CN113451786B - 一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，将圆极化天线阵列的天线单元与馈电网络的输出端口馈电连接，使圆极化天线阵列的天线单元的任一瞬间的电场极化方向相同，得到等效等幅同相的圆极化天线阵列。本发明解决了用匹配负载进行端口匹配，造成天线效率下降的问题，同时在此基础上，将馈电网络输出端口相位差问题和圆极化天线单元旋转相结合，进一步缩小了馈电网络的体积，得到更加实用的紧凑型馈电网络，并且实现了等效等幅同相的圆极化天线阵列。

Description

一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法

技术领域

本发明涉及一种天线技术领域，更具体地说，它涉及一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法。

背景技术

天线是无线电通讯***中的关键部件之一，随着无线电通讯技术的不断发展和演进，单个天线单元在增益指标上的表现，愈发难以满足***的要求。因此，对于高质量的无线电通讯而言，采用天线阵列是越来越合理的选择。

对于没有低副瓣要求的情况，出于成本以及简化***的考虑，一维天线阵列通常要求每个天线单元得到等幅同相的馈电。一般采用一分二等分威尔金森功分器或者T型功分器作为馈电网络的功分单元，前者可以显著提高输出端口的隔离度。如果阵列中天线单元是2 n ，则最终级联完成的功分器，端口不会出现多余。但是实际使用的天线阵列的单元数量，是***链路计算的折中值，其数量往往不是恰好为2 n 。现有技术的处理方式是将多余的端口用阻抗匹配器件进行匹配，使其不影响总端口和相应的输出端口。但是这种实现方式带来的结果是天线总端口效率的下降，阻抗匹配的端口越多，效率下降越明显，不利于天线整体性能的提升。

为了解决阻抗匹配造成的天馈***效率下降的问题，可以采用功率不等分功分器单元，通过多级连接与功率分配，实现任意数量端口的等幅度输出。但是这种方式会带来新的问题，由于采用不等功分器多级连接，不同输出端口对应的功分器级数不同，端口相位必然不同。如果采用相位补偿传输线，会增加板面积占用空间，在对馈电网络占用面积要求严格的应用场合无法使用；如果采用电容电感元器件进行相位调整，又会带来新的损耗。

因此，如何研究设计一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法是我们目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，解决了用匹配负载进行端口匹配，造成天线效率下降的问题，同时在此基础上进一步缩小了馈电网络的体积，得到更加实用的紧凑型馈电网络，并且实现了等效等幅同相的圆极化天线阵列。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，将圆极化天线阵列的天线单元与馈电网络的输出端口馈电连接，使圆极化天线阵列的天线单元的任一瞬间的电场极化方向相同，得到等效等幅同相的圆极化天线阵列。

进一步的，将圆极化天线阵列的天线单元与馈电网络的功分器输出端口进行任意角度的馈电连接，得到圆极化天线阵列的天线单元任一瞬间的电场极化方向相差任意角度，且相位超前或滞后任意角度的圆极化天线阵列；将圆极化天线阵列的天线单元旋转任意角度，抵消馈电网络的功分器输出端口超前或滞后任意角度的相位差，使圆极化天线阵列的天线单元的任一瞬间的电场极化方向相同，得到等效的圆极化天线阵列。

进一步的，将所述圆极化天线阵列包括一维圆极化天线阵列以及二维圆极化天线阵列。

进一步的，根据馈电网络输出端口相位超前或滞后控制圆极化天线阵列的旋转方向，根据馈电网络输出端口相位偏差量控制圆极化天线阵列的旋转角度。

进一步的，对等幅度输出的馈电网络输出端口进行等相位输出调整，得到等幅同相的馈电网络。

进一步的，将等幅同相的馈电网络中的功分器单元进行旋转以及去掉等幅同相的馈电网络相位补偿线，得到等幅度输出的紧凑型馈电网络。

进一步的，将圆极化天线阵列与等幅度输出的紧凑型馈电网络连接，通过对圆极化天线阵列围绕天线单元中心进行旋转来补偿等幅度输出的紧凑型馈电网络端口相位的不一致，得到等幅同相的圆极化天线阵列。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，通过对不等功率功分器的引入，解决了用匹配负载进行端口匹配，造成天线效率下降的问题，同时在此基础上，将馈电网络输出端口相位不同的问题和圆极化天线单元旋转相结合，进一步缩小了馈电网络的体积，得到更加实用的紧凑型馈电网络。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明相同单元相同相位对应电场极化方向图；

图2为本发明相同单元端口相位不同对应电场极化方向图；

图3为本发明单元旋转方向以及端口相位不同对应电场极化方向图；

图4为本发明提出的一种一分五等幅度功分器原理图；

图5为威尔金森功分器网络；

图6为本发明一分五等幅同相威尔金森功分器网络；

图7为一分五等幅同相功分网络对应一维圆极化阵列天线阵面；

图8为本发明一分五等幅紧凑型威尔金森功分器网络；

图9为本发明一分五等幅紧凑型功分网络对应一维圆极化天线阵列阵面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，将圆极化天线阵列的天线单元与馈电网络的输出端口馈电连接，使圆极化天线阵列的天线单元的任一瞬间的电场极化方向相同，得到等效等幅同相的圆极化天线阵列。

将圆极化天线阵列的天线单元与馈电网络的功分器输出端口进行任意角度的馈电连接，得到圆极化天线阵列的天线单元任一瞬间的电场极化方向相差任意角度，且相位超前或滞后任意角度的圆极化天线阵列；将圆极化天线阵列的天线单元旋转任意角度，抵消馈电网络的功分器输出端口超前或滞后任意角度的相位差，使圆极化天线阵列的天线单元的任一瞬间的电场极化方向相同，得到等效的圆极化天线阵列。如图1所示，圆极化天线阵列的天线单元并不限制，可以是微带圆极化贴片天线、十字交叉对称阵子天线等。圆极化天线单元采用单馈切角右旋圆极化微带贴片天线，左旋圆极化也是同样的原理，将两个相同的圆极化天线单元与馈电网络进行同相馈电，得到任一瞬间的电场极化方向，这就是等幅同相馈电网络接入到相同圆极化天线单元布置的圆极化天线阵列中的情况。

如图2所示，以相位差为90°为例，将两个相同布置的圆极化天线单元与馈电网络进行相位差为90°的馈电，得到圆极化天线阵列的天线单元任一瞬间电场极化方向相差90°的电场方向，且相位超前90°的天线单元，其圆极化天线阵列的天线单元的电场极化方向相当于按照右旋圆极化的方向反向旋转90°，即相位超前90°的物理体现，这就是等幅不同相馈电网络接入到相同布置的圆极化天线单元的圆极化天线阵列中的情况。如图3所示，由于等幅不同相馈电网络接入到相同单元布置的一维圆极化天线阵列中的情况时的电场任一瞬间极化方向不同，不满足天线单元使用要求。为了解决馈电网络的输出端口相位不同，不满足圆极化天线单元的电场任一瞬间极化方向相同的要求，需要将圆极化天线单元进行旋转调整，第一个圆极化天线单元按照0°馈电，相位超前90°馈电的圆极化天线单元单元按照逆时针旋转90°配置，通过这种方式将超前的90°相位差进行抵消，得到圆极化天线单元任一瞬间相同的电场极化方向，由此得到等幅同相的圆极化天线阵列。

圆极化天线阵列包括一维圆极化天线阵列以及二维圆极化天线阵列。

根据馈电网络输出端口相位超前或滞后控制圆极化天线阵列的旋转方向，根据馈电网络输出端口相位偏差量控制圆极化天线阵列的旋转角度。

对等幅度输出的馈电网络输出端口进行等相位输出调整，得到等幅同相的馈电网络。

将等幅同相的馈电网络中的功分器单元进行旋转以及去掉等幅同相的馈电网络相位补偿线，得到等幅度输出的紧凑型馈电网络。

将圆极化天线阵列与等幅度输出的紧凑型馈电网络连接，通过对圆极化天线阵列围绕天线单元中心进行旋转来补偿等幅度输出的紧凑型馈电网络端口相位的不一致，得到等幅同相的圆极化天线阵列。

工作原理：将功分器的输出端口使用不等分功分器多级连接，生成多个输出端口，解决了用匹配负载进行端口匹配，造成天线效率下降的问题，但是这样处理后会导致馈电网络的输出端口的输出信号幅度相等但是其相位不同，因此在此基础上将馈电网络的输出端口与圆极化天线阵列的天线单元旋转相结合，得到更加实用的紧凑型馈电网络，通过对圆极化天线单元进行旋转，将馈电网络输出端口的相位不同的问题在天线中进行补偿，使得馈电网络的输出端口输出等幅同相的输出信号，再将圆极化天线单元与馈电网络馈电连接，通过对圆极化天线单元旋转任意角度与馈电网络的端口相位差抵消，使圆极化天线阵列的天线单元的任一瞬间的电场极化方向相同，最终得到等效等幅同相的圆极化天线阵列。

实施例2：一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，为了更好的理解本发明带来的实际效果，下面以五个圆极化天线单元为实施案例进行具体说明。

圆极化天线阵列的天线单元实现形式可以多样化，这里采用单馈切角微带圆极化贴片天线。馈电网络功分器单元的实现形式也可以多样化，这里采用一分二威尔金森功分器提升各个输出端口隔离度。

图4给出了一分五等幅功分器的原理图。从一个输入端口输入，再由五个端口等幅度输出，其中相位可以通过调整走线长度达到五个端口同相输出的效果。其主要实现原理是多级不等功分。将总端口输入信号按照功分比2:3进行功率分配，功分比为2的端口再按照1:1进行两路端口分配；功分比为3的端口再进行两级功分，第一级功分比为1:2，功分比为1的端口直接输出，功分比为2的端口再按照功分比1:1进行两路输出。按照上述原理，即可以得到一分五等幅功分器。

图5给出了威尔金森功分器示意图，功分器的实现形式可以是同轴线、微带线、带状线等。

图6给出了一分五等幅同相威尔金森功分器网络。它在图4的一分五等幅功分器原理图的基础上，采用威尔金森功分器，并进行了端口等相位输出调整，最终得到五路等幅同相输出信号。图7给出了一分五等幅同相功分网络对应一维圆极化阵列天线阵面，天线单元采用单馈切角圆极化微带贴片，每个天线单元采用同样的方式放置，通过同轴馈线连接图6的一分五等幅同相威尔金森功分器网络，实现一维圆极化阵列天线。图6的功分器网络搭配图7的一维圆极化阵列天线阵面虽然能够实现一分五等幅同相功率分配，但是由于要考虑同相位输出，增加了相位补偿传输线的长度，导致功分器网络整体印制板面积较大，在需要较小面积功分器网络的应用场合不适宜。

图8给出了一分五等幅紧凑型威尔金森功分器网络；与图6相比，通过功分器的旋转以及靠近，尽量缩短功分器每一级连接路径，减小空白板面积，以及去掉为同相位输出而设置的相位补偿传输线，得到较小的板面积排布。但是相应的缺点是五个输出端口相位不一致，不能直接接同轴线使用图7的一维圆极化天线阵面，因为端口相位差会导致阵列天线副瓣抬升以及主瓣波束指向偏离阵面法向。实际工程使用也不宜在这里采用不同长度的同轴线，这样会带来加工、装配、一致性等一系列问题。因此，在功分器网络中不能处理的端口相位差问题，需要放置到圆极化天线阵列的阵面中进行处理。图9给出了一分五等幅紧凑型功分网络对应圆极化天线阵列阵面，和图8的阵面相比，这里最大的不同，是圆极化天线单元基于各自的中心进行了旋转，以此来补偿端口输入相位的不一致。

通过上述方式，可以在最小化馈电网络板面积的情况下，实现等效等幅同相一维圆极化天线阵列，由于圆极化天线阵列包括一维圆极化天线阵列以及二维圆极化天线振列，因此还可以实现等效等幅同相的二维圆极化天线阵列。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，其特征在于，将圆极化天线阵列的天线单元与馈电网络的功分器等幅且任意角度相位差输出端口进行馈电连接，得到圆极化天线阵列的天线单元任一瞬间的电场极化方向相差任意角度，且相位超前或滞后任意角度的圆极化天线阵列；

将圆极化天线阵列的天线单元旋转任意角度，抵消馈电网络的功分器输出端口超前或滞后任意角度的相位差，使圆极化天线阵列的天线单元的任一瞬间的电场极化方向相同，得到等效等幅同相的圆极化天线阵列；其中，根据馈电网络输出端口相位超前或滞后控制圆极化天线阵列的旋转方向，根据馈电网络输出端口相位偏差量控制圆极化天线阵列的旋转角度；

功分器的输出端口采用不等功率功分器进行多级连接与功率分配，得到等幅度输出的馈电网络，将等幅同相的馈电网络中的功分器单元进行旋转以及去掉等幅同相的馈电网络相位补偿线，得到等幅度输出的紧凑型馈电网络。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，其特征在于，所述圆极化天线阵列包括一维圆极化天线阵列以及二维圆极化天线阵列。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型馈电网络与圆极化天线阵列的控制方法，其特征在于，将圆极化天线阵列与等幅度输出的紧凑型馈电网络连接，通过对圆极化天线阵列围绕天线单元中心进行旋转来补偿等幅度输出的紧凑型馈电网络端口相位的不一致，得到等幅同相的圆极化天线阵列。

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