下盖体2均为塑料材质。

在另一个实施例中，上盖体1的内表面上镶嵌有金属板，通过雕刻工艺在该金属板上获得反射片2，如此，可使得反射片2和上盖体1具有一体成型的工艺特性，既省却了螺钉22，也提高了装配效率。

在另一个实施例中，下盖体6的内腔中镶嵌有金属板，通过雕刻工艺在该金属板上获得底板5，如此，可使得底板5和下盖体6具有一体成型的工艺特性，可提高装配效率。

为使得本申请的全向圆极化天线具有较好的低剖面装配效果，以及宽频带、全向圆极化的性能效果，这里对各个组件的尺寸参数进行了设置。

在一实施例中，反射片2的直径R_f设置为0.4R_y至1.2R_y，反射片2和辐射器3之间的间距H_f设置为M*0.04λ至M*0.06λ；辐射器3的直径R_y设置为N*0.24λ至N*0.26λ；微带线41的垂直高度H_w设置为0.8H_f至1.2H_f；底板5上凹陷部51的直径R_d0设置为N*0.28λ至N*0.32λ，深度H_d0设置为N*0.01λ至N*0.02λ，R_d＞R_d0＞R_y，这里的R_d为底板5的直径；支撑件31的直径H_n设置为0.5H_d0至1.5H_d0。需要说明的是，其中，λ为天线的中心频率波长，M、N均为大于或等于1的整数，根据用户对天线的尺寸要求而选取。

在一具体实施例中，将反射片2的直径R_f设置为34mm，厚度D_f设置为0.5mm，将反射片2上每条缝隙的长度、宽度分别设置为5mm、0.6mm，将辐射器3和所述反射片2之间的间距H_f设置为6mm。将辐射器3的直径R_y设置为32mm，厚度D_y设置为1mm。将极化器4的直径R_j设置为52mm，将极化器4的每段微带线的垂直高度H_w设置为6.5mm，厚度设置为0.2mm，介电常数设置为3.5。将底板5的直径R_d设置为80mm，厚度D_d设置为4mm，将底板上凹陷部51的直径R_d0设置为36mm，深度H_d0设置为2mm。将支撑件31的直径H_n设置为20mm，高度H_n设置为1.5mm，厚度D_n设置为1mm。

为进一步地说明本申请的低剖面全向圆极化天线的实用性能，这里以上述公开的具体尺寸来设计该天线，并得到了如图5-7的仿真效果。

如图5所示，以电压驻波比小于2为标准，该天线的阻抗带宽范围为33.56GHz-36.14GHz，相对带宽为8％。

如图6所示，该天线的轴比指标。可以看到轴比的数值因极化波的角度而改变，其中，列举了m1-m5处X、Y轴所对应的具体数据。可发现，轴比小于10dB的范围有45度，主要是在水平线附近的低仰角表现良好，这和全向天线在水平方向增益高全向覆盖的要求是吻合的。

如图7所示，展示了天线的辐射方向，其中，列举了m1-m6处角度(Theta)、最小可用增益(Ang)、最大可用增益(Mag)所对应的具体数据。可发现，天线在仰角0度到仰角50度范围内，圆极化增益都大于0dB，其中，仰角10度到仰角40的范围内，圆极化增益大于2dB，最高增益有4.8dB。

通过图5-7的仿真结果可以看出，本申请请求保护的低剖面圆极化天线具有较宽的驻波带宽，较好的低仰角圆极化性能，同时还具有较高的低仰角圆极化增益。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种低剖面全向圆极化天线,其特征在于，包括反射片(2)、辐射器(3)、极化器(4)和底板(5)；

所述辐射器设置于所述底板的上表面，用于连接射频线；

所述极化器设置于所述辐射器的周边，且固定连接在所述底板的上表面，包括至少一段微带线；

所述反射片设置于所述辐射器之上，与所述辐射器的上表面隔离，所述反射片的边缘设有至少一条缝隙；所述反射片为圆形金属薄片，所述辐射器为金属圆锥，所述反射片和所述辐射器之间形成向中心处逐渐减小的空隙结构；

当所述极化器包括多段微带线时，多段所述微带线均匀地设置于所述辐射器的周边，并形成了均匀的倾斜状螺旋分布状态；当所述反射片包括多条缝隙时，多条所述缝隙均匀地设置于所述反射片的边缘；

所述底板的上表面设有与所述辐射器匹配的凹陷部(51)，所述辐射器通过所述凹陷部被设置于所述底板的上表面，所述辐射器的上表面与所述底板的上表面平齐或者低于所述底板的上表面。

2.如权利要求1所述的低剖面全向圆极化天线，其特征在于，还包括支撑件(31)，所述支撑件设置于所述凹陷部的底面，所述辐射器设置于所述支撑件上。

3.如权利要求2所述的低剖面全向圆极化天线，其特征在于，所述凹陷部的底面上设有通孔(52)，所述射频线穿过所述通孔和所述支撑件后与所述辐射器连接。

4.如权利要求1所述的低剖面全向圆极化天线，其特征在于，

所述极化器包括十二段微带线，所述十二段微带线分别沿所述辐射器的十二分之一圆弧分布，每段所述微带线沿分布方向呈倾斜形；

所述反射片包括十二条缝隙，所述十二条缝隙分别沿所述反射片的十二分之一圆弧分布，每条所述缝隙沿分布方向呈螺线形、斜线形或者垂线形。

5.如权利要求4所述的低剖面全向圆极化天线，其特征在于，还包括上盖体(1)和下盖体(6)，所述上盖体和所述下盖体用于配合形成保护外壳；

所述下盖体内设有空腔，所述底板通过所述空腔侧壁上设置的卡槽固定在所述空腔内；

所述反射片通过螺钉固定于所述上盖体的内表面，所述上盖体与所述下盖体在盖合时，使得所述反射片和所述辐射器之间形成有均匀的空隙。

6.如权利要求2所述的低剖面全向圆极化天线，其特征在于，

所述微带线为条形金属薄片；

所述底板为金属圆板；

所述支撑件为环形非金属垫片。

7.如权利要求5所述的低剖面全向圆极化天线，其特征在于，所述上盖体和所述下盖体均为塑料材质。

8.如权利要求6所述的低剖面全向圆极化天线，其特征在于，

所述反射片的直径R_f设置为0.4R_y至1.2R_y，所述反射片和所述辐射器之间的间距H_f设置为M*0.04λ至M*0.06λ；

所述辐射器的直径R_y设置为N*0.24λ至N*0.26λ；

所述微带线的垂直高度H_w设置为0.8H_f至1.2H_f；

所述底板上凹陷部的直径R_d0设置为N*0.28λ至N*0.32λ，深度H_d0设置为N*0.01λ至N*0.02λ，R_d＞R_d0＞R_y，所述R_d为所述底板的直径；

所述支撑件的直径H_n设置为0.5H_d0至1.5H_d0；

其中，所述λ为天线的中心频率波长，M、N均为大于或等于1的整数。

9.如权利要求8所述的低剖面全向圆极化天线，其特征在于，

所述反射片的直径R_f设置为34mm，厚度D_f设置为0.5mm，所述反射片上每条缝隙的长度、宽度分别设置为5mm、0.6mm，所述辐射器和所述反射片之间的间距H_f设置为6mm；

所述辐射器的直径R_y设置为32mm，厚度D_y设置为1mm；

所述极化器的直径R_j设置为52mm，所述极化器的每段微带线的垂直高度H_w设置为6.5mm，厚度设置为0.2mm，介电常数设置为3.5；

所述底板的直径R_d设置为80mm，厚度D_d设置为4mm，所述底板上凹陷部的直径R_d0设置为36mm，深度H_d0设置为2mm；

所述支撑件的直径H_n设置为20mm，高度H_n设置为1.5mm，厚度D_n设置为1mm。

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