本發(fā)明屬于無線通信天線技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種隔離度大、極化方向靈活可調(diào)、綜合性能好的共線全向圓極化收發(fā)天線陣。

背景技術(shù)：

全向圓極化收發(fā)天線陣用于收發(fā)共用的通信系統(tǒng)。

現(xiàn)有收發(fā)共用天線的結(jié)構(gòu)如中國發(fā)明專利申請“申請?zhí)枺?01610315381.1公開日：2016.08.03”所述，包括利用同一副天線作為收發(fā)共用型結(jié)構(gòu)，利用耦合器和電橋配合天線增加收發(fā)天線之間的隔離度。

天線對空間不同方向具有不同的輻射和接受能力，這就是天線的方向性，利用兩副不同的天線做收發(fā)裝置，它們之間的互相肯定不能忽視，所以通常情況下會選擇收發(fā)天線共用一副天線。

總之，現(xiàn)有收發(fā)共用天線存在的問題是：利用同一副天線作為收發(fā)很難實現(xiàn)雙極化的隔離，極化方式單一；收發(fā)天線多采用時分工作機制，難做到同頻同時工作，天線的后置電路模型復(fù)雜，需要額外設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種共線全向圓極化收發(fā)天線陣，隔離度大、極化方向靈活可調(diào)、綜合性能好。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種共線全向圓極化收發(fā)天線陣，包括同軸波導(dǎo)管、同軸波導(dǎo)管饋電底座、圓波導(dǎo)管和圓波導(dǎo)管饋電底座；所述同軸波導(dǎo)管下端與同軸波導(dǎo)管饋電底座上部相連，圓波導(dǎo)管下端與圓波導(dǎo)管饋電底座上部相連，所述同軸波導(dǎo)管上端與圓波導(dǎo)管饋電底座的下部相連。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：

1、隔離度高：本發(fā)明的同軸波導(dǎo)管和圓波導(dǎo)管加載的縫隙天線可分成獨立的兩個部分，對應(yīng)的饋電部分也可以獨立設(shè)計制作，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，組合安裝實現(xiàn)嵌套結(jié)構(gòu)，收發(fā)天線利用兩副不同的天線，利用共線嵌套的物理結(jié)構(gòu)，相互之間的影響較小，隔離度大，可以顯著的提高收發(fā)天線之間的隔離度。

2、極化方向靈活可調(diào)：本發(fā)明的收發(fā)天線在實現(xiàn)全向水平圓極化輻射的同時，還能改變縫隙對的傾斜方式，做成收發(fā)天線都是右旋極化或者左旋極化，亦可做成一個左旋極化，另外一個右旋極化的天線，兩幅天線相互獨立工作，極化方式靈活可調(diào)，同頻同時工作，利用效率高；3、綜合性能好：增加同軸波導(dǎo)管和圓波導(dǎo)管上縫隙單元里的縫隙組的數(shù)量可提高全向輻射的圓度，調(diào)整縫隙的中心距離實現(xiàn)在水平方向的軸比小于3db,并且控制單元的輻射量，確保整個陣列天線的效率在90％以上。天線的全向性能適合手機衛(wèi)星通信，圓極化天線由于自身的抗干擾能力強，能夠接受任意極化形式的來波。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明共線全向圓極化收發(fā)天線陣的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中同軸波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖1中圓波導(dǎo)管饋電底座的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是圖1中同軸波導(dǎo)管饋電底座的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是圖1中圓波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是實施例中同軸波導(dǎo)管饋電底座的具體尺寸規(guī)格圖。

圖7是實施例中同軸波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列的具體尺寸規(guī)格圖。

圖8是實施例中圓波導(dǎo)管饋電底座的具體尺寸規(guī)格圖。

圖9是實施例中圓波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列的具體尺寸規(guī)格圖。

圖10是同軸波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列采用hfss進行仿真的s11圖。

圖11是圓波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列采用hfss進行仿真的s11圖。

圖12是金屬同軸加載縫隙天線陣列仿真得到的軸比隨仰角變化圖。

圖13是圓波導(dǎo)加載縫隙天線陣列仿真得到的軸比隨仰角變化圖。

圖14是金屬同軸加載縫隙天線陣列在10ghz頻率下的左旋和右旋圓極化h面的方向圖。

圖15是圓波導(dǎo)加載縫隙天線陣列在10ghz頻率下的左旋和右旋圓極化h面的方向圖。

圖16是金屬同軸加載縫隙天線陣列在水平面全向輻射的圓度圖。

圖17是圓波導(dǎo)加載縫隙天線陣列在水平面全向輻射的圓度圖。

圖18是金屬同軸加載縫隙天線陣列采用hfss進行仿真計算出的效率隨頻率變化圖。

圖19是圓波導(dǎo)加載縫隙天線陣列采用hfss進行仿真計算出的效率隨頻率變化圖。

圖20是金屬同軸加載縫隙天線陣列和圓波導(dǎo)加載縫隙天線陣列采用hfss仿真10ghz頻率下的隔離度。

圖中，1同軸波導(dǎo)管饋電底座，2同軸波導(dǎo)管，3圓波導(dǎo)管饋電底座，4圓波導(dǎo)管，5同軸波導(dǎo)陣列，6圓波導(dǎo)陣列，7一分四功率分配器。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明共線全向圓極化收發(fā)天線陣，包括同軸波導(dǎo)管2、同軸波導(dǎo)管饋電底座1、圓波導(dǎo)管4和圓波導(dǎo)管饋電底座3；所述同軸波導(dǎo)管2下端與同軸波導(dǎo)管饋電底座1上部相連，圓波導(dǎo)管4下端與圓波導(dǎo)管饋電底座3上部相連，所述同軸波導(dǎo)管2上端與圓波導(dǎo)管饋電底座3的下部相連。

如圖2所示，所述同軸波導(dǎo)管2外壁設(shè)有同軸波導(dǎo)陣列5，如圖3所示，所述圓波導(dǎo)管4外壁設(shè)有圓波導(dǎo)陣列6。

所述同軸波導(dǎo)陣列5周向均布于同軸波導(dǎo)管2外壁。

所述圓波導(dǎo)陣列6周向均布于圓波導(dǎo)管4外壁。

同軸波導(dǎo)管縫隙陣列和圓波導(dǎo)管縫隙陣列是共線嵌套結(jié)構(gòu)，彼此可以獨立饋電，工作互不影響，本發(fā)明設(shè)計的收發(fā)天線工作頻率都是10ghz,圓極化增益可達8.5db，效率90％以上，同時工作隔離度能達到-50db。

圖4是圖1中同軸波導(dǎo)管饋電底座的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖1中圓波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4利用4個探針激勵的矩形波導(dǎo)產(chǎn)生的te01模式過渡到同軸波導(dǎo)管產(chǎn)生tem模式，圖2利用同軸波導(dǎo)管的tem模式激勵同軸導(dǎo)體外壁上的縫隙陣列；圖5利用50ω同軸的延長探針激勵產(chǎn)生圓波導(dǎo)管內(nèi)的tm01模式，圖3利用圓波導(dǎo)管內(nèi)的tm01模式激勵圓波導(dǎo)管外壁的縫隙陣列。圖2和圖5的縫隙陣列的末端都采用吸波材料作為負(fù)載，天線設(shè)計遵循行波天線陣的設(shè)計步驟和方法。

圖6是實施例中同軸波導(dǎo)管饋電底座的具體尺寸規(guī)格圖；

圖7是實施例中同軸波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列的具體尺寸規(guī)格圖；

圖8是實施例中圓波導(dǎo)管饋電底座的具體尺寸規(guī)格圖；

圖9是實施例中圓波導(dǎo)管加載縫隙天線陣列的具體尺寸規(guī)格圖；

為了提高輻射方向圖的圓度，縫隙單元設(shè)計部分要考慮圓周縫隙對的數(shù)量和圓周長的大小對輻射方向圖圓度的影響，圓周長的大小和環(huán)繞圓周一圈的縫隙對數(shù)量共同決定了輻射方向圖的圓度。在設(shè)計圓波導(dǎo)管縫隙單元部分，圓周長的大小還決定了圓波導(dǎo)的傳輸模式，本發(fā)明主要利用圓波導(dǎo)的tm01模，為了抑制更高次模,單元半徑r的選取范圍由工作頻率波長λ決定：

2.06r＜λ＜2.62r

單元中的縫隙長度理論取值是半個波長，為了形成圓極化，實現(xiàn)輻射圓極化波的條件，每組縫隙里的輻射縫隙傾斜相對軸向角度分別是±45°，確保產(chǎn)生相互正交的極化波，而在軸向分布的縫隙中心距離是四分之一波長，不僅可以滿足縫隙輻射的極化波相位差是90°，而且可以抑制縫隙向波導(dǎo)腔內(nèi)的反射。

如圖6，同軸波導(dǎo)管tem的饋電模型截面圖，4個50ω同軸線探針延長到矩形波導(dǎo)內(nèi)，探針半徑r1＝0.6mm，外導(dǎo)體內(nèi)徑r2＝2mm,填充介電常數(shù)2.2的teflon材料，裸露在空氣里的探針長度為s1＝4.8mm,矩形波導(dǎo)高度h1＝5.4mm,長度d1＝30mm,探針距離短路板的距離d2＝8mm,中間同軸的內(nèi)徑r3＝7.8mm,外徑r4＝12mm,空氣填充的同軸波導(dǎo)管高度h2＝8.3mm,過渡到teflon介質(zhì)填充的波導(dǎo)管,高度h3＝9mm,空氣填充的圓臺高度h4＝23mm,圓臺下底面內(nèi)導(dǎo)體半徑r3,外導(dǎo)體內(nèi)半徑r4，上地面內(nèi)導(dǎo)體半徑r5＝13mm,,外導(dǎo)體內(nèi)半徑r6＝15.5mm,圓臺上面過度到填充介質(zhì)的同軸波導(dǎo)管，同軸波導(dǎo)管外壁厚度為0.5mm,所以r7＝16mm。

如圖7，同軸波導(dǎo)管加載縫隙陣列，每個縫隙單元的高度均為h5＝18.4mm，一共有8個縫隙單元串聯(lián)組成縫隙陣列，末端可供填充吸波負(fù)載的高度h6＝5mm,在實際加工處理可以根據(jù)需要延長，對天線的性能影響不大。同軸波導(dǎo)管的內(nèi)外導(dǎo)體壁厚參數(shù)采用饋電部分的r5、r6、r7的尺寸。每組縫隙單元分別有8個縫隙對組成，每個縫隙對又有2條正交擺放的縫隙的組成，縫隙的寬度w1＝1.5mm,沿軸的正方向，下面縫隙的長度l1＝12.6mm,上面縫隙的長度l2＝12.6mm，縫隙中心在軸向的距離v1＝5.4mm。

如圖8，圓波導(dǎo)管tm01模式饋電模型截面圖，半徑為r1的探針由介質(zhì)填充的同軸線過渡到空氣填充的同軸波導(dǎo)管，再到圓臺型的空心圓臺內(nèi)部，在圓波導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生tm01模式。50ω的介質(zhì)填充同軸管高度h7＝5mm,用于固定激勵探針，探針長度s2＝30mm,過渡段的空氣填充同軸高度h8＝2mm,半徑r8＝1.4mm?？招膱A臺高度h9＝21.2mm,下底面內(nèi)半徑r8,上底面內(nèi)半徑r11,外徑r9、r10根據(jù)加工需求可增加對天線性能沒影響。空心圓臺到填充介質(zhì)的過渡還有一個高度為h10的空氣柱，h10＝10mm,通過填充介質(zhì)的圓臺連接到圓波導(dǎo)管上，圓臺高度h11＝26mm,下地面內(nèi)半徑r11,上底面內(nèi)徑r12＝11.4mm,此部分的金屬壁厚度對天線性能也不作影響。

如圖9，圓波導(dǎo)管加載縫隙陣列，類似同軸加載縫隙，每個縫隙單元的高度h12＝26.4mm,一共有8個縫隙單元串聯(lián)組成縫隙陣列,末端可供填充吸波負(fù)載的高度h13＝10mm,在實際加工處理可以根據(jù)需要延長，對天線的性能影響不大。圓波導(dǎo)的外壁的內(nèi)半徑r12＝11.4mm，波導(dǎo)壁厚0.5mm,所以r13＝11.9mm。每組縫隙單元加載8組縫隙對，加載的縫隙寬度w2＝4.4mm，沿軸正方向下面縫隙的長度l3＝8.9mm,上面縫隙的長度l4＝8.5mm,縫隙中心在沿軸向的距離v2＝5.4mm。

圖10和圖11分別是利用仿真軟件hfss計算10ghz中心頻率得到的同軸和圓波導(dǎo)的s參數(shù)，圖12和圖13分別是同軸和圓波導(dǎo)軸比隨仰角的變化圖，圖14和圖15是同軸和圓波導(dǎo)的h面圖，圖16和17分別是同軸和圓波導(dǎo)的輻射方向圖的圓度圖，圖18和圖19分別是同軸縫隙陣列和圓波導(dǎo)縫隙陣列的效率隨頻率變化圖。在10ghz時，同軸的s11＝-14.5db,軸比ar＝1.5db,主要輻射右旋極化波，增益g1＝9.1db,橢圓度小于0.5db,工作效率95.3％；圓波導(dǎo)的s11＝-12.1db，軸比ar＝1.8db,主要輻射左旋極化波，增益g2＝8.8db,水平方向輻射橢圓度小于0.5db,工作效率93.1％。

圖20是同軸和圓波導(dǎo)的隔離度隨頻率變化圖，10ghz時隔離度大約是-50db。