CN115458923A - 一种低剖面高增益宽带双极化天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双极化天线技术领域，具体公开了一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，包括设置有中空腔室的金属背腔、安装在中空腔室内的馈电巴伦、安装在馈电巴伦上的辐射单元、以及安装在辐射单元上的寄生单元。本发明具有尺寸小、低剖面，高增益，0/90°双极化的特性，工作带宽达到2.7个倍频程的金属背腔天线装置。

Description

一种低剖面高增益宽带双极化天线结构
技术领域
本发明涉及双极化天线设计技术领域，更具体地讲，涉及一种低剖面高增益宽带双极化天线结构。
背景技术
背腔天线由偶极子辐射单元以及金属反射腔构成，背腔天线具有增益高，方向图稳定的优点。金属背腔天线即采用了金属的结构形式，具有耐功率强，损耗小，环境适应性强的优势。在通信基站以及电子战领域得到了广泛的使用。
双极化背腔通常采用一组正交馈电的偶极子来实现，由于偶极子天线为谐振型天线，工作频率和电尺寸相对应，相较于介质天线，相同的电长度下，金属的辐射振子需要更长的尺寸，因此金属背腔天线尺寸通常较大，从而使得组阵和安装受限。
此外，辐射振子和反射板距离通常设计为1/4λ0左右，λ0为中心频率波长；这样可使得在中心频率的电场在辐射方向上能够同相叠加，提高天线的前向增益，但是在带宽较宽时，反射电场相位受频率影响而产生偏移，可导致在部分频点上增益下降严重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，小尺寸、低剖面，高增益，具备0/90°双极化特性，工作带宽达到2.7个倍频程的金属背腔天线装置。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，包括设置有中空腔室的金属背腔、安装在中空腔室内的馈电巴伦、安装在馈电巴伦上的辐射单元、以及安装在辐射单元上的寄生单元。
在一些可能的实施方式中，
所述辐射单元包括两组结构相同呈正交设置且安装在馈电巴伦上的金属振子件；两组所述金属振子件位于同一平面上；所述金属振子件的长度为D，D≤0.6λ0；λ0为中心频率波长。
在一些可能的实施方式中，
所述金属振子件包括两组结构相同且对称设置的金属振子；
所述金属振子包括安装在馈电巴伦上的渐变段、与渐变段外侧连接且向靠近中空腔室底部一侧弯折的弯折段；
所述渐变段与中空腔室底部相互靠近一侧的距离为0.29λ0；所述弯折段沿中空腔室轴向的长度为0.05λ0。
在一些可能的实施方式中，
所述中空腔室呈方形结构，在其四个边角处分别安装有调谐柱；所述调谐柱沿中空腔室轴向的长度为0.31λ0。
在一些可能的实施方式中，
所述馈电巴伦与中空腔室同轴设置，包括安装在中空腔室底部的金属支撑柱、两组套装在金属支撑柱内且与分别金属振子连接的电缆。
在一些可能的实施方式中，
所述寄生单元包括安装在辐射单元上的介质支撑柱、以及安装在介质支撑柱上的金属辐射片；所述金属辐射片呈圆形结构且与中空腔室同轴设置。
在一些可能的实施方式中，
所述介质支撑柱为四组且分别安装在金属振子上。
在一些可能的实施方式中，
所述金属辐射片与金属振子相互靠近一侧的距离为0.1λ0；所述金属辐射片的直径为0.32λ0、厚度为0.01λ0。
在一些可能的实施方式中，
所述中空腔室沿其轴向的深度为0.17λ0，所述金属背腔的截面呈正方形结构其长宽均为0.7λ0。
在一些可能的实施方式中，为了有效的对于本结构进行减重设计；
在所述金属背腔上设置有减重孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过金属振子在保持横向尺寸不变的情况下通过弯折增大了电流路径，并且与反射腔的调谐柱共同起到了调谐电感和电容的效果，通过优化二者尺寸可调整低频谐振点，使得低频段阻抗匹配得到有效改善；
本发明通过设置调谐柱还能起到对方向图前后比以及副瓣电平的改善；
本发明通过设置圆状结构的寄生单元起到引向器的作用，改善高频段增益掉坑的情况，在全频段可实现较高增益以及较宽的波束宽度；
本发明相比同类型常规0/90°双极化背腔天线缩小5％以上，其长宽最大尺寸为0.37λmax，λmax为最低频率fmin对应波长，总高度为0.25λmax(含连接器)。
附图说明
图1为本发明的剖视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明中金属振子的俯视图；
图4为本发明仿真驻波曲线图；
图5为本发明仿真双端口的方位面低频点fmin方向图；
图6为本发明仿真双端口的方位面中心频点f0方向图；
图7为本发明仿真双端口的方位面高频点fmax方向图；
图8为本发明全频段法向最大仿真增益图；
图9为本发明全频段仿真端口隔离度图；
图10为本发明实测的驻波曲线图；
图11为本发明实测隔离度图；
图12为本发明实测低频点fmin方位面方向图；
图13为本发明实测中心频点f0方位面方向图；
图14为实测高频点fmax方位面方向图；
图15为本发实测全频段法向增益图
其中：1、金属背腔；11、中空腔室；2、馈电巴伦；3、辐射单元；4、寄生单元；41、金属辐射片；42、介质支撑柱；5、调谐柱。
具体实施方式
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本发明所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本发明实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面对本发明进行详细说明。
一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，包括设置有中空腔室11的金属背腔1、安装在中空腔室11内的馈电巴伦2、安装在馈电巴伦2上的辐射单元3、以及安装在辐射单元3上的寄生单元4。
在一些可能的实施方式中，
所述辐射单元3包括两组结构相同呈正交设置且安装在馈电巴伦2上的金属振子件；两组所述金属振子件位于同一平面上；所述金属振子件的长度为D，D≤0.6λ0,λ0为中心频率波长。
在一些可能的实施方式中，
所述金属振子件包括两组结构相同且对称设置的金属振子；
所述金属振子包括安装在馈电巴伦2上的渐变段、与渐变段外侧连接且向靠近中空腔室11底部一侧弯折的弯折段；
所述渐变段与中空腔室11底部相互靠近一侧的距离为0.29λ0；所述弯折段沿中空腔室11轴向的长度为0.05λ0。
优选的，金属振子包括呈安装在馈电巴伦2上的等腰梯形段、安装在等腰梯形段的大底边一侧且与等腰梯形端在同一平面上的延伸段；所述弯折安装在延伸段远离等腰梯形段一侧；延伸段呈等腰梯形结构，其大底边与等腰梯形段的大底边连接且长度一致，延伸段与弯折段相互垂直且延伸段向靠近中空腔室11一侧弯折；优选的，延伸段呈方形结构。
优选的，四组金属振子的延伸段的延长线相互连接形成一个正方形结构，其外侧与中空腔室11内侧面之间的距离相等，相邻两组金属振子之间形成一个夹角A。
在一些可能的实施方式中，
所述中空腔室11呈方形结构，在其四个边角处分别安装有调谐柱5；所述调谐柱5沿中空腔室11轴向的长度为0.31λ0。
在一些可能的实施方式中，
所述馈电巴伦2与中空腔室11同轴设置，包括安装在中空腔室11底部的金属支撑柱、两组套装在金属支撑柱内且与分别金属振子连接的电缆。
金属支撑柱同轴安装在中空腔室11内且与金属背腔1电连接；电缆为两组且正交设置形成十字结构，每组电缆采用压接的形式与其中一组金属振子件的辐射端相连。
在一些可能的实施方式中，
所述寄生单元4包括安装在辐射单元3上的介质支撑柱42、以及安装在介质支撑柱42上的金属辐射片41；所述金属辐射片41呈圆形结构且与中空腔室11同轴设置。
在一些可能的实施方式中，
所述介质支撑柱42为四组且分别安装在金属振子上。
四组介质支撑柱42与四组金属振子一一对应设置，对于金属辐射片41进行有效的支撑固定。
优选的介质支撑柱42为PEEK介质支撑柱42。
在一些可能的实施方式中，
所述金属辐射片41与金属振子相互靠近一侧的距离为0.1λ0；所述金属辐射片41的直径为0.32λ0、厚度为0.01λ0。
在一些可能的实施方式中，
所述中空腔室11沿其轴向的深度为0.17λ0，所述金属背腔1的截面呈正方形结构其长宽均为0.7λ0。
在一些可能的实施方式中，为了有效的对于本结构进行减重设计；
在所述金属背腔1上设置有减重孔。
采用本结构中的金属振子在保持长度不变的情况下，通过弯折段增大了电流路径，并且与调谐柱5相互配合，有效的调谐电感和电容，通过优化调谐柱5尺寸可调整低频谐振点，使得低频段阻抗匹配得到有效改善；
同时相比现有技术中，为了实现宽带小型化，常常设置金属背腔1的高度小于辐射单元3的高度，因此其方向图容易受到安装载体的影响；对此在本结构中采用在中空腔室11的边角部分别设置调谐柱5从而实现对于方向图前后比以及副瓣电平的改善；
本发明中，寄生单元4主要用于实现引向器的作用，实现改善高频段增益掉坑的情况，在全频段可实现较高增益以及较宽的波束宽度；
本发明的天线结构相比同类型常规0/90°双极化背腔天线，尺寸缩小5％以上，其长宽最大尺寸为0.37λmax，λmax为最低频率fmin对应波长，含连接器的总高度为0.25λmax。
经对本发明的天线结构进行仿真和实测，具体如图4-图15所示，得到工作频段为2.7个倍频程，仿真驻波小于2.5，中心频点大于8dBi，全频段增益为6.5-10.5dBi，端口仿真隔离度为50dBc，双极化形式为0/90°双极化；经过减重设计后，该产品可适用于多种平台。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，包括设置有中空腔室的金属背腔、安装在中空腔室内的馈电巴伦、安装在馈电巴伦上的辐射单元、以及安装在辐射单元上的寄生单元。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，所述辐射单元包括两组结构相同呈正交设置且安装在馈电巴伦上的金属振子件；两组所述金属振子件位于同一平面上；所述金属振子件的长度为D，D≤0.6λ0，λ0为中心频率波长。
3.根据权利要求2所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，所述金属振子件包括两组结构相同且对称设置的金属振子；
所述金属振子包括安装在馈电巴伦上的渐变段、与渐变段外侧连接且向靠近中空腔室底部一侧弯折的弯折段；
所述渐变段与中空腔室底部相互靠近一侧的距离为0.29λ0；所述弯折段沿中空腔室轴向的长度为0.05λ0。
4.根据权利要求2所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，所述中空腔室呈方形结构，在其四个边角处分别安装有调谐柱；所述调谐柱沿中空腔室轴向的长度为0.31λ0。
5.根据权利要求2所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，所述馈电巴伦与中空腔室同轴设置，包括安装在中空腔室底部的金属支撑柱、两组套装在金属支撑柱内且与分别金属振子连接的电缆。
6.根据权利要求2-5任一项所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，所述寄生单元包括安装在辐射单元上的介质支撑柱、以及安装在介质支撑柱上的金属辐射片；所述金属辐射片呈圆形结构且与中空腔室同轴设置。
7.根据权利要求6所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，所述介质支撑柱为四组且分别安装在金属振子上。
8.根据权利要求6所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，所述金属辐射片与金属振子相互靠近一侧的距离为0.1λ0；所述金属辐射片的直径为0.32λ0，厚度为0.01λ0。
9.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，所述中空腔室沿其轴向的深度为0.17λ0，所述金属背腔的截面呈正方形结构其长宽均为0.7λ0。
10.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益宽带双极化天线结构，其特征在于，在所述金属背腔上设置有减重孔。
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