CN111180880A - 一种超宽带圆极化天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带圆极化天线阵列，其改进之处在于：包括从上到下依次布置的三层介质基板，各层介质基板之间通过塑料螺钉连接，在底层介质基板的底面印刷一分四超宽带馈电网络，该一分四超宽带馈电网络包括一个输入端口和四个相位分别是0°、90°、180°和270°的输出端口，在底层介质基板的顶面设置金属圆锥体，在中间层介质基板上印刷梯度方形金属贴片阵列表面。本发明所公开的超宽带圆极化天线阵列，基于圆极化天线的概念设计，不但结构简单，还能提高其增益和显著降低其剖面，具有低剖面、高增益和超宽带的特点，可以应用于移动卫星通信等无线通信***领域。

Description

一种超宽带圆极化天线阵列
技术领域
本发明属于无线通信领域，特别涉及该领域中的一种超宽带圆极化天线阵列。
背景技术
天线按照极化特性可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种，其带宽是指天线在能满足设计指标要求的频率范围内的主要性能参数，如输入阻抗、方向图、增益、主瓣宽度和副瓣电平等，一般情况下，天线性能参数是随频率而变化的，因而天线带宽就取决于各项性能参数的频率特性。对于圆极化天线，其极化特性往往是限制工作带宽的主要因素。
圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化波，同时它发射的信号也可以由任意极化方向的线极化天线接收，并且具有旋向正交性，尤其是在航天飞行器、无线通信和雷达的极化分集、全球定位***、北斗***、伽利略***等无线电领域中得到了广泛应用。
近年来，超宽带通信技术受到广泛的关注，由于其可以大幅度地提高通信速率并且具有功耗低、安全性高等优点，使得超宽带通信技术越来越显示出其独特的优势。为了降低***成本和复杂性，宽带圆极化天线已经成为研究的热点。其中微带圆极化天线具有很多优点，例如结构简单，易于安装等，但是由于其高Q值的限制，传统的微带圆极化天线带宽很窄。尽管有一些研究已经提出了如何增加其圆极化带宽，但是大多数微带天线的轴比带宽仍不到30%。所以，设计出超宽带的圆极化天线就显得尤为重要了。
实际应用中的天线多依附于金属导体或者类似金属导体的载体之上，与自由空间中天线的辐射特性相比有很大的不同，这类型的天线剖面接近于工作频率的四分之一波长。考虑到实际应用中机械问题、空气动力学特性等一系列的因素，天线的剖面过大不易于天线与载体共形，并且增加了天线在移动过程中受到的阻力。因此低剖面天线以其轮廓低、风阻小、结构牢固、重量轻以及易于实现与载体共形等特性受到了天线研究者的广泛关注。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种能够达到较低剖面、较高增益的超宽带圆极化天线阵列。
本发明采用如下技术方案：
一种超宽带圆极化天线阵列，其改进之处在于：包括从上到下依次布置的三层介质基板，各层介质基板之间通过塑料螺钉连接，在底层介质基板的底面印刷一分四超宽带馈电网络，该一分四超宽带馈电网络包括一个输入端口和四个相位分别是0°、90°、180°和270°的输出端口，在底层介质基板的顶面设置金属圆锥体，在中间层介质基板上印刷梯度方形金属贴片阵列表面，在顶层介质基板的0°、90°、180°和270°方向上各布置一个单极子，每个单极子均包括印刷在顶层介质基板顶面上的圆弧形辐射贴片和微带馈电线，以及印刷在顶层介质基板底面上的矩形金属地板，四个单极子分别通过四根同轴电缆与底层介质基板底面一分四超宽带馈电网络的四个输出端口连接。
进一步的，所述的介质基板为FR4介质基板。
进一步的，一分四超宽带馈电网络是微带线形式，其输入端口与一个180°异相巴伦结构相连接，该180°异相巴伦结构的两个输出端口则分别与一个90°巴伦结构相连接。
进一步的，90°巴伦结构包括第一电阻、第二电阻和短路针。
进一步的，金属圆锥体与底层介质基板之间通过四个金属螺丝连接在一起。
进一步的，中间层介质基板的横截面为圆形。
进一步的，梯度方形金属贴片阵列表面包括五种不同大小的方形金属贴片。
进一步的，顶层介质基板的横截面为八边形。
进一步的，各同轴电缆均为垂直放置并穿过中间层介质基板。
进一步的，各同轴电缆的内芯分别与相应单极子的微带馈电线相连，外皮分别与相应单极子的矩形金属地板相连。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的超宽带圆极化天线阵列，基于圆极化天线的概念设计，不但结构简单，还能提高其增益和显著降低其剖面，具有低剖面、高增益和超宽带的特点，可以应用于移动卫星通信等无线通信***领域。
作为对无线通信天线的优化设计，该天线阵列可工作的频率为S波段，其工作频率的|S11|小于-10dB的范围是1.75-5.79GHz，带宽为132.8%，3-dB轴比带宽为92.5%（1.75-4.76GHz），对于S波段的工频而言，天线峰值增益可以达到12.6dBic，而且增益大于10dBic的频率带宽达到了71.4%（2.09-4.41GHz）。此外该天线阵列还具有很低的剖面，比常规圆极化反射阵天线的剖面减小了87%。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开超宽带圆极化天线阵列的三维立体结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开超宽带圆极化天线阵列的分层结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开超宽带圆极化天线阵列的顶层结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开超宽带圆极化天线阵列的中间层结构示意图；
图5是本发明实施例1所公开超宽带圆极化天线阵列的底层结构示意图；
图6是本发明实施例1所公开超宽带圆极化天线阵列的S参数仿真和测试数据图；
图7是本发明实施例1所公开超宽带圆极化天线阵列的左旋圆极化增益及轴比仿真和测试数据图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例公开了一种超宽带圆极化天线阵列，如图1，2所示，包括从上到下依次布置的三层介质基板，各层介质基板之间通过塑料螺钉5连接，如图5所示，在底层介质基板3的底面印刷一分四超宽带馈电网络19，该一分四超宽带馈电网络包括一个输入端口18和四个相位分别是0°、90°、180°和270°的输出端口14，在底层介质基板的顶面设置金属圆锥体7，如图4所示，在中间层介质基板2上印刷梯度方形金属贴片阵列表面8。由上述的梯度方形金属贴片阵列表面和金属圆锥体组成梯度人工磁导体，在梯度方形金属贴片阵列表面和金属圆锥体之间具有一定的高度差。如图3所示，在顶层介质基板1的0°、90°、180°和270°方向上各布置一个单极子，每个单极子均包括印刷在顶层介质基板顶面上的圆弧形辐射贴片9和微带馈电线11，以及印刷在顶层介质基板底面上的矩形金属地板10，由四个单极子组成一个2﹡2圆弧形单极子阵列，四个单极子分别通过四根同轴电缆4与底层介质基板底面一分四超宽带馈电网络的四个输出端口连接，从而在四个单极子上加载四个等幅、相位分别为0°、90°、180°和270°的信号。
综上所述，该天线阵列包括一个2﹡2圆弧形单极子阵列，一个带有金属圆锥体的梯度人工磁导体和一个一分四超宽带馈电网络。
在本实施例中，所述的介质基板为FR4介质基板。如图5所示，一分四超宽带馈电网络是微带线形式，其输入端口与一个180°异相巴伦结构（移相器）12相连接，以便实现一分二等幅信号，该180°异相巴伦结构的两个输出端口则分别与一个90°巴伦结构（移相器）13相连接，以便进一步将两路等幅信号分成四路等幅信号，四路等幅信号的相位分别是0°、90°、180°和270°， 从而能够达到超宽带功率分配和稳定的相位差。90°巴伦结构的微带设计中使用第一电阻16、第二电阻17和短路针15来实现宽带的、稳定的移相和功率分配功能。如图2所示，金属圆锥体与底层介质基板之间通过四个金属螺丝6连接在一起。如图4所示，中间层介质基板的横截面为圆形，梯度方形金属贴片阵列表面包括五种不同大小的方形金属贴片，按照一定的梯度规律排列在中间层介质基板上，能够达到展宽带宽和提高增益的作用。如图3所示，顶层介质基板的横截面为八边形。各同轴电缆均为垂直放置并穿过中间层介质基板。各同轴电缆的内芯分别与相应（即与该同轴电缆相连接）单极子的微带馈电线相连，外皮分别与相应（即与该同轴电缆相连接）单极子的矩形金属地板相连。
图6为超宽带圆极化天线阵列的S参数仿真和测试数据图，该天线阵列在工作频率的反射系数|S11|小于-10dB，而且大部分工作频段均可以满足小于-10dB的指标。该天线阵列可工作的频率为S波段，其工作频率的|S11|小于-10dB的范围是1.75-5.79GHz，带宽为132.8%。
图7为超宽带圆极化天线阵列的左旋圆极化增益及轴比仿真和测试数据图，对于S波段的工频而言， 3-dB轴比带宽为92.5%（1.75-4.76GHz），天线峰值增益可以达到12.6dBic，而且增益大于10dBic的频率带宽达到了71.4%（2.09-4.41GHz）。

Claims (10)

1.一种超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：包括从上到下依次布置的三层介质基板，各层介质基板之间通过塑料螺钉连接，在底层介质基板的底面印刷一分四超宽带馈电网络，该一分四超宽带馈电网络包括一个输入端口和四个相位分别是0°、90°、180°和270°的输出端口，在底层介质基板的顶面设置金属圆锥体，在中间层介质基板上印刷梯度方形金属贴片阵列表面，在顶层介质基板的0°、90°、180°和270°方向上各布置一个单极子，每个单极子均包括印刷在顶层介质基板顶面上的圆弧形辐射贴片和微带馈电线，以及印刷在顶层介质基板底面上的矩形金属地板，四个单极子分别通过四根同轴电缆与底层介质基板底面一分四超宽带馈电网络的四个输出端口连接。
2.根据权利要求1所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：所述的介质基板为FR4介质基板。
3.根据权利要求1所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：一分四超宽带馈电网络是微带线形式，其输入端口与一个180°异相巴伦结构相连接，该180°异相巴伦结构的两个输出端口则分别与一个90°巴伦结构相连接。
4.根据权利要求3所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：90°巴伦结构包括第一电阻、第二电阻和短路针。
5.根据权利要求1所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：金属圆锥体与底层介质基板之间通过四个金属螺丝连接在一起。
6.根据权利要求1所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：中间层介质基板的横截面为圆形。
7.根据权利要求1所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：梯度方形金属贴片阵列表面包括五种不同大小的方形金属贴片。
8.根据权利要求1所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：顶层介质基板的横截面为八边形。
9.根据权利要求1所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：各同轴电缆均为垂直放置并穿过中间层介质基板。
10.根据权利要求1所述超宽带圆极化天线阵列，其特征在于：各同轴电缆的内芯分别与相应单极子的微带馈电线相连，外皮分别与相应单极子的矩形金属地板相连。
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