一種超寬帶全金屬圓極化天線單元的製作方法

2023-12-04 03:52:26

本發明屬於現代無線通信技術領域，具體涉及一種新型超寬帶全金屬圓極化天線單元。

背景技術：

隨著無線通信的廣泛應用，由於圓極化波入射到對稱目標(如平面或球面等)時旋向逆轉，使得圓極化天線能抑制雨霧幹擾和抗多徑反射。其中超寬帶圓極化天線作為無線電設備中用來發射和接收電磁波的關鍵部件，受到了越來越多的關注。現階段超寬帶圓極化天線有以下幾種結構形式，在性能上雖各有特點，但均存在某種不足。

1、微帶貼片天線。由於天線自身所具有的對加工精度要求低，可用標準的光刻技術在敷銅電路板上進行生產，尤其是頻帶較寬等優點，已被廣泛地應用於航空航天飛行器、衛星直播電視等高頻陣列天線中。該天線具有體積小，重量輕，低剖面等優勢。但通常單層微帶天線，帶寬僅有1-2％，即使採用很多層微帶板堆疊，能展寬有限帶寬，可達到一個倍頻程，但破壞了微帶天線的低剖面特性。

2、螺旋天線，是圓極化的一種形式，它是用金屬線(或管)繞制而成的螺旋形結構的行波天線，通常是用在同軸線饋電，同軸線內導體和螺旋線一端相接，外導體和金屬板接地板相連。該天線具有超寬的頻帶，高增益以及良好的時域特性等優點，但該天線螺旋天線的波束寬度較窄，低仰角性能不好，佔用體積較大，製作工藝複雜，加工成本高，且不利於系統集成，通常只用於窄波束定向信號傳輸。

3、縫隙天線，一種在導體面上開縫形成的天線，也稱為開槽天線。典型的縫隙形狀是長條形的，長度約為半個波長。由於其具有重量輕、可與載體共形、易與有源器件集成等優點，得到人們的廣泛關注；另外相比微帶天線，其還具有更寬的帶寬、對加工精度要求低。但該類型天線容量不高且頻帶較窄，不宜實現超寬的頻帶。

技術實現要素：

本發明為克服現有技術存在的缺陷與不足之處，提供一種具有超寬帶、寬軸比帶寬、圓極化的超寬帶全金屬圓極化天線單元，以期能滿足現代無線通信技術對天線帶寬和抗幹擾能力等指標要求，從而使天線具有更快的傳輸速率和更強的抗多徑能力。

為實現上述技術指標，採用的技術方案為：

本發明一種超寬帶全金屬圓極化天線單元的特點是由立體結構的魚骨狀交叉偶極子輻射單元，同軸饋電和金屬反射腔組成；所述金屬反射腔為頂部無蓋的金屬空心圓柱體；

所述魚骨狀交叉偶極子輻射單元包括：形狀和大小均相同的上偶極子和下偶極子；所述上偶極子和所述下偶極子位於不同的平面，且呈中心對稱分布；

所述上偶極子和所述下偶極子分別包括兩個偶極子臂，任意一個偶極子臂均由立體扇形、長魚刺彎圓柱、短魚刺彎圓柱和脊椎圓柱構成；

在所述立體扇形的外側弧長上依次平行設置有所述長魚刺彎圓柱和所述短魚刺彎圓柱，且所述長魚刺彎圓柱和所述短魚刺彎圓柱中心處通過所述脊椎圓柱連接在所述立體扇形的弧長中心處；所述脊椎圓柱的末端為開路；

所述兩個偶極子臂的立體扇形頂部弧形之間通過四分之三周長的圓環連接，在任意一個偶極子臂的立體扇形的頂部，且朝向所述圓環的中心處通過短圓柱連接有正方體；僅在所述下偶極子的正方體的中心位置處設置有圓柱諧振腔；

所述同軸饋電包括：內導體和外導體；所述內導體和外導體的底部穿過所述金屬反射腔的中心處；所述內導體的頂部穿過所述下偶極子上的圓柱諧振腔，並與所述上偶極子的正方體相連，所述外導體與所述下偶極子的正方體相連；

所述超寬帶全金屬圓極化天線單元是以所述魚骨狀交叉偶極子輻射單元為輻射區，以所述圓柱諧振腔為傳輸區，以所述同軸饋電為饋電區，從而利用輻射區、傳輸區和饋電區實現能量的接收和發送。

本發明所述的超寬帶全金屬圓極化天線單元的特點也在於，所述立體扇形的外側弧長為倒角結構。

所述短魚刺彎圓柱的直徑和所述脊椎圓柱的直徑相同，並與所述立體扇形的厚度相同。

所述金屬反射腔的半徑為四分之一個工作波長，其高度與所述下偶極子離地面的距離相同。

與現有技術相比，本發明有益效果體現在：

1、本發明天線中通過縮小金屬反射腔的直徑，減小了天線的體積。天線的輻射結構為魚骨狀交叉偶極子，通過四分之三圓周相位延遲線連接偶極子臂，實現了任意兩個偶極子臂的90°相位差，魚骨結構的偶極子臂上的立體扇形將產生一個諧振頻點，而魚骨結構產生另一個諧振頻點，同時立體扇形的外側弧長對諧振頻點的高低有影響，通過合理設置，使兩個諧振頻點工作頻段的重合達到了頻帶展寬的效果，實現了因縮小金屬反射腔直徑引起的天線的工作效率的降低的補償，保證了理想的圓極化天線的軸比帶寬。

2、本發明的天線單元被放置在平坦地平面上方時，大部分由天線激發的輻射波可通過地平面反射，由于波的衍射效應，使得相當大的輻射波仍然可以穿過地平面傳播，導致較大的後瓣。通過地平面反射波原理，本發明天線單元設置圓柱諧振腔，其垂直壁可以阻擋部分衍射波向外傳播，減小了擴散效應。

3、本發明天線單元在距離天線四分之一個工作波長處放置了一個金屬反射腔。由於交叉偶極子的雙面天線的特性，該天線單元的前向是左旋圓極化波，後向是右旋圓極化波，反射腔使後向反射的波反射回前向與前向輻射產生疊加，優化了整個工作帶寬內圓極化輻射性能，同時提高了天線單元在整個輻射空間的阻抗匹配。

4、本發明天線單元通過僅使用全金屬的材料的方式，而不是傳統的通過介質板和印刷天線的模式，提高了天線使用壽命，並且易於加工和安裝，物理性能好，實現了天線在無線通信系統中的穩定性。

附圖說明

圖1是本發明的三維結構示意圖；

圖2是本發明的下偶極子俯視圖；

圖3是本發明的駐波比圖；

圖4是本發明的軸比圖；

圖中標號：1立體扇形；2長魚刺彎圓柱；3短魚刺彎圓柱；4脊椎圓柱；5圓環；6正方體；7圓柱諧振腔；8同軸饋電內導體；9同軸饋電外導體；10金屬反射腔；11短圓柱。

具體實施方式

本實施例中，如圖1所示，根據現代無線通信對帶寬、抗幹擾等指標要求，設計出一種超寬帶全金屬圓極化天線單元，該天線單元具有超寬帶、寬軸比帶寬、圓極化等性能，同時具有小型化、饋電簡單、損耗低等優點，能實現在band38、band41及北鬥頻段的全覆蓋，使得天線具有更快的傳輸速率和更強的抗多徑能力。具體的說，該天線單元是由立體結構的魚骨狀交叉偶極子輻射單元，同軸饋電和金屬反射腔10組成；天線全部採用金屬材料，可以加強整個天線的物理強度，在惡劣條件下使用時間更加持久。選擇全金屬結構一方面保證了在結構所必要的支撐強度下節省了材料，降低成本，另一方面單一加工材料降低了天線加工的複雜程度。

金屬反射腔10為頂部無蓋的金屬空心圓柱體；由於交叉偶極子的雙面天線的特性，本天線的前向是左旋圓極化波，後向是右旋圓極化波，金屬反射腔10使後向反射的波反射回前向與前向輻射產生疊加，優化了整個工作帶寬內圓極化輻射性能，同時提高了天線在整個輻射空間的阻抗匹配。本實例中，金屬反射腔10的半徑約為四分之一個工作波長，其高度與所述下偶極子離地面的距離相同；金屬反射腔10的半徑不能過小，過小會影響振子臂上電流的分布，導致軸比嚴重突變；金屬反射腔10的高度也不能過高，過高雖然能增大波瓣寬度。

如圖1所示，魚骨狀交叉偶極子輻射單元包括：形狀和大小均相同的上偶極子和下偶極子；上偶極子和下偶極子位於不同的平面，且呈中心對稱分布；上偶極子和下偶極子分別包括兩個偶極子臂，任意一個偶極子臂均由立體扇形1、長魚刺彎圓柱2、短魚刺彎圓柱3和脊椎圓柱4構成；立體扇形1的外側弧長上依次平行設置有長魚刺彎圓柱2和短魚刺彎圓柱3，且長魚刺彎圓柱2和短魚刺彎圓柱3中心處通過脊椎圓柱4連接在立體扇形1的弧長中心處；立體扇形1產生一個諧振頻點，而由長魚刺彎圓柱2、短魚刺彎圓柱3和脊椎圓柱4構成的魚骨結構產生另一個諧振頻點，通過合理設置，使兩個諧振頻點工作頻段的重合達到了頻帶展寬的效果；同時，立體扇形1的張角大小對諧振頻點的大小有影響，隨著張角弧度的增大，由於天線輻射單元面積的增加，輻射電流的路徑變長，形成了兩個不同長度的電流路徑，發生簡併現象，天線的諧振頻率將減小，而軸比相對帶寬將增大，而當張角弧度繼續增大，兩個不同長度的電流路徑不斷相互靠攏，會降低天線的帶寬。在本天線的最優方案中張角為72°，軸比相對帶寬達到43.39％，實現了因縮小金屬反射腔10直徑引起的天線的工作效率的降低的補償，保證了理想的圓極化天線的軸比帶寬。脊椎圓柱4的末端為開路；故在末端電流為零。

兩個偶極子臂的立體扇形1頂部弧形之間通過四分之三周長的圓環5連接，通過調節該圓環5的半徑大小，即為圓環5的周長等於或者近似等於天線輻射波長的四分之一時的半徑，圓環5就變成了一個90°的相位延長線，從而使得兩個偶極子臂之間具有90°相位差，繼而產生圓極化輻射。同時，調節該圓環5的寬度，可以改變天線的阻抗，當設置合適寬度的圓環5時，能夠展寬天線的阻抗帶寬。

在任意一個偶極子臂的立體扇形1的頂部，且朝向圓環5的中心處通過短圓柱11連接有正方體6；僅在下偶極子的正方體6的中心位置處設置有圓柱諧振腔7；天線被放置在平坦地平面上方時，大部分由天線激發的輻射波可通過地平面反射，由于波的衍射效應，使得相當大的輻射波仍然可以穿過地平面傳播，導致較大的後瓣。通過地平面反射波原理，設置圓柱諧振腔7，其垂直壁可以阻擋部分衍射波向外傳播，減小了擴散效應。

立體扇形1的外側弧長為倒角結構，採用平滑設計的理念，可以提高天線的阻抗匹配。短魚刺彎圓柱3的直徑和脊椎圓柱4的直徑相同，並與立體扇形1的厚度相同。立體扇形1的厚度，即為上偶極子和下偶極子的厚度，其大小會對天線的軸比產生影響，根據半波振子天線輻射理論，加粗振子的半徑，可以有效地展寬偶極子天線的通頻帶：

其中：ra為天線發生諧振時的輻射電阻，wa為無損耗對稱振子的平均阻抗，a為振子的半徑，l為天線發生諧振時的振子長度，c為光速，dz為天線振子的平均長度。wa越小，天線的通頻帶越寬。因此增加偶極子的厚度可以得到寬頻帶，然而當頻帶越寬，對應的軸比下降，圓極化性能變差，因此要選擇合適的厚度，在本天線的最優方案中厚度為2mm。

如圖2所示，同軸饋電包括：內導體8和外導體9；採用中心饋電的方式饋電，這樣可使方向圖較為對稱，同時同軸饋電方式簡單，結構緊湊，可以實現低副瓣，易於加工，同時減少了微帶線或者帶狀線等饋電結構中特性阻抗容易隨頻率的變化而發生改變的現象，提高了饋電和天線的匹配，減少了產生的色散現象，降低了寄生輻射。內導體8和外導體9的底部穿過金屬反射腔10的中心處；內導體8的頂部穿過下偶極子上的圓柱諧振腔7，並與上偶極子的正方體6相連，外導體9與下偶極子的正方體6相連；因此，同軸線可以採用半鋼同軸線，能起到支撐天線的作用。

全金屬圓極化天線單元是以魚骨狀交叉偶極子輻射單元為輻射區，以圓柱諧振腔7為傳輸區，以同軸饋電為饋電區，從而利用輻射區、傳輸區和饋電區實現能量的接收和發送。

如圖3，圖4所示，通過仿真測試，天線的駐波比小於2的工作頻帶範圍為2.28～3.53ghz，絕對帶寬為1.25ghz，相對帶寬為42.98％，駐波比是反映天線輻射能量性能的參數，駐波比值越低，則表示天線輻射性能越好；實現了對band38，band41以及北鬥頻段(2491mhz)全覆蓋。軸比小於3db的帶寬為2.29～3.56ghz，絕對帶寬為1.27ghz，相對帶寬為43.39％。與傳統圓極化天線相對帶寬不會超過3％相比，實現了寬帶化。