本發(fā)明屬于現(xiàn)代無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型超寬帶全金屬圓極化天線單元。

背景技術(shù)：

隨著無線通信的廣泛應(yīng)用，由于圓極化波入射到對(duì)稱目標(biāo)(如平面或球面等)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn)，使得圓極化天線能抑制雨霧干擾和抗多徑反射。其中超寬帶圓極化天線作為無線電設(shè)備中用來發(fā)射和接收電磁波的關(guān)鍵部件，受到了越來越多的關(guān)注。現(xiàn)階段超寬帶圓極化天線有以下幾種結(jié)構(gòu)形式，在性能上雖各有特點(diǎn)，但均存在某種不足。

1、微帶貼片天線。由于天線自身所具有的對(duì)加工精度要求低，可用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)在敷銅電路板上進(jìn)行生產(chǎn)，尤其是頻帶較寬等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于航空航天飛行器、衛(wèi)星直播電視等高頻陣列天線中。該天線具有體積小，重量輕，低剖面等優(yōu)勢(shì)。但通常單層微帶天線，帶寬僅有1-2％，即使采用很多層微帶板堆疊，能展寬有限帶寬，可達(dá)到一個(gè)倍頻程，但破壞了微帶天線的低剖面特性。

2、螺旋天線，是圓極化的一種形式，它是用金屬線(或管)繞制而成的螺旋形結(jié)構(gòu)的行波天線，通常是用在同軸線饋電，同軸線內(nèi)導(dǎo)體和螺旋線一端相接，外導(dǎo)體和金屬板接地板相連。該天線具有超寬的頻帶，高增益以及良好的時(shí)域特性等優(yōu)點(diǎn)，但該天線螺旋天線的波束寬度較窄，低仰角性能不好，占用體積較大，制作工藝復(fù)雜，加工成本高，且不利于系統(tǒng)集成，通常只用于窄波束定向信號(hào)傳輸。

3、縫隙天線，一種在導(dǎo)體面上開縫形成的天線，也稱為開槽天線。典型的縫隙形狀是長條形的，長度約為半個(gè)波長。由于其具有重量輕、可與載體共形、易與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，得到人們的廣泛關(guān)注；另外相比微帶天線，其還具有更寬的帶寬、對(duì)加工精度要求低。但該類型天線容量不高且頻帶較窄，不宜實(shí)現(xiàn)超寬的頻帶。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷與不足之處，提供一種具有超寬帶、寬軸比帶寬、圓極化的超寬帶全金屬圓極化天線單元，以期能滿足現(xiàn)代無線通信技術(shù)對(duì)天線帶寬和抗干擾能力等指標(biāo)要求，從而使天線具有更快的傳輸速率和更強(qiáng)的抗多徑能力。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)指標(biāo)，采用的技術(shù)方案為：

本發(fā)明一種超寬帶全金屬圓極化天線單元的特點(diǎn)是由立體結(jié)構(gòu)的魚骨狀交叉偶極子輻射單元，同軸饋電和金屬反射腔組成；所述金屬反射腔為頂部無蓋的金屬空心圓柱體；

所述魚骨狀交叉偶極子輻射單元包括：形狀和大小均相同的上偶極子和下偶極子；所述上偶極子和所述下偶極子位于不同的平面，且呈中心對(duì)稱分布；

所述上偶極子和所述下偶極子分別包括兩個(gè)偶極子臂，任意一個(gè)偶極子臂均由立體扇形、長魚刺彎圓柱、短魚刺彎圓柱和脊椎圓柱構(gòu)成；

在所述立體扇形的外側(cè)弧長上依次平行設(shè)置有所述長魚刺彎圓柱和所述短魚刺彎圓柱，且所述長魚刺彎圓柱和所述短魚刺彎圓柱中心處通過所述脊椎圓柱連接在所述立體扇形的弧長中心處；所述脊椎圓柱的末端為開路；

所述兩個(gè)偶極子臂的立體扇形頂部弧形之間通過四分之三周長的圓環(huán)連接，在任意一個(gè)偶極子臂的立體扇形的頂部，且朝向所述圓環(huán)的中心處通過短圓柱連接有正方體；僅在所述下偶極子的正方體的中心位置處設(shè)置有圓柱諧振腔；

所述同軸饋電包括：內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體；所述內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的底部穿過所述金屬反射腔的中心處；所述內(nèi)導(dǎo)體的頂部穿過所述下偶極子上的圓柱諧振腔，并與所述上偶極子的正方體相連，所述外導(dǎo)體與所述下偶極子的正方體相連；

所述超寬帶全金屬圓極化天線單元是以所述魚骨狀交叉偶極子輻射單元為輻射區(qū)，以所述圓柱諧振腔為傳輸區(qū)，以所述同軸饋電為饋電區(qū)，從而利用輻射區(qū)、傳輸區(qū)和饋電區(qū)實(shí)現(xiàn)能量的接收和發(fā)送。

本發(fā)明所述的超寬帶全金屬圓極化天線單元的特點(diǎn)也在于，所述立體扇形的外側(cè)弧長為倒角結(jié)構(gòu)。

所述短魚刺彎圓柱的直徑和所述脊椎圓柱的直徑相同，并與所述立體扇形的厚度相同。

所述金屬反射腔的半徑為四分之一個(gè)工作波長，其高度與所述下偶極子離地面的距離相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明天線中通過縮小金屬反射腔的直徑，減小了天線的體積。天線的輻射結(jié)構(gòu)為魚骨狀交叉偶極子，通過四分之三圓周相位延遲線連接偶極子臂，實(shí)現(xiàn)了任意兩個(gè)偶極子臂的90°相位差，魚骨結(jié)構(gòu)的偶極子臂上的立體扇形將產(chǎn)生一個(gè)諧振頻點(diǎn)，而魚骨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生另一個(gè)諧振頻點(diǎn)，同時(shí)立體扇形的外側(cè)弧長對(duì)諧振頻點(diǎn)的高低有影響，通過合理設(shè)置，使兩個(gè)諧振頻點(diǎn)工作頻段的重合達(dá)到了頻帶展寬的效果，實(shí)現(xiàn)了因縮小金屬反射腔直徑引起的天線的工作效率的降低的補(bǔ)償，保證了理想的圓極化天線的軸比帶寬。

2、本發(fā)明的天線單元被放置在平坦地平面上方時(shí)，大部分由天線激發(fā)的輻射波可通過地平面反射，由于波的衍射效應(yīng)，使得相當(dāng)大的輻射波仍然可以穿過地平面?zhèn)鞑?，?dǎo)致較大的后瓣。通過地平面反射波原理，本發(fā)明天線單元設(shè)置圓柱諧振腔，其垂直壁可以阻擋部分衍射波向外傳播，減小了擴(kuò)散效應(yīng)。

3、本發(fā)明天線單元在距離天線四分之一個(gè)工作波長處放置了一個(gè)金屬反射腔。由于交叉偶極子的雙面天線的特性，該天線單元的前向是左旋圓極化波，后向是右旋圓極化波，反射腔使后向反射的波反射回前向與前向輻射產(chǎn)生疊加，優(yōu)化了整個(gè)工作帶寬內(nèi)圓極化輻射性能，同時(shí)提高了天線單元在整個(gè)輻射空間的阻抗匹配。

4、本發(fā)明天線單元通過僅使用全金屬的材料的方式，而不是傳統(tǒng)的通過介質(zhì)板和印刷天線的模式，提高了天線使用壽命，并且易于加工和安裝，物理性能好，實(shí)現(xiàn)了天線在無線通信系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的下偶極子俯視圖；

圖3是本發(fā)明的駐波比圖；

圖4是本發(fā)明的軸比圖；

圖中標(biāo)號(hào)：1立體扇形；2長魚刺彎圓柱；3短魚刺彎圓柱；4脊椎圓柱；5圓環(huán)；6正方體；7圓柱諧振腔；8同軸饋電內(nèi)導(dǎo)體；9同軸饋電外導(dǎo)體；10金屬反射腔；11短圓柱。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中，如圖1所示，根據(jù)現(xiàn)代無線通信對(duì)帶寬、抗干擾等指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)出一種超寬帶全金屬圓極化天線單元，該天線單元具有超寬帶、寬軸比帶寬、圓極化等性能，同時(shí)具有小型化、饋電簡(jiǎn)單、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)在band38、band41及北斗頻段的全覆蓋，使得天線具有更快的傳輸速率和更強(qiáng)的抗多徑能力。具體的說，該天線單元是由立體結(jié)構(gòu)的魚骨狀交叉偶極子輻射單元，同軸饋電和金屬反射腔10組成；天線全部采用金屬材料，可以加強(qiáng)整個(gè)天線的物理強(qiáng)度，在惡劣條件下使用時(shí)間更加持久。選擇全金屬結(jié)構(gòu)一方面保證了在結(jié)構(gòu)所必要的支撐強(qiáng)度下節(jié)省了材料，降低成本，另一方面單一加工材料降低了天線加工的復(fù)雜程度。

金屬反射腔10為頂部無蓋的金屬空心圓柱體；由于交叉偶極子的雙面天線的特性，本天線的前向是左旋圓極化波，后向是右旋圓極化波，金屬反射腔10使后向反射的波反射回前向與前向輻射產(chǎn)生疊加，優(yōu)化了整個(gè)工作帶寬內(nèi)圓極化輻射性能，同時(shí)提高了天線在整個(gè)輻射空間的阻抗匹配。本實(shí)例中，金屬反射腔10的半徑約為四分之一個(gè)工作波長，其高度與所述下偶極子離地面的距離相同；金屬反射腔10的半徑不能過小，過小會(huì)影響振子臂上電流的分布，導(dǎo)致軸比嚴(yán)重突變；金屬反射腔10的高度也不能過高，過高雖然能增大波瓣寬度。

如圖1所示，魚骨狀交叉偶極子輻射單元包括：形狀和大小均相同的上偶極子和下偶極子；上偶極子和下偶極子位于不同的平面，且呈中心對(duì)稱分布；上偶極子和下偶極子分別包括兩個(gè)偶極子臂，任意一個(gè)偶極子臂均由立體扇形1、長魚刺彎圓柱2、短魚刺彎圓柱3和脊椎圓柱4構(gòu)成；立體扇形1的外側(cè)弧長上依次平行設(shè)置有長魚刺彎圓柱2和短魚刺彎圓柱3，且長魚刺彎圓柱2和短魚刺彎圓柱3中心處通過脊椎圓柱4連接在立體扇形1的弧長中心處；立體扇形1產(chǎn)生一個(gè)諧振頻點(diǎn)，而由長魚刺彎圓柱2、短魚刺彎圓柱3和脊椎圓柱4構(gòu)成的魚骨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生另一個(gè)諧振頻點(diǎn)，通過合理設(shè)置，使兩個(gè)諧振頻點(diǎn)工作頻段的重合達(dá)到了頻帶展寬的效果；同時(shí)，立體扇形1的張角大小對(duì)諧振頻點(diǎn)的大小有影響，隨著張角弧度的增大，由于天線輻射單元面積的增加，輻射電流的路徑變長，形成了兩個(gè)不同長度的電流路徑，發(fā)生簡(jiǎn)并現(xiàn)象，天線的諧振頻率將減小，而軸比相對(duì)帶寬將增大，而當(dāng)張角弧度繼續(xù)增大，兩個(gè)不同長度的電流路徑不斷相互靠攏，會(huì)降低天線的帶寬。在本天線的最優(yōu)方案中張角為72°，軸比相對(duì)帶寬達(dá)到43.39％，實(shí)現(xiàn)了因縮小金屬反射腔10直徑引起的天線的工作效率的降低的補(bǔ)償，保證了理想的圓極化天線的軸比帶寬。脊椎圓柱4的末端為開路；故在末端電流為零。

兩個(gè)偶極子臂的立體扇形1頂部弧形之間通過四分之三周長的圓環(huán)5連接，通過調(diào)節(jié)該圓環(huán)5的半徑大小，即為圓環(huán)5的周長等于或者近似等于天線輻射波長的四分之一時(shí)的半徑，圓環(huán)5就變成了一個(gè)90°的相位延長線，從而使得兩個(gè)偶極子臂之間具有90°相位差，繼而產(chǎn)生圓極化輻射。同時(shí)，調(diào)節(jié)該圓環(huán)5的寬度，可以改變天線的阻抗，當(dāng)設(shè)置合適寬度的圓環(huán)5時(shí)，能夠展寬天線的阻抗帶寬。

在任意一個(gè)偶極子臂的立體扇形1的頂部，且朝向圓環(huán)5的中心處通過短圓柱11連接有正方體6；僅在下偶極子的正方體6的中心位置處設(shè)置有圓柱諧振腔7；天線被放置在平坦地平面上方時(shí)，大部分由天線激發(fā)的輻射波可通過地平面反射，由于波的衍射效應(yīng)，使得相當(dāng)大的輻射波仍然可以穿過地平面?zhèn)鞑?，?dǎo)致較大的后瓣。通過地平面反射波原理，設(shè)置圓柱諧振腔7，其垂直壁可以阻擋部分衍射波向外傳播，減小了擴(kuò)散效應(yīng)。

立體扇形1的外側(cè)弧長為倒角結(jié)構(gòu)，采用平滑設(shè)計(jì)的理念，可以提高天線的阻抗匹配。短魚刺彎圓柱3的直徑和脊椎圓柱4的直徑相同，并與立體扇形1的厚度相同。立體扇形1的厚度，即為上偶極子和下偶極子的厚度，其大小會(huì)對(duì)天線的軸比產(chǎn)生影響，根據(jù)半波振子天線輻射理論，加粗振子的半徑，可以有效地展寬偶極子天線的通頻帶：

其中：ra為天線發(fā)生諧振時(shí)的輻射電阻，wa為無損耗對(duì)稱振子的平均阻抗，a為振子的半徑，l為天線發(fā)生諧振時(shí)的振子長度，c為光速，dz為天線振子的平均長度。wa越小，天線的通頻帶越寬。因此增加偶極子的厚度可以得到寬頻帶，然而當(dāng)頻帶越寬，對(duì)應(yīng)的軸比下降，圓極化性能變差，因此要選擇合適的厚度，在本天線的最優(yōu)方案中厚度為2mm。

如圖2所示，同軸饋電包括：內(nèi)導(dǎo)體8和外導(dǎo)體9；采用中心饋電的方式饋電，這樣可使方向圖較為對(duì)稱，同時(shí)同軸饋電方式簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)低副瓣，易于加工，同時(shí)減少了微帶線或者帶狀線等饋電結(jié)構(gòu)中特性阻抗容易隨頻率的變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象，提高了饋電和天線的匹配，減少了產(chǎn)生的色散現(xiàn)象，降低了寄生輻射。內(nèi)導(dǎo)體8和外導(dǎo)體9的底部穿過金屬反射腔10的中心處；內(nèi)導(dǎo)體8的頂部穿過下偶極子上的圓柱諧振腔7，并與上偶極子的正方體6相連，外導(dǎo)體9與下偶極子的正方體6相連；因此，同軸線可以采用半鋼同軸線，能起到支撐天線的作用。

全金屬圓極化天線單元是以魚骨狀交叉偶極子輻射單元為輻射區(qū)，以圓柱諧振腔7為傳輸區(qū)，以同軸饋電為饋電區(qū)，從而利用輻射區(qū)、傳輸區(qū)和饋電區(qū)實(shí)現(xiàn)能量的接收和發(fā)送。

如圖3，圖4所示，通過仿真測(cè)試，天線的駐波比小于2的工作頻帶范圍為2.28～3.53ghz，絕對(duì)帶寬為1.25ghz，相對(duì)帶寬為42.98％，駐波比是反映天線輻射能量性能的參數(shù)，駐波比值越低，則表示天線輻射性能越好；實(shí)現(xiàn)了對(duì)band38，band41以及北斗頻段(2491mhz)全覆蓋。軸比小于3db的帶寬為2.29～3.56ghz，絕對(duì)帶寬為1.27ghz，相對(duì)帶寬為43.39％。與傳統(tǒng)圓極化天線相對(duì)帶寬不會(huì)超過3％相比，實(shí)現(xiàn)了寬帶化。