低剖面圆极化锥形波束天线的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种低剖面圆极化锥形波束天线，包括：天线辐射结构、地板、反射板、金属化过孔、金属套筒。天线辐射部分为贴片结构，由圆形贴片、“L”形贴片、寄生圆环组成，辐射贴片与地板之间由金属化过孔连接。地板与反射板通过金属圆柱连接，两者之间由空气层和介质层填充。天线由同轴线在中心激励。本发明中的天线结构简单，在一定的倾角范围内，全向性能以及轴比性能良好，?10dB相对带宽16.3％，在1.44GHz?1.59GHz，最大辐射方向增益不小于6dB，最高7.64dB。
【专利说明】
低剖面圆极化锥形波束天线
技术领域
[0001]本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种低剖面圆极化锥形波束天线。
【背景技术】
[0002]随着无线通信技术的发展，圆极化锥形波束天线在卫星信号接收系统中占有越来越重要的地位。卫星发射信号分为圆极化和线性化两种，地面上的圆极化天线可接收来自卫星的任意极化方式的来波，其辐射的电磁波也可由卫星上任意极化方式的天线收到，具有旋向正交性。圆极化锥形波束在保证圆极化的条件下实现天线在一定倾角范围内的全向辐射特性，可以在不同玮度全方位的发射或者接收任意轨道卫星的任意极化方式的电磁波。在车载、基站卫星信号接收系统中有广泛的应用价值。
[0003]车载卫星接收天线的实现方式有很多，按照实现原理大致可以分为两类:一是使用位置固定的锥形波束天线，实现在一定的倾角范围内接收任意方向的卫星信号；另一种是使用单向辐射天线，根据卫星与汽车的相对位置，通过机械转台调整天线的指向，以接收卫星信号。经文献检索，Sheng Ye , Xianl ing Liang和Wenzhi Wang等人2012年在IEEEAntennas and Propagat1n Magazine.期刊上发表的文章“High Gain Planar AntennaArrays for Mobile Satellite Communicat1ns”提出了一种应用于车载卫星通信的高增益低剖面的阵列天线，这种天线具有定向辐射特性，在汽车行驶过程中需要通过机械转台调整天线的指向，增加了系统的不稳定性和复杂性。此外，高昂的加工成本也使该天线的应用范围较窄。低剖面的圆极化锥形波束天线可以更加灵活的实现卫星信号的全向接收，无需外加机械转台，但在这一领域的发明较少，还需要进一步的研究。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低剖面圆极化锥形波束天线。
[0005]根据本发明提供的低剖面圆极化锥形波束天线，包括:天线辐射结构、地板以及反射板;天线辐射结构与地板之间通过金属化过孔连接，所述地板与反射板通过金属圆柱或金属套筒连接，且所述地板与反射板之间由空气层和介质层填充。
[0006]所述天线辐射结构包括:顶层贴片，所述顶层贴片由圆形贴片和L形贴片组成，其中:L形贴片以圆形贴片为中心均勾分布在圆形贴片的周围。
[0007]优选地，还包括同轴线，同轴线在圆形贴片的中心激励，即所述同轴线的内导体与圆形贴片相连，同轴线的外导体与地板相连。
[0008]优选地，所述地板与反射板之间的介质层采用FR4材料，能有效减小天线剖面高度。
[0009]优选地，所述地板与反射板通过六个金属圆柱或金属套筒连接，所述六个金属圆柱或金属套筒在反射板上激励起电流，使得反射板参与辐射;所述六个金属圆柱或金属套筒不仅起到支撑作用，还可以有效改善阻抗匹配，提高带宽。提高天线的增益。
[0010]优选地，所述地板与天线辐射结构通过六个金属化过孔相连，能够激发高次模式的电场。恰当调节过孔与天线中心的距离，使高次模对应的频点与天线本身的谐振频点距离较近时，可有效的提高天线的带宽。金属化过孔在地板上激励起电流，使地板参与辐射，提尚天线的增益。
[0011]优选地，所述天线辐射结构中的圆形贴片能够辐射垂直极化波，圆形贴片的外围八个L形贴片与圆形贴片之间间隔有一定宽度的缝隙，所述缝隙用于实现阻抗匹配；
[0012]具体地，所述天线辐射结构法向部分辐射水平极化波，径向部分长度为四分之一波长，能够使垂直极化波与水平极化波产生90度相位差，产生整体向外辐射圆极化波。
[0013]优选地，所述L形贴片与地板之间还设有寄生圆环，寄生圆环位于L形贴片正下方，能够耦合产生环形电流。所述金属圆环能够辐射水平极化波，可弥补圆形贴片和L形贴片向外辐射的水平极化波与垂直极化波幅值不平衡的缺陷，有效提高天线的圆极化性能。
[0014]优选地，所述顶层贴片的电流分布关于天线中心对称反向，在天线中心处的电场相互抵消，能够产生具有锥形波束的方向图。
[0015]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0016]1、本发明提供的低剖面圆极化锥形波束天线具有低剖面宽带特性，剖面高度小于2cm，-10dB 带宽为 16.3%。
[0017]2、本发明中辐射贴片、地板、反射板均向外辐射电磁波，具有锥形波束方向图和一定的3dB增益波束宽度;在1.44GHz-l.59GHz，最大辐射方向在θ = 30°平面，增益在6dB以上，最大为7.64dB，波束宽度为34° ;在1.467GHz-l.492GHz，θ = 45°平面的增益在4.8dB以上，最大为 5.45dB。
[0018]3、本发明具有较宽的3dB轴比波束宽度，最大辐射方向的3dB轴比带宽为1.476GHz-l.51GHz; Θ = 45° 平面上的3dB轴比带宽为1.467GHz_l.492GHz。
[0019]4、本发明的主体为金属贴片并由同轴线在中心处直接馈电，加工简单、成本低。
[0020]5、本发明具有锥形波束方向图和较宽的波束宽度，可实现在一定倾角范围内全向接收卫星信号，避免了通过机械转台调整天线指向而引起的不稳定性和系统的复杂性。所以，本发明具有很大的灵活性和广泛的应用前景。
【附图说明】
[0021]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0022]图1为本发明低剖面圆极化锥形波束天线的结构示意图；
[0023]图2为本发明低剖面圆极化锥形波束天线的俯视图及A-A剖视图；
[0024]图3为本发明实施例的低剖面圆极化锥形波束天线的回波损耗图；
[0025]图4为本发明实施例在1.476GHz、1.49GHz、1.5IGHz三个频点的最大辐射方向所在平面(θ = 30°)全向轴比图；
[0026]图5为本发明实施例在1.44GHz、1.476GHz、1.49GHz、1.5IGHz、1.59GHz五个频点的最大辐射方向所在平面(Θ = 30°)全向增益图；
[0027]图6为本发明实施例在1.467GHz、1.48GHz、1.492GHz三个频点的Θ = 45°平面全向轴比图；
[0028]图7为本发明实施例在1.467GHz、1.48GHz、1.492GHz三个频点的Θ = 45°平面全向增益图。
[0029]图中:I为顶层贴片，2为寄生圆环结构，3为地板，4为L形贴片，5为L形贴片与圆形贴片的缝隙，6为圆形贴片，7为天线辐射贴片的馈电点，8为金属化过孔，9为金属圆柱，10为介质板，11为介质层，12为空气层，13为反射板。
【具体实施方式】
[0030]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0031]根据本发明提供的低剖面圆极化锥形波束天线，包括:天线辐射结构(I和2)、地板
3、反射板13、金属化过孔8、金属圆柱9。天线福射部分为贴片结构，由圆形贴片6、L形贴片4、寄生圆环2组成，辐射贴片与地板之间由金属化过孔连接。地板与反射板通过金属圆柱连接，两者之间由空气层12和介质层11填充。天线由同轴线在贴片中心7激励。
[0032]进一步地，天线顶层贴片I外径21.4cm。其中，圆形贴片6外径llcm，L形贴片的径向长度为四分之一波长，两者之间的缝隙长度为0.07_丄形贴片与地板之间有一寄生金属圆环2，位于L形贴片的正下方，外径与辐射贴片相同，宽度为1.7cm。圆形贴片与地板之间通过六个直径为0.24cm的金属化过孔短路连接，过孔距离天线中心的距离为4.6cm。天线的介质板 1材料为Ar I on Di 880。
[0033]进一步地，地板3外径为19.3cm，通过六个直径为0.2cm的金属圆柱9与反射板13连接，金属圆柱距离天线中心的距离为9cm。地板与反射板之间由介质层11和空气层12填充，介质层由FR4材料填充，高0.19cm;空气层高0.82cm。同轴线贯穿反射板、介质层与空气层，外导体直径4_，与地板连接，内导体直径1_，在贴片中心馈电。
[0034]本发明低剖面圆极化锥形波束天线的工作原理如下:
[0035]如图1和图2所示，其为本发明低剖面圆极化锥形波束天线的俯视图以及剖面图。圆形贴片6与L形贴片4之间的缝隙5等效为电容加载，可有效改善阻抗匹配，地板3与圆形贴片之间的金属化过孔8和地板与反射板13之间的金属圆柱9可有效提高工作带宽。顶层贴片I中的圆形贴片辐射线极化波，其电流沿径向分布，辐射垂直极化波，天线所在平面处的电场垂直于该平面。L形贴片分为径向和法向两部分，径向部分可看作圆形贴片的延长部分，电流分布与圆形贴片相同。法向部分电流按环形电流分布，辐射水平极化波。当L形贴片的径向部分长度为四分之一波长时，垂直极化波与水平极化波产生90度的相位差，从而使天线整体辐射左旋圆极化波。根据传输线理论，电流在传播的过程中伴随着反射和损耗，所以L形贴片法向部分的电流幅值小于圆形贴片的电流幅值，对应垂直极化波幅值大于水平极化波幅值。在L形贴片下方加一寄生金属圆环2，通过耦合，其上的电流按环形电流分布，辐射水平极化波，弥补了两者幅值不平衡的缺陷，可有效提高天线的圆极化特性。天线地板和反射板上具有较强的电流分布，参与天线的辐射，所以天线具有较高的增益。圆形贴片、L形贴片、寄生圆环、地板和反射板的电流分布都关于天线中心对称反向，使得天线具有锥形波束的方向图，在一定的倾角范围内全向辐射左旋圆极化波。
[0036]如图3所示是本实施例的仿真得到的回波损耗图。从图中可以看出，在1.35GHz-1.59GHz内回波损耗基本小于-1OdB。
[0037]如图4所示是本实例的仿真得到的在1.476GHZ、1.49GHz、1.51GHz三个频点的最大辐射方向所在平面全向(θ = 30°)的轴比图。从图中可以看出，在1.476GHz-1.5 IGHz内，最大辐射方向所在平面的轴比均小于3dB。
[0038]如图5所示是本实例的仿真得到的在1.44GHz、1.476GHz、1.49GHz、1.51GHz、
1.59GHz五个频点的最大辐射方向所在平面全向(Θ = 30° )的增益图。从图中可以看出，在1.44GHz-l.59GHz内，最大福射方向所在平面的增益均大于6dB，最大为7.64dB且天线的全向性能良好。
[0039]如图6所示是本实例的仿真得到的在1.467GHz、1.48GHz、1.492GHz三个频点的θ =45°平面全向的轴比图。从图中可以看出，在1.467GHz-1.492GHz内，θ = 45平面的轴比均小于 3dB。
[0040]如图7所示是本实例的仿真得到的在1.467GHz、l.48GHz、1.492GHz三个频点的Θ =45°平面全向的增益图。从图中可以看出，在1.467GHz-1.492GHz内，θ = 45°平面的增益均大于4.8dB，最大为5.45dB且天线的全向性能良好。
[0041]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
【主权项】
1.一种低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，包括:天线辐射结构、地板以及反射板;天线辐射结构与地板之间通过金属化过孔连接，所述地板与反射板通过金属圆柱或金属套筒连接，且所述地板与反射板之间由空气层和介质层填充。2.根据权利要求1所述的低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，所述天线辐射结构包括:顶层贴片，所述顶层贴片由圆形贴片和L形贴片组成，其中:L形贴片以圆形贴片为中心均匀分布在圆形贴片的周围。3.根据权利要求1或2所述的低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，还包括同轴线，同轴线在圆形贴片的中心激励，即所述同轴线的内导体与圆形贴片相连，同轴线的外导体与地板相连。4.根据权利要求1所述的低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，所述地板与反射板之间的介质层采用FR4材料。5.根据权利要求1所述的低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，所述地板与反射板通过六个金属圆柱或金属套筒连接，所述六个金属圆柱或金属套筒在反射板上激励起电流，使得反射板参与辐射。6.根据权利要求1所述的低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，所述地板与天线辐射结构通过六个金属化过孔相连，能够激发高次模式的电场。7.根据权利要求2所述的低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，所述天线辐射结构中的圆形贴片能够辐射垂直极化波，圆形贴片的外围八个L形贴片与圆形贴片之间间隔有一定宽度的缝隙，所述缝隙用于实现阻抗匹配； 具体地，所述天线辐射结构法向部分辐射水平极化波，径向部分长度为四分之一波长，能够使垂直极化波与水平极化波产生90度相位差，产生整体向外辐射的圆极化波。8.根据权利要求1或2所述的低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，所述L形贴片与地板之间还设有寄生圆环，寄生圆环位于L形贴片正下方，能够耦合产生环形电流。9.根据权利要求2所述的低剖面圆极化锥形波束天线，其特征在于，所述顶层贴片的电流分布关于天线中心对称反向，在天线中心处的电场相互抵消，能够产生具有锥形波束的方向图。
【文档编号】H01Q1/50GK106099350SQ201610590691
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月25日 公开号201610590691.4, CN 106099350 A, CN 106099350A, CN 201610590691, CN-A-106099350, CN106099350 A, CN106099350A, CN201610590691, CN201610590691.4
【发明人】丁子恒, 耿军平, 梁仙灵, 金荣洪, 王堃
【申请人】上海交通大学