一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线的制作方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线。


背景技术：

2.无线通信技术的不断进步推动着无线通信器件向着高性能、小型化、多用途等方向发展。天线作为无线通信系统中必不可少的器件，对其性能指标也提出了越来越高的要求。法向模螺旋天线具有结构简单且易于实现全向圆极化的优势而被广泛用于卫星导航、无线局域网等场景。
3.螺旋天线是一种螺旋形状的驻波谐振天线，由导电性能良好的金属导线绕制而成。其结构参数可以用圆周直径d、相邻螺旋线间距离s和螺旋圈数n表示。法向模螺旋要求螺旋线的圆周直径d远远小于一个波长，则辐射最强的方向在垂直于螺旋轴的平面上。螺旋天线可以工作在圆极化模式，与其他类型的全向圆极化天线相比，其轴比带宽宽、全向性好，但是其辐射电阻低，匹配后带宽极窄。现有通过采用反转、折合、耦合等结构尝试提高法向模圆极化螺旋的电阻，如专利号：202110656217.8一种耦合结构的全向圆极化螺旋天线，在不增大体积的前提下提高了辐射阻抗和匹配后带宽，但是现有的螺旋天线的增益指标并无明显提升，仅2dbi左右，不能满足大多数的实际应用需求，限制了圆极化法向模螺旋天线的广泛使用，而现有为了提高螺旋天线增益则往往体积庞大，结构复杂；因此，需要进一步提升增益，旨在寻求在保证全向圆极化辐射的基础上，实现更小体积且结构简单的高增益全向圆极化天线结构。


技术实现要素：

4.鉴以此，本发明提出一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线，其结构简单，且无需额外增加馈电网络。
5.本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线，包括主阵元和若干个子阵元；所述主阵元设有馈电网络；所述子阵元无馈电网络，子阵元共轴向阵列于所述主阵元的上下两端，所述主阵元两端与子阵元的之间彼此之间不相接。
7.进一步说明，每两个所述子阵元之间的等距离h共轴向阵列设置，且于主阵元的上下两端的子阵元的数量相等，呈对称分布，h＝0.1～0.3λ。
8.更优选的，所述主阵元两端与子阵元的之间等距离h1设置，距离h1＝0.1～0.3λ。
9.更优选的，所述子阵元与主阵元的轴线相同。
10.进一步说明，所述主阵元与子阵元均由若干段螺旋线绕制而成，且各螺旋线彼此之间不相接。
11.进一步说明，所述主阵元中至少包括两个螺旋线，一个为馈电螺旋线，其余为未馈电螺旋线，馈电螺旋线与未馈电螺旋线耦合产生电流。
12.进一步说明，各个子阵元中的多段所述螺旋线的螺旋轴线相同、或部分共面、或部分共线中的任意一种；各个子阵元之间的螺旋线数量全部相等、或部分相等。
13.进一步说明，所述子阵元中各段螺旋线的直径d相等，d＜0.18λ，且随着子阵元中螺旋线的直径d增大，当螺旋段数不变时，螺旋圈数减小。
14.进一步说明，所述主阵元与子阵元的螺旋绕制的截面为圆形、方形或多边形中的任意一种。
15.更优选的，所述子阵元中由三段螺旋线绕制而成，其所述主阵元与子阵元的螺旋绕制的截面为四边形。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明针对全向圆极化螺旋天线增益低的问题，提出的基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线，通过采用共轴向阵列架构，将多个无馈电网络的子阵元与设有馈电网络的主阵元间的电磁耦合方式，子阵元通过与主阵元在空间中辐射的电磁能量产生耦合效应，同时随着主阵元上下两端的子阵元数量的增加，使主阵元的增益逐渐增大，从而实现在保持全向圆极化辐射的特性下，有效提高了全向圆极化螺旋天线的增益，其体积小，且结构简单，无需额外增加馈电网络。
18.本发明不仅有效解决了传统的驻波谐振天线的的增益低的问题，而且所形成的共轴阵列可为四边形的螺旋绕制结构，大大降低了加工难度，更易于应用在大部分的平面电路中。
附图说明
19.图1为本发明实施例的截面为圆形的高增益全向圆极化阵列螺旋天线的几何结构示意图；
20.图2为本发明实施例的高增益全向圆极化阵列螺旋天线子阵元#1-1侧视图；
21.图3为本发明实施例的高增益全向圆极化阵列螺旋天线子阵元#1-1俯视图；
22.图4为本发明实施例的高增益全向圆极化阵列螺旋天线子阵元数量变化的归一化方向图；
23.图5为本发明实施例的截面为四边形的高增益全向圆极化阵列螺旋天线的几何结构示意图。
具体实施方式
24.为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步的说明。
25.本发明实施例所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
26.本发明实施例所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
27.实施例1
28.一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线，包括均由导电性良好的金属绕制而成主阵元和若干个子阵元；所述主阵元设有馈电网络，可独立工作；所述子阵元无馈电网络，子阵元共轴向阵列于所述主阵元的上下两端，所述主阵元两端与子阵元的之间彼此之间不相接。
29.实施例2
30.一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线，包括均由导电性良好的金属绕制而成主阵元和若干个子阵元；所述主阵元设有馈电网络，可独立工作；所述子阵元无馈电网络，子阵元共轴向阵列于所述主阵元的上下两端，子阵元与主阵元的轴线相同；
31.所述主阵元两端与子阵元的之间彼此之间不相接，主阵元两端与子阵元的之间等距离h1设置，距离h1＝0.1～0.3λ；
32.每两个所述子阵元之间的等距离共轴向阵列设置，阵元之间的间距用h表示，h＝0.1～0.3λ，且于主阵元的上下两端的子阵元的数量相等，呈对称分布。
33.实施例3
34.一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线，包括均由若干段导电性良好的金属螺旋线绕制而成的主阵元和若干个子阵元，且各螺旋线彼此之间不相接；所述主阵元设有馈电网络，可独立工作；其中，主阵元中至少包括两个螺旋线，一个为馈电螺旋线，其余为未馈电螺旋线，馈电螺旋线与未馈电螺旋线耦合产生电流；
35.所述子阵元共轴向阵列于所述主阵元的上下两端，子阵元与主阵元的轴线相同；所述主阵元两端与子阵元的之间彼此之间不相接，主阵元两端与子阵元的之间等距离h1设置，距离h1＝0.1～0.3λ；
36.所述子阵元无馈电网络，各个子阵元中的多段所述螺旋线的螺旋轴线相同、或部分共面、或部分共线中的任意一种；各个子阵元之间的螺旋线数量全部相等、或部分相等。子阵元中各段螺旋线的直径d相等，d＜0.18λ，且随着子阵元中螺旋线的直径d增大，当螺旋段数不变时，螺旋圈数减小；
37.每两个所述子阵元之间的等距离共轴向阵列设置，阵元之间的间距用h表示，h＝0.1～0.3λ，且于主阵元的上下两端的子阵元的数量相等，呈对称分布。
38.实施例4
39.如图1所示，一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线，包括均由若干段导电性良好的金属螺旋线绕制而成的主阵元和若干个子阵元，且各螺旋线彼此之间不相接；主阵元与子阵元的螺旋绕制的截面为圆形；所述主阵元设有馈电网络，可独立工作；其中，主阵元中包括两个螺旋线，一个为馈电螺旋线，其余为未馈电螺旋线，馈电螺旋线与未馈电螺旋线耦合产生电流；
40.所述子阵元共轴向阵列于所述主阵元的上下两端，分别包括上端的#1～#n个子阵元和下端的#1-1～#n-n的子阵元；子阵元与主阵元的螺旋轴线相同；所述主阵元两端与子阵元的之间彼此之间不相接，主阵元两端与子阵元的之间等距离h1设置，距离h1＝0.3λ；
41.所述子阵元无馈电网络，如图2所示，子阵元由
①
、
②
、
③
三段螺旋线绕制而成，相邻两段螺旋线之间的间距为g＜0.05λ；各个子阵元中的多段所述螺旋线的螺旋轴线相同；各个子阵元之间的螺旋线数量相等。如图3所示，子阵元中三段螺旋线的直径d相等，d＜0.18λ，三段螺旋线的长度可以不同，且随着子阵元中螺旋线的直径d增大，当螺旋段数不变时，螺旋圈数减小；控制子阵元的一定螺旋线的段数，以实现良好的阻抗匹配，当子阵元螺旋线数量为3时，阵列天线与50欧姆端口匹配最佳；
42.每两个所述子阵元之间的等距离共轴向阵列设置，阵元之间的间距用h表示，h＝0.3λ，且于主阵元的上下两端的子阵元的数量相等，呈对称分布。子阵元是通过与主阵元在空间中辐射的电磁能量产生耦合效应实现提高主阵元天线的增益。随着子阵元的数量由1
(#1-1)个增加到n(#n-n)个，其主阵元的增益逐渐增大，如图4所示，当子阵元n＝2时的主阵元的增益比原来子阵元n＝0时的主阵元提高了2db，且此时总高度仅为约一个波长。当阵元数继续增大，增益进一步提高。
43.实施例5
44.如图5所示，一种基于阵元耦合的高增益全向圆极化阵列天线，包括均由若干段导电性良好的金属螺旋线绕制而成的主阵元和若干个子阵元，且各螺旋线彼此之间不相接；主阵元与子阵元的螺旋绕制的截面为四边形；所述主阵元设有馈电网络，可独立工作；其中，主阵元中包括三个螺旋线，一个为馈电螺旋线，其余为未馈电螺旋线，馈电螺旋线与未馈电螺旋线耦合产生电流；
45.所述子阵元共轴向阵列于所述主阵元的上下两端，分别包括上端的#1～#n个子阵元和下端的#1-1～#n-n的子阵元；子阵元与主阵元的轴线相同；所述主阵元两端与子阵元的之间彼此之间不相接，主阵元两端与子阵元的之间等距离h1设置，距离h1＝0.1λ；
46.所述子阵元无馈电网络，各个子阵元中的多段所述螺旋线的螺旋轴线部分相等、部分共线；各个子阵元之间的螺旋线数量相等。子阵元中各段螺旋线的直径d相等，d＜0.18λ，且随着子阵元中螺旋线的直径d增大，当螺旋段数不变时，螺旋圈数减小；控制子阵元的一定螺旋线的段数，以实现良好的阻抗匹配，当子阵元螺旋线数量为3时，阵列天线与50欧姆端口匹配最佳；
47.每两个所述子阵元之间的等距离共轴向阵列设置，阵元之间的间距用h表示，h＝0.1λ，且于主阵元的上下两端的子阵元的数量相等，呈对称分布。
48.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。