錐形波束的圓極化天線的製作方法
2023-09-21 21:25:55 1
本發明涉及一種天線，具體地，涉及一種錐形波束的圓極化天線。
背景技術：
隨著無線通信技術的快速發展，與移動衛星通信作為一種常用的通信情況變得越來越普遍。通常同步衛星和與之通信的車、船等的直線路徑與地面有一個較為穩定的角度，為了實現穩定的通信，就要求在這個角度附近天線增益較高。錐形波束天線可以較好的實現這個功能。此外，圓極化天線可以接收任意極化波的特性對於移動衛星通信這種位置變動較為頻繁的通信場合也至關重要。
經文獻檢索，K.L.Lau，K.M.Luk等人2006年在IEEE Trans.Antennas Propag.期刊上發表的文章「A Wideband Circularly Polarized Conical-Beam Patch Antenna」提出了一種寬帶圓極化錐形波束天線，但是其混合饋電結構較為複雜。D.Zhou等人2008年在Microwave And Optical Techonlogy Letters期刊發表的文章「New Circularly-polarized Conical-beam Microstrip Patch Antenna Array For Short-range Communication Systems」提出用4個切角矩形圓極化貼片天線構成陣列實現圓極化錐形波束，該天線饋電結構較為簡單，但是波束最大增益在方向360度內變化起伏較大，會對實際的通信質量造成影響。Jeen等人2010年在IEEE Trans.Antennas Propag.期刊上發表的文章「Reconfigurable Circularly-polarized Patch Antenna With Conical Beam」以兩種線極化天線組合的方式實現了錐形波束圓極化天線，但是使用了較複雜的微擾技術。類似的，Xudong Bai，Xianling Liang等人2015年在IEEE Antenna And Wireless Propagation期刊上發表的文章「Dual-Circularly Polarized Conical-Beam Microstrip Antenna」使用了較為複雜的耦合饋電結構。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種錐形波束的圓極化天線。該天線阻抗帶寬大，圓極化軸比帶寬大，在垂直輻射結構外導體方向的增益高。
根據本發明提供的一種錐形波束的圓極化天線，其特徵在於，包括輻射結構、饋電結構；
輻射結構包括中空的圓臺形殼體；
輻射結構上設置有上層輻射單元、下層輻射單元；
輻射結構與饋電結構之間填充有填充介質結構；
饋電結構包括饋電結構外導體、饋電結構內導體；
饋電結構外導體與饋電結構內導體之間填充有饋電結構介質；
饋電結構內導體的上端與輻射結構的頂部連接。
優選地，上層輻射單元、下層輻射單元均為開設在圓臺形殼體壁上的具有夾角的矩形縫隙對。
優選地，饋電結構外導體的厚度隨圓臺形殼體側面的傾斜角度線性漸變；
饋電結構下端連接SMA接頭。
優選地，饋電結構外導體為圓臺形，饋電結構外導體的外表面與圓臺形殼體內壁面之間的距離基本不變，即饋電結構外導體的外表面與圓臺形殼體內壁面之間的距離變化很小；饋電結構外導體沿中心軸線設置有通孔，饋電結構內導體和饋電結構介質設置在通孔內。
優選地，輻射結構的錐形波束的指向與輻射結構的圓臺形殼體表面垂直；縫隙對的兩個縫隙之間互相垂直；下層輻射單元的數量為上層輻射單元的數量的整數倍。
優選地，上層輻射單元、下層輻射單元之間縫隙的最短距離基本為一個介質波長，即上層輻射單元、下層輻射單元之間縫隙的距離為一個介質波長左右。
優選地，饋電結構內導體的上端與輻射結構的頂部平滑過渡連接。
上層輻射單元、下層輻射單元組成為天線輻射段；上層輻射單元有6個，即6對縫隙對；下層輻射單元有12個，即12對縫隙對。通過類同軸線結構的饋電結構給天線饋電，因此饋電結構可認為是類同軸線。類同軸線結構外導體厚度隨天線外輻射體傾斜角度漸變，從而實現較好的匹配。類同軸線下方可以直接連接SMA頭進行饋電。饋電結構外導體與天線輻射結構之間填充介質。錐形波束的指向與圓臺母線(輻射結構的圓臺形殼體表面)垂直，錐形波束圓極化性能良好，且通過改變母線傾角可以方便的實現任意角度的錐形波束。所述天線輻射結構為圓臺側面，由金屬構成。輻射結構外壁開互成一定角度的矩形縫隙，從而能激勵出圓極化波。為了提高天線的增益，在圓臺外表面開兩圈縫隙。由於兩圈縫隙的高度不同，所在圓平面的半徑不同，故上下兩圈開的縫隙對個數不同。上圈開6個縫隙對，下圈開12個縫隙對，上下倍數關係使結構更加對稱。所述輻射結構上下兩圈縫隙之間距離為一個介質波長左右，從而在激勵時保持同向疊加，使系統增益達到最大化。上輻射縫隙距離圓臺上表面的距離以及下輻射縫隙距離圓臺下表面的距離在天線製作過程中可以適當調整，以期實現較好的阻抗帶寬。此外，由於上下兩圈輻射縫隙對的個數不同以及饋電位置的不同，在天線製作過程中適當得調整縫隙寬度可以實現等功率輻射，也可以提高系統的增益。饋電結構為類同軸結構。饋電類同軸結構內導體、介質與同軸線完全相同，外導體隨圓臺側面傾斜角度漸變。這樣外導體與輻射結構構成漸變同軸線結構，便於實現阻抗匹配。此外，饋電內導體與天線頂部連接做平滑過渡，仿真結果表明，平滑過渡可以有效展寬阻抗帶寬。調節圓臺側面傾斜角度，可以改變錐形波束最大輻射方向的角度。此外，在天線製作過程中適當調整兩圈縫隙之間的距離，增加縫隙的圈數等都可以進一步提高天線的性能。下文中的一個實施例中將會以45度指向的錐形波束圓極化天線為例進行說明。
與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
1、本發明錐形波束的圓極化天線效率較高，具有較高的增益。
2、本發明最大波束方向增益平坦度較好。
3、本發明的饋電方式較為簡單。
4、本發明可以根據需要的最大波束指向調整圓臺側面的傾角，實現任意方向的最大波束指向。
5、天線饋電結構較為簡單，最大輻射角度增益在圓周方向起伏小，圓極化性能良好。且通過改變圓臺側面(天線輻射面)的傾角，可以方便地改變最大輻射方向在俯仰方向的指向，具有較好的通用性。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
圖1、圖2為本發明錐形波束的圓極化天線的結構示意圖；
圖3為本發明錐形波束的圓極化天線的主視圖；
圖4為饋電部分細節圖及局部A-A剖視圖；
圖5為本發明錐形波束的圓極化天線的俯視圖；
圖6為沿B-B向反向的剖視圖；
圖7為本發明實施例的錐形波束的圓極化天線的回波損耗圖；
圖8為本發明實施例的5.3GHz～5.85GHz頻點的θ為45度的增益圖；
圖9為本發明實施例的5.3GHz～5.85GHz頻點的θ為45度的軸比圖。
圖10、圖11、圖12為本發明實施例的5.3GHz、5.6GHz、5.85GHz頻點的方向圖。
圖中：1為輻射結構，2為上層輻射單元，3為下層輻射單元，4為填充介質結構，5為饋電結構外導體，6為饋電結構介質，7為饋電結構內導體，8為饋電點，9為饋電結構內導體與輻射結構頂部連接做平滑過渡的結構。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
本發明提供了一種錐形波束的圓極化天線，應用於通信技術領域，比如車載衛星通信等。天線整體為圓臺形，外導體壁上開互相垂直的矩形縫隙，上下2列組成為天線輻射段。通過類同軸線結構給天線饋電，類同軸線結構外導體厚度隨天線外輻射體傾斜角度漸變，從而實現較好的匹配。類同軸線外導體與天線輻射體之間填充介質。錐形波束的指向與圓臺母線(輻射外導體表面)垂直，錐形波束圓極化性能良好，且通過改變母線傾角可以方便的實現任意角度的錐形波束。
請同時參閱圖1和圖2，一種錐形波束的圓極化天線，天線整體為圓臺形，圓臺形殼體構成的外輻射體壁上開互相垂直的矩形縫隙，上下2列組成為天線輻射段。通過類同軸線結構給天線饋電，類同軸線結構外導體厚度隨天線外輻射體側面傾斜角度漸變。類同軸線下方可以直接連接SMA頭進行饋電。類同軸線外導體與天線輻射體之間填充介質。錐形波束的指向與圓臺母線(外輻射體側面表面)垂直，錐形波束圓極化性能良好，且通過改變母線傾角可以方便的實現任意角度的錐形波束。
進一步地，天線的輻射結構1為圓臺形結構，由金屬構成，厚度1.5mm。圓臺上底直徑12mm，下底直徑64mm，高度49mm。在輻射結構1上開互相垂直(夾角90度)的矩形縫隙構成輻射單元，上層輻射單元2分布一圈有6個縫隙對，下層輻射單元3分布一圈有12個縫隙對。上下2組輻射單元構成輻射縫隙陣。兩組縫隙陣之間距離為一個介質波長左右，這裡設計為33.6mm。其中下縫隙陣距離圓臺底部19.8mm，上層縫隙距離天線頂部4.4mm，調整這兩個距離可以改變系統的阻抗帶寬。
進一步地，饋電結構為類同軸線結構。饋電結構外導體由上往下半徑線性增大，與輻射外導體半徑之差大致為一個常數。設計思想是：能量由饋電同軸線上升至類同軸結構外導體與輻射體組成的外類同軸結構中，邊傳播邊輻射。為了使傳播路徑儘量一致，保持類同軸結構外導體與輻射外導體半徑之差保持基本不變。由此帶來阻抗變換的問題，通過饋電結構內導體與輻射結構頂部連接做平滑過渡的結構9做調整，對調節阻抗匹配有重要作用。類同軸結構外導體半徑最小處為2.49mm，最大處為51.3mm。饋電結構介質6是Teflon，介電常數為2.1，內徑為0.5mm。進一步地，類同軸結構內導體與天線頂部金屬圓片直接相連，外導體高度距離頂部金屬圓3.2mm，此距離對於阻抗帶寬有較大的影響。
本發明全向雙圓極化的工作原理如下：
如圖1至圖6所示，其為本發明錐形波束的圓極化天線的主視圖以及剖面圖。
射頻激勵信號通過圖2中下側饋電點8對天線饋電，信號先通過類同軸線結構內的饋電結構介質向上傳播，到達天線頂部後向外擴散，開始沿饋電結構外導體與填充介質結構向下傳播。邊傳播邊輻射能量。能量從第一圈縫隙開始向外輻射，到第二圈縫隙基本將能量輻射完，天線的效率較高。由於合理得設計了上下組縫隙的數量、間距、縫隙寬度，使得最大輻射角度垂直圓臺側面且增益較大。
如圖7所示是本實施例的仿真得到的回波損耗圖。從圖中可以看出，在4.95GHz～6.23GHz頻段內回波損耗小於-10dB。
如圖8所示是本實例的仿真得到的5.3GHz～5.85GHz頻點的θ為45度方向增益圖。從圖中可以看出，增益基本都在5dB以上。
如圖9所示是本實例的仿真得到的在5.3GHz～5.85GHz頻點的θ為45度方向軸比圖。從圖中可以看出，軸比值都在3dB以下。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。