CN115663463A - 圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种圆极化天线，包括：金属罩、同轴组件、多个振子及多个金属片，金属罩包括底板和垂直连接于底板外缘处的周壁，底板和周壁限定出腔体，周壁间隔设有多个连通腔体的开槽；同轴组件与底板连接，同轴组件包括同轴内芯和同轴外皮；多个振子在腔体内以同轴组件的轴线为中心，围绕同轴组件间隔设置，部分振子与同轴内芯连接，其余振子与同轴外皮连接；每相邻的两个振子之间均设有金属片，金属片通过支撑柱固定于底板。本发明免了传统复杂馈电网络的使用，突破了单点馈电圆极化天线带宽窄、宽角域轴比特性较差的技术难题。而且，通过开设多个连通腔体的开槽，能够起到抗干扰作用。同时，能够起到展宽圆极化天线波束宽度的作用。

Description

圆极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种圆极化天线。

背景技术

传统的宽带圆极化天线为保证频带内的圆极化特性，往往需要采用复杂的多端口馈电网络。馈电网络增加了天线设计复杂度，且宽带移相器的引入，导致馈电网络整体的损耗增大，降低了天线辐射效率。而且，传统的宽带圆极化天线存在抗干扰性能低，不具有展宽波束宽度的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何降低圆极化天线的结构复杂度及提高圆极化天线的性能，本发明提出一种圆极化天线。

根据本发明实施例的圆极化天线，包括：

金属罩，包括底板和垂直连接于所述底板外缘处的周壁，所述底板和所述周壁限定出腔体，所述周壁间隔设有多个连通所述腔体的开槽；

同轴组件，与所述底板连接，所述同轴组件包括同轴内芯和同轴外皮；

多个振子，在所述腔体内以所述同轴组件的轴线为中心，围绕所述同轴组件间隔设置，部分所述振子与所述同轴内芯连接，其余所述振子与所述同轴外皮连接；

多个金属片，每相邻的两个所述振子之间均设有所述金属片，所述金属片通过支撑柱固定于所述底板。

根据本发明实施例的圆极化天线，避免了传统复杂馈电网络的使用，采用同轴组件垂直连接振子，加载短路接地的金属片的天线形式，完成天线馈电。突破了单点馈电圆极化天线带宽窄、宽角域轴比特性较差的技术难题。而且，通过在金属罩的周壁间隔开设多个连通腔体的开槽，局部实现高阻特性，抑制了低仰角多径信号的干扰，能够起到抗干扰作用。同时，开槽的腔体改变了振子与腔体之间的电流分布，增加了水平方向的电流分布，能够起到展宽圆极化天线波束宽度的作用。

根据本发明的一些实施例，所述开槽的宽度不超过所述圆极化天线工作波长的1/8，所述开槽的深度不超过所述圆极化天线工作波长的1/4。

在本发明的一些实施例中，所述开槽为偶数个，且多个所述开槽均匀间隔设置。

根据本发明的一些实施例，所述圆极化天线还包括：介质垫圈，连接所述同轴内芯的所述振子与连接所述同轴外皮之间的所述振子之间通过所述介质垫圈间隔设置。

在本发明的一些实施例中，连接所述同轴内芯的所述振子与连接所述同轴外皮的所述振子之间的间距为1至3mm。

根据本发明的一些实施例，所述介质垫圈为以下材质件之一：

聚四氟乙烯、环氧玻璃布、聚酰亚胺及陶瓷。

在本发明的一些实施例中，所述振子为四个，相邻的两个振子之间的夹角为90°，位于上层的两个所述振子与所述同轴内芯连接，位于下层的两个所述振子与所述同轴外皮连接。

根据本发明的一些实施例，所述圆极化天线还包括：两个弯折体，位于上层的两个所述振子连接于其中一个所述弯折体，位于下层的两个所述振子连接于另一个所述弯折体。

在本发明的一些实施例中，位于上层的所述振子到所述底板的距离与所述圆极化天线工作波长的1/4之间的差值不大于预设值，所述金属片与所述底板间的距离小于上层所述振子与所述底板的距离，并大于下层所述振子与所述底板间的距离。

根据本发明的一些实施例，所述振子为三角形，所述金属片为扇形。

附图说明

图1为根据本发明实施例的圆极化天线的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的圆极化天线的俯视图；

图3为根据本发明实施例的圆极化天线的剖视图；

图4为根据本发明实施例的圆极化天线的局部结构示意图。

附图标记：

圆极化天线100，

金属罩10，底板110，周壁120，腔体V1，开槽G1，

同轴组件20，同轴内芯210，同轴外皮220，

振子30，上层振子301，下层振子302，金属片40，介质垫圈50，弯折体60，支撑柱70。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

本发明中说明书中对方法流程的描述及本发明说明书附图中流程图的步骤并非必须按步骤标号严格执行，方法步骤是可以改变执行顺序的。而且，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

目前，宽频带圆极化天线主要有两种形式：

一种是天线单元采用空气腔式微带天线、交叉振子天线、四臂螺旋天线等形式，需利用宽带移相网络多馈点顺序旋转馈电实现天线宽带圆极化工作，馈电网络需要在宽频带内有较优的幅度相位特性，往往设计复杂度高。

另一种是利用单馈点馈电的耦合形式圆极化天线，具有较宽的阻抗带宽，但轴比带宽及宽角域的轴比特性较难保证。

上述宽带圆极化天线采用多馈点馈电网络的，存在设计复杂度高、研制成本高、馈电网络带来的损耗引起的天线辐射效率低的缺点；采用单馈点耦合形式的，存在轴比带宽窄、轴比覆盖频率与阻抗覆盖频率不一致、宽角域轴比特性较差的缺点。而且，传统的宽带圆极化天线存在抗干扰性能低，不具有展宽波束宽度的缺陷。

针对现有圆极化天线存在的上述问题，本发明提出一种圆极化天线100。

如图1所示，根据本发明实施例的圆极化天线100，包括：金属罩10、同轴组件20、多个振子30及多个金属片40。

其中，如图1所示，金属罩10包括底板110和垂直连接于底板110外缘处的周壁120，底板110和周壁120限定出腔体V1，周壁120间隔设有多个连通腔体V1的开槽G1。

结合图1-图4所示，同轴组件20与底板110连接，同轴组件20包括同轴内芯210和同轴外皮220。多个振子30在腔体V1内以同轴组件20的轴线为中心，围绕同轴组件20间隔设置，部分振子30与同轴内芯210连接，其余振子30与同轴外皮220连接，每相邻的两个振子30之间均设有金属片40，金属片40通过支撑柱70固定于底板110。

根据本发明实施例的圆极化天线100，避免了传统复杂馈电网络的使用，采用同轴组件20垂直连接振子30，加载短路接地的金属片40的天线形式，完成天线馈电。突破了单点馈电圆极化天线100带宽窄、宽角域轴比特性较差的技术难题。而且，通过在金属罩10的周壁120间隔开设多个连通腔体V1的开槽G1，局部实现高阻特性，抑制了低仰角多径信号的干扰，能够起到抗干扰作用。同时，开槽G1的腔体V1改变了振子30与腔体V1之间的电流分布，增加了水平方向的电流分布，能够起到展宽圆极化天线100波束宽度的作用。

根据本发明的一些实施例，开槽G1的宽度不超过圆极化天线100工作波长的1/8，开槽G1的深度不超过圆极化天线100工作波长的1/4。需要说明的是，开槽G1的宽度可以略小于圆极化天线100工作波长的1/8，开槽G1的深度可以略小于圆极化天线100工作波长的1/4。

在本发明的一些实施例中，开槽G1为偶数个，且多个开槽G1均匀间隔设置。例如，开槽G1的数量可以设置为4个、6个、8个，或根据实际需要设置为其他数量，多个开槽G1沿周壁120均匀间隔设置。由此，可以提高圆极化天线100工作的稳定性和可靠性。

根据本发明的一些实施例，如图3和图4所示，圆极化天线100还包括：介质垫圈50，连接同轴内芯210的振子30与连接同轴外皮220之间的振子30之间通过介质垫圈50间隔设置。

结合图3和图4所示，两个上层振子301与同轴内芯210连接，两个下层振子302与同轴外皮220连接，两个上层振子301和两个下层振子302之间通过介质垫圈50间隔设置。由此，圆极化天线100无需设置介质板等其他部件，简化圆极化天线100的材质和用料。

在本发明的一些实施例中，结合图3和图4所示，连接同轴内芯210的上层振子301与连接同轴外皮220的下层振子302之间的间距为1至3mm。也就是说，上层振子301和下层振子302之间的距离范围满足：1-3mm。经过试验验证，采用上述参数设置，可以提高圆极化天线100的工作性能。

根据本发明的一些实施例，介质垫圈50为以下材质件之一：聚四氟乙烯、环氧玻璃布、聚酰亚胺及陶瓷。例如，介质垫圈50可以采用聚四氟乙烯材质件，也可以采用环氧玻璃布件，还可以采用聚酰亚胺件或陶瓷件。

需要说明的是，采用PI（聚酰亚胺）、陶瓷等具有良好的耐高温性能材质的介质垫圈50，能够适用于耐高功率、耐高温、宇航环境等特殊场合，较现有介质板天线有更好的环境适应性特性。

在本发明的一些实施例中，如图1-图4所示，振子30为四个，相邻的两个振子30之间的夹角为90°，位于上层的两个上层振子301与同轴内芯210连接，位于下层的两个下层振子302与同轴外皮220连接。

根据本发明的一些实施例，如图4所示，圆极化天线100还包括：两个弯折体60，位于上层的两个上层振子301连接于其中一个弯折体60，位于下层的两个下层振子302连接于另一个弯折体60。由此，便于两个上层振子301及两个下层振子302的连接，结构简单，加工方便。

需要说明的是，连接一对振子30的金属弯折体60起到相位延时作用，使得一对振子30的相位差为90°，从而实现天线圆极化工作。常规的圆弧状延时结构在宽频带内具有频率色散特性，很大程度限制了宽频带内天线的轴比特性和宽角域范围内天线的轴比特性。利用金属弯折体60的慢波特性，改善其频率色散特性，提升宽频带内和宽角域范围内天线的轴比特性。

在本发明的一些实施例中，位于上层的振子30到底板110的距离与圆极化天线100工作波长的1/4之间的差值不大于预设值，金属片40与底板110间的距离小于上层振子301与底板110的距离，并大于下层振子302与底板110间的距离。

也就是说，上层振子301距离底板110的距离约是圆极化天线100工作波长的1/4，金属片40距离底板110的高度位于上层振子301和下层振子302的高度之间。

根据本发明的一些实施例，如图1-图4所示，振子30为三角形，金属片40为扇形。需要说明的是，金属片40也可以为三角形。经实验验证，扇形外形金属片40的天线性能略优。

本发明具有如下有益效果：

本发明的圆极化天线100，能够在不利用复杂宽带移相馈电网络的前提下，通过同轴组件20的垂直互联结构，实现上下两对金属振子30的180°相位差馈电，采用环状金属弯折体60的慢波结构实现相邻振子30的90°相位差，并加载短路接地的扇形金属片40，优化天线圆极化特性，实现单点馈电时圆极化天线100的宽频带工作。

下面参照附图以基于垂直互联结构的宽带圆极化天线100为例详细描述根据本发明的圆极化天线100。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。

如图1所示，圆极化天线100包括：局部均匀开槽G1的金属罩10、金属同轴组件20（由内导体和金属外皮组成）、四个扇形金属片40及其金属支撑柱70、四个三角形金属振子30、连接相邻两个振子30的环状金属弯折体60和介质垫圈50。

金属罩10包括底板110和垂直连接于底板110周缘的周壁120，底板110和周壁120限定出金属腔体V1，金属腔体V1的外形可以为圆柱形或者方形。周壁120一周均匀开槽G1，开槽G1个数可以为4个、6个或者8个。开槽G1结构的深度和宽度尺寸设计为与工作频率波长相关，利用四分之一波长短路等效开路的原理，局部实现高阻特性，抑制了低仰角多径信号的干扰，能够起到抗干扰作用。同时，开槽G1金属腔体V1改变了振子30天线与腔体V1之间的电流分布，增加了水平方向的电流分布，能够起到展宽圆极化天线100波束宽度的作用。

如图2-图4所示，四个三角形结构的金属振子30两两正交排布呈“十字形”，相邻的一对金属振子30通过环状金属弯折体60相连，组成一对“┍”形振子30，环状技术弯折体60的长度约为四分之三圆弧。两对“┍”形振子30上下间隔放置，通过金属同轴结构垂直互联。

下面一对振子30与金属同轴外皮220相连，上面一对振子30与金属同轴内芯210相连，上下两对振子30之间用介质垫圈50分隔，上下两对振子30的间距为1-3mm。介质垫圈50的材料可以为聚四氟乙烯或者环氧玻璃布等不导电材料，或采用耐高温材料（如PI、陶瓷等）。

上层一对金属振子30距金属腔低的高度约为中心工作频率对应波长的四分之一，扇形金属片40距金属腔低的高度介于上层和下层金属振子30之间。

四个扇形金属片40与金属腔体V1底部通过金属支撑柱70短路连接，并均匀分布在“十字形”振子30结构的四个象限，金属支撑柱70的位置在靠近扇形金属片40的圆心部位。

本发明在使用时，可以通过改变三角形金属振子30的张角和边长，调整圆极化天线100工作频率及带宽；可以通过改变扇形金属片40的半径和张角、以及金属弯折体60的弧长，调整圆极化天线100工作频带内的轴比特性。

综上所述，本发明的有益效果在于能够不利用复杂宽带移相馈电网络的前提下，通过金属同轴的垂直互联结构，实现对上下两对金属振子30的180°相位差馈电，采用环状金属弯折体60的慢波结构实现相邻振子30的90°相位差，并加载短路接地的扇形金属片40，优化天线圆极化特性，实现单点馈电时圆极化天线100的宽频带工作。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种圆极化天线，其特征在于，包括：

金属罩，包括底板和垂直连接于所述底板外缘处的周壁，所述底板和所述周壁限定出腔体，所述周壁间隔设有多个连通所述腔体的开槽；

同轴组件，与所述底板连接，所述同轴组件包括同轴内芯和同轴外皮；

多个振子，在所述腔体内以所述同轴组件的轴线为中心，围绕所述同轴组件间隔设置，部分所述振子与所述同轴内芯连接，其余所述振子与所述同轴外皮连接；

多个金属片，每相邻的两个所述振子之间均设有所述金属片，所述金属片通过支撑柱固定于所述底板。

2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述开槽的宽度不超过所述圆极化天线工作波长的1/8，所述开槽的深度不超过所述圆极化天线工作波长的1/4。

3.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述开槽为偶数个，且多个所述开槽均匀间隔设置。

4.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线还包括：介质垫圈，连接所述同轴内芯的所述振子与连接所述同轴外皮之间的所述振子之间通过所述介质垫圈间隔设置。

5.根据权利要求4所述的圆极化天线，其特征在于，连接所述同轴内芯的所述振子与连接所述同轴外皮的所述振子之间的间距为1至3mm。

6.根据权利要求4所述的圆极化天线，其特征在于，所述介质垫圈为以下材质件之一：

聚四氟乙烯、环氧玻璃布、聚酰亚胺及陶瓷。

7.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述振子为四个，相邻的两个振子之间的夹角为90°，位于上层的两个所述振子与所述同轴内芯连接，位于下层的两个所述振子与所述同轴外皮连接。

8.根据权利要求7所述的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线还包括：两个弯折体，位于上层的两个所述振子连接于其中一个所述弯折体，位于下层的两个所述振子连接于另一个所述弯折体。

9.根据权利要求7所述的圆极化天线，其特征在于，位于上层的所述振子到所述底板的距离与所述圆极化天线工作波长的1/4之间的差值不大于预设值，所述金属片与所述底板间的距离小于上层所述振子与所述底板的距离，并大于下层所述振子与所述底板间的距离。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的圆极化天线，其特征在于，所述振子为三角形，所述金属片为扇形。

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