[发明专利]小型单平面单馈全向圆极化天线及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种小型单平面单馈全向圆极化天线及其设计方法。

背景技术

全向圆极化天线是指同时具有全向辐射特性和圆极化辐射特性的一类天线，由于此类天线具有这两个特殊的性能而被广泛应用于通讯、雷达、遥感遥测、电子侦察与电子干扰等方面。全向圆极化天线应用于航天通信、遥测遥感以及天文设备中，可减小信号的损失，有效地消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响；全向圆极化天线应用于电子对抗中，可侦察和干扰敌方除反向纯圆极化信号以外的各种极化方式的无线电波；将全向圆极化天线装置于高速运动、剧烈摆动或滚动的物体上，如航天器、飞机、舰艇及汽车等，可在任何运动状态下都能接收到无线电信号；全向圆极化天线应用于广播电视系统中，能够有效扩大信号的覆盖范围，并能在一定程度上克服重影重音；部分通信系统采用方位面全向天线，可提高通信的及时性和可靠性。因此，研究全向圆极化天线具有重要的实用价值。

目前对全向圆极化天线的研究工作很大程度上集中在单个圆极化天线上，在需要全向圆极化天线时，只是将多个圆极化天线按照一定方式进行排列组合，从而实现全向性。采用这种方法所得到的天线性能往往无法达到最佳。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供小型单平面单馈全向圆极化天线及其设计方法，所设计的基于单负零阶谐振器的全向圆极化天线，尺寸小，具有方位面内的全向辐射方向图，能够覆盖大的服务区域，同时具有良好的圆极化性能。

其具体技术方案为：

小型单平面单馈全向圆极化天线，包括顶层贴片、地板、馈电点和单负零阶谐振器，所述顶层贴片通过金属化过孔连接到地板，所述顶层贴片的中心为馈电点，所述单负零阶谐振器由2×2个蘑菇阵列构成，所述金属化过孔的数量为4个。

进一步，所述蘑菇阵列的蘑菇单元有一个正方形的金属片，通过中心的金属柱与地板相连，左手电感效应由接地的金属柱提供，右手电容效应由金属片和地板之间的耦合提供，右手电感效应由金属片上的电流提供。

进一步，天线的尺寸为：l₁＝48mm，l₂＝46mm，l₃＝5mm，l₄＝3mm，l₅＝26.5mm，l₆＝7mm，4个金属化过孔的直径为1mm，馈电点位于天线中心位置。

小型单平面单馈全向圆极化天线的设计方法，具体步骤如下：

步骤1、根据单负零阶谐振天线良好的全向辐射特性，设计蘑菇阵列的小型全向辐射天线。单负零阶谐振天线具有更对称的方向图和更低的交叉极化，原因在于双负天线的馈电点偏离天线中心，造成方向图的不对称和交叉极化的增大，而单负天线的馈电点位于天线中心，因此方向图更加对称，具有更低的交叉极化。

步骤2、在蘑菇阵列的小型全向辐射天线的基础上，在地板上加载环形枝节，实现方位面的全向圆极化天线。蘑菇结构的单负零阶谐振天线可等效为电偶极子天线，地板上加载环形枝节可获得环向电流，环向电流可等效为磁偶极子天线；通过调节加载枝节，使等效的电、磁偶极子天线具有相同的幅度和90°的相位差，可在方位面实现全向圆极化辐射。

步骤3、经过仿真计算，天线最终的尺寸优化设计为：l₁＝48mm，l₂＝46mm，l₃＝5mm，l₄＝3mm，l₅＝26.5mm，l₆＝7mm，4个金属化过孔的直径为1mm，馈电点位于天线中心位置。为了和50Ω馈线相匹配，采用一个容性耦合片来进行阻抗匹配，容性耦合片的半径为3mm。

步骤4、实物加工并测量。测试结果表明：天线的零阶谐振频率为1.61GHz(中心频率)；整个天线的尺寸为0.3λ₀×0.3λ₀×0.01λ₀；测试的10dB相对带宽为1.3％；天线在xoy面(方位面)实现了全向辐射，方位面内的不圆度小于0.32dB；在xoz面和yoz面(俯仰面)具有类似偶极子天线的辐射方向图；在中心频率1.61GHz处的轴比为2.1dB，天线3dB轴比带宽为1.4GHz～1.75GHz(相对带宽为22.2％)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、尺寸小，由于零阶谐振器的谐振频率和谐振腔的物理长度之间没有绝对依赖关系，因此可以设计小型化天线，且地板上所加枝节可以进一步降低谐振频率。