CN109818146A - 一种单介质加载的宽轴比波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单介质加载的宽轴比波束天线，包括加载介质和圆极化贴片天线。所述加载介质包括介质块，以及底面中空形成的空气腔。所述圆极化贴片天线包括由上至下依次排列的圆形贴片、第一介质板、地板、第二介质板和单频馈电网络。所述单频馈电网络包括单频分支线耦合器、馈电探针、接地短路针及匹配电阻。由于采用了所提出的特殊结构的加载介质设计使传统圆极化贴片天线取得了良好的轴比波束展宽的效果，另外天线结构简单、增益平稳、体积小，非常适合广泛应用及推广。

Description

一种单介质加载的宽轴比波束天线

技术领域

本发明涉及一种宽轴比波束天线领域，尤其涉及一种单介质加载的宽轴比波束天线。

背景技术

随着世界经济水平的平稳提升，人们对无线通信系统发展的需求越来越高。但电磁信号在空间中的传播受到了越来越多的干扰，这对无线通信系统的稳定性提出了很大的考验。例如，在射频识别系统、卫星导航通信系统及无线传输系统中，其手持设备和机载设备往往在不断的移动中，此时对于基站天线往往需要在较广的范围内接受或发送电磁信号才能实现不间断通信。而圆极化天线作为现代无线通信系统的重要组成部分，其在通信稳定性上具有独特的优势。

具有宽轴比波束的圆极化天线能够有效地发送或接收更广范围的电磁信号，实现大范围通信和点对多点的通信方式。虽然目前单频宽轴比波束圆极化技术的研究成果较多，但是现有的研究均未能获得理想的效果，往往是天线的轴比波束得到展宽，但是结构复杂性、加工难度及应用成本大大增加，许多指标性能往往不可兼得，限制了其在低成本无线通信系统上的广泛应用。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种单介质加载的宽轴比波束天线，包括加载介质和圆极化贴片天线。

进一步地，所述加载介质包括介质块以及底面中空形成的空气腔。所述介质块设置在圆极化贴片天线上部，具有圆柱体外形；所述空气腔具有圆锥体外形，剖面为等腰三角形，底边长度与圆柱体底面直径相等，顶部端点与介质块上底面相接。

进一步地，所述圆极化贴片天线包括由上至下依次排列的圆形贴片、第一介质板、地板、第二介质板和单频馈电网络。

进一步地，所述单频馈电网络包括单频分支线耦合器、馈电探针、接地短路针及50Ω匹配电阻。所述单频分支线耦合器固定在第二介质板的下表面。所述单频分支线耦合器隔离端依次通过50Ω匹配电阻、接地短路针与地板相连接。

进一步地，所述圆形贴片通过馈电探针与单频分支线耦合器的输出端口相连接，输出端口产生等幅正交相位的信号，从而形成圆极化波。所述馈电探针穿过地板的相应处设有保护孔，所述保护孔的直径大于馈电探针的直径。

进一步地，所述的加载介质由3D打印技术制成，介质介电常数根据打印材料确定，所述介质块底面与圆锥体空气腔母线的夹角在一定范围内可以任意调节，通过通过圆极化波远区场的E_θ和分量的差值，从而展宽圆形贴片的轴比波束宽度，并且最佳轴比波束宽度对应的所述介质块底面与圆锥体空气腔母线的夹角由介质的介电常数确定。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种单介质加载的宽轴比波束天线，由于采用了所提出的特定形状的加载介质使传统圆极化贴片天线取得了良好的宽轴比波束的效果，另外天线结构简单、增益平稳、体积小，非常适用于实际大规模应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明单介质加载宽轴比波束天线的透视结构图；

图2是本发明单介质加载宽轴比波束天线的分解结构图；

图3是本发明单介质加载宽轴比波束天线的侧视结构图；

图4是本发明单介质加载宽轴比波束天线示例的驻波比图。

图5是本发明单介质加载宽轴比波束天线示例的轴比图和增益图；

图6是本发明单介质加载宽轴比波束天线示例加载介质前后的辐射方向性对比图；

图7是本发明单介质加载宽轴比波束天线示例加载介质前后的轴比波束宽度对比图；

图中：1、加载介质，11、介质块，12、空气腔，2、圆极化贴片天线，21、圆形贴片，22、第一介质板，23、地板，24、第二介质板，25、单频馈电网络，251、单频分支线耦合器，252、馈电探针，253、接地短路针。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1、2、3所示的一种单介质加载的宽轴比波束天线包括加载介质1和圆极化贴片天线2。所述加载介质1包括介质块11，以及底面中空形成的空气腔12。所述圆极化贴片天线2包括由上至下依次排列的圆形贴片21、第一介质板22、地板23、第二介质板24和单频馈电网络25。所述单频馈电网络25包括单频分支线耦合器251、馈电探针252、接地短路针253及50Ω匹配电阻。

本发明采用的技术指标如下：

中心频率：1.6GHz

驻波比：<1.5:1

轴比：≤3dB

极化方式：RHCP

加载介质材料：聚乳酸(PLA)

加载介质介电常数：2.75

天线增益：未加载介质≥5.7dBi；加载介质>≥5.9dBi

轴比波束宽度：未加载介质≥60°；加载介质≥150°

如图1、2、3所示的一种单介质加载的宽轴比波束天线，所述介质块11设置在圆极化贴片天线2上部，具有圆柱体外形；所述空气腔12具有圆锥体外形，剖面为等腰三角形，底边长度与圆柱体底面直径相等，顶部端点与介质块11上底面相接。所述单频分支线耦合器251固定在第二介质板24的下表面。所述单频分支线耦合器251隔离端依次通过50Ω匹配电阻、接地短路针253与地板23相连接。

如图4所示，本发明提出的单介质加载的宽轴比波束天线在示例中心频率1.6GHz处及附近较宽频带内的驻波比小于1.5，说明本发明提出的天线具有良好的匹配性能。

如图5所示，本发明提出的单介质加载的宽轴比波束天线在示例频率1.6GHz处及附近频带内圆极化轴比均小于3dB，增益大于5.9dBi，说明本发明提出的天线的圆极化性能及辐射性能良好。

如图6所示，本发明提出的单介质加载的宽轴比波束天线在中心频率1.6GHz处最大辐射方向的增益为5.9dBi；未加载介质时的天线增益为5.7dBi，说明本发明的宽轴比波束天线的加载介质对增益的影响非常小，不会使辐射方向性产生畸变。

如图7所示，本发明提出的宽轴比波束天线在中心频率1.6GHz处的轴比波束宽度为155°(Phi＝0°)/150°(Phi＝45°)/153°(Phi＝90°)；未加载介质时天线在中心频率1.6GHz处轴比波束宽度为62°(Phi＝0°)/59°(Phi＝45°)/58°(Phi＝90°)/。轴比波束宽度在加载单介质后得到明显展宽，并且轴比在较宽角度范围内都保持较低水平，说明本发明提出的单介质加载的宽轴比波束天线具有良好的辐射性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单介质加载的宽轴比波束天线，其特征在于包括：加载介质(1)和圆极化贴片天线(2)；

所述加载介质(1)包括介质块(11)、以及底面中空形成的空气腔(12)；所述介质块(11)具有圆柱体的外形、设置在圆极化贴片天线(2)的上部；所述空气腔(12)具有圆锥体外形，所述空气腔(12)的剖面为等腰三角形，该等腰三角形底边长度与圆柱体底面直径相等、该等腰三角形的顶部端点与介质块(11)上底面相接；

所述圆极化贴片天线(2)包括由上至下依次排列的圆形贴片(21)、第一介质板(22)、地板(23)、第二介质板(24)和单频馈电网络(25)；

所述单频馈电网络(25)包括单频分支线耦合器(251)、馈电探针(252)、接地短路针(253)和50Ω匹配电阻；所述单频分支线耦合器(251)固定在第二介质板(24)的下表面，所述单频分支线耦合器(251)隔离端依次通过50Ω匹配电阻、接地短路针(253)与地板(23)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种单介质加载的宽轴比波束天线，其特征还在于：所述圆形贴片(21)通过馈电探针(252)与单频分支线耦合器(251)的输出端口相连接，单频分支线耦合器(251)的输出端口产生等幅正交相位的信号从而形成圆极化波，所述馈电探针(252)穿过地板(23)的相应处设有保护孔，所述保护孔的直径大于馈电探针(252)的直径。

3.根据权利要求1所述的一种单介质加载的宽轴比波束天线，其特征还在于：所述的加载介质(1)由3D打印技术制成，加载介质(1)的介电常数根据打印材料确定，所述介质块(11)底面与圆锥体空气腔(12)母线的夹角在一定范围内可控调节；通过调整圆极化波远区场的E_θ和分量的差值展宽圆形贴片(21)的轴比波束宽度，最佳轴比波束宽度对应的所述介质块(11)底面与圆锥体空气腔(12)母线的夹角由介质的介电常数确定。