基於單負零階諧振器的小型全向圓極化天線的製作方法
2023-05-29 16:26:16
本實用新型屬於天線技術領域，涉及一種基於單負零階諧振器的小型全向圓極化天線。
背景技術：
全向圓極化天線是指同時具有全向輻射特性和圓極化輻射特性的一類天線，由於此類天線具有這兩個特殊的性能而被廣泛應用於通訊、雷達、遙感遙測、電子偵察與電子幹擾等方面。全向圓極化天線應用於航天通信、遙測遙感以及天文設備中，可減小信號的損失，有效地消除由電離層法拉第旋轉效應引起的極化畸變影響；全向圓極化天線應用於電子對抗中，可偵察和幹擾敵方除反向純圓極化信號以外的各種極化方式的無線電波；將全向圓極化天線裝置於高速運動、劇烈擺動或滾動的物體上，如太空飛行器、飛機、艦艇及汽車等，可在任何運動狀態下都能接收到無線電信號；全向圓極化天線應用於廣播電視系統中，能夠有效擴大信號的覆蓋範圍，並能在一定程度上克服重影重音；部分通信系統採用方位面全向天線，可提高通信的及時性和可靠性。因此，研究全向圓極化天線具有重要的實用價值。
目前對全向圓極化天線的研究工作很大程度上集中在單個圓極化天線上，在需要全向圓極化天線時，只是將多個圓極化天線按照一定方式進行排列組合，從而實現全向性。採用這種方法所得到的天線性能往往無法達到最佳。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於克服上述技術存在的缺陷，提供基於單負零階諧振器的小型全向圓極化天線，所設計的基於單負零階諧振器的全向圓極化天線，尺寸小，具有方位面內的全向輻射方向圖，能夠覆蓋大的服務區域，同時具有良好的圓極化性能。
其具體技術方案為：
基於單負零階諧振器的小型全向圓極化天線，包括頂層貼片、地板、饋電點和單負零階諧振器，所述頂層貼片通過金屬化過孔連接到地板，所述頂層貼片的中心為饋電點，所述單負零階諧振器由2×2個蘑菇陣列構成，所述金屬化過孔的數量為4個。
進一步，所述蘑菇陣列的蘑菇單元有一個正方形的金屬片，通過中心的金屬柱與地板相連，左手電感效應由接地的金屬柱提供，右手電容效應由金屬片和地板之間的耦合提供，右手電感效應由金屬片上的電流提供。
進一步，天線的尺寸為：l1＝48mm，l2＝46mm，l3＝5mm，l4＝3mm，l5＝26.5mm，l6＝7mm，4個金屬化過孔的直徑為1mm，饋電點位於天線中心位置。
與現有技術相比，本實用新型的有益效果為：
1、尺寸小，由於零階諧振器的諧振頻率和諧振腔的物理長度之間沒有絕對依賴關係，因此可以設計小型化天線，且地板上所加枝節可以進一步降低諧振頻率。
2、單平面單饋電結構，不需要傳統天線實現全向圓極化所需的90°移相器和雙饋電網絡，更容易設計和加工；不需要雙負零階諧振所需的容性縫隙，容性縫隙增加了計算時間和加工難度，而所設計的天線不需要該縫隙，使計算速度更快，加工更精確。
3、與雙負零階諧振全向圓極化天線相比，提出天線不需要縫隙電容，饋電點可位於天線幾何中心，使方向圖的對稱性更好，圓極化度也更好；由於饋電點固定，只需通過容性耦合片的直徑調節匹配，設計和實現更簡單。
附圖說明
圖1是2×2蘑菇陣列結構圖，其中圖1(a)是雙負，圖1(b)是單負；
圖2是蘑菇結構等效電路模型，其中圖2(a)是雙負，圖2(b)是單負；
圖3是基於單負零階諧振的全向圓極化天線結構；
圖4是天線頂層貼片的電場和地板上的電流分布圖，其中圖4(a)t＝0，圖4(b)t＝T/4，圖4(c)t＝T/2，圖4(d)t＝3T/4；
圖5是反射係數計算結果；
圖6是中心頻率處天線xoy面方向圖計算結果；
圖7是中心頻率處天線xoz面方向圖計算結果；
圖8是中心頻率處天線yoz面方向圖計算結果；
圖9是θ＝90°方向軸比隨頻率變化曲線計算結果；
圖10是θ＝90°面軸比隨方位角的變化曲線計算結果；
圖11是面軸比隨俯仰角的變化曲線計算結果；
圖12是θ＝90°方向增益隨頻率變化曲線計算結果；
圖13是反射係數測試結果；
圖14是中心頻率處天線xoy面方向圖實驗結果；
圖15是中心頻率處天線xoz面方向圖實驗結果；
圖16是中心頻率處天線yoz面方向圖實驗結果；
圖17是θ＝90°方向軸比隨頻率變化曲線實驗結果；
圖18是θ＝90°面軸比隨方位角的變化曲線實驗結果；
圖19是面軸比隨俯仰角的變化曲線實驗結果；
圖20是θ＝90°方向增益隨頻率變化曲線實驗結果。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本實用新型的技術方案作進一步詳細地說明。
1蘑菇結構零階諧振器
左右手傳輸線具有零階諧振特性，即在非零頻率實現波長的無窮大。由於左右手傳輸線構成的零階諧振器的諧振頻率與物理尺寸無關，被廣泛用於微波器件的小型化設計。左右手傳輸線的等效電路模型中零階諧振頻率取決於並聯諧振，去掉串聯電容後不影響零階諧振頻率，將這種情況稱為單負零階諧振器，為便於對比，將傳統零階諧振器稱為雙負零階諧振器。單負零階諧振器的諧振頻率同樣與物理尺寸無關，並且與雙負零階諧振器相比，單負零階諧振器具有更簡單的結構，更容易實現。
蘑菇結構是一種常見的零階諧振器形式，它由一個矩形的金屬貼片通過一個金屬化過孔連接到地面構成，N×N個蘑菇陣列仍然是一個零階諧振結構。由2×2個蘑菇陣列構成的雙負和單負零階諧振器分別如圖1(a)和(b)所示。由圖1(a)所示的雙負蘑菇陣列可看出，蘑菇單元有一個正方形的金屬片，通過中心的金屬柱與地板相連，左手電容效應由相鄰金屬片間的耦合提供，左手電感效應由接地的金屬柱提供，右手電容效應由金屬片和地板之間的耦合提供，右手電感效應由金屬片上的電流提供。由圖1(b)所示的單負蘑菇陣列可看出，單負零階諧振器缺少了相鄰金屬片間的耦合所提供的左手電容，其他均與雙負蘑菇陣列相同。通過圖1可以很容易得到雙負和單負蘑菇陣列零階諧振器的等效電路圖，如圖2所示。
2全向圓極化天線設計
雙負和單負零階諧振天線均可實現方位面(xoy)的全向輻射，在xoz和yoz面具有類似偶極子天線的輻射方向圖。經理論分析和仿真計算可知，單負零階諧振天線具有更對稱的方向圖和更低的交叉極化，原因在於雙負天線的饋電點偏離天線中心，造成方向圖的不對稱和交叉極化的增大，而單負天線的饋電點位於天線中心，因此方向圖更加對稱，具有更低的交叉極化。
蘑菇結構的零階諧振器在零階諧振下的輻射模式可等效為一電偶極子天線，若在地板上加載環形枝節，則可獲得環向電流，這個環向電流可等效為一磁偶極子天線，等效的電、磁偶極子天線具有相同的相位中心，通過調節地板上的加載枝節，可使等效的電、磁偶極子天線具有相同的幅度和90°的相位差，這樣就可在方位面實現全向圓極化。
圖3顯示了所設計的全向圓極化天線的結構圖，圖中的深色區域為頂層貼片，淺色區域為地板。圖4給出了一個周期內貼片電場分布和地板電流分布圖(左側是貼片電場分布，右側是地板電流分布)。
由圖4可看出，由於天線是通過零階諧振模式進行輻射的，此時天線類似於一個電容器，電場能量和磁場能量進行周期性的轉換。在零階諧振模式下，天線上的電流分布包括徑向電流和環向電流，徑向電流的輻射可看作電偶極子天線的輻射，而環向電流的輻射可看作磁偶極子天線的輻射。影響磁偶極子天線輻射功率的是環向電流的幅度，而環向電流的幅度取決於枝節寬度的大小。電偶極子天線和磁偶極子天線的初始相位差是由加載枝節的長度決定的，因此影響天線軸比的兩個因素均和加載枝節的尺寸有關。圖3所示的天線結構工作於右旋圓極化模式，如果枝節沿著相反的方向加載，天線則工作於左旋圓極化模式。
本設計對天線增益要求不高，但相當重要的一點是保證天線增益最大處輻射圓極化波，即天線主瓣方向應與天線極化最好的方位角一致。
經過優化設計，天線最終的尺寸為：l1＝48mm，l2＝46mm，l3＝5mm，l4＝3mm，l5＝26.5mm，l6＝7mm，4個金屬化過孔的直徑為1mm，饋電點位於天線中心位置。為了和50Ω饋線相匹配，採用一個容性耦合片來進行阻抗匹配，容性耦合片的半徑為3mm。需要說明的是，地板上所加枝節的長度對零階諧振頻率是有影響的，且枝節越長，零階諧振頻率越低，其原因是枝節長度增大使並聯電容增大，而零階諧振頻率由並聯諧振頻率決定，因此隨著枝節的增加，零階諧振頻率降低。
圖5為反射係數的計算結果；圖6～圖8為中心頻率處天線在xoy面、xoz面和yoz面歸一化方向圖的計算結果；圖9為θ＝90°方向上天線軸比隨頻率的變化曲線；圖10為中心頻率處θ＝90°面內的天線軸比隨方位角的變化曲線；圖11為中心頻率處面內的天線軸比隨俯仰角的變化曲線；圖12為θ＝90°方向上天線增益隨頻率的變化曲線。
由圖5所示的反射係數計算結果可知，天線的零階諧振頻率為1.63GHz(中心頻率)；由圖6～8所示中心頻率的天線方向圖可知，天線在xoy面(方位面)實現了全向輻射，方位面的不圓度小於0.23dB，同時，在xoz面和yoz面(俯仰面)具有類似偶極子天線的輻射方向圖。
由圖9所示的軸比隨頻率的變化曲線可知，在中心頻率1.63GHz處的軸比為1.8dB，天線3dB軸比範圍為1.35GHz～1.74GHz(相對帶寬為25.2％)；由圖10所示中心頻率處天線軸比隨方位角的變化曲線可知，在整個方位面內，軸比均小於2dB；由圖11所示中心頻率處天線軸比隨俯仰角的變化曲線可知，軸比小於3dB的波束範圍為78°～126°，波束寬度達到48°；由圖12所示的天線增益隨頻率的變化曲線可知，在中心頻率1.63GHz處，天線最大增益為1.54dB。
3實驗結果
圖13為反射係數實驗結果,圖14～圖16為零階諧振頻率處天線分別在xoy面、xoz面和yoz面內歸一化方向圖的測試結果；圖17為θ＝90°方向上天線軸比隨頻率變化曲線的測試結果；圖18為中心頻率處θ＝90°面內天線軸比隨方位角變化曲線的測試結果；圖19為中心頻率處面內天線軸比隨俯仰角變化曲線的測試結果；圖20為θ＝90°方向上天線增益隨頻率變化曲線的測試結果。
整個天線的尺寸為0.3λ0×0.3λ0×0.01λ0，與傳統諧振天線相比，所設計天線實現了小型化；由圖13所示的反射係數實驗結果可知，天線的零階諧振頻率為1.61GHz(中心頻率)，計算結果為1.63GHz，測試的10dB相對帶寬為1.3％；由圖14～16所示中心頻率處天線方向圖可知，天線在xoy面(方位面)實現了全向輻射，方位面內的不圓度小於0.32dB，同時，在xoz面和yoz面(俯仰面)具有類似偶極子天線的輻射方向圖，與計算方向圖一致；可看出實驗結果與計算結果一致，測試方向圖較仿真結果稍差，主要是由於天線尺寸比較小，架設過程中很難保證天線平面完全處於水平位置，從而影響天線的輻射方向圖。
由圖17所示的軸比隨頻率的變化曲線可知，在中心頻率1.61GHz處的軸比為2.1dB，天線3dB軸比帶寬為1.4GHz～1.75GHz(相對帶寬為22.2％)；比計算結果稍差，主要是由於製造誤差和測試環境引起的。由圖18所示中心頻率處天線軸比隨方位角的變化曲線可知，在整個方位面內，軸比均小於2.1dB。由圖19所示中心頻率處天線軸比隨俯仰角的變化曲線可知，軸比小於3dB的波束範圍為78°～120°，波束寬度達到42°。由圖20所示的天線增益隨頻率的變化曲線可知，在中心頻率1.61GHz處，天線最大增益為1.11dB。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，本實用新型的保護範圍不限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型披露的技術範圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本實用新型的保護範圍內。