赋形波束定向天线

文档序号:651272 发布日期:2021-04-23 浏览:13次 >En<

阅读说明:本技术 赋形波束定向天线 (Shaped beam directional antenna ) 是由 樊小景 张楷生 毛荟川 穆桐 于 2020-12-18 设计创作,主要内容包括:一种赋形波束定向天线,包括至少两个贴片天线排布在一个平面上组成的天线阵、多个单极子振子沿天线阵的外围设置组成的单极子阵列、金属桶状天线支撑结构体的外部以套装方式间隔设置至少两个三维金属扼流槽组成的扼流槽结构体,组成扼流槽结构体的各三维金属扼流槽的高度从内到外依次降低,且低于天线支撑结构体的高度,天线阵装在天线支撑结构体的顶部,罩壳覆罩着单极子阵列和天线阵以及扼流槽结构体并固定在扼流槽结构体最外层的三维金属扼流槽上。本发明用于卫星导航接收机进行卫星导航信号的双频段带收发定向,具有双圆极化、高低仰角增益、高相位中心精度的品质特性,结构紧凑,集成度高,便于装配和使用,能适应特殊场景的应用要求。(A shaped beam directional antenna comprises an antenna array formed by arranging at least two patch antennas on a plane, a plurality of monopole sub-arrays formed by arranging monopole sub-arrays along the periphery of the antenna array, a choke groove structure body formed by arranging at least two three-dimensional metal choke grooves at intervals in a sleeving manner outside a metal barrel-shaped antenna supporting structure body, wherein the height of each three-dimensional metal choke groove forming the choke groove structure body is sequentially reduced from inside to outside and is lower than the height of the antenna supporting structure body, the antenna array is arranged at the top of the antenna supporting structure body, and a housing covers the monopole sub-arrays, the antenna array and the choke groove structure body and is fixed on the three-dimensional metal choke groove at the outermost layer of the choke groove structure body. The dual-band directional antenna is used for the satellite navigation receiver to perform dual-band transceiving orientation of satellite navigation signals, has the quality characteristics of dual circular polarization, high and low elevation gain and high phase center precision, has a compact structure and high integration level, is convenient to assemble and use, and can meet the application requirements of special scenes.)

赋形波束定向天线

技术领域

本发明涉及一种天线,尤其涉及一种赋形波束定向天线,属于无线电天线设备生产技术领域。

背景技术

天线是一种用于电磁波发射或接收的部件,广泛应用于通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统中,信息时代,一切利用电磁波来传递信息的,都需要依靠天线来进行工作。

随着卫星导航技术的发展,无线电定位导航的精度不断提高,相应的,对作为卫星导航接收机前端的赋形波束定向天线,其品质性能也提出了更高的要求。

作为卫星导航接收机前端的赋形波束定向天线,根据其工作要求,需要比一般天线具有更稳定的相位中心精度和更高的低仰角增益,以便适应特殊场景的赋形波束,且可同时满足双频带的收发需要。

而要满足作为卫星导航接收机前端的赋形波束定向天线的这些要求,却给天线的设计带来了相当的难度,这是因为:

首先,赋形波束定向天线相位中心的精度与天线的结构和馈电方式有关,馈电点越多、馈电位置越对称、辐射结构对称性越好,相位中心越稳定,但这样就会使得赋形波束定向天线的馈电网络变得相当复杂;

而为了抑制多径效应,需要赋形波束定向天线具有较为理想的半球形辐射方向图,这就希望降低天线后瓣、提高天线低仰角增益和极化纯度,但常规的赋形波束定向天线设计中,提高低仰角增益与天线后瓣效应很难同时兼顾;

此外,赋形波束定向天线要进行双频带收发工作,需要提高双频天线间的隔离度,而集成无线电收发组件即TR组件(英文:Transmitterand Receiver的缩写),会使天线的结构变得更为复杂。

因此,如何设计一款能够进行双频段带收发、具有双圆极化、高低仰角增益、高相位中心精度品质性能、且结构紧凑的赋形波束定向天线,已成为本领域技术人员致力解决的技术难题。

发明内容

为解决本领域技术人员面临的难题,本发明特提供一种赋形波束定向天线,目的在于:

提供一款能够进行双频段带收发、具有双圆极化、高低仰角增益、高相位中心精度、结构紧凑的赋形波束定向天线,适应特殊场景赋形波束的应用要求,满足卫星导航接收机进行卫星导航信号的定向收发需要。

为达上述目的,本发明提供如下的技术方案:

一种赋形波束定向天线,用于卫星导航接收机进行卫星导航信号的定向收发,包括:

罩壳、贴片天线、单极子振子、天线支撑结构体和三维金属扼流槽,其中:

至少两个所述贴片天线对称布置在一个平面上组成天线阵;

多个所述单极子振子安装在所述天线阵上组成单极子阵列,且各所述单极子振子沿所述天线阵的外围设置;

所述天线支撑结构体为一金属桶状构件;

至少两个所述三维金属扼流槽以套装方式套装在所述天线支撑结构体外组成扼流槽结构体,组成所述扼流槽结构体的各三维金属扼流槽的高度从内到外依次降低,且所述扼流槽结构体中最里层的所述三维金属扼流槽的高度低于所述天线支撑结构体的高度,各所述三维金属扼流槽之间、以及所述三维金属扼流槽与所述天线支撑结构体之间设置有间隙;

所述天线阵安装在所述天线支撑结构体的顶部,且所述单极子阵列位于所述扼流槽结构体的上方;

所述罩壳覆罩着所述单极子阵列和所述天线阵以及所述扼流槽结构体,且所述罩壳的底部固定在组成所述扼流槽结构体的最外层一个所述三维金属扼流槽的底部。

进一步的:

所述天线阵由两片所述贴片天线并列布置组成双元矩形天线阵;

所述单极子阵列为至少8个所述单极子振子分列于所述双元矩形天线阵的外周组成的矩形阵列,且各所述贴片天线周围设有相同数目的所述单极子振子;

所述天线支撑结构体为一金属矩形桶状构件;

所述三维金属扼流槽为与所述天线支撑结构体形状匹配的矩形结构件,所述扼流槽结构体从内到外由三个从小到大的所述三维金属扼流槽构成。

进一步的:

所述贴片天线从上至下包括第一辐射层、第二辐射层和馈电层,且所述第二辐射层的面积大于所述第一辐射层的面积;

所述单极子振子安装在所述第一辐射层的平面上,所述馈点设置在所述第一辐射层上和所述第二辐射层上;

所述馈电层上设置有第一辐射层馈电网络和第二辐射层馈电网络,所述第一辐射层馈电网络通过其探针为所述第一辐射层的馈点馈电,所述第二辐射层馈电网络通过其探针为所述第二辐射层的馈点馈电。

进一步的,所述第一辐射层与所述第二辐射层皆为方形。

进一步的,方形的所述第二辐射层其四个直角皆被裁去,所裁区域的大小及形状以所述第二辐射层能够适应平面布置的需要为准。

进一步的:

所述第一辐射层与所述第二辐射层各自分别具有两个馈点,所述第一辐射层馈电网络通过其两个探针分别给予所述第一辐射层的两个馈点馈电,所述第二辐射层馈电网络通过其两个探针分别给予所述第二辐射层的两个馈点馈电。

进一步的:

所述第一辐射层馈电网络和所述第二辐射层馈电网络各自分别包括一组两级功分器,所述两级功分器的第一级功分器由一个威尔金森功分器组成,所述两级功分器的第二级功分器由两个威尔金森功分器组成;

所述威尔金森功分器包括合路端和分路端,其中,组成所述第二级功分器的两个所述威尔金森功分器各自的合路端相互间的相位差为180°,组成所述第二级功分器的各威尔金森功分器其各自的分路端相互间的相位差为90°。

进一步的,所述第一辐射层其探针的周围还设置有金属隔离柱,且所述金属隔离柱处于所述馈电层和所述第二辐射层之间。

与现有技术相比,本发明的有益效果及显著进步在于:

1)本发明提供的一种赋形波束定向天线,包括:

至少两个贴片天线排布在一个平面上组成的天线阵,多个单极子振子沿天线阵的外围设置组成的单极子阵列,金属桶状的天线支撑结构体的外部以套装方式间隔套装至少两个三维金属扼流槽组成的扼流槽结构体,组成扼流槽结构体的各三维金属扼流槽的高度从内到外依次降低,且低于天线支撑结构体的高度,天线阵安装在天线支撑结构体的顶部,罩壳覆罩着单极子阵列和天线阵以及扼流槽结构体并固定在组成扼流槽结构体最外层的三维金属扼流槽的底部,以此构成用于卫星导航接收机进行卫星导航信号定向收发的赋形波束定向天线;

2)本发明提供的赋形波束定向天线,通过:

设置不同尺寸辐射层叠层放置的贴片天线,使得本发明提供的赋形波束定向天线能在双频带工作;

在临近低频馈电点处放置金属隔离柱以连接金属地和第二辐射贴片,提高了双频天线间的隔离度;

沿天线阵的外围设置单极子阵列,使得天线阵的辐射场在单极子阵列上产生散射,提高了本发明提供的赋形波束定向天线的低仰角增益;

将天线阵安装在套装着扼流槽结构体的天线支撑结构体上,降低了天线阵后向的辐射性能,从而提高了本发明提供的赋形波束定向天线对多径效应的抑制能力;

3)本发明提供的赋形波束定向天线,通过整体的对称性设计,包括天线阵中贴片天线的对称布置、各贴片天线馈点的对称布置、以及采用对称结构的三维金属扼流槽组成扼流槽结构体等,使得本发明提供的赋形波束定向天线能够具有极佳的相位中心精度;

4)本发明提供的赋形波束定向天线,整体结构紧凑,集成度高,便于装配和使用,且天线支撑结构体内预留较大的空间便于TR组件的安装,有利于拓展应用,能够适应特殊场景赋形波束的应用要求,极具推广和应用价值。

附图说明

为更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对本发明的实施例所使用的附图作一简单介绍。

显而易见地:

下面描述中的附图仅是本发明中的部分实施例的附图,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图,但这些其他的附图同样属于本发明实施例所需使用的附图之内。

图1为本发明提供的一种赋形波束定向天线的立体分解结构示意图;

图2为本发明提供的一种赋形波束定向天线除去罩壳后的主视结构示意图;

图3为本发明提供的一种赋形波束定向天线中组成天线阵的各贴片天线其第一辐射层与第二辐射层复合在一起时的俯视结构示意图;

图4为本发明提供的一种赋形波束定向天线中组成天线阵的各贴片天线其馈电层的接线示意图。

图中:

10-罩壳,20-贴片天线,30-单极子振子,40-天线支撑结构体,50-三维金属扼流槽;

21-第一辐射层,22-第二辐射层,23-馈电层,24-金属隔离柱;

231-第一辐射层馈电网络、232-第二辐射层馈电网络。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚,下面,将结合本说明书提供的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例,而不是全部的实施例;

基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

需要说明的是:

本发明的说明书和权利要求书以及本发明实施例附图中的术语“首先”、“其次”等,仅是用于区别不同的对象,而非用于描述特定的顺序;

此外,术语“包括”以及它们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可选地还包括没有列出的步骤或单元,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是:

在本发明实施例的描述中,使用到的一些指示性方位或位置用词,仅为基于本发明实施例附图所示的方位或位置关系,是为了便于描述本发明的实施例和简化说明,而不是指示或暗示所述的装置或元件必须具有的特定方位、特定的方位构造和操作,因此,不能理解为是对本发明的限制。

在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接或活动连接,亦可是成为一体;可以是直接连接,也可以是通过中间媒介的间接,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是:

以下的具体实施例可以相互结合,对于其中相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

下面,以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例

如图1本发明提供的一种赋形波束定向天线的立体分解结构示意图、图2本发明提供的一种赋形波束定向天线除去罩壳后的主视结构示意图所示:

一种赋形波束定向天线,用于卫星导航接收机进行卫星导航信号的定向收发,包括:

罩壳10、贴片天线20、单极子振子30、天线支撑结构体40和三维金属扼流槽50,其中:

至少两个贴片天线20对称布置在一个平面上组成天线阵;

多个单极子振子30安装在天线阵上组成单极子阵列,且各单极子振子30沿天线阵的外围设置;

天线支撑结构体40为一金属桶状构件;

至少两个三维金属扼流槽50以套装方式套装在天线支撑结构体40外组成扼流槽结构体,组成扼流槽结构体的各三维金属扼流槽50的高度从内到外依次降低,且扼流槽结构体中最里层的三维金属扼流槽50的高度低于天线支撑结构体40的高度,各三维金属扼流槽50之间、以及三维金属扼流槽50与天线支撑结构体40之间设置有间隙;

天线阵安装在天线支撑结构体40的顶部,且单极子阵列位于扼流槽结构体的上方;

罩壳10覆罩着单极子阵列和天线阵以及扼流槽结构体,且罩壳10的底部固定在组成扼流槽结构体的最外层一个三维金属扼流槽50的底部。

进一步的,作为一种可选的实施方式,从图1和图2中可以看到,本实施例中:

天线阵由两片贴片天线20并列布置组成双元矩形天线阵;

单极子阵列为由至少8个单极子振子30分列于双元矩形天线阵外周组成的矩形阵列,且各贴片天线20周围设有相同数目的单极子振子30;

天线支撑结构体40为一金属矩形桶状构件;

三维金属扼流槽50为与天线支撑结构体40形状匹配的矩形结构件,扼流槽结构体从内到外由三个从小到大的三维金属扼流槽50构成。

进一步的,如图3本发明提供的一种赋形波束定向天线中组成天线阵的各贴片天线其第一辐射层与第二辐射层复合在一起时的俯视结构示意图,以及图4本发明提供的一种赋形波束定向天线中组成天线阵的各贴片天线其馈电层的接线示意图所示,本实施例中:

贴片天线20从上至下包括第一辐射层21、第二辐射层22和馈电层23,且第二辐射层22的面积大于第一辐射层21的面积;

单极子振子30安装在第一辐射层21的平面上,馈点设置在第一辐射层上21和第二辐射层22上;

馈电层23上设置有第一辐射层馈电网络231和第二辐射层馈电网络232,第一辐射层馈电网络231通过其探针为第一辐射层21的馈点馈电,第二辐射层馈电网络232通过其探针为第二辐射层22的馈点馈电。

进一步的,作为一种可选的实施方式,从图3中还可以看到,本实施例中:

第一辐射层21与第二辐射层22皆为方形,且

方形的第二辐射层22其四个直角皆被裁去,第二辐射层22所裁区域的大小及形状以第二辐射层22能够适应平面布置的需要为准,本实施例中,方形的第二辐射层22其四个直角皆被裁去一个三角形的区域。

进一步的,本实施例中:

第一辐射层21与第二辐射层22各自分别具有两个馈点,第一辐射层馈电网络231通过其两个探针分别给予第一辐射层21的两个馈点馈电,第二辐射层馈电网络232通过其两个探针分别给予第二辐射层22的两个馈点馈电。

进一步的,从图4中可以看出,作为一种可选的技术方案,本实施例中:

第一辐射层馈电网络231和第二辐射层馈电网络232各自分别包括一组两级功分器,两级功分器的第一级功分器由一个威尔金森功分器组成,两级功分器的第二级功分器由两个威尔金森功分器组成,威尔金森功分器包括合路端和分路端,其中,组成第二级功分器的两个威尔金森功分器各自的合路端相互间的相位差为180°,组成第二级功分器的各威尔金森功分器各自的分路端相互间的相位差为90°。

进一步的,从图3中可以还可看出,作为一种可选的技术方案,本实施例中:

第一辐射层21其探针的周围与馈电层23之间还设有金属隔离柱24,且金属隔离柱24处于馈电层23与第二辐射层22之间。

通过以上描述,可以看出:

首先,本实施例提供的一种赋形波束定向天线,包括:

至少两个贴片天线排布在一个平面上组成的天线阵,多个单极子振子沿天线阵的外围设置组成的单极子阵列,金属桶状的天线支撑结构体的外部以套装方式间隔套装至少两个三维金属扼流槽组成的扼流槽结构体,组成扼流槽结构体的各三维金属扼流槽的高度从内到外依次降低,且低于天线支撑结构体的高度,天线阵安装在天线支撑结构体的顶部,罩壳覆罩着单极子阵列和天线阵以及扼流槽结构体并固定在组成扼流槽结构体最外层的三维金属扼流槽的底部,以此构成用于卫星导航接收机进行卫星导航信号定向收发的赋形波束定向天线;

其次,本发明提供的赋形波束定向天线,通过:

设置不同尺寸辐射层叠层放置的贴片天线,使得本发明提供的赋形波束定向天线能在双频带工作;

在临近低频馈电点处放置金属隔离柱以连接金属地和第二辐射贴片,提高了双频天线间的隔离度;

沿天线阵的外围设置单极子阵列,使得天线阵的辐射场在单极子阵列上产生散射,提高了本发明提供的赋形波束定向天线的低仰角增益;

将天线阵安装在套装着扼流槽结构体的天线支撑结构体上,降低了天线阵后向的辐射性能,从而提高了本发明提供的赋形波束定向天线对多径效应的抑制能力;

再次,本实施例提供的赋形波束定向天线,通过整体的对称性设计,包括天线阵中贴片天线的对称布置、各贴片天线馈点的对称布置、以及采用对称结构的三维金属扼流槽组成扼流槽结构体等,使得本发明提供的赋形波束定向天线能够具有极佳的相位中心精度;

综上所述,可以看出:

本发明提供的赋形波束定向天线,能够进行双频段带收发、且具有双圆极化、高低仰角增益、高相位中心精度的品质特性,整体结构紧凑,集成度高,便于装配和使用,天线支撑结构体内预留了较大的空间便于TR组件的安装,有利于进一步的拓展应用,能够适应特殊场景赋形波束的应用要求,满足卫星导航接收机进行卫星导航信号的定向收发需要,极具推广和应用价值。

需要说明的是:

在上述说明书的描述过程中,术语“本实施例”、“本发明实施例”、“如……所示”、“进一步的”等的描述,意指该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中,在本说明书中,对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例,而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点等可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合或组合。

此外,在不产生矛盾的前提下,本领域的普通技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合或组合。

最后应说明的是:

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非是对其的限制,尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换,而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换,均属本发明所要求保护的范围。

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