一种低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线及阵列结构

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体地讲，涉及一种低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线及阵列结构。

背景技术

圆极化天线能够接收任意线极化的电磁波，辐射的圆极化电磁波可以被任意线极化天线接收，且圆极化天线可以有效减小多径反射的影响、抑制雨雾等气候引起的去极化效应、抗干扰能力强，得到了广泛的关注；

如今越来越多的工程平台不仅要求天线具备宽带、宽波束性能，还需要满足低剖面和轻重量。叠层微带贴片天线是实现宽带圆极化的常见形式，但叠层会带来剖面和重量的增加，同时带宽也难以超过25％；单层微带天线剖面较叠层贴片微带天线低，引入多馈点也能提高带宽，但是引入的馈电网络增加了结构复杂度，且会影响带内增益；平面单极子加载寄生贴片也可以实现宽带圆极化，但其问题在于辐射效率低、后向辐射大，带内增益不平稳，难以推广到阵列应用；

虽然采用偶极子加载人工磁导体的方式也可实现低剖面，但带宽窄，且引入的人工磁导体面积较大，应用场景也十分受限；旋转偶极子是实现圆极化的一种新形式，具有宽带、轻重量、高增益等优点，但其普遍存在剖面高、结构不牢靠的问题，对于要求天线剖面低、力学强度高的工程平台，其无法直接投入应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线及阵列结构，具有低剖面、轻重量、结构稳固、工作带宽达到58％、±100°宽角度低轴比覆盖的特点；

本发明解决技术问题所采用的解决方案是：

一种低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线，包括顶面印制有第一旋转偶极子辐射体且底面印制有第二旋转偶极子辐射体的印制板、位于印制板底部且与印制板平行设置的水平地板、安装在水平地板上且用于连接水平地板和印制板的支撑接地组件、以及安装水平地板上且一端穿过支撑接地组件与第一旋转偶极子辐射体连接的馈电结构；

所述第一旋转偶极子辐射体与第二旋转偶极子辐射体呈旋转对称；

所述第一旋转偶极子辐射体与馈电结构连接，第二旋转偶极子辐射体与支撑接地组件连接。

在一些可能的实施方式中，

所述第一旋转偶极子辐射体包括两组正交设置的辐射臂一、与其中一组辐射臂连接的馈电体一、用于连接馈电体一与另外一组辐射臂的移相圆弧一；所述馈电体一与馈电结构连接。

在一些可能的实施方式中，

所述第二旋转偶极子辐射体包括两组正交设置的辐射臂二，与其中一组辐射臂二连接的馈电体二、用于连接馈电体二与另外一组辐射臂二且半径与移相圆弧一一致的移相圆弧二；两组所述辐射臂二与两组所述辐射臂一呈旋转对称；

在一些可能的实施方式中，

所述移相圆弧一与移相圆弧二的圆心同心；

所述移相圆弧一的弧长为λ

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现扩大辐射臂等效电长度的作用，实现宽带辐射；

在所述印制板的顶面与底面分别设置有寄生贴片，每面的寄生贴片为四组，且与辐射臂一或辐射臂二沿长度方向的外侧面平行设置；两个面上的每组寄生贴片一一对应设置且互联。

在一些可能的实施方式中，为了有效的的实现寄生贴片的接地，并实现对于印制板的支撑；

所述支撑接地组件包括安装在水平地板上的且与寄生贴片一一对应设置的边缘接地板、与水平地板同轴设置且安装在水平地板上的中央接地柱；

所述馈电结构的一端穿过中央接地柱与馈电体一连接，所述移相圆弧一的圆心在所述中央接地柱的轴线上。

在一些可能的实施方式中，

所述馈电体二与中央接地柱远离水平地板一端焊接，所述移相圆弧二的一端与馈电体二的外侧面连接；

所述馈电体一包括与辐射臂一连接的本体、用于连接本体与馈电结构的连接凸起；所述移相圆弧一的一端与本体连接且另外一端与另外一组辐射臂一连接。

在一些可能的实施方式中，为了有效的保证馈电结构与中央接地柱良好接触，并使得馈电结构具备足够的刚性；

所述馈电结构包括安装在水平地板底部的法兰、安装在法兰上且套装在中央接地柱内的外皮、套装在外皮内且远离法兰的一端贯穿外皮的介质，以及套装在介质内且与远离水平地板的一端馈电体一连接的内导体。

在一些可能的实施方式中，为了使得馈电结构具有良好的阻抗匹配；

所述介质的长度与中央接地柱的长度相等，所述内导体远离法兰的一端与馈电体一之间的长度为D，D≥1mm；

所述印制板与水平地板之间的距离为H,H≤0.08λ

一种低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线的阵列结构，包括多组呈矩形阵列且如以上所述的低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线；相邻两组低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线之间相互抵接接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明解决了传统旋转偶极子天线剖面高、结构不稳固、无法组阵应用等问题，同时兼顾旋转偶极子天线宽带、高增益和轻重量的优势，提供一种低剖面、轻重量、结构稳固、工作带宽达到58％、±100°宽角度低轴比覆盖的圆极化天线形式，并可以组阵应用；

本发明第一旋转偶极子辐射体、第二旋转偶极子辐射体的设置正交辐射臂一或辐射臂二之间相位差90°，馈电体一或馈电体二用于改善阻抗匹配以及调节移相圆弧等效长度；

本发明通过在印制板的顶面与底面设置寄生贴片，从而有效改善正交偶极子间的幅度和相位不一致性，进一步改善轴比；

本发明通过馈电结构的设置，一方面保证与中央接地柱良好接触，另一方面保证馈电结构具备足够的刚性；介质段和接地柱等高，保证良好的阻抗匹配。

附图说明

图1为本发明中低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线的结构示意图；

图2为本发明中低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线的侧视图；

图3为本发明中寄生贴片、印制板、第一旋转偶极子辐射体、第二旋转偶极子辐射体的位置关系示意图；

图4为本发明中支撑接地组件的结构示意图；

图5为本发明中馈电结构的结构示意图；

图6为本发明中印制板正面、第一旋转偶极子辐射体的结构示意图；

图7为本发明中印制板反面、第二旋转偶极子辐射体的结构示意图；

图8为本发明中阵列结构的结构示意图；

图9为本发明的天线驻波仿真曲线示意图；

图10为本发明中工作频点为最低频点时，天线方向图仿真曲线示意图；

图11为本发明中工作频点为中心频点时，天线方向图仿真曲线示意图；

图12为本发明中工作频点为最高频点时，天线方向图仿真曲线示意图；

图13为本发明的天线轴比仿真曲线；

图14为本发明的增益仿真曲线；

图15本发明中工作频点为最低频点时，阵列结构扫描方向图仿真曲线；

图16本发明中工作频点为中心频点时，阵列结构扫描方向图仿真曲线；

图17本发明中工作频点为最高频点时，阵列结构扫描方向图仿真曲线；

图18本发明中阵列结构的轴比仿真曲线；

其中：1、印制板；11、第一旋转偶极子辐射体；111、辐射臂一；112、馈电体一；113、移相圆弧；12、第二旋转偶极子辐射体；2、水平地板；3、支撑接地组件；31、边缘接地板；32、中央接地柱；4、馈电结构；41。

具体实施方式

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明进行详细说明。

如图1-图7所示，一种低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线，包括顶面印制有第一旋转偶极子辐射体11且底面印制有第二旋转偶极子辐射体12的印制板1、位于印制板1底部且与印制板1平行设置的水平地板2、安装在水平地板2上且用于连接水平地板2和印制板1的支撑接地组件3、以及安装水平地板2上且一端穿过支撑接地组件3与第一旋转偶极子辐射体11连接的馈电结构4；

第一旋转偶极子辐射体11印制在印制板1的顶面，第二旋转偶极子辐射体12印制在印制板1的底面，两者旋转对称；

所述第一旋转偶极子辐射体11与馈电结构4连接，第二旋转偶极子辐射体12与支撑接地组件3连接。

需要说明的是：印制板1的顶面远离水平地板2的一侧，底面为靠近水平地板的一侧；

水平地板2与印制板1平行设置，尺寸相同，即等长等宽，通过支撑接地组件3实现对于印制板1的支撑和接地。

在一些可能的实施方式中，

所述第一旋转偶极子辐射体11包括两组正交设置的辐射臂一111、与其中一组辐射臂连接的馈电体一112、用于连接馈电体一112与另外一组辐射臂的移相圆弧一113；所述馈电体一112与馈电结构4连接。

在一些可能的实施方式中，

所述第二旋转偶极子辐射体12包括两组正交设置的辐射臂二121，与其中一组辐射臂二121连接的馈电体二122、用于连接馈电体二122与另外一组辐射臂二121且半径与移相圆弧一113一致的移相圆弧二123；两组所述辐射臂二121与两组所述辐射臂一111呈旋转对称。

如图6所示，两组辐射臂一111相互正交，两组辐射臂二121相互正交，两者旋转对称，相邻的辐射臂一111和辐射臂二121的投影相互正交。

在一些可能的实施方式中，

所述移相圆弧一113与移相圆弧二123的圆心同心；

为了保证移相量刚刚90度，形成圆极化；所述移相圆弧一113的弧长为λ

移相圆弧一113、移相圆弧二123实现正交设置的两组辐射臂一111或两组辐射臂二121之间相位差90°，馈电体(馈电体一112、馈电体二122)用于改善阻抗匹配以及调节移相圆弧等效长度；

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现扩大辐射臂等效电长度的作用，实现宽带辐射；

在所述印制板1的顶面与底面分别设置有寄生贴片，每面的寄生贴片为四组，且与辐射臂一111或辐射臂二121沿长度方向的外侧面平行设置；两个面上的每组寄生贴片一一对应设置且互联。

印制板1顶面上印制的寄生贴片、印制板1底板印制的寄生贴片一一对设置且通过螺钉实现连接的连接；每组寄生贴片与辐射臂一111或辐射臂二121的长度方向平行设置；

如图1、图3、图4、图6、图7所示，印制板1、水平地板2均为正方形，印制板1的正面和反面上的寄生贴片分别为四个，且位于印制板1的边角部，寄生贴片的外侧面与印制板1的外侧面共面；每组寄生贴片与辐射臂一111或辐射臂二121的长度方向平行设置，寄生贴片起到扩大辐射臂等效电长度的作用，实现宽带辐射；同时寄生贴片接地可降低天线剖面。采用在印制板1顶面和底面分别设置寄生贴片进行接地的方式，可改善正交偶极子间的幅度和相位不一致性，进一步改善轴比。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现寄生贴片的接地，并实现对于印制板1的支撑；

如图4所示，所述支撑接地组件3包括安装在水平地板2上的且与寄生贴片一一对应设置的边缘接地板31、与水平地板2同轴设置且安装在水平地板2上的中央接地柱32；

进一步的，边缘接地板31的壁厚、中央接地柱32的直径均大于4mm，进而确保印制板1与支撑接地组件3之间可通过螺钉连接，保证整体结构稳固性；

进一步的，边缘接地板31、中央接地柱32、水平地板2由一块金属整板铣加工成形，既能保证各部位等高，也能保证组件结构强度；

所述馈电结构4的一端穿过中央接地柱32与馈电体一112连接，所述移相圆弧一113的圆心在所述中央接地柱32的轴线上。

如图1、图3所示，印制板1顶面与底面的四组辐射臂(两组辐射臂一111、两组辐射臂二121)位于中央接地柱32的外侧，两组辐射臂二121与两组辐射臂一111以中央接地柱32的轴心为旋转对称中心呈旋转对称；

中央接地柱32、水平地板2、印制板1同轴设置，位于水平地板2上且沿水平地板2轴向设置的边缘接地板31和中央接地柱32用于对印制板1进行支撑；边缘接地板31与寄生贴片一一对应设置，用于对寄生贴片进行接地。

在一些可能的实施方式中，

如图4所示，当中央接地柱32为圆柱状时，馈电体二122呈圆盘状；所述馈电体二122呈圆盘状且与中央接地柱32远离水平地板2一端焊接，所述移相圆弧二123的一端与馈电体二122的外侧面连接；为了辐射臂二121和中央接地柱32焊接，馈电体二122的面积需要略大于中央接地柱32的截面；

馈电体一112是为了调节移相圆弧一113的弧长；所述馈电体一112包括与辐射臂一111连接的本体、用于连接本体与馈电结构4的连接凸起，所述连接凸起、本体、辐射臂一111靠近另外一组辐射臂一111的一侧在同一面上；所述移相圆弧一113的一端与本体连接且另外一端与另外一组辐射臂一111连接。

在一些可能的实施方式中，为了有效的保证馈电结构4与中央接地柱32柱良好接触，并使得馈电结构4具备足够的刚性；

如图5所示，所述馈电结构4包括安装在水平地板2底部的法兰41、安装在法兰41上且套装在中央接地柱32内的外皮42、套装在外皮42内且远离法兰41的一端贯穿外皮42的介质43，以及套装在介质43内且与远离水平地板2的一端馈电体一112连接的内导体44。

内导体44远离法兰41的一端依次穿过馈电体2、印制板1后与位于印制板1上方的馈电体113互联。

在一些可能的实施方式中，为了使得馈电结构4具有良好的阻抗匹配；

如图5所示，所述介质43的长度与中央接地柱32的长度相等，所述内导体44远离法兰41的一端与馈电体一112之间的长度为D，D≥1mm；

所述印制板1与水平地板2之间的距离为H,H≤0.08λ

外皮42和介质43内埋在中央接地柱32中，其中外皮42长度大于0.5H，一是保证与中央接地柱良好接触，二是保证馈电结构4具备足够的刚性；介质43段和接地柱等高，保证良好的阻抗匹配；内导体44最长，需穿过印制板1并超出1mm，与印制板1正面的辐射体焊接；法兰41则用于和一体式地板组件螺接。

如图8所示，一种低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线的阵列结构，包括多组呈矩形阵列且如以上所述的低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线；相邻两组低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线之间相互抵接接触；

本实施例的阵列结构中低剖面宽带宽角圆极化旋转偶极子天线为16组，采用4×4布置；

如图9-图17所示，对该阵列结构进行仿真分析，得到本发明相对工作带宽达到了58.3％，在工作带宽内，3dB轴比波束宽度大于100°，增益大于4.8dB，驻波小于1.5；

经4×4旋转组阵后，可实现宽角度波束扫描，保证±50°范围内轴比小于4，覆盖增益大于10dB；天线剖面仅为0.08λ

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。