一種超小型低剖面全向圓極化天線的製作方法

2023-08-03 03:57:11 1

本發明屬於全向圓極化天線技術領域，尤其涉及一種超小型低剖面全向圓極化天線。

背景技術：

全向圓極化天線既具有圓極化天線抗幹擾和抑制多徑效應的優點，又具有全向天線能夠全方位輻射的特性，因此全向圓極化天線在遙感遙測、空間飛行器、海上通信以及無線通信等領域有著廣泛的應用。目前，國內外對全向圓極化天線已作了大量研究。全向圓極化天線是全向天線的一種。所謂全向天線，是指水平方向圖上表現為360°都均勻輻射，即無方向性。按照極化方式，可以分為水平極化全向天線、垂直極化全向天線和全向圓極化天線。天線的極化是描述天線輻射電磁波矢量空間指向的參數。由於電場和磁場有恆定的關係，故一般都以電場矢量的空間指向作為天線輻射電磁波的極化方向。天線的極化分為線極化、圓極化和橢圓極化。當電場矢量末端的軌跡在垂直於傳播方向的平面上投影是一個圓時，稱為圓極化。在電場的水平分量和垂直分量幅度相等，相位相差90°或270°時，可以得到圓極化。根據兩個電場分量的相位超前或滯後的關係，又可以分為左旋圓極化和右旋圓極化。天線的方向圖是天線的輻射參量隨空間方向變化的圖形表示，一般表徵天線輻射能量的空間分布情況。按方向特性分，天線可以分為強方向性天線，弱方向性天線，定向天線，全向天線，針形波束天線，扇形波束天線等。天線的全向輻射一般指的是天線在水平面的各個方向能量均勻分布，能量大小與方位角無關，只與俯仰角有關。其方向圖在水平面的截面是一個圓，在垂直面的截面是一個倒8字形。天線在水平面的全向性能一般由不圓度來描述，不圓度是水平面天線增益的最大值與最小值之差。不圓度越小，天線輻射能量在水平面越均勻。全向圓極化天線既具有圓極化天線抗幹擾和抑制多徑效應的優點，又具有全向天線能夠全方位輻射的特性，因此得到了廣泛應用。但是在很多情況天線的剖面會對天線的應用起到很大的限制。當天線嵌入天線載體內部或者安裝在天線載體表面時，低剖面天線能夠更好的與天線載體組合在一起。比如天線安裝在飛行器表面時，低剖面天線能夠和飛行器表面很好的共形。低剖面天線以其輪廓低、風阻小、易於實現和載體共形等特點，在現代無線通信技術中得到越來越多的應用和重視。而現有的全向圓極化天線的剖面普遍很高，極大的限制了其應用。與此同時，隨著現代通信的飛速發展，通信設備和飛行器等向著越來越小的方向發展，因此對其上安裝的天線也提出了小型化的需求。現有的全向圓極化天線普遍具有結構複雜和尺寸大等特點，難以滿足許多對天線尺寸有要求的應用環境，如小型無人機無線通信。

綜上所述，現有技術存在的問題是：現有的全向圓極化天線普遍具有結構複雜和尺寸大，難以滿足許多對天線尺寸有要求的應用環境。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種超小型低剖面全向圓極化天線。

本發明是這樣實現的，一種超小型低剖面全向圓極化天線，所述超小型低剖面全向圓極化天線包括：

輻射部分；

所述輻射部分由上層介質板、四個耦合片、金屬圓環、金屬圓盤和中心金屬柱構成，耦合片、金屬圓環和金屬圓盤印刷在上層介質板的上層表面；

四個耦合片成旋轉對稱分布在圓形的上層介質板上，其一端都連接在金屬圓環上，另一端與四個金屬短路柱連接；金屬圓盤加載在中心金屬柱的頂部，通過與金屬圓環之間的耦合將能量傳遞給耦合片。

進一步，所述四個金屬短路柱採用金屬銅材料，其一端分別連接在四個耦合片的末端，另一端與金屬地板連接。

進一步，所述耦合片包括外耦合片和內耦合片，內耦合片的一端與外耦合片相連接，另一端與相鄰的外耦合片平行；

所述內耦合片長度為0.07λ0，其中λ0為中心頻率空氣波長。

進一步，所述超小型低剖面全向圓極化天線進一包括：中間連接部分和饋電部分；

所述中間連接部分為金屬短路柱；

所述饋電部分為匹配網絡、下層介質板和金屬地板；

所述匹配網絡印刷在下層介質板上，與中心金屬柱連接饋電，能量再通過加載在中心金屬柱上的金屬圓盤給耦合片耦合饋電。

進一步，所述匹配網絡為阻抗變換段，長度為0.25λ1，其中λ1為中心頻率介質波長。

進一步，所述金屬短路柱一端連接在外耦合片的末端，另一端與金屬地板相連接短路。

本發明的另一目的在於提供一種安裝有所述超小型低剖面全向圓極化天線的小型無人機無線通信系統。

本發明的另一目的在於提供一種安裝有所述超小型低剖面全向圓極化天線的無人機。

本發明的優點及積極效果為：四個金屬短路柱採用金屬銅材料，其一端分別連接在四個耦合片的末端，另一端與金屬地板連接，延長了耦合片上的電流路徑，從而減小了天線的橫向尺寸，同時還能降低天線的剖面高度，天線的最終剖面高度為0.03λ0。2012年，在antennaswirelesspropagationletters上提出的一種摺疊單極子形式的天線是目前電尺寸最小的全向圓極化天線，其電尺寸為0.22λ0*0.22λ0*0.076λ0。與摺疊單極子形式的天線中的小型化天線相比較，本發明提出的天線的剖面要小於摺疊單極子形式的天線中所述天線的0.076λ0。四個耦合片旋轉對稱的印刷上層介質板的上層表面，相鄰單元互相靠近，可以增大單元間的耦合，從而減小天線的尺寸；其中耦合片包括外耦合片和內耦合片，內耦合片的一端與外耦合片相連接，另一端與相鄰的外耦合片平行且相距很近，通過這樣的方式可以進一步增強輻射單元間的能量耦合，從而減小天線尺寸；本發明提出的天線的最終尺寸為0.16λ0*0.16λ0*0.03λ0，其橫向尺寸比摺疊單極子形式的天線中提出的摺疊單極子形式天線的尺寸要小。四個耦合片輻射的水平極化水平全向方向圖與饋電金屬柱輻射的垂直極化水平全向方向圖合成產生了全向圓極化的方向圖

本發明在耦合片的末端與金屬地板之間連接了四個金屬短路柱，從而延長了耦合片上電流的傳播路徑，有效的減小了天線的橫向尺寸，同時降低了天線的剖面高度，天線的最終剖面高度為0.03λ0，小於摺疊單極子形式的天線中提出的小型化天線的0.076λ0；在外耦合片的內部加載了內耦合片，增強了天線各單元間的能量耦合，與現有技術相比，在保證方向圖性能的同時，極大的減小了天線的尺寸，同時可以通過調節內、外耦合片間的距離和內耦合片的長度來很好的控制單元間的耦合能量強弱，從而調節天線的工作頻率。本發明提出的天線的最終尺寸為0.16λ0*0.16λ0*0.03λ0，要小於摺疊單極子形式的天線中提出的小型化天線的尺寸(0.22λ0*0.22λ0*0.076λ0)。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的超小型低剖面全向圓極化天線結構示意圖。

圖2是本發明實施例提供的圖1的正視圖。

圖3是本發明實施例提供的圖1的側視圖。

圖4是本發明實施例提供匹配網絡的結構示意圖。

圖5是本發明實施例的電壓駐波比曲線圖。

圖6是本發明實施例的全頻帶軸比曲線圖。

圖7是本發明實施例的全頻帶增益曲線圖。

圖8是本發明實施例的方位面(xoy面)和俯仰面(xoz面)的歸一化方向圖；

圖中：(a)方位面歸一化方向圖；(b)俯仰面歸一化方向圖。

圖中：1、輻射部分；11、上層介質板；12、耦合片；121、外耦合片；122、內耦合片13、金屬圓環；14、金屬圓盤；15、中心金屬柱；2、中間連接部分；21、金屬短路柱；3、饋電部分；31、匹配網絡；32、下層介質板；33、金屬地板。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例提供的超小型低剖面全向圓極化天線包括：輻射部分12、中間連接部分2、饋電部分3。

輻射部分1由上層介質板11、四個耦合片12、金屬圓環13、金屬圓盤14和中心金屬柱15構成；中間連接部分2為四個金屬短路柱21；饋電部分3由匹配網絡31、下層介質板32和金屬地板33構成。匹配網絡31與中心金屬柱15連接饋電；在中心金屬柱15的頂端加載有金屬圓盤14，然後通過耦合的方式將能量傳遞給耦合片12，同時中心金屬圓柱15與金屬圓盤14組成一個短單極子會輻射能量；四個耦合片12旋轉對稱印刷在上層介質板的上層表面，組成一個小電流環進行輻射。

如圖2所示，所述上層介質板11的介電常數為2.65、損耗角正切為0.002，其厚度為m＝1mm，半徑r1＝16.7mm。在上層介質板11的上層表面印刷有耦合片12、金屬圓環13及金屬圓盤14。四個耦合片的一端均連接在金屬圓環13上，能量從金屬圓盤14上通過耦合的形式傳遞到金屬圓環13上，然後在傳遞給耦合片12進行輻射。所述耦合片12由外耦合片121和內耦合片122組合而成。外耦合片121形狀類似於希臘字母γ，總長度為l1＝42mm，長度約為0.2λ0(λ0為中心頻率1.435ghz對應的自由空間波長)。四個外耦合片121旋轉對稱分布，組成一個小電流環，產生水平極化全向方向圖。中心金屬柱15長度為l3＝6.5mm，在其頂端加載有半徑為1.8mm的金屬圓盤14，組成一個短單極子，產生垂直極化全向方向圖。由於同相饋電的單極子與電流環所產生的場自身會存在90°的相位差，因此外耦合片121輻射的水平極化能量與心中金屬柱15及金屬圓盤14輻射的垂直極化能量組合產生全向圓極化的方向圖。在四個外耦合片121的內部分別加載有四個內耦合片122，內耦合片122的長度為l2＝13.5mm，其一端連接在外耦合片121上，另一端與相鄰的外耦合片121相平行且相距很近，內耦合片122與相鄰外耦合片121之間的距離為w1＝0.7mm。通過這樣的方式可以增強輻射單元間的能量耦合，這種能量耦合可以極大的減小天線的電尺寸，天線的最終尺寸可以減小到0.16λ0*0.16λ0*0.03λ0。

如圖3所示，所述的金屬短路柱21的長度為l4＝6.5mm，其一端連接在耦合片12的末端，另一端與金屬地板33連接，起到連接和支撐上下兩部分的作用。與此同時，金屬短路柱21延長了耦合片12上的電流傳播路徑，有效的減小的天線的橫向尺寸和剖面高度。

如圖4所示，所述下層介質板32的介電常數為2.65、損耗角正切為0.002，其厚度為m＝0.5mm，半徑r1＝16.7mm。所述金屬地板33印刷在下層介質板的上層表面，其作為天線和匹配網絡31的地。所述匹配網絡31印刷在下層介質板32的下層表面，總長度為l5＝32mm，長度約為0.25λ1(λ1為中心頻率1.435ghz對應的介質波長)。小型化的天線的阻抗值通常比較小，難以與50歐姆的同軸線匹配。因此加入匹配網絡31可以將天線的阻抗進行變換，從而更好的與50歐姆同軸線匹配。匹配網絡31通過金屬地板33中間的圓孔與中心金屬柱15連接，為上面的輻射部分饋電。

下面結合仿真對本發明的應用效果作詳細的描述。

1、仿真內容

1.1)利用商業仿真軟體hfss_13.0對上述實施例與參考天線的電壓駐波比進行仿真計算，結果如圖5所示。

1.2)利用商業仿真軟體hfss_13.0對上述實施例與參考天線的全頻帶軸比進行仿真計算，結果如圖6所示。

1.3)利用商業仿真軟體hfss_13.0對上述實施例與參考天線的全頻帶增益進行仿真計算，結果如圖7所示。

1.4)利用商業仿真軟體hfss_13.0對上述實施例與參考天線在1.435ghz的方向圖進行仿真計算，計算結果如圖8所示。

2、仿真結果

如圖5所示，本發明與參考天線的電壓駐波比滿足全向圓極化天線用於無線通信時的要求。在1.429ghz到1.442ghz的工作頻帶內，電壓駐波比都小於2。

如圖6所示，是對實物饋源天線測試得到的全頻帶軸比曲線圖，可以看出在工作頻帶內(1.429ghz-1.442ghz)軸比均小於3db，能較好的滿足圓極化天線工作的需求。

如圖7所示，是對實物饋源天線測試得到的全頻帶增益曲線圖，可以看出全頻帶增益大於0.8dbic，最大增益為1.01dbic，能較好的滿足全向圓極化天線的工作需求。

如圖8所示，是對實物饋源天線測試得到的中心頻點1.435ghz處的方位面(xoy面)和俯仰面(xoz面)的歸一化方向圖。方向圖表徵工作頻帶內天線在空間的能量分布，歸一化方向圖則是將方向圖的結果相對於其最大值進行歸一化處理後得到的結果。圖8(a)為表明天線在方位面360°內均有能量輻射，且不圓度小於1db，說明天線在方位面360°內的能量分布均勻，能很好的滿足全向天線的需求。圖8(a)還表明天線的主極化為右旋圓極化，交叉極化為左旋圓極化，且主極化與交叉極化的差值在方位面360°內均大於15db，說明天線在方位面360°內均有較好的圓極化特性，很好的實現了全向圓極化性能。圖8(b)表明天線在俯仰面的增益最大值指向中心位置，沒有出現方向圖上翹或者下傾的現象。

本發明提出的超小型低剖面全向圓極化天線具有良好的電性能指標，滿足了全向圓極化工作的基本要求，同時天線具有低剖面和小型化的特性，天線的電尺寸為0.16λ0*0.16λ0*0.03λ0(λ0為中心頻率1.435ghz對應的自由空間波長)，其尺寸小於現有全向圓極化天線的尺寸。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。